CN104391132A - 基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于分子吸收光谱发动机燃烧流场速度测量装置与方法，测量装置包括激光设定单元、激光分束单元、测量单元、数据采集***以及数据处理单元，激光分束单元和激光设定单元连接，位于发动机燃烧流场一侧，测量单元包括两个激光探测器，位于发动机燃烧流场另一侧，和激光分束单元相对，数据处理单元，用于对数据采集***中存储的数据进行处理，得到燃烧流场速度，由于本发明基于分子吸收光谱，将燃气组分浓度变化造成的激光衰减脉动信号作为互相关分析的随机信号实现互相关测速，使得本发明提供的发动机燃烧流场速度测量装置以及方法仅需要激光穿过待测燃烧流场既可获得相关数据，具有结构简单、非接触式、灵敏度高的优点。

Description

基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量装置与方法

技术领域

本发明属于流场速度测试领域，具体涉及一种基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量装置与方法。

背景技术

在航空发动机、火箭发动机等以碳氢化合物为燃料的发动机燃烧流场中，流场速度是分析燃烧状态、评价发动机性能的重要参数之一。但是由于流场速度和气流温度较高，且燃烧、多相流动、传热与传质过程十分复杂，给测量带来了很多困难。

目前，常用的发动机燃烧流场速度的测量方法为侵入式测量方法和图像测量法。侵入式测量方法将测试部件置于流场中，不仅易干扰流场，甚至会造成流场的改变，并且结果通常需要进一步修正，精度不高；图像测量法通常需对流场加入示踪粒子，而对于发动机燃烧流场来说，在流场中均匀加入示踪粒子较为困难，同时示踪粒子图像易被很强的燃烧火焰信号所湮没，且示踪粒子也会影响燃烧。

发明内容

本发明是为解决上述问题而进行的，基于分子吸收光谱，以燃烧流场中燃气组分浓度变化造成的激光光强变化作为脉动信号，通过上下游两束激光的脉动信号的互相关分析，获得互相关渡越时间，并结合两束激光的间距，计算燃烧流场速度测量，提供了一种非接触式基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量装置与方法，实现高温高速燃烧流场的速度测量，进一步提高现有流场速度测量装置的简易度，同时提高测量灵敏度。

本发明采用了如下技术方案：

本发明提供的基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量装置，用于测量发动机燃烧流场中的流场速度，具有这样的特征，包括：激光设定单元，用于设定激光器的工作波长和强度；激光分束单元，位于发动机燃烧流场一侧，包括将激光设定单元输出的激光分成两束的激光分束器；测量单元，位于发动机燃烧流场另一侧，和激光分束单元相对，包括两个接收激光分束单元输出的两束激光经待测燃烧流场后的透射光激光探测器；以及数据处理单元，对探测单元的信号进行处理，得到燃烧流场速度。

本发明提供的基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量装置，还可让具有这样的特征，还包括：数据采集***，用于记录保存测量单元的激光光强信号以及数据处理单元的处理结果。

本发明提供的基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量装置，还可让具有这样的特征：激光设定单元和激光分束单元通过光纤连接。

本发明提供的基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量装置，还可让具有这样的特征：激光分束单元还包括两个准直器，激光分束器连接，用于将激光分束器分出的两束光以垂直于流场方向且沿流场轴向平行排列的方式输出。

进一步的，本发明还提供了一种基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，激光设定单元将激光器工作波长调制到选定的燃气组分分子吸收谱线，比如H₂O分子的7185.597cm^-1、7168.437cm^-1等；

步骤2，激光分束单元将激光设定单元输出的激光分成在沿待测燃烧流场轴向平行排列的两束，并将两束激光垂直入射待测发动机燃烧流场，透射光由对面的激光探测单元接收；

步骤3，数据处理单元对探测单元的信号进行处理，得到燃烧流场速度。

本发明提供的基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量方法，还可让具有这样的特征：数据处理单元将两个激光透射信号作为互相关分析的随机信号x(t)和y(t)，开展两信号的互相关函数分析：

$R_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{T\→\∞}{\lim }\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}x\left(t\right)x(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

其中，T为积分平均时间，τ为时间变量，R_xy(τ)在τ＝τ₀达到最大值，互相关信号的渡越时间为τ₀。

本发明提供的基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量方法，还可让具有这样的特征：燃烧流场速度的计算方法为：V_avg＝d/τ₀，其中d为两束激光之间的距离。

发明作用与效果

本发明提供了一种基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量装置与方法，测试装置包括激光设定单元、激光分束单元、测量单元、数据采集***以及数据处理单元，激光分束单元通过光纤和激光设定单元连接，位于发动机燃烧流场一侧，测量单元包括两个激光探测器，位于发动机燃烧流场另一侧，和激光分束单元相对，数据处理单元，用于对数据采集***中存储的数据进行处理，得到燃烧流场速度，由于本发明基于分子吸收光谱，将燃气组分浓度变化造成的激光衰减脉动信号作为互相关分析的随机信号实现互相关测速，使得本发明提供的基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量装置以及方法仅需要两束确定波长的激光穿过待测燃烧流场即可获得相关数据，通过对相关数据进行处理，可得到燃烧流场速度，克服了接触式测量法易干扰流场、影响燃烧等缺点，具有结构简单、非接触式、灵敏度高的优点。

附图说明

图1是本发明的基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量装置的结构示意图；

图2是本发明的基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图具体本说明的具体实施方式。

图1为本发明的基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量装置的结构示意图。

如图1所示，基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量装置100包括激光设定单元1、激光分束单元2、测量单元4、数据采集***5以及数据处理单元6，激光设定单元1通过光纤3和激光分束单元2连接，激光分束单元2位于发动机燃烧器10后的待测燃烧流场20的一侧，测量单元位于待测燃烧流场20的另一侧，和激光分束单元2相对，数据采集***5一端和测量单元4连接，另一端和数据处理单元6连接。

激光设定单元1包括激光控制器11和激光器12，激光控制器11用于调制激光器12的工作波长和强度；激光分束单元2包括1×2激光分束器21以及准直器22和准直器23，准直器22和准直器23间隔一定距离平行放置，1×2激光分束器21将激光器12传输过来的激光分成两束，分别由准直器22和准直器23输出为两束沿燃烧流场轴向平行排列的激光：激光221和激光231，激光221和激光231垂直于流场方向，间距为d；测量单元4包括激光探测器41和激光探测器42，分别和准直器22和准直器23相对，用于接收激光221和激光231经待测燃烧流场后的透射光，并将光信号转换为电压信号；数据采集***5用于记录保存激光探测器探测的电压信号以及数据处理单元的处理结果；数据处理单元6用于对数据采集***5中的电压信号进行互相关分析，获得两信号的渡越时间，并依据信号渡越时间计算流场速度。

图2为本实施例中的基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量方法的流程图。

如图2所示，基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量方法包括以下步骤：

步骤1，确定燃气的主要组分，如H₂O、CO₂、O₂等，通过查阅各组分的分子吸收光谱，选择较强的分子吸收谱线作为激光器的工作波长；

步骤2，利用激光控制器11将激光器12的工作波长调制到选定的燃气组分分子吸收谱线；

步骤3，激光器11通过光纤3将激光传输至发动机实验现场，并利用1×2激光分束器21将激光分成两束，两束激光分别经准直器22和准直器23，形成垂直于流场方向，间距为d的激光221和激光231；

步骤4，激光221和激光231平行通过待测燃烧流场20，并分别由对面的激光探测器41和激光探测器42接收，同时将光信号转换为电信号；

步骤5，数据采集***实时记录两个激光探测器的信号；

步骤6，数据处理单元以两个激光的透射信号作为互相关分析的随机信号x(t)和y(t)，开展两信号的互相关函数分析：

$R_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{T\→\∞}{\lim }\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}x\left(t\right)x(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

并求得信号渡越时间τ₀；

步骤7，数据处理单元依据互相关测速原理，获得燃烧流场速度V_avg：V_avg＝d/τ₀，并将处理得到的燃烧流场速度，存储在数据采集***中。

本实施例中，当激光通过待测燃烧流场时，若激光频率v与气体吸收组分跃迁频率相同，则激光能量被吸收，由于分子吸收，激光强度衰减，衰减量由比尔-兰伯特定律描述：入射光强与透射光强满足：

I_t/I_i＝exp(-k_vL)

其中，I_i为入射激光光强；I_t为激光通过长度为L的待测区后透射光强；k_v为光谱吸收系数，与浓度成正比关系；L为准直器和激光探测器之间的距离。

通过比尔-兰伯特定律可知确定波长的激光通过待测燃烧区后，能够被相应的组分吸收，并且激光衰减量与浓度成正比。

本实施例中，由于燃烧的脉动特性，组分浓度随时间脉动变化，根据比尔-兰伯特定律可知两束激光的透射光强也在随时间不停脉动变化，因此数据采集***需实时记录两个激光探测器的信号。

实施例作用与效果

本实施例提供了一种基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量装置与方法，测试装置包括激光设定单元、激光分束单元、测量单元、数据采集***以及数据处理单元，激光分束单元通过光纤和激光设定单元连接，位于发动机燃烧流场一侧，测量单元包括两个激光探测器，位于发动机燃烧流场另一侧，和激光分束单元相对，数据处理单元，用于对数据采集***中存储的数据进行处理，得到燃烧流场速度，由于本实施例基于分子吸收光谱，将燃气组分浓度变化造成的激光衰减脉动信号作为互相关分析的随机信号实现互相关测速，使得本实施例提供的基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量装置以及方法仅需要两束确定波长的激光穿过待测燃烧流场即可获得相关数据，通过对相关数据进行处理，可得到燃烧流场速度，克服了接触式测量法易干扰流场、影响燃烧等缺点，具有结构简单、非接触式、灵敏度高的优点。

本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所述的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量装置，用于测量发动机燃烧流场中的流场速度，其特征在于，包括：

激光设定单元，用于设定激光器的工作波长和强度；

激光分束单元，位于所述发动机燃烧流场一侧，包括将所述激光设定单元输出的激光分成两束的激光分束器；

测量单元，位于所述发动机燃烧流场另一侧，和所述激光分束单元相对，包括两个接收所述激光分束单元输出的两束激光经待测燃烧流场后的透射光激光探测器；

以及数据处理单元，对所述探测单元的信号进行处理，得到燃烧流场速度。

2.根据权利要求1所述的基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量装置，其特征在于，还包括：

数据采集***，用于记录保存所述测量单元的激光光强信号以及所述数据处理单元的处理结果。

3.根据权利要求1所述的基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量装置，其特征在于：

其中，所述激光设定单元和所述激光分束单元通过光纤连接。

4.根据权利要求1所述的基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量装置，其特征在于：

其中，所述激光分束单元还包括两个准直器，所述准直器和所述激光分束器连接，用于将所述激光分束器分出的两束光以垂直于流场方向且沿流场轴向平行排列的方式输出。

5.一种基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，激光设定单元将激光器工作波长调制到选定的燃气组分分子吸收谱线；

步骤2，激光分束单元将所述激光设定单元输出的激光分成在空间互相平行的两束，并将所述两束激光垂直入射待测发动机燃烧流场，透射光由对面的激光探测单元接收；

步骤3，数据处理单元对所述探测单元的信号进行处理，得到燃烧流场速度。

6.根据权利要求5所述的基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量方法，其特征在于：

其中，所述数据处理单元将两个激光透射信号作为互相关分析的随机信号x(t)和y(t)，开展两信号的互相关函数分析：

$R_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{T\→\∞}{\lim }\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}x\left(t\right)x(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

并求得信号渡越时间τ₀，

其中，T为积分平均时间，τ为时间变量。

7.根据权利要求6所述的基于分子吸收光谱的发动机燃烧流场速度测量方法，其特征在于：

其中，所述燃烧流场速度的计算方法为：V_avg＝d/τ₀，其中d为两束激光之间的距离。