CN111579248A - 一种超燃冲压发动机燃烧流场光学同步测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超燃冲压发动机燃烧流场光学同步测量方法，包括：S1、基于超燃冲压发动机直连式试验模型，给定来流条件；S2、分别采用聚焦纹影技术、激光诱导荧光技术和自发光照相，获取所述超燃冲压发动机直连式试验模型流场中的相同时刻且同一截面的流场结构图像；S3、通过Matlab图像处理对步骤S2中获取的三个流场结构图像进行矫正；S4、将步骤S3中矫正后的三个流场结构图像相互对比印证。本发明能准确获得同一截面同一时刻发动机燃烧室构型内流场特征，提高三种测量手段所得信息的交互性及对发动机燃烧室内流动与燃烧动态变化特性的理解。
Description
技术领域
本发明涉及高超声速技术领域，尤其涉及一种超燃冲压发动机燃烧流场光学同步测量方法。
背景技术
超燃冲压发动机是高超声速飞行器的最佳推进装置之一，高速空气在燃烧室内驻留时间极短，通常为毫秒量级。在这极短的时间内需要实现燃料的喷注、混合、点火和稳定燃烧，这一系列极端问题的存在为开展超燃冲压发动机的优化和设计带来了较大的挑战。需要从深层次的开展燃烧机理研究，而燃烧机理的研究需要先进的诊断技术支持。先进的燃烧流场诊断技术可以发现燃烧中的流动现象，掌握支配燃烧的特性参数以及建立和验证燃烧的计算模型。但超燃冲压发动机燃烧流动中燃烧诊断技术发展不快，尤其是先进的燃烧诊断技术。目前采用的燃烧流场诊断方法主要有纹影、阴影、差分干涉、自发光照相以及激光诱导荧光等，尽管在某些实验中可以开展以上两种或两种以上的光学测量，但都没有能够在同一车次实验中获得。不仅提高了实验成本，也使得同一时刻流动信息的对比受到了质疑。因此开展光学同步测量方法十分重要，不仅可以降低实验成本，而且可以有效地获得燃烧流场内同一时刻的不同信息，有助于相互补充、相互验证，目前在公开发表的文献中还没有见到这种测量方法。
发明内容
本发明意在提供一种超燃冲压发动机燃烧流场光学同步测量方法，以解决现有的燃烧流场诊断方法对同一时刻的流动信息获取不准确，无法进行补充验证的问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种超燃冲压发动机燃烧流场光学同步测量方法，包括：
S1、基于超燃冲压发动机直连式试验模型，给定来流条件；
S2、分别采用聚焦纹影技术、激光诱导荧光技术和自发光照相，获取所述超燃冲压发动机直连式试验模型流场中的相同时刻且同一截面的流场结构图像；
S3、通过Matlab图像处理对步骤S2中获取的三个流场结构图像进行矫正；
S4、将步骤S3中矫正后的三个流场结构图像相互对比印证。
进一步，所述采用聚焦纹影技术获取所述超燃冲压发动机直连式试验模型流场中的某一截面的流场结构图像包括：
S201、采用连续激光器作为光源，光源光束通过短焦透镜发散，再依次由全息片与毛玻璃充分均光后，形成圆形均匀面光；
S202、所述步骤S201中的圆形均匀面光依次由菲涅尔透镜和源格栅会聚光，并穿过所述超燃冲压发动机直连式试验模型的流场观测区域，最后通过成像透镜将该光束成像到刀口栅平面，和刀口栅形成互为共轭反相像；
S203、调节刀口栅的切割量，形成不同灵敏度的纹影效应，流场中某一截面同时也被成像透镜成像到成像屏上，最后用高速相机拍摄采集。
进一步，所述采用激光诱导荧光技术获取所述超燃冲压发动机直连式试验模型流场中的某一截面的流场结构图像包括：
采用脉冲激光器作为光源，出射光通过整形***后形成具有厚度的片光照明燃烧场,此截面为激光诱导荧光的片光标记的截面，为了使这一截面能够成为聚焦纹影拍摄的截面，通过成像透镜将该截面呈现在毛玻璃上，在通过移动毛玻璃的位置，获得最佳的拍摄效果，ICCD相机接收荧光信号，最后得到流场观测区域中火焰不同位置的OH荧光强度图像。
进一步，所述通过Matlab图像处理对步骤S2中获取的三个流场结构图像进行矫正包括：
S301、边界获取：通过Matlab中imread函数获得相应图片信息，利用Hough 函数执行霍夫变换，获得霍夫矩阵，并寻找矩阵中的峰值点，从而识别待矫正图片中的直线信息，即发动机模型真实壁面边界信息；
S302、矫正基准或目标：在待矫正图片的直线信息中选取一定数量的特征点，基于发动机模型真实壁面边界，建立待矫正图像与真实相应位置的关系；
S303、基于步骤S302中建立的位置关系，采用Matlab中的imtransform 对图片进行矫正。
进一步，所述给定来流条件包括：所述超燃冲压发动机直连式试验模型的隔离段入口马赫数Ma＝2.0，总温Pt＝950k以及总压Pt＝0.8MPa。
通过上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
基于Matlab图像处理可实现激光诱导荧光、自发光照相和聚焦纹影同步测量所得图像位置信息矫正，快速消除测量机位带有一定偏转角度所引起的图像畸变，获得同一时刻真实发动机燃烧室构型内流场特征，提高三种测量手段所得信息的交互性及对发动机燃烧室内流动与燃烧动态变化特性的理解。
附图说明
图1为本发明提供一种超燃冲压发动机燃烧流场同步测量方法的流程图；
图2为本发明提供一种超燃冲压发动机燃烧流场同步测量方法的光路设置图；
图3本发明采用激光诱导荧光技术获取的流场结构图像；
图4本发明采用自发光照相获取的流场结构图像；
图5本发明采用聚焦纹影技术获取的流场结构图像。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：连续激光器1、短焦透镜2、全息片3、毛玻璃4、菲涅尔透镜5、源格栅6、超燃冲压发动机直连式试验模型7、石英玻璃观察窗8、成像透镜9、刀口栅10、成像屏11、ICCD相机12、第一高速相机13、第二高速相机14。
一种超燃冲压发动机燃烧流场光学同步测量方法，其采用的光路设置如图2 所示，光路部件主要包括：连续激光器1，短焦透镜2，全息片3，毛玻璃4，菲涅尔透镜5，源格栅6，脉冲激光器，光路整形***，成像透镜9，刀口栅10， ICCD相机12、第一高速相机13和第二高速相机14。图中片光由脉冲激光器和光路整形***共同作用产生，因此图2中仅给出片光示意，未给出脉冲激光器和光路整形***示意。
参考图1，一种超燃冲压发动机燃烧流场光学同步测量方法，包括：
S1、基于超燃冲压发动机直连式试验模型7，给定来流条件。
具体的，本测量方法所采用的光路设置搭载于来流条件为隔离段入口马赫数 Ma＝2.0，总温Pt＝950k以及总压Pt＝0.8MPa条件下的超燃冲压发动机直连式试验模型7上，该超燃冲压发动机直连式试验模型7的流场观测区域的四周均设有石英玻璃观察窗8。
S2、分别采用聚焦纹影技术、激光诱导荧光技术和自发光照相，获取所述超燃冲压发动机直连式试验模型7流场中的同一时刻且同一截面的流场结构图像。
进一步，所述采用聚焦纹影技术获取所述超燃冲压发动机直连式试验模型7 流场中的某一截面的流场结构图像包括：
S201、采用连续激光器1作为光源，光源光束通过短焦透镜2发散，再依次由全息片3与毛玻璃4充分均光后，形成圆形均匀面光；
S202、所述步骤S201中的圆形均匀面光依次由菲涅尔透镜5和源格栅6会聚光，并穿过所述超燃冲压发动机直连式试验模型7的流场观测区域，最后通过成像透镜9将该光束成像到刀口栅10平面，和刀口栅10形成互为共轭反相像；
S203、调节刀口栅10的切割量，形成不同灵敏度的纹影效应，流场中某一截面同时也被成像透镜9成像到成像屏11上，最后用高速相机拍摄采集。
进一步，所述采用激光诱导荧光技术获取所述超燃冲压发动机直连式试验模型7流场中的某一截面的流场结构图像包括：
采用脉冲激光器作为光源，出射光通过整形***后形成具有厚度的片光照明燃烧场，此截面为激光诱导荧光的片光标记的截面，为了使这一截面能够成为聚焦纹影拍摄的截面，通过成像透镜9将该截面呈现在毛玻璃4上，在通过移动毛玻璃4的位置，获得最佳的拍摄效果，ICCD相机12接收到荧光信号，最后得到流场观测区域中火焰不同位置的OH荧光强度图像。
具体的，聚焦纹影技术采用波长为532nm的连续激光器1作为光源，以输出光信号，并沿光信号形成的光束的路径依次安装短焦透镜2、全息片3、毛玻璃 4、菲涅尔透镜5和源格栅6、成像透镜9、刀口栅10、成像屏11和第一高速相机13，超燃冲压发动机直连式试验模型7的流场观测区域位于源格栅6和成像透镜9之间。
光信号形成的光束通过短焦透镜2发散，由全息片3与毛玻璃4充分均光后形成直径约1.5米的圆形均匀面光，再通过菲涅尔透镜5汇聚后照明至源格栅6 上。经过源格栅6的会聚，光束穿过流场观测区域后，最后通过成像透镜9将光束成像到刀口栅10平面，并和刀口栅10形成互为共轭反相像。调节刀口栅10 的切割量，形成不同灵敏度的纹影效应，流场同时也被成像透镜9成像到接收端的成像屏11上，成像屏11采用毛玻璃4，并用菲涅尔透镜5汇聚光束，再用第一高速相机13拍摄采集，就可以获得流场中所需的某一截面的流场结构图像。其中，通过移动毛玻璃4的位置，可获得最佳的拍摄效果。另外，本实施例所测量的一截面的厚度为0.5mm。
激光诱导荧光技术采用脉冲激光器作为光源，其出射光为波长283.553nm 的紫外光，脉冲频率为500Hz，单脉冲能量约10mJ，出射光通过光路整形***后形成厚度约为0.5mm的片光照明流场观测区域，此为激光诱导荧光的片光标记的截面，为了使这一截面能够成为聚焦纹影拍摄的截面，通过成像透镜9将该截面呈现在毛玻璃4上，在通过移动毛玻璃4的位置，获得最佳的拍摄效果，流场观测区域内火焰中的OH自由基受激跃迁到上能级后处于不稳定状态，会发射出特定波长的荧光变为基态，ICCD相机12接收荧光信号，并得到了燃烧过程中火焰不同位置的OH荧光强度图片。荧光强度与浓度成正比，以此得到被测对象温度以及自由基浓度分布。
自发光照相则通过第二高速相机14直接对火焰自发光进行拍摄，拍摄帧率为5000fps，曝光时间为0.2ms。火焰自发光可以补充说明火焰存在的区域，火焰明亮程度可以用于辅助证明燃烧反应的主要区域以及高温区。
上述所获取的超燃冲压发动机直连式试验模型7流场中的某一截面的流场结构图像，请参考图3、图4和图5。
S3、通过Matlab图像处理对步骤S2中获取的三个流场结构图像进行矫正；
进一步，所述通过Matlab图像处理对步骤S2中获取的三个流场结构图像进行矫正包括：
S301、边界获取：通过Matlab中imread函数获得相应图片信息，利用Hough 函数执行霍夫变换，获得霍夫矩阵，并寻找矩阵中的峰值点，从而识别待矫正图片中的直线信息，即发动机模型真实壁面边界信息；
S302、矫正基准或目标：在待矫正图片的直线信息中选取一定数量的特征点，基于发动机模型真实壁面边界，建立待矫正图像与真实相应位置的关系；
S303、基于步骤S302中建立的位置关系，采用Matlab中的imtransform 对图片进行矫正。
S4、将步骤S3中矫正后的三个流场结构图像相互对比印证。
具体的，通过Matlab中imread函数获得步骤S2中获取的流场结构图像信息，利用Hough函数执行霍夫变换，获得霍夫矩阵，并寻找矩阵中的峰值点，从而识别待矫正的流场结构图的直线信息，此直线信息主要为超燃冲压发动机直连式试验模型7的真实壁面边界信息；在该线信息中选取一定数量的特征点，基于超燃冲压发动机直连式试验模型7的真实壁面边界，建立待矫正图像与真实相应位置的关系；基于该位置关系，采用Matlab中的imtransform对前述获得的流场结构图像进行矫正，观测矫正后图像其余位置信息例，是否与对应的发动机模型真实壁面边界相同，若相同说明此矫正手段是可行且准确的。
最后将步骤S3中矫正后的三个流场结构图像相互对比印证，以获得同一时刻真实发动机燃烧室构型内流场特征，提高三种测量手段所得信息的交互性及对发动机燃烧室内流动与燃烧动态变化特性的理解。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (5)
1.一种超燃冲压发动机燃烧流场光学同步测量方法，其特征在于，包括：
S1、基于超燃冲压发动机直连式试验模型，给定来流条件；
S2、分别采用聚焦纹影技术、激光诱导荧光技术和自发光照相，获取所述超燃冲压发动机直连式试验模型流场中的相同时刻且同一截面的流场结构图像；
S3、通过Matlab图像处理对步骤S2中获取的三个流场结构图像进行矫正；
S4、将步骤S3中矫正后的三个流场结构图像相互对比印证。
2.根据权利要求1所述的一种超燃冲压发动机燃烧流场光学同步测量方法，其特征在于，所述采用聚焦纹影技术获取所述超燃冲压发动机直连式试验模型流场中的某一截面的流场结构图像包括：
S201、采用连续激光器作为光源，光源光束通过短焦透镜发散，再依次由全息片与毛玻璃充分均光后，形成圆形均匀面光；
S202、所述步骤S201中的圆形均匀面光依次由菲涅尔透镜和源格栅会聚光，并穿过所述超燃冲压发动机直连式试验模型的流场观测区域，最后通过成像透镜将该光束成像到刀口栅平面，和刀口栅形成互为共轭反相像；
S203、调节刀口栅的切割量，形成不同灵敏度的纹影效应，流场中某一截面同时也被成像透镜成像到成像屏上，最后用高速相机拍摄采集。
3.根据权利要求1所述的一种超燃冲压发动机燃烧流场光学同步测量方法，其特征在于，所述采用激光诱导荧光技术获取所述超燃冲压发动机直连式试验模型流场中的某一截面的流场结构图像包括：
采用脉冲激光器作为光源，出射光通过整形***后形成具有厚度的片光照明燃烧场，此截面为激光诱导荧光的片光标记的截面，为了使这一截面能够成为聚焦纹影拍摄的截面，通过成像透镜将该截面呈现在毛玻璃上，在通过移动毛玻璃的位置，获得最佳的拍摄效果，ICCD相机接收荧光信号，最后得到流场观测区域中火焰不同位置的OH荧光强度图像。
4.根据权利要求1所述的一种超燃冲压发动机燃烧流场光学同步测量方法，其特征在于，所述通过Matlab图像处理对步骤S2中获取的三个流场结构图像进行矫正包括：
S301、边界获取：通过Matlab中imread函数获得相应图片信息，利用Hough函数执行霍夫变换，获得霍夫矩阵，并寻找矩阵中的峰值点，从而识别待矫正图片中的直线信息，即发动机模型真实壁面边界信息；
S302、矫正基准或目标：在待矫正图片的直线信息中选取一定数量的特征点，基于发动机模型真实壁面边界，建立待矫正图像与真实相应位置的关系；
S303、基于步骤S302中建立的位置关系，采用Matlab中的imtransform对图片进行矫正。
5.根据权利要求1所述的一种超燃冲压发动机燃烧流场光学同步测量方法，其特征在于，所述给定来流条件包括：所述超燃冲压发动机直连式试验模型的隔离段入口马赫数Ma＝2.0，总温Pt＝950k以及总压Pt＝0.8MPa。
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