CN103983581B - 太赫兹波和红外光波联用测量气固射流场的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹波和红外光波联用测量气固射流场的方法和装置，联合运用太赫兹成像和红外光波热成像方法对气固两相射流流场进行全场测量；将太赫兹波整流成平行光线并穿透气固两相流场，分析经流场衰减后的太赫兹波谱，通过比对已知气体成分的太赫兹波谱，获得被测气固流场的气相场分布信息；加热固相颗粒至一定温度，并随气相射流进入被测流场区域，分布在流场中的固相颗粒向四周发射红外光波，采用红外热成像技术捕捉固相颗粒的运动轨迹和分布信息；通过联合运用太赫兹波成像和红外光波热成像两种成像方法同时并实时获取气固两相射流流场信息。本发明提供了一种新的同时测量气固两相流场的方法，***稳定性好，可行性大，测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种太赫兹波和红外光波联用测量气固射流场的方法和装置，属于多相流测量技术。
背景技术
气固两相射流是工程装置中普遍应用的一种流动方式，如一般工业中：电站煤粉锅炉煤粉射流燃烧；航天工业中：火箭燃烧喷出的射流。如何能够稳定燃烧、强化传热从而高效燃烧，目前虽然已经有一些经验性的公式以及设计，但对这种流动的机理仍然不是很清楚。因此随着科技的发展、设备的更新，对气固两相射流的研究以及相关实验测试技术得到了很大的重视和发展。
自20世纪80年代以来，众多学者寻求非接触测量流场的方法，发明了LDV、改进的LDV、PDA、PIV等非接触测量手段来直接或间接地研究两相流动流场的规律。LDV、PDA都是单点测量方法，粒子成像测速仪(PIV)是实验流体力学测量手段的新的飞跃，它突破了传统的单点测量的限制，是目前最先进的全场定量测量手段。针对单相的测量，目前的测量手段发展日趋成熟，但是仍然存在较大误差。PIV在测量气相时需要添加粒径很小的示踪颗粒来间接代替气相场，这本身误差就很大，在只测量颗粒相时，PIV则可直接测量示踪颗粒的速度，误差较小，发展较为成熟。但PIV在测量两相流场时，则需要同时添加两种示踪颗粒，一种代替气相场一种则是颗粒相，这种测量方法不仅小颗粒是间接反应气相场的运动，同时忽略了两种颗粒之间的碰撞，并且给后期图片信息处理带来很多麻烦。
到目前为止，还没有较为先进的测量方法能同时测量气固两相流场，并实现不干扰流场的测量。太赫兹波由于其特殊的频率范围，因此具有较强的穿透性且方向性好，红外光波热成像可以准确定位、定量、定性地分辨温度差为0.05℃的不同物体。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种太赫兹波和红外光波联用测量气固射流场的方法和装置，用于解决常规测量方法只能测量固相场的局限性、PIV测量方法以示踪颗粒流动行为表征气相场而不可避免引起误差、改进型PIV测量方法在同时测量气固场时无法忽略气相示踪颗粒对固相颗粒的碰撞影响等问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种太赫兹波和红外光波联用测量气固射流场的方法，联合运用太赫兹成像和红外光波热成像两种方法对气固两相射流流场进行全场测量，具体包括如下步骤：
(1)将太赫兹波整流成平行光线并垂直穿透气固两相流场，分析经流场衰减后的太赫兹波谱，通过比对已知气体成分的太赫兹波谱，获得被测气固流场的气相场分布信息；
(2)加热固相颗粒至一定温度，并随气相射流进入被测流场区域，分布在流场中的固相颗粒向四周发射红外光波，采用红外热成像技术捕捉固相颗粒的运动轨迹和分布信息；
(3)联合运用太赫兹波成像和红外光波热成像两种成像方法同时并实时获取气固两相射流场信息。
一种太赫兹波和红外光波联用测量气固射流场的装置，包括太赫兹波测量***、红外光波测量***和流场测试区，所述太赫兹波测量***的太赫兹波整流成平行光线后垂直穿透流场测试区，所述红外光波测量***对流场测试区内的固相颗粒向四周发射的红外光波进行捕捉。
一种具体方案为：
所述流场测试区包括射流喷嘴和流场测试空间，所述射流喷嘴设置在流场测试空间的上部中心轴线上，向流场测试空间内直接喷射气体和加热后的颗粒气固混合物；
所述太赫兹波测量***包括激光脉冲发射器、太赫兹波辐射源、发射侧平面镜、第一上下伸缩仪、接收侧平面镜、第二上下伸缩仪、太赫兹波探测晶体、时域光谱仪组成，激光脉冲发射器、太赫兹波辐射源、发射侧平面镜和第一上下伸缩仪布置于流场测试空间的一侧，接收侧平面镜、第二上下伸缩仪和太赫兹波探测晶体布置于流场测试空间的另一侧；所述发射侧平面镜置于第一上下伸缩仪上，接收侧平面镜置于第二上下伸缩仪上；激光脉冲发射器发出的激光激发太赫兹波辐射源，产生的平行光经发射侧平面镜反射后垂直穿透流场测试空间，再经接收侧平面镜反射后被太赫兹波探测晶体接收，时域光谱仪对太赫兹波探测晶体的接收信号光谱分析，将分析后信息发送给服务器；
所述红外光波测量***包括与服务器相连的红外成像仪，在红外成像仪中设置显微镜头；所述红外成像仪设置在流场测试空间的侧面，直接捕捉流场测试空间内的固相颗粒向四周发射的红外光波，调节显微镜头捕捉局部的颗粒发射的红外光波。
上述装置中，同时调节第一上下伸缩仪和第二上下伸缩仪，以维持发射侧平面镜和接收侧平面镜在适配高度，能够改变所测量的高度。
有益效果：本发明提供的太赫兹波和红外光波联用测量气固射流场的方法和装置，相对于现有技术，具有如下优点：1、突破了以往的单点测量，可以对气固两相流场的全场测量；2、本发明使用的太赫兹波成像和红外光波成像均是对流场无损测量的方法，提高了测量精度，直接对气固两相射流流场进行测量，不需要使用探针等破坏流场，也不需要在流场中添加示踪粒子；3、本发明使用的太赫兹波具有强穿透性且方向性好，由于其特殊的频率范围，不易发生衍射和折射，测量结果更为精确；4、本发明使用的红外线热成像仪能够准确定位、定性、定量地测量温差在0.05℃的不同物体，提高了所捕捉的颗粒场流场的准确性；5、本发明利用太赫兹波成像测量气相场，利用红外线热成像测量固相场，两者相互耦合，同时得到了气固两相射流流场的信息；6、本发明使用一组太赫兹波辐射源和太赫兹波探测晶体，扩大了测量范围，实现对整个截面的测量，同时提高了测量速度；7、本发明使用两扇可上下平移的平面镜，通过同时调节第一、第二上下伸缩仪，来调节两侧平面镜的高度，从来实现测量流场不同截面的流场信息，实现了真正的全场测量；8、本发明在红外热成像仪中添加显微镜头，通过调节显微镜头，可以选择性捕捉局部颗粒运动。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种太赫兹波和红外光波联用测量气固射流场的装置，包括太赫兹波测量***、红外光波测量***和流场测试区，所述太赫兹波测量***的太赫兹波整流成平行光线后垂直穿透流场测试区，所述红外光波测量***对流场测试区内的固相颗粒向四周发射的红外光波进行捕捉。具体结构如下。
所述流场测试区包括射流喷嘴5和流场测试空间6，所述射流喷嘴5设置在流场测试空间6的上部中心轴线上，向流场测试空间6内直接喷射气体和加热后的颗粒气固混合物；
所述太赫兹波测量***包括激光脉冲发射器1、太赫兹波辐射源2、发射侧平面镜3、第一上下伸缩仪4、接收侧平面镜8、第二上下伸缩仪9、太赫兹波探测晶体10、时域光谱仪11组成，激光脉冲发射器1、太赫兹波辐射源2、发射侧平面镜3和第一上下伸缩仪4布置于流场测试空间6的一侧，接收侧平面镜8、第二上下伸缩仪9和太赫兹波探测晶体10布置于流场测试空间6的另一侧；所述发射侧平面镜3置于第一上下伸缩仪4上，接收侧平面镜8置于第二上下伸缩仪9上；激光脉冲发射器1发出的激光激发太赫兹波辐射源2，产生的平行光经发射侧平面镜3反射后垂直穿透流场测试空间6，再经接收侧平面镜8反射后被太赫兹波探测晶体10接收，时域光谱仪11对太赫兹波探测晶体10的接收信号光谱分析，将分析后信息发送给服务器12；
所述红外光波测量***包括与服务器12相连的红外成像仪7，在红外成像仪中设置显微镜头；所述红外成像仪7设置在流场测试空间6的侧面，直接捕捉流场测试空间6内的固相颗粒向四周发射的红外光波，调节显微镜头捕捉局部的颗粒发射的红外光波。
流场测试区由气固两相射流喷嘴5和流场测试空间6组成，其中，射流喷嘴5布置在流场测试空间6的上部，射流喷嘴5内通过所测气体与加热后的颗粒的混合物，且所加颗粒的体积分数在千分之一以下，形成的气固射流为稀相气固射流。
太赫兹波测量***用来对气固两相射流流场气相场进行测量，太赫兹波的发生时采用光子激励的方式，激光脉冲发射器1发射出激光脉冲激励一组太赫兹波辐射源2，整流后形成一组平行的太赫兹波，太赫兹波经过发射侧平面镜3的反射形成一组平行于流场横截面的太赫兹波穿透流场测试区6，透射过流场测试区6的太赫兹波经过接收侧平面镜8的反射再被一组太赫兹波探测晶体10所接收，太赫兹波探测晶体10所接收的信息通过时域光谱仪11(太赫兹波时域光谱分析仪11)处理后储存至服务器12中。上下移动两个上下伸缩仪4和9则可以实现这组太赫兹波的上下移动，从而来测量流场测试区6不同截面上的流场信息。
加热固相颗粒至一定温度，并随气相射流进入被测流场区域，分布在流场中的固相颗粒向四周发射红外光波，红外光波测量***直接采用红外线热成像仪7对气固两相射流场进行拍摄，调节红外热像仪7中的显微镜头，捕捉局部的颗粒运动，红外热成像仪所拍摄的颗粒相的信息也储存于服务器12中。
基于上述的太赫兹波和红外光波联用测量气固射流场的装置，进行太赫兹波和红外光波联用测量气固射流场的方法具体方法如下：
首先开启激光脉冲发射器1、太赫兹波时域光谱分析仪11、红外成像仪7和服务器12。此时两者测量的为没有气固两相射流场的空间的信息。
本例中测试实验所需的颗粒，以200μm的玻璃珠为例，将玻璃珠贮藏在颗粒加热罐中，对颗粒进行干燥并加热一段时间，使颗粒温度达到80℃，加热后的颗粒温度虽温度分布略不均但均高于实验中气体的温度。气体流量为22m3/h，喷嘴口径为20mm，添加颗粒体积分数为气量的0.1％，200μm的玻璃珠的密度为2000kg/m3，则添加的颗粒质量流量为44kg/h。控制颗粒连续均匀与气体混合。此时喷嘴5的出口速度约为20m/s。
待气固两相射流稳定后，同时调节第一上下伸缩仪4和第二上下伸缩仪9在0.5D(喷嘴直径)的位置，激光脉冲发射器1发射出激光脉冲激励一组太赫兹波辐射源2，形成一组平行的太赫兹波，太赫兹波经过发射侧平面镜3的反射形成一组平行于流场横截面的太赫兹波穿透流场测试区6，透射过流场测试区的太赫兹波经过接收侧平面镜8的反射再被一组太赫兹波探测晶体10所接收，探测晶体所接受的信息通过太赫兹波时域分析仪11处理后储存至服务器12中。同时红外光波测量***直接采用红外线热成像仪7对气固两相射流场进行拍摄。红外热成像仪所拍摄的颗粒相的信息也储存于服务器12中。此时服务器12中存储有射流的气固两相的信息。根据实验要求调节上下伸缩仪4和上下伸缩仪9在不同的高度，以1D、2.5D、5D、10D、15D、20D为例，用同样的方法测量该相对稳定的气固两相流场的信息。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种太赫兹波和红外光波联用测量气固射流场的装置，其特征在于：包括太赫兹波测量***、红外光波测量***和流场测试区，所述太赫兹波测量***的太赫兹波整流成平行光线后垂直穿透流场测试区，所述红外光波测量***对流场测试区内的固相颗粒向四周发射的红外光波进行捕捉；具体结构为：
所述流场测试区包括射流喷嘴(5)和流场测试空间(6)，所述射流喷嘴(5)设置在流场测试空间(6)的上部中心轴线上，向流场测试空间(6)内直接喷射气体和加热后的颗粒气固混合物；
所述太赫兹波测量***包括激光脉冲发射器(1)、太赫兹波辐射源(2)、发射侧平面镜(3)、第一上下伸缩仪(4)、接收侧平面镜(8)、第二上下伸缩仪(9)、太赫兹波探测晶体(10)、时域光谱仪(11)组成，激光脉冲发射器(1)、太赫兹波辐射源(2)、发射侧平面镜(3)和第一上下伸缩仪(4)布置于流场测试空间(6)的一侧，接收侧平面镜(8)、第二上下伸缩仪(9)和太赫兹波探测晶体(10)布置于流场测试空间(6)的另一侧；所述发射侧平面镜(3)置于第一上下伸缩仪(4)上，接收侧平面镜(8)置于第二上下伸缩仪(9)上；激光脉冲发射器(1)发出的激光激发太赫兹波辐射源(2)，产生的平行光经发射侧平面镜(3)反射后垂直穿透流场测试空间(6)，再经接收侧平面镜(8)反射后被太赫兹波探测晶体(10)接收，时域光谱仪(11)对太赫兹波探测晶体(10)的接收信号光谱分析，将分析后信息发送给服务器(12)；
所述红外光波测量***包括与服务器(12)相连的红外成像仪(7)，在红外成像仪中设置显微镜头；所述红外成像仪(7)设置在流场测试空间(6)的侧面，直接捕捉流场测试空间(6)内的固相颗粒向四周发射的红外光波，调节显微镜头捕捉局部的颗粒发射的红外光波。
2.一种采用权利要求1所述装置的太赫兹波和红外光波联用测量气固射流场的方法，其特征在于：联合运用太赫兹成像和红外光波热成像两种方法对气固两相射流流场进行全场测量，具体包括如下步骤：
(1)将太赫兹波整流成平行光线并垂直穿透气固两相流场，分析经流场衰减后的太赫兹波谱，通过比对已知气体成分的太赫兹波谱，获得被测气固流场的气相场分布信息；
(2)加热固相颗粒至一定温度，并随气相射流进入被测流场区域，分布在流场中的固相颗粒向四周发射红外光波，采用红外热成像技术捕捉固相颗粒的运动轨迹和分布信息；
(3)联合运用太赫兹波成像和红外光波热成像两种成像方法同时并实时获取气固两相射流场信息。
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