CN103760142A

CN103760142A - 一种燃油喷嘴液滴空间分布光学测量方法及装置

Info

Publication number: CN103760142A
Application number: CN201410016338.6A
Authority: CN
Inventors: 刘存喜; 刘富强; 杨金虎; 穆勇; 徐纲
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2014-01-14
Filing date: 2014-01-14
Publication date: 2014-04-30

Abstract

本发明公开了一种燃油喷嘴液滴空间分布光学测量方法及装置，利用航空煤油中的芳香族化合物在波长为266nm的紫外光激发下能够发出红移的荧光信号，并且设计了激光能量在雾锥中衰减引起燃油空间分布测量误差的校正方案。其特征在于可以快速准确的测量燃油雾锥中液滴的空间分布，具有不干扰流场的优点，可以得到瞬态和时间平均结果，解决了燃油累积法只能测量平均结果的不足。本发明的燃油喷嘴液滴空间分布光学测量方法可以用于航空发动机或内燃机燃油喷嘴雾锥中液滴空间分布特性的测量，对于不含荧光组分的燃油，需添加示踪剂。

Description

一种燃油喷嘴液滴空间分布光学测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种燃油喷嘴液滴空间分布光学测量方法及装置，尤其涉及一种利用RP-3航空煤油中的芳香族化合物在波长为266nm的紫外光激发时发出的荧光信号用于燃油空间分布测量的光学测试及误差校正技术。

背景技术

发展先进的燃气轮机燃烧室技术主要依靠良好的雾化、空气和燃料快速并且均一的掺混，这种方式可以避免对燃烧性能、污染物排放和发动机寿命不利的条件出现。液滴平均粒径、粒径分布和燃油空间分布等雾化特性都对燃烧室的性能具有重要的影响。

为提高燃烧效率、降低污染物排放和优化燃烧室出口温度分布，除保证液滴足够小使蒸发过程不是燃烧效率的决定因素外，燃烧室中燃料分布要均匀，因此雾锥燃油空间分布是雾化特性的一重要方面。人为的观察很难发现雾锥的非对称性，除非雾锥非对称性特别严重。因此，对于喷嘴的设计和雾化质量检测需要定量的分析燃油空间分布特性。雾锥中燃油的空间分布特性一般通过径向和周向分布不均匀度表示，其测量方法可以分为两大类：接触式的传统测量方法和非接触式的光学测量方法。燃油径向分布不均匀度传统的检测方法是在喷嘴下方沿径向等角度或等距离布置若干量筒，由量筒中的燃油高度得到燃油沿径向的分布。燃油周向分布不均匀度传统的检测方法是将喷嘴处于中心，喷嘴雾锥的下部周向分为若干扇形区域，一般为12或16个（见图1），把每个扇形区域中的燃油分别收集到容器中，每个容器中燃油量的标准误差表示燃油周向分布不均匀度。虽然传统的检测方法可以给出燃油的空间分布特性，但介入式的传统方法中收集燃油容器的加工精度，对雾锥及周围空气流场的影响，以及燃油喷嘴的安装精度都对周向与径向分布均匀性有较大的影响，测量精度不高。传统的径向和周向两次测量经常产生较大的不重复性。另外，传统的检测方法只能测量一定时间区间内的平均值，不能测量燃油的瞬态分布。非介入式激光诊断方法的出现，解决了介入式方法对雾锥及流场影响的问题。用于流量显示、粒径和燃油分布测量的激光诊断技术包括粒子图像测速仪(PIV)、平面激光诱导荧光(PLIF)、相位多普勒粒子分析仪（PDPA）和平面激光散射方法（PLS）等。基于Lorenz-Mie散射理论的PLS方法已经在雾锥空间分布特性的测量中得到应用，但PLS方法在粒径小于50μm的局部区域，散射信号的强度大于实际的燃油质量分布，因此粒径小于50μm的局部区域，PLS方法测量的燃油质量分布偏大。PLIF方法基于燃油中添加的荧光染料在一定波长的光照射时发出荧光，荧光信号的强度和粒径的立方成正比。但PLIF方法只能用于液滴浓度比较稀疏的雾锥，在液滴浓度较大雾锥中激光强度在测试区沿光程方向成指数减弱，导致沿光程测试区后部激光强度很弱，因此，沿光程测试区后部荧光信号很弱，引起燃油分布测量误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为克服上述现有技术的缺点和不足，本发明采用燃油激光诱导荧光方法实现燃油喷嘴雾锥中液滴空间分布特性测量，设计了燃油分布光学测量试验方案和图像处理方案，并设计了激光能量在雾锥中衰减引起燃油分布测量误差的校正方案，提高了燃油分布光学测量的速度和精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种燃油喷嘴液滴空间分布光学测量方法，所述燃油喷嘴喷射的燃油在其正下方形成雾锥，所述燃油中含有示踪组分，其特征在于，所述测量方法包括，

--在所述燃油喷嘴的正下方一定距离处投射一激光片光源，所述片光源垂直于所述雾锥的中心轴，所述雾锥在片光源的空间位置处的横截面构成一雾锥周向测试平面，或，所述片光源平行于所述雾锥的中心轴，所述雾锥在片光源的空间位置处的截面构成一雾锥轴向测试平面；

--当所述片光源垂直于所述雾锥的中心轴布置时，在所述雾锥周向测试平面的侧下方或侧上方布置一图像采集装置，并与所述雾锥周向测试平面成一定角度，所述图像采集装置采集所述雾锥周向测试平面中的燃油分布图像；当所述片光源平行于所述雾锥的中心轴布置时，垂直于所述轴向测试平面布置一图像采集装置，采集所述雾锥轴向测试截面的真实燃油分布图像；

--所述图像采集装置的镜头前布置一滤光片，所述滤光片用以分离散射信号和荧光信号，使所述图像采集装置只采集荧光信号；

--当所述片光源垂直于所述雾锥的中心轴布置时，对燃油空间分布测量进行误差校正，校正因激光强度在雾锥的衰减给燃油分布质量测量所产生的误差，同时校正由于所述图像采集装置拍摄位置引起的雾锥周向测试平面中局部光程不同所产生的测量误差：完成一次测量后，保持图像采集装置和试验状态参数保持不变，将所述燃油喷嘴旋转180°进行第二次测量，将第二次测量得到的图像再以燃油喷嘴中心为原点旋转180°，并与第一次测量得到的图像合成为一张图像；

--分析图像，确定液滴的空间分布情况。

优选地，所述燃油采用国产RP-3航空煤油为工质，采用其它燃料为工质时需要添加示踪剂。

优选地，所述图像采集装置为增强型CCD相机。优选地，所述增强型CCD相机包括依次连接的紫外镜头、图像增强器、CCD相机。进一步优选地，设置时间同步控制器同时向所述图像增强器和CCD相机发射TTL信号，控制所述图像增强器和CCD相机的快门打开时间。

优选地，所述激光为波长为266nm的激发光。进一步优选地，所述片光源由YAG激光器发出的激光束通过激光导光臂进入片光源成型光学元件而形成，所述片光源的厚度约为1mm。

优选地，当所述片光源垂直于所述雾锥的中心轴布置时，所述CCD相机采集到的所述雾锥周向测试平面中的燃油分布图像存在几何变形，通过图像几何校正得到所述雾锥周向测试平面的真实图像。

优选地，当所述片光源垂直于所述雾锥的中心轴布置时，所述CCD相机与所述雾锥周向测试平面成30-60度夹角。

优选地，当所述片光源垂直于或平行于所述雾锥的中心轴布置时，需要进行背景校正，消除周围环境中的可见光对燃油空间分布测量的影响。

在国内首次实现了RP-3航空煤油-激光诱导荧光用于燃油喷嘴空间分布测量，并设计燃油分布测量误差校正方案，提高了测量精度。利用航空煤油中的芳香族化合物在紫外光照射下，芳香族化合物跃迁到激发态，随后衰减发出发生红移的荧光信号。设计了光学测量试验装置，片光源垂直于雾锥中心轴，相机位于测试平面的测下方，结合滤光片分离散射信号和荧光信号，使增强型CCD相机只采集荧光信号。在不同的相机门宽下，确定了最佳的激光器激光发射和相机快门打开的时间延迟dt，使荧光信号产生的时间段在相机的门宽时间段之内，能保证采集到清晰的荧光信号图像。通过几何尺寸校正相机采集的几何变形的雾锥横截面图像，得到真实的雾锥横截面图像。通过在雾锥两侧分别入射激光进行两次测量，然后把第二次测量得到的图像旋转180°与第一次测量得到的图像合并，消除激光能量在雾锥中衰减引起的测量误差。

根据本发明的一方面，还提供了一种燃油分布光学测量的试验装置，包括燃油喷嘴、片光源形成装置、图像采集装置，其特征在于，所述燃油喷嘴喷射的燃油在其正下方形成雾锥，所述片光源形成装置在所述燃油喷嘴的正下方投射一片光源，所述片光源垂直于所述雾锥的中心轴，所述雾锥在片光源的空间位置处的横截面构成一雾锥周向测试平面，或，所述片光源平行于所述雾锥的中心轴，所述雾锥在片光源的空间位置处的截面构成一雾锥轴向测试平面；当所述片光源垂直于所述雾锥的中心轴布置时，在所述雾锥周向测试平面的侧下方或侧上方布置一图像采集装置，并与所述雾锥周向测试平面成一定角度；当所述片光源平行于所述雾锥的中心轴布置时，垂直于所述轴向测试平面布置一图像采集装置；所述图像采集装置的镜头前布置一滤光片；所述试验装置还包括相互通信连接的控制装置和时间同步控制器，所述时间同步控制器通信连接所述片光源形成装置和图像采集装置。

优选地，所述图像采集装置为增强型CCD相机，包括依次连接的滤光片、紫外镜头、图像增强器、CCD相机，所述时间同步控制器同时与所述图像增强器和CCD相机通信连接。

所述片光源形成装置包括依次连接的YAG激光器、激光导光臂、片光源成型光学元件。

所述控制装置为PC机。

根据本发明的一方面，提供了一种燃油喷嘴雾锥中燃油或液滴空间分布测量的光学测量方法，其特征在于，基于国产RP-3航空煤油，利用燃油中的荧光组分，结合燃油的激光诱导荧光技术实现燃油喷嘴雾锥中燃油空间分布测量的光学测量方法。航空煤油中的芳香族化合物在紫外光激发下进入激发态，随后由激发态衰减发出红移的荧光信号，采用光学滤波片把激发光在液滴表面的散射信号和荧光信号分离，只让荧光信号通过滤光片，采用增强型CCD相机采集荧光信号。

优选的，采用波长为266nm的光源为激发光。

优选的，本发明中采用国产RP-3航空煤油为工质，采用其它燃料为工质时需要添加示踪剂。

优选的，所述光学滤波片采用长通滤波片实现散射信号和荧光信号的分离，实验环境在暗室中进行，避免周围环境中可见光对光学测量的影响。

根据本发明的另一方面，提供了一种燃油分布光学测量的试验方案，所述试验方案包括光学元件的布置和试验件的布置。本试验方案中片光源垂直于试验件轴向时，相机位于测试平面的侧下方或侧上方，得到燃油喷嘴雾锥周向截面中的燃油分布，直接采集到的图像存在几何变形，通过图像几何校正得到雾锥横截面的真实图像。当片光源平行于试验件轴向时，相机垂直于测试平面，能得到雾锥轴向截面的真实燃油分布图像。在两种燃油分布测量方案中，都需要背景校正，以消除周围环境中的可见光对燃油空间分布测量的影响。

优选的，本试验方案中片光源垂直于试验件轴向，相机位于测试平面的侧下方，于测试平面成30-60度。

优选的，本试验装置中，图像增强器的门宽为100ns。

根据本发明的另外一方面，提供了一种燃油空间分布测量误差校正方法。为校正激光强度在雾锥的衰减给燃油分布质量测量所产生的误差，采取了把喷嘴在同一位置旋转180°的方法（见图3）。在一次测量完成后，图像采集和试验状态参数都保持不变，把喷嘴旋转180°进行第二次测量。喷嘴旋转180°后得到的图像再以喷嘴中心为原点旋转180°，这样两次测量CCD相机得到的图像是同一个雾锥横截面，采集的图像见图3。两次测量时，激光分别位于喷嘴的两侧B和D，两次的测量结果使用图像处理软件合成为一张图像。这时，激光在雾锥横截面中的衰减通过分别从喷嘴的两侧射入激光而抵消。另外，两次测量时相机分别位于喷嘴的A侧下方和C侧下方，此方法可以校正由于相机拍摄位置引起的雾锥横截面中局部光程不同所产生的测量误差。

本发明的特点是采用非介入式光学测量方法不影响流场，采用燃油激光诱导荧光方法进行燃油分布测量可以快速、准确的测量雾锥中不同截面内的燃油空间分布，相对于平面激光散射和基于单点测量的相位多普勒粒子分析仪，平面激光诱导荧光方法提高了测量速度和精度。本发明中的燃油误差校正方法进一步解决了平面激光诱导荧光方法在液滴浓度较大的雾锥中存在的激光能量衰减问题，扩宽了燃油激光诱导荧光方法的应用范围。

本发明的原理：根据Baranger等人的研究，航空煤油中的某些芳香族化合物（1,2,4-三甲基苯、萘、1-甲基萘和1,3-二甲基萘等）在紫外光的照射下能够发出荧光。如图2所示，片光源的厚度为h，和片光源相交的雾锥是测试区，测试区中面积为δA某一小块的体积为δV=h·δA，从体积为δV的测试区中发出的荧光光子数是和曝光时间、片光强度和测试区中荧光组分的分子数成正比的，假设荧光组分浓度在煤油中是均一的，则发出的光子数和δV的测试区中航空煤油的质量成正比。相机曝光时间（τ）一定，假设片光强度在整个测试区中是均一的，则体积为δV的测试区中的荧光信号强度和此局部的煤油质量成正比。

本发明与现有技术相比所具有的优点：

（1）本发明采用非介入式光学测量方法，不干扰流场。

（2）相对于介入式的燃油收集法和基于单点测量的激光多普勒粒子分析仪，本发明可以进行燃油分布瞬态特性的测量，提高了测量的时间分辨率。

（3）燃油空间分布误差校正方法解决了激光能量在雾锥中衰减引起的测量误差，提高了激光诱导荧光燃油空间分布测量精度，同时，使燃油激光荧光燃油分布测量方法能用于液滴浓度较大的雾锥中，扩宽了激光诱导荧光方法在燃油空间分布测量中的应用范围。

附图说明

图1是燃油喷嘴雾锥及横截面；

图2是本发明的燃油空间分布测试光学元件及试验件布置图；

图3是本发明的燃油空间分布测量误差校正方案示意图。

其中1是PC机，2是YAG激光器，3是激光导光臂，4是片光源成型光学元件，5是燃油喷嘴，6是测试区，7是燃油喷嘴雾锥，8是滤光片，9是紫外相机镜头，10是图像增强器，11是CCD相机，12是时间同步控制器，13是第一次燃油分布测量雾锥横截面位置，14是第一次燃油分布测量激光束及发射方向，15是第二次燃油分布测量雾锥横截面位置，16是第二次燃油分布测量激光束及发射方向，17是第二次燃油分布测量雾锥横截面旋转180°后的位置，18是第一次燃油分布测量雾锥横截面图像，19是第二次燃油分布测量雾锥横截面图像，20是第二次燃油分布测量雾锥横截面旋转180°后的图像，21是18和20合并后的雾锥横截面燃油分布图像。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对发明进一步详细说明。

图2是本发明的燃油空间分布测试光学元件及试验件布置图，整个光学测量***通过PC机1进行数据采集、控制和数据处理的。PC机1向时间同步控制器12发射TTL激发信号，YAG激光器2开始工作，发出的激光束通过激光导光臂3进入片光源成型光学元件4，形成厚度约为1mm的片光，片光源通过测试区6。燃油喷嘴5喷射的燃油形成雾锥7，雾锥7中的示踪剂在片光源的激发下进入激发态，随后发出荧光。荧光信号和散射信号通过滤光片8实现分离，只有荧光信号可以通过紫外镜头9。在时间同步控制器12向YAG激光器发射TTL信号的一定时间dt后，时间同步控制器12同时向图像增强器10和CCD相机11发射TTL信号，使图像增强器10和CCD相机11的快门打开，让荧光信号进入图像增强器10，荧光信号经图像增强器10进行放大，然后进入CCD相机11，保证CCD相机采集到清楚的强度相对较弱的激光诱导荧光信号。

图3是本发明的燃油空间分布测量误差校正方案示意图。首先进行第一次燃油分布测量，激光14从雾锥横截面13的B侧通过雾锥，通过图像采集得到燃油分布图像18。然后进行第二次燃油分布测量，把喷嘴位置旋转180°，保持激光发射方向不变，即雾锥横截面13变成雾锥横截面15，激光16从雾锥横截面的D侧通过雾锥，通过图像采集得到燃油分布图像19。最后进行图像后处理，首先把19旋转180°，得到燃油分布图像20。这时，燃油分布图像20相对于第一次测量的燃油分布图像18，就是分别从喷嘴截面13两侧B和D分别进行一次燃油分布测量。把第一次测量的燃油分布图像18和第二次测量并旋转180°的燃油分布图像合并，则去除激光能量在雾锥中衰减引起的测量误差，得到测量精度更高的燃油分布图像21。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种燃油喷嘴液滴空间分布光学测量方法，所述燃油喷嘴喷射的燃油在其正下方形成雾锥，所述燃油中含有示踪组分，其特征在于，所述测量方法包括，

--分析图像，确定液滴的空间分布情况。

2.根据权利要求1所述的燃油喷嘴液滴空间分布光学测量方法，其特征在于，所述方法利用国产RP-3航空煤油中的芳香族化合物在紫外光激发下能够发射荧光，述紫外光波长为266nm，荧光信号的波长范围280-360nm。

3.根据权利要求1所述的燃油喷嘴液滴空间分布光学测量方法，其特征在于，所述方法能够实现燃油喷嘴横向截面燃油周向分布测量。

4.根据权利要求1所述的燃油喷嘴液滴空间分布光学测量方法，其特征在于，激光器激光发射和相机快门打开的时间延迟间隔为390-450ns。

5.根据权利要求1所述的燃油喷嘴液滴空间分布光学测量方法，其特征在于，通过在雾锥两侧分别入射激光进行两次测量，然后把第二次测量得到的图像旋转180°与第一次测量得到的图像合并，消除激光能量在雾锥中衰减引起的测量误差。

6.根据权利要求1所述的燃油喷嘴液滴空间分布光学测量方法，其特征在于，所述图像采集装置为增强型CCD相机。优选地，所述增强型CCD相机包括依次连接的紫外镜头、图像增强器、CCD相机。进一步优选地，设置时间同步控制器同时向所述图像增强器和CCD相机发射TTL信号，控制所述图像增强器和CCD相机的快门打开时间。

7.根据权利要求1所述的燃油喷嘴液滴空间分布光学测量方法，其特征在于，所述片光源由YAG激光器发出的激光束通过激光导光臂进入片光源成型光学元件而形成，所述片光源的厚度约为1mm。

8.根据权利要求1所述的燃油喷嘴液滴空间分布光学测量方法，其特征在于，当所述片光源垂直于所述雾锥的中心轴布置时，所述CCD相机与所述雾锥周向测试平面成30-60度夹角。

9.根据权利要求1所述的燃油喷嘴液滴空间分布光学测量方法，其特征在于，当所述片光源垂直于或平行于所述雾锥的中心轴布置时，需要进行背景校正，消除周围环境中的可见光对燃油空间分布测量的影响。

10.一种用以实施上述权利要求所述测量方法的燃油分布光学测量的试验装置，包括燃油喷嘴、片光源形成装置、图像采集装置，其特征在于，所述燃油喷嘴喷射的燃油在其正下方形成雾锥，所述片光源形成装置在所述燃油喷嘴的正下方投射一片光源，所述片光源垂直于所述雾锥的中心轴，所述雾锥在片光源的空间位置处的横截面构成一雾锥周向测试平面，或，所述片光源平行于所述雾锥的中心轴，所述雾锥在片光源的空间位置处的截面构成一雾锥轴向测试平面；当所述片光源垂直于所述雾锥的中心轴布置时，在所述雾锥周向测试平面的侧下方或侧上方布置一图像采集装置，并与所述雾锥周向测试平面成一定角度；当所述片光源平行于所述雾锥的中心轴布置时，垂直于所述轴向测试平面布置一图像采集装置；所述图像采集装置的镜头前布置一滤光片；所述试验装置还包括相互通信连接的控制装置和时间同步控制器，所述时间同步控制器通信连接所述片光源形成装置和图像采集装置。