[發明專利]一種高頻動態火焰溫度測量方法與系統

有效

• 申請號: 202011582992.5
• 申請日: 2020-12-28
• 公開（公告）號: CN112629670B
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發明（設計）人: 劉訓臣;齊飛;王雅瑤;王紹杰
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01J5/00
• 分類號: G01J5/00
• 代理公司: 上海上谷知識產權代理有限公司 31342
• 代理人: 蔡繼清

本發明涉及一種高頻動態火焰溫度測量方法及系統。本方法采用兩個不同波長的種子激光，通過光纖耦合器注入固體激光器進行能量放大；通過光開關快速切換注入的激光波長，得到快速切換波長的激光脈沖，通過同一個相機進行雙脈沖激光成像。脈沖信號的延遲與脈沖寬度等時序參數由一個時間精確度達到皮秒級的延時發生器提供，并通過光開關與成像系統之間的時序配合實現對二維溫度場激光誘導熒光信號的同步捕捉與干擾排除功能。相較于之前采用兩套不同波長成像的傳統雙線測溫方法，本發明具有單相機成像質量高、控制系統簡約、光路設置簡單等優點。

技術領域

本發明涉及火焰溫度測量技術，具體地涉及一種高頻動態火焰溫度測量方法與系統。

背景技術

燃氣輪機作為熱-功轉換的重要設備，也是一種可以實現低污染燃燒的主要手段。研究燃氣輪機的燃燒機理對于提高燃燒效率減少污染物排放具有重要意義，而溫度又是燃燒過程中的關鍵參數。對火焰溫度測量技術的研究與改進，無論對燃燒過程中反應機理的理論研究，還是對開發新型低污染機型，以及研究燃氣輪機工作穩定性都具有重要的實用價值。

近年來研究人員將PLIF技術應用于燃燒場測溫的方案主要是雙線PLIF測溫方法，PLIF技術能夠獲得燃燒場中某些基團(CH2O，NO，CH，OH)等的二維成像，因此能夠實現具有時空分辨率的溫度場測量，且在理論上能夠避免壓力、自由基濃度與熒光猝滅效應的影響。該方法原理是使用兩束不同波長的激光幾乎在同時激發某種基團處于同一振動能級的不同轉動能級上，計算相應熒光信號的比率就可以獲得火焰溫度，將每個像素點進行熒光信號-溫度轉化后就可以得到二維整場溫度。雙線PLIF測溫方法的公式為：其中，ΔE₁₂為下能級上兩個被激發的轉動能級1和2之間的能級間隔；k為玻爾茲曼常數；R為兩能級對應熒光信號的比率；I₁與I₂分別為對應兩個轉動能級激發波長的能量。因此，只要測得兩條不同激發線的PLIF圖像和激光能量信號就能夠處理得到火焰中的二位溫度場分布。

傳統的雙線PLIF測溫一般采用兩種方案實現過程，第一種方案是采用兩臺不同波長的激光器，使得其波長分別固定在基團兩個轉動能級的吸收峰位置進而實現短時間間隔內的熒光信號測量，但這一過程存在著光路耦合困難、多臺儀器實驗狀態難以調節一致、以及雙波長激光器控制系統冗雜的問題；第二種方案是采用可調諧激光器進行快速波長掃描，從而實現短時間內兩個峰位置的波長切換，此過程存在的問題是無法保證在極短時間內完成波長切換從而無法完成雙峰同步測量，從而無法實現狀態變化極快的高度湍流溫度場測量。

發明內容

本發明的目的是提供一種高頻動態火焰溫度測量方法與系統，以解決上述問題。為此，本發明采用的技術方案如下：

根據本發明的一方面，提供了一種高頻動態火焰溫度測量系統，其可包括第一種子激光發生器和第二種子激光發生器、第一聲光調制模塊和第二聲光調制模塊、第一數字延時信號發生器、光纖耦合器、光強測量裝置、固體激光器、點—面光路轉換組件、高速相機、像增強器和計算機，所述第一種子激光發生器和所述第二種子激光發生器分別用于產生第一種子激光和第二種子激光，并通過相應光纖分別與所述第一聲光調制模塊和第二聲光調制模塊的進口連接，所述第一數字延時信號發生器用于對所述第一聲光調制模塊和第二聲光調制模塊進行通斷控制，所述第一聲光調制模塊和第二聲光調制模塊的出口通過相應光纖連接至所述光纖耦合器，所述光纖耦合器通過出口光纖連接至所述固體激光器的入口，所述固體激光器用于將所述光纖耦合器輸出的激光倍頻、調制并放大成總頻率為40KHZ的雙脈沖激光信號，所述光強測量裝置在所述固體激光器的出光口附近并與所述計算機電連接，用于測量所述雙脈沖激光信號的光強，所述點—面光路轉換組件布置在所述固體激光器的出光口附近，用于將點狀雙脈沖激光轉換成平面雙脈沖激光，以使火焰誘導出熒光信號；所述高速相機與所述點—面光路轉換組件分別布置在待測火焰的兩側上，位于火焰中心平面上；所述高速相機用于拍攝熒光信號，所述高速相機和所述像增強器與所述計算機電連接，所述計算機用于根據光強信息和平面激光誘導熒光信號計算得到火焰的二維溫度場分布。