超声速燃烧火焰结构的瞬时成像装置及方法

1.本发明主要涉及到超声速燃烧火焰结构的高时空分辨诊断技术领域，尤其是一种超声速燃烧火焰结构的瞬时成像装置及方法。


背景技术：

2.现有超声速燃烧火焰结构的高时空分辨诊断技术主要是ohplif。该技术一般使用nd:yag激光器泵浦的染料激光器来产生激光，激光波长一般在283nm附近。由于oh组分在火焰中浓度偏大，且oh组分在283nm附近的荧光激发效率较高，ohplif技术所需的单脉冲激光能量不高。在超声速燃烧室中，单脉冲能量约为2mj即可实现40mm宽度区域内的oh瞬时结构高质量成像。然而，oh组分主要分布于火焰已燃区，仅表征了高温燃烧产物的分布特征。
3.另外一种用于超声速燃烧火焰结构的高时空分辨诊断技术为chplif。在超声速燃烧室环境下，chplif一般选用亚历山大激光器产生长脉冲、宽谱和高脉冲能量的387nm激光束，从而获得质量合格的超燃火焰chplif图像。然而，ch组分主要分布于火焰释热区附近，仅表征了火焰主要释热位置的分布特征。
4.使用ohplif技术成像超声速燃烧火焰，仅能获得火焰已燃区的瞬时结构，即高温燃烧产物的瞬时分布特征，不能反映燃料发生初始热解位置的瞬时结构特征。
5.使用chplif技术成像超声速燃烧火焰，仅能获得火焰释热区的瞬时结构，即火焰主要释热位置的分布特征，不能反映燃料发生初始热解位置的瞬时结构特征。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的技术问题，本发明提出一种超声速燃烧火焰结构的瞬时成像装置及方法。
7.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
8.一方面，本发明提供一种超声速燃烧火焰结构的瞬时成像装置，包括激光生成单元、超声速燃烧室以及成像单元，所述激光生成单元生成用于激发ch2o荧光的波长为353.06nm的激光片光；所述超声速燃烧室顶壁上设有供所述激光片光入射的激光入射窗口，所述激光片光经所述激光入射窗口入射至超声速燃烧室，所述超声速燃烧室一侧壁上设置有用于成像单元对超声速燃烧室内激光光片激发区域成像的成像窗口；所述成像单元通过成像窗口正对超声速燃烧室内激光光片激发区域成像。
9.进一步地，本发明所述激光片光的激光线宽≤3pm。
10.进一步地，本发明所述成像单元包括相机，所述相机镜头前装有380～480nm的带通滤光片。
11.进一步地，本发明所述成像单元利用双重成像技术以≤250ns的时间间隔连续拍摄两帧图像，其中一帧图像拍摄ch2oplif荧光图像，所述ch2oplif荧光图像存在火焰自辐射干扰，另一帧图像仅拍摄火焰自辐射图像。
12.进一步地，本发明所述超声速燃烧室内的底壁上设置有凹腔，所述凹腔底壁上设
置有激光吸收腔，入射进所述超声速燃烧室的激光片光直接入射至所述激光吸收腔。
13.进一步地，本发明所述激光吸收腔为开设在所述凹腔底壁上的狭缝，所述狭缝一端为狭缝入口，另一端为盲端，自狭缝入口起狭缝宽度不断收缩直至其盲端，所述激光片光经所述狭缝入口进入狭缝，所述狭缝入口宽度能够保证所述激光片光完整入射。优选地，所述狭缝入口宽度≤1mm。
14.进一步地，本发明所述狭缝入口与所述凹腔底壁齐平。
15.进一步地，所述激光生成单元包括nd:yag激光器、染料激光器、激光转向传输器件、凹柱面镜和凸球面镜，用于激发ch2o荧光的波长为353.06nm的激光由nd:yag激光器泵浦染料激光器获得，353.06nm的激光经激光转向传输器件传输至凹柱面镜和凸球面镜，依次经凹柱面镜和凸球面镜后以激光片光的形式入射至超声速燃烧室。
16.另一方面，本发明提供一种基于上述超声速燃烧火焰结构的瞬时成像装置的火焰结构瞬时成像方法，包括：
17.生成用于激发ch2o荧光的波长为353.06nm的激光片光；
18.成像单元通过成像窗口正对超声速燃烧室内激光光片激发区域成像，利用双重成像技术以≤250ns的时间间隔连续拍摄两帧图像，其中一帧图像拍摄ch2oplif荧光图像，所述ch2oplif荧光图像存在火焰自辐射干扰，另一帧图像仅拍摄火焰自辐射图像；
19.所述ch2oplif荧光图像减去所述火焰自辐射图像，以消除火焰自辐射干扰。
20.相比现有技术，本发明的技术效果：
21.本发明的目的是在解决激光杂散光干扰和火焰自辐射干扰的基础上，实现超声速燃烧火焰ch2o组分的瞬时结构成像。
22.平面激光诱导荧光(plif)技术是一项关键燃烧诊断工具，常用于成像火焰瞬时结构。通过利用片状激光激发测量平面上的特定粒子，plif技术可以实现火焰关键组分的高时空分辨成像，对促进燃烧理论的发展和燃烧的工程应用具有重要意义。在火焰结构的plif成像实践中，最常选用的火焰荧光组分为ch2o、ch和oh，因为它们分别代表了碳氢燃料燃烧过程的预热阶段、反应阶段和已燃阶段。在开放式小尺度燃烧环境下，ch2oplif、chplif和ohplif应用广泛，然而在超声速燃烧室中，目前几乎都是ohplif成像火焰已燃区瞬时结构。这导致超声速燃烧火焰预热区和释热区结构的诊断研究面临较大的困难，阻碍超声速燃烧理论研究的深入。
23.本发明提出了一种针对超声速燃烧火焰的ch2oplif成像方法及装置。进一步地，本发明设计了激光吸收腔，克服了以往开展超声速燃烧火焰的ch2oplif成像时，遭遇到的激光杂散光干扰问题。进一步地，提出了利用利用双重成像技术以≤250ns的时间间隔连续拍摄两帧图像，其中一帧图像拍摄ch2oplif荧光图像，所述ch2oplif荧光图像存在火焰自辐射干扰，另一帧图像仅拍摄火焰自辐射图像；将所述ch2oplif荧光图像减去所述火焰自辐射图像，以消除以往开展超声速燃烧火焰的ch2oplif成像时遭遇到的火焰自辐射干扰问题。
24.本发明可在超声速燃烧室内实现火焰ch2o组分的瞬时分布成像，获得燃料发生初始热解位置的瞬时结构。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
26.图1是本发明一实施例的结构示意图；
27.图2是本发明一实施例中的凹腔的结构示意图；
28.图3是图2的俯视图；
29.图4是图3的a-a剖视图(放大后)；
30.图5是本发明一实施例中在不同时刻拍摄到的超声速燃烧火焰ch2o组分的瞬时结构图像，其中(a)为a时刻拍摄到的超声速燃烧火焰ch2o组分的瞬时结构图像，(b)为b时刻拍摄到的超声速燃烧火焰ch2o组分的瞬时结构图像；
31.标号说明：
32.1、nd:yag激光器；2、染料激光器；3、353.06nm激光；4、激光转向传输器件；5、凹柱面镜；6、凸球面镜；7、超声速燃烧室；8、凹腔；9、成像单元；10、激光吸收腔；11、凹腔底壁。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.一实施例中提供一种超声速燃烧火焰结构的瞬时成像装置，包括激光生成单元、超声速燃烧室7以及成像单元9，所述激光生成单元生成用于激发ch2o荧光的波长为353.06nm的激光片光，所述激光片光的激光线宽≤3pm。
35.参照图1，一实施例中的所述激光生成单元包括nd:yag激光器1、染料激光器2、激光转向传输器件4、凹柱面镜5和凸球面镜6，用于激发ch2o荧光的波长为353.06nm激光由nd:yag激光器1泵浦染料激光器2获得，353.06nm的激光经激光转向传输器件4传输至凹柱面镜5和凸球面镜6，依次经凹柱面镜5和凸球面镜6后以激光片光的形式入射至超声速燃烧室7。本实施例中激光转向传输器件4为高反镜，353.06nm激光经过一系列高反镜引导，达到超声速燃烧室的顶部，353.06nm激光垂直向下传输，经过凹柱面镜5和凸球面镜6之后，以片状激光形式从超声速燃烧室顶部开设的激光入射窗口(如石英窗口)进入超声速燃烧室7内。所述激光片光经所述激光入射窗口入射至超声速燃烧室7，所述超声速燃烧室7一侧壁上设置有用于成像单元9对超声速燃烧室内激光光片激发区域成像的成像窗口；所述成像单元9通过成像窗口正对超声速燃烧室内激光光片激发区域成像。
36.参照图1，本发明所述超声速燃烧室7内的底壁上设置有凹腔8，凹腔8具有稳定燃烧的作用，称之为凹腔稳焰器。所述凹腔底壁11上设置有激光吸收腔10，入射进所述超声速燃烧室7的激光片光直接入射至所述激光吸收腔10。
37.参照图2至图4,所述激光吸收腔10为开设在所述凹腔底壁11上的狭缝，所述狭缝一端为狭缝入口，另一端为盲端，所述狭缝入口与所述凹腔底壁11齐平。自狭缝入口起狭缝
宽度不断收缩直至其盲端，所述激光片光经所述狭缝入口进入狭缝，所述狭缝入口宽度能够保证所述激光片光完整入射。优选地，所述狭缝入口位于发动机流道中心平面位置，所述狭缝入口宽度≤1mm。当片状激光进入激光吸收腔10后，会在狭缝壁面上多次反射，激光能量因此被逐渐耗散掉。该狭缝可以在不影响发动机正常工作的前提下，高效吸收用于激发ch2o组分的激光能量。这允许使用较高的单脉冲激光能量，从而提升了荧光功率和成像质量。
38.本发明所述成像单元9包括相机，所述相机镜头前装有380～480nm的带通滤光片。
39.进一步地，本发明还采用了双重成像技术以解决超声速燃烧火焰自辐射干扰ch2o荧光成像问题。超声速燃烧猛烈，导致火焰自辐射功率和荧光功率较为接近，即火焰自辐射信号不可忽略。双重成像技术是指对于每个激光脉冲，相机都会以较短的时间间隔(≤250ns)连续拍摄两帧图像，由于时间间隔极短，超声速燃烧火焰自辐射图像近似不变。
40.具体地，所述成像单元利用双重成像技术以≤250ns的时间间隔连续拍摄两帧图像，其中一帧图像拍摄ch2oplif荧光图像，所述ch2oplif荧光图像存在火焰自辐射干扰，另一帧图像仅拍摄火焰自辐射图像。将所述ch2oplif荧光图像减去所述火焰自辐射图像，以消除火焰自辐射干扰。
41.一实施例中，提供一种基于上述超声速燃烧火焰结构的瞬时成像装置的火焰结构瞬时成像方法，包括：
42.生成用于激发ch2o荧光的波长为353.06nm的激光片光；
43.成像单元通过成像窗口正对超声速燃烧室内激光光片激发区域成像，对于单次激发，使用双重成像技术以≤250ns的时间间隔连续拍摄两帧图像，其中一帧图像拍摄ch2oplif荧光图像，所述ch2oplif荧光图像存在火焰自辐射干扰，另一帧图像仅拍摄火焰自辐射图像；
44.所述ch2oplif荧光图像减去所述火焰自辐射图像，以消除火焰自辐射干扰，从而解决了火焰自辐射干扰超燃火焰ch2oplif成像的问题。
45.本发明已经经过了实验验证，方法与装置可行，效果良好。图5是本发明一实施例中在不同时刻拍摄到的超声速燃烧火焰ch2o组分的瞬时结构图像，其中(a)为a时刻拍摄到的超声速燃烧火焰ch2o组分的瞬时结构图像，(b)为b时刻拍摄到的超声速燃烧火焰ch2o组分的瞬时结构图像，具体地，图5所示的是实验中不同时刻拍摄到的沿超声速燃烧室的凹腔流向中心平面的ch2o组分瞬时结构图像。
46.本发明未尽事宜为公知技术。
47.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
48.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。
49.以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.超声速燃烧火焰结构的瞬时成像装置，其特征在于，包括激光生成单元、超声速燃烧室以及成像单元，所述激光生成单元生成用于激发ch2o荧光的波长为353.06nm的激光片光；所述超声速燃烧室顶壁上设有供所述激光片光入射的激光入射窗口，所述激光片光经所述激光入射窗口入射至超声速燃烧室，所述超声速燃烧室一侧壁上设置有用于成像单元对超声速燃烧室内激光光片激发区域成像的成像窗口；所述成像单元通过成像窗口正对超声速燃烧室内激光光片激发区域成像。2.根据权利要求1所述的超声速燃烧火焰结构的瞬时成像装置，其特征在于，所述激光片光的激光线宽≤3pm。3.根据权利要求1或2所述的超声速燃烧火焰结构的瞬时成像装置，其特征在于，所述成像单元包括相机，所述相机镜头前装有380～480nm的带通滤光片。4.根据权利要求3所述的超声速燃烧火焰结构的瞬时成像装置，其特征在于，所述成像单元利用双重成像技术以≤250ns的时间间隔连续拍摄两帧图像，其中一帧图像拍摄ch2oplif荧光图像，所述ch2oplif荧光图像存在火焰自辐射干扰，另一帧图像仅拍摄火焰自辐射图像。5.根据权利要求1或2或4所述的超声速燃烧火焰结构的瞬时成像装置，其特征在于，所述超声速燃烧室内的底壁上设置有凹腔，所述凹腔底壁上设置有激光吸收腔，入射进所述超声速燃烧室的激光片光直接入射至所述激光吸收腔。6.根据权利要求5所述的超声速燃烧火焰结构的瞬时成像装置，其特征在于，所述激光吸收腔为开设在所述凹腔底壁上的狭缝，所述狭缝一端为狭缝入口，另一端为盲端，自狭缝入口起狭缝宽度不断收缩直至其盲端，所述激光片光经所述狭缝入口进入狭缝，所述狭缝入口宽度能够保证所述激光片光完整入射。7.根据权利要求6所述的超声速燃烧火焰结构的瞬时成像装置，其特征在于，所述狭缝入口与所述凹腔底壁齐平。8.根据权利要求7所述的超声速燃烧火焰结构的瞬时成像装置，其特征在于，所述狭缝入口宽度≤1mm。9.根据权利要求1或2或4或6或7或8所述的超声速燃烧火焰结构的瞬时成像装置，其特征在于，所述激光生成单元包括nd:yag激光器、染料激光器、激光转向传输器件、凹柱面镜和凸球面镜，用于激发ch2o荧光的波长为353.06nm的激光由nd:yag激光器泵浦染料激光器获得，353.06nm的激光经激光转向传输器件传输至凹柱面镜和凸球面镜，依次经凹柱面镜和凸球面镜后以激光片光的形式入射至超声速燃烧室。10.基于权利要求1所述的超声速燃烧火焰结构的瞬时成像装置的火焰结构瞬时成像方法，其特征在于，包括：生成用于激发ch2o荧光的波长为353.06nm的激光片光；成像单元通过成像窗口正对超声速燃烧室内激光光片激发区域成像，利用双重成像技术以≤250ns的时间间隔连续拍摄两帧图像，其中一帧图像拍摄ch2oplif荧光图像，所述ch2oplif荧光图像存在火焰自辐射干扰，另一帧图像仅拍摄火焰自辐射图像；所述ch2oplif荧光图像减去所述火焰自辐射图像，以消除火焰自辐射干扰。

技术总结
本发明提出一种超声速燃烧火焰结构的瞬时成像装置及方法，包括激光生成单元、超声速燃烧室以及成像单元，激光生成单元生成用于激发CH2O荧光的波长为353.06nm的激光片光；超声速燃烧室顶壁上设有供所述激光片光入射的激光入射窗口，激光片光经所述激光入射窗口入射至超声速燃烧室，超声速燃烧室一侧壁上设置有用于成像单元对超声速燃烧室内激光光片激发区域成像的成像窗口；成像单元通过成像窗口正对超声速燃烧室内激光光片激发区域成像。本发明可在超声速燃烧室内实现火焰CH2O组分的瞬时分布成像，获得燃料发生初始热解位置的瞬时结构。结构。结构。


技术研发人员：朱家健 孙明波 万明罡 孙永超 田轶夫
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/8/4