一种发动机燃烧室多维温度及浓度场的诊断系统技术方案

本实用新型专利技术实施例涉及一种发动机燃烧室多维温度及浓度场的诊断系统，包括：光源模块，采集模块、处理模块以及位移模块，光源模块与采集模块相对设置于发动机燃烧室的同一水平面；光源模块用于向发动机燃烧室内发射多组激光光束，通过激光光束在发动机燃烧室形成网格平面，并通过采集模块将采集到的激光光束转换为电压信号，将电压信号发送至处理模块，处理模块用于分析电压信号确定网格平面的二维温度及浓度场；所述位移模块用于控制所述光源模块以及所述采集模块在竖直方向移动，以此测量发动机燃烧室的三维温度及浓度场。在实现高时、空分辨率的动态二维温度场和浓度场测量的同时，结合位移模块可获得发动机燃烧室三维温度和浓度场的测量结果。

【技术实现步骤摘要】
一种发动机燃烧室多维温度及浓度场的诊断系统
本技术实施例涉及发动机燃烧室温度及浓度场测量领域，尤其涉及一种发动机燃烧室多维温度及浓度场的诊断系统。
技术介绍
精确诊断发动机燃烧室火焰温度及浓度二维动态分布对于发动机燃烧机理、热声振荡、形态转变等研究具有重要意义。由于发动机燃烧室内复杂的流场环境，精确诊断发动机燃烧室火焰二维动态温度及浓度场极为困难，例如对于航空发动机而言，其燃烧室内部存在旋流、回流的流场结构，特别是燃烧状态下旋流火焰为高温湍流燃烧；对于超燃发动机而言，其燃烧室内部存在大的密度及温度梯度，此外还有激波的干扰。目前常规的接触式测量手段例如热电偶、总温探针、热流传感器等诊断方法已不能满足对于上述领域的研究需求，需要发展可靠有效的非接触式测量技术。目前已有主要的非侵入式测量方法有超声层析成像、电学层析成像、平面激光诱导荧光、可调谐二极管激光吸收光谱等。超声层析成像和电学层析成像主要应用于不可压缩一致的固体或者液体温度场测试，超声层析成像通过测量超声波的传播速度，根据其与温度的相互关系结合层析成像计算温度分布，电学层析成像通过测量目标区域的介电常数分布，通过预先标定介电常数与温度的系数，得到测量目标区域的温度值，而对于发动机燃烧场而言，存在剧烈化学反应，且流场结构持续变化，上述两种测量手段在该领域并无突破进展。平面激光诱导荧光利用特定分子受激发出的荧光探测温度场，主要用于稳态火焰的测量，对于压力、温度剧烈变化的发动机燃烧场，多用于定性分析，获得精确定量结果极为困难，此外其测量区域范围严重受制于激光器能量限制。可调谐二极管激光吸收光谱(Tunablediodelaserabsorptionspectroscopy，TDLAS)具备对燃烧场多参数(温度、组分浓度)实时定量诊断能力和对流场无干扰的优点，是当前国际上燃烧诊断领域的发展热点。TDLAS技术是沿光程的积分测量，即获得的是沿光程的平均值，这不能反应实际的具有较大温度梯度及浓度梯度的流场状态，而气流参数的二维截面分布特征对于研究发动机燃烧组织和放热分布才更有意义。TDLAS结合计算层析(ComputedTomography)是提高TDLAS空间分辨能力，实现二维断面测量的主要技术途径(普遍称之为TDLAT，TunableDiodeLaserAbsorptionTomography)。根据层析成像术的具体实现方法，TDLAT又可分为：优化非正交光路+双波长/单波长；旋转扇束/平行束+双波长；正交光路+多光谱光源。优化非正交光路+双波长/单波长需要多个投射角度的测量光路，而对真实发动机测试环境而言，存在光路架设空间不足，壁面窗口奇缺的障碍，多个投影角度大大增加了测量系统的复杂性，目前尚无该方案应用于真实发动机燃烧室温度场及浓度场的测量结果，多用于实验室开放环境。旋转扇束/平行束+双波长，旋转扇束/平行束一般通过旋转实验台或者旋转光源来实现，增加了设备的复杂度，同时时间分辨率与旋转频率有关，难以实现千赫兹以上的高时间分辨要求。正交光路+多光谱光源技术实验系统相对简单，特别是正交式光路布置使得TDLAT仅需相互垂直的两个投射角度，更少的投影角度意味着更容易应用于实际测量环境和更高的测量速度。非常具有代表性的工作是2013年LinMa发表的“50-kHz-rate2DimagingoftemperatureandH2OconcentrationattheexhaustplaneofaJ85engineusinghyperspectraltomography,OpticsExpress,21(1),1152-1162”,他采用15×15的正交式光路布置实现J85航空发动机出口二维动态温度场及水蒸气浓度场的定量测量，但该方案存在问题有：1)多光谱光源采用傅里叶锁模光纤激光器，虽然能够实现50kHz的频率下扫过约30nm波长范围，但该型激光器价格昂贵且技术不成熟，例如其激光的波长稳定性和线性度较DFB激光器较差；2)由于光源的高频和扫描范围限制，该TDLAT系统可选谱线的低能级能量分布不够宽泛，再耦合探测器响应、采样频率等硬件参数的匹配问题，导致吸收数据的原始信噪比要弱于基于DFB激光器的TDLAT技术；3)受制于早先光学器件的发展水平，LinMa的正交式光学结构其相邻激光光束的间隙为38.3mm，而对于较小尺寸的发动机来说，空间分辨能力难以满足需求。
技术实现思路
本技术实施例提供了一种发动机燃烧室多维温度及浓度场的诊断系统，可以实现高时、空分辨率的动态二维温度场和浓度场测量的同时，结合位移模块，可获得发动机燃烧室三维温度和浓度场的测量结果。第一方面，本申请实施例提供了一种发动机燃烧室多维温度及浓度场的诊断系统，包括：光源模块，采集模块以及处理模块，其中，所述光源模块与所述采集模块相对设置于发动机燃烧室的同一水平面；所述光源模块用于向所述发动机燃烧室内发射多组激光光束，通过所述激光光束在所述发动机燃烧室形成网格平面，并通过所述采集模块将采集到的激光光束转换为电压信号，将所述电压信号发送至所述处理模块，所述处理模块用于分析所述电压信号确定所述网格平面的二维温度及浓度场。在一个可能的实施方式中，所述光源模块包括：多光谱光源、光纤分束器以及自聚焦准直透镜；所述多光谱光源通过所述光纤分束器将光路耦合分为多个光束，并将耦合后的光束传输至相同数量的自聚焦准直透镜，所述自聚焦准直透镜等间距设置于所述发动机燃烧室的第一侧面与第二侧面，其中所述第一侧面与所述第二侧面垂直。在一个可能的实施方式中，所述采集模块包括：自聚焦耦合透镜以及光电探测器；所述自聚焦耦合透镜与所述自聚焦准直透镜对应设置，且所述自聚焦耦合透镜与所述光电探测器连接，用于将采集到的激光光束发送至所述光电探测器转换为电压信号。在一个可能的实施方式中，所述处理模块包括：高速数据采集仪以及控制及数据处理器；所述高速数据采集仪用于记录所述电压信号，并将所述电压信号发送至所述控制及数据处理器进行分析，确定发动机燃烧室的二维温度及浓度场；所述控制及数据处理模块还用于控制所述光源模块。在一个可能的实施方式中，所述系统还包括：用于搭载所述自聚焦准直透镜以及所述自聚焦耦合透镜的位移模块，通过所述位移模块控制所述自聚焦准直透镜以及所述自聚焦耦合透镜在竖直方向移动，用于测量发动机燃烧室的三维温度及浓度场。本技术实施例提供的一种发动机燃烧室多维温度及浓度场的诊断系统，采用多光谱光源层析成像技术方案，单条光路上布置有n(n≥4)条吸收谱线，能够实现正交式这种最少投射角度的光路布置，在真实发动机燃烧室测量现场更易实现，即更具实用性。本技术基于n(n≥4)台DFB激光器分时耦合制备的多光谱光源较傅里叶锁模光纤激光器价格更为低廉；吸收谱线的低能级能量分布足够宽泛并且可根据实际需求灵活调整(低能级能量分布决定了测温灵敏度)，更换相应激光器即可；稳定性和线性度更为优异，配套的探测器、采集和数据处理模块更加成熟，从而提升了原始信噪比；本实用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种发动机燃烧室多维温度及浓度场的诊断系统，其特征在于，包括：光源模块，采集模块、处理模块以及位移模块，其中，所述光源模块与所述采集模块相对设置于发动机燃烧室的同一水平面；/n所述光源模块用于向所述发动机燃烧室内发射多组激光光束，通过所述激光光束在所述发动机燃烧室形成网格平面，并通过所述采集模块将采集到的激光光束转换为电压信号，将所述电压信号发送至所述处理模块，所述处理模块用于分析所述电压信号确定所述网格平面的二维温度及浓度场；/n所述位移模块用于控制所述光源模块以及所述采集模块在竖直方向移动，以此测量发动机燃烧室的三维温度及浓度场。/n

【技术特征摘要】
1.一种发动机燃烧室多维温度及浓度场的诊断系统，其特征在于，包括：光源模块，采集模块、处理模块以及位移模块，其中，所述光源模块与所述采集模块相对设置于发动机燃烧室的同一水平面；
所述光源模块用于向所述发动机燃烧室内发射多组激光光束，通过所述激光光束在所述发动机燃烧室形成网格平面，并通过所述采集模块将采集到的激光光束转换为电压信号，将所述电压信号发送至所述处理模块，所述处理模块用于分析所述电压信号确定所述网格平面的二维温度及浓度场；
所述位移模块用于控制所述光源模块以及所述采集模块在竖直方向移动，以此测量发动机燃烧室的三维温度及浓度场。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光源模块包括：多光谱光源、光纤分束器以及自聚焦准直透镜；
所述多光谱光源通过所述光纤分束器将光路耦合分为多个...

【专利技术属性】
技术研发人员：李飞，林鑫，余西龙，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：新型
国别省市：北京;11