[發明專利]實時監測火焰熱釋放率脈動的太赫茲裝置及測量方法

有效

• 申請號: 202110382379.7
• 申請日: 2021-04-09
• 公開（公告）號: CN113281297B
• 公開（公告）日: 2023-01-17
• 發明（設計）人: 宋艷;楊立軍;李敬軒;劉虎
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01N21/3586
• 分類號: G01N21/3586
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

本發明涉及一種實時監測火焰熱釋放率脈動的太赫茲裝置及測量方法，裝置包括激光器、分束鏡、聚焦透鏡、拋物面鏡、反射鏡、太赫茲產生及感應晶體、鎖頻控制系統、信號觸發系統、信號采集系統、計算機。泵浦和探測飛秒激光器發出激光經分束鏡后分成泵浦鎖頻、泵浦測量和探測鎖頻、探測測量激光，泵浦和探測鎖頻激光用以控制兩激光器的重復頻率差，泵浦和探測測量激光再次被分束鏡分成泵浦觸發、泵浦測試激光和探測觸發、探測測試激光，泵浦觸發和探測觸發激光用于觸發數據采集系統，泵浦測試激光用于產生太赫茲波并與待測火焰相互作用，探測測試激光經反射后由信號采集系統采集并由計算機分析解析出其中火焰的信息。本發明可應用于不穩定燃燒檢測，具有安全、信噪比高等特點。

技術領域

本發明屬于燃燒檢測技術領域，特別是涉及一種實時監測火焰熱釋放率脈動的太赫茲裝置及測量方法。

背景技術

燃燒不穩定性廣泛地存在于航空、航天發動機研制過程中，是制約航天事業的發展的瓶頸問題。在實際的燃燒室內，受高溫、高壓的影響，容易造成系統流體流動、燃燒及聲學擾動的耦合，就可能發展為自激振蕩或增幅振蕩，導致燃燒室壓力及熱釋放急劇脈動，造成燃燒室性能的下降，甚至產生結構性破壞。在燃燒不穩定性分析過程中，燃燒熱釋放率的動態測量是最為關鍵的環節，燃燒熱釋放率的實時準確測量對于燃燒不穩定機理的認識、預測及控制等方面都具有重要的意義。對于實際的發動機的高頻不穩定燃燒，受測量儀器和監測手段的限制，很難對非預混燃燒模式的壓力、溫度、熱釋放率等參數進行時間分辨測量，因此特別需要將新型技術應用到高頻不穩定燃燒參數的測量和分析之中，從而推動不穩定燃燒機理認識和預測模型的建立。

目前熱釋放率測量多基于測量燃燒中間產物濃度，應用最為廣泛的主要有兩種方法：化學發光法和激光誘導熒光法。其中，化學法光法主要利用燃燒過程中OH*、CH*和C2*等自由基由激發態躍遷回基態過程中所輻射特定波長的光進行直接成像，并以此為基礎得到火焰表面積的定性分析，進而獲得火焰的熱釋放量。但是該方法局限于預混燃燒模式，對于湍流度較高的非預混火焰，則需考慮湍流度、火焰表面褶皺、燃料空氣組分、溫度和壓力等對自由基的影響，從而限制了該方法的適用性。此外，化學發光法測量的是沿光線傳播方向的累積結果，很難得到空間分辨的信息。激光誘導熒光法雖然能夠提供燃燒熱釋放率的定性的空間分辨數據，但是需要根據OH*和CH*等中間產物的頻率預先調制激光波長。同時，受激光器重復頻率及脈沖能量的限制，利用該方法獲取熱釋放率的時間分辨數據較為困難，并且該方法同樣局限于中低頻的預混燃燒。隨著科學、技術的進步，研究適用于非預混火焰高頻燃燒熱釋放率的快速、高靈敏測量方法既有助于加深對燃燒不穩定機理的研究，又有助于對燃燒不穩定進行預測和控制。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種實時監測火焰熱釋放率脈動的太赫茲裝置及測量方法，提高現有測量方法的精度和測量速度，實現預混及非預混火焰高頻不穩定性的分析。

本發明所采用的技術方案如下：

本發明公開了一種實時監測火焰熱釋放率脈動的太赫茲裝置，包括泵浦飛秒激光器、探測飛秒激光器、分束鏡、鎖頻控制系統、信號觸發系統、太赫茲波產生裝置、信號采集系統和計算機。

所述泵浦飛秒激光器和探測飛秒激光器用于產生泵浦光束和探測光束；所述泵浦光束和探測光束分別通過分束鏡一和分束鏡三分束，反射的泵浦鎖頻激光和探測鎖頻激光光束進入所述鎖頻控制系統；經分束鏡一和分束鏡三透射的光束再次分別被分束鏡二和分束鏡四分束，反射的泵浦觸發激光和探測觸發激光光束進入所述信號觸發系統，產生觸發信號進入所述信號采集系統；透過分束鏡二的泵浦測試激光進入所述太赫茲波產生裝置，產生測量太赫茲脈沖及參考太赫茲脈沖；所述信號采集系統包括信號采集系統一、信號采集系統二，透過分束鏡四的探測測試激光被分束鏡五分束后，反射的探測測試激光進入信號采集系統二，透射的探測測試激光進入信號采集系統一；信號采集系統輸出信號被所述計算機所采集。