一种测量超燃冲压发动机燃烧室温度和发射率的方法技术

一种测量超燃冲压发动机燃烧室温度和发射率的方法，基于光谱辐射强度实现测量。检测超燃冲压发动机燃烧室内火焰辐射信息，得到检测光谱辐射强度数据，添加正态随机补偿作为迭代过程的目标光谱辐射强度；用未知阶系数的多项式函数表示每组发射率，任选一组作为温度和多项式系数初值，初始多项式阶数为0；结合LM算法和最小二乘法，通过迭代计算优化多项式系数和温度；重复迭代直至迭代结果收敛，再判定温度和发射率是否收敛，若不收敛则将多项式阶数加一，重新设定温度和多项式系数初值进行迭代计算，直至残差、温度、发射率同时收敛。本发明专利技术方法根据待测火焰光谱辐射强度得到火焰温度和随波长变化的发射率分布，不依赖迭代初值，结果可靠。结果可靠。结果可靠。

【技术实现步骤摘要】
一种测量超燃冲压发动机燃烧室温度和发射率的方法


[0001]本专利技术涉及辐射测温领域，是一种测量超燃冲压发动机燃烧室火焰温度和发射率分布的方法，具体基于光谱辐射强度实现测量。

技术介绍

[0002]超燃冲压发动机是未来实现超声速飞行的最佳动力方式之一，其燃烧室内同时存在着燃料喷注、燃料掺混、点火、火焰传播、激波/边界层相互作用和热防护等，是一个多尺度和多参数耦合的物理
‑
化学过程。
[0003]在这种环境下实现非接触、无干扰、准确高效地测量火焰温度和发射率具有十分重要的实际意义。

技术实现思路

[0004]为了克服现有方法依赖先验计算的不足，本专利技术提供了一种基于辐射谱线测量超燃冲压发动机燃烧室火焰温度和发射率的方法，该方法能够基于辐射谱线有效地给出火焰温度和发射率分布。
[0005]本专利技术突出的优势在于不依赖先验计算，更适合在复杂检测环境下测量得到可靠性高的结果。
[0006]为实现上述目的，提供了如下技术方案：
[0007]一种测量超燃冲压发动机燃烧室火焰温度和发射率的方法，具体包括如下步骤：
[0008]步骤1：用光谱仪检测超燃冲压发动机燃烧室内火焰碳烟辐射信息，通过黑体炉标定转换为多组包含相同个数的检测光谱辐射强度数据；
[0009]步骤2：将发射率表示为波长的多项式函数，即光谱辐射强度表示为下式1：
[0010][0011]式中，I(λ,T)为实际光谱辐射强度，λ为波长，T为温度，ε(λ)为光谱发射率，P0、P1…
P
n
表示ε(λ)对应的多项式的各阶系数，n为多项式的阶数，是大于等于0的整数，c为光速，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数；
[0012]根据所述式1，可改写得到下式2：
[0013][0014]式中，λ
j
为第j个波长，I
j
为测量的第j个波长对应的目标光谱辐射强度，r为迭代次
数，为目标光谱辐射强度与计算光谱辐射强度之差；
[0015]步骤3：将检测光谱辐射强度添加正态随机补偿作为迭代过程的目标光谱辐射强度；
[0016]步骤4：利用未知阶系数的多项式函数表示每组发射率，任意选取一组数据作为温度和多项式系数初值，初始多项式阶数为0；
[0017]步骤5：采用Levenberg
‑
Marquardt(LM)算法和最小二乘法相结合的方法迭代优化多项式系数和温度，上一次的迭代结果将作为下一次的迭代初值，重复迭代直至迭代结果收敛；再判定温度和发射率是否收敛，若不收敛则将多项式阶数加一，重新设定温度和多项式系数初值进行迭代计算，直至残差、温度、发射率同时收敛。
[0018]优选地，所述测量超燃冲压发动机燃烧室火焰温度和发射率的方法中：
[0019]所述步骤3)中的正态随机补偿在每次迭代中随机生成，表示为下式3：
[0020]I
j
＝I0×
(1+0.1
×
N(μ,σ2))
[0021]式中，I0为检测光谱辐射强度，N(μ,σ2)为正态随机补偿，μ＝0为均差，σ＝1为标准差；
[0022]所述步骤5)中所述温度和发射率收敛的判定标准为：假设当前阶数为m，m
‑
1阶残差收敛后的连续3次计算得到的温度和发射率与m阶残差收敛后的连续3次计算得到的温度和发射率一致。
[0023]作为前述技术方案的优选，所述步骤5)中求解发射率随波长变化的多项式各阶系数P0、P1…
P
n
和温度T包括以下步骤：
[0024]a.根据待求解的所述式2得到一组残差f函数方程组的偏差和偏导数；
[0025]b.根据偏差和偏导数，采用LM算法和最小二乘法相结合的方法求出输入数据的修正值；
[0026]c.利用下式4对输入数据进行修正：
[0027][0028]d.若修正后得到的输入数据或修正值满足小于允许误差，则进行步骤e，否则返回步骤a，将修正后的温度和多项式系数作为输入数据，重复上述过程；
[0029]e.输出迭代收敛值。
[0030]本专利技术提供的测量超燃冲压发动机燃烧室温度和发射率的方法的技术方案，能够根据待测超燃冲压发动机燃烧室火焰光谱辐射强度得到火焰温度和随波长变化的发射率分布，不依赖先验计算得到迭代初值，结果可靠。
附图说明
[0031]图1为本专利技术实施例提供的一种测量超燃冲压发动机燃烧室温度和发射率的方法的总体流程图；
[0032]图2为本专利技术实施例的仪器响应值和检测光谱辐射强度分布图；
[0033]图3为本专利技术实施例不同拟合阶数n对应的光谱发射率分布图；
[0034]图4为本专利技术实施例不同拟合阶数n对应的光谱辐射强度分布和检测光谱辐射强度分布对比图；
[0035]图5为本专利技术实施例不同拟合阶数n对应的温度和残差平方和分布图。
具体实施方式
[0036]下面结合附图对本专利技术的具体实施方法进行说明。
[0037]图1为本专利技术方法的总体流程图，该方法利用光谱仪检测超燃冲压发动机燃烧室火焰，得到多组检测光谱辐射强度数据；然后将检测光谱辐射强度添加正态随机补偿作为迭代过程的目标光谱辐射强度；任意选取一组温度和多项式系数初值，采用LM算法和最小二乘法相结合的方法不断优化多项式系数和温度；直至残差、温度、发射率同时收敛，输出结果。
[0038]考虑到光谱仪拍摄得到的检测辐射强度数据与实际火焰辐射存在误差，因此每次迭代前将检测辐射强度添加正态随机补偿，即可使目标辐射强度在一定范围内浮动，避免检测误差过大或迭代过程中偶然因素造成计算错误。
[0039]LM算法和最小二乘法相结合的方法对迭代初值不敏感，最终结果仅受光谱仪测量得到的光谱辐射强度的影响，所以任意选取一组温度和多项式系数作为迭代初值不影响输出结果的准确性。
[0040]具体实施过程如下：
[0041]LM算法和最小二乘法相结合的方法拟合求解。
[0042]光谱辐射强度的计算公式如下所示：
[0043][0044]式中，ε为发射率，随波长λ变化而变化，c为光速，取值3
×
108m/s，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，T为未知温度。
[0045]将发射率ε转化为随波长λ变化的多项式函数，那么式(1)可以表示为：
[0046][0047]本专利技术方法中判定流程的具体实施步骤如下述所示：
[0048]a.将式(2)改写为：
[0049][0050]I
j
＝I0×
(1+0.1
×
N(μ,σ2))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0051]式中，r表示迭代次数，I0表示检测光谱辐射强度，I
j
表示目标光谱辐射强度公式。将对公式(2)的求解转换成寻找公式(3)的零点，即将迭代初值或上一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种测量超燃冲压发动机燃烧室温度和发射率的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：1)用光谱仪检测超燃冲压发动机燃烧室内火焰碳烟辐射信息，通过黑体炉标定转换为多组包含相同个数的检测光谱辐射强度数据；2)将发射率表示为波长的多项式函数，即光谱辐射强度表示为下式1：式中，I(λ,T)为实际光谱辐射强度，λ为波长，T为温度，ε(λ)为光谱发射率，P0、P1…
P
n
表示ε(λ)对应的多项式的各阶系数，n为多项式的阶数，是大于等于0的整数，c为光速，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数；根据所述式1，得到下式2：式中，λ
j
为第j个波长，I
j
为测量的第j个波长对应的目标光谱辐射强度，r为迭代次数，为目标光谱辐射强度与计算光谱辐射强度之差；3)将检测光谱辐射强度添加正态随机补偿作为迭代过程的目标光谱辐射强度；4)利用未知阶系数的多项式函数表示每组发射率，任意选取一组数据作为温度和多项式系数初值，初始多项式阶数为0；5)采用Levenberg
‑
Marquardt算法和最小二乘法相结合的方法迭代优化多项式系数和温度，上一次的迭代结果将作为下一次的迭代初值，重复迭代直至迭代结果收敛；再判定温度和发射率是否收敛，若不收敛则将多项式阶数加一，重新设定温度和多...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙明波，郑树，朱家健，李庆，张明轩，才伟光，王岩，陆强，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：