一种发动机喷雾流场近场区光学诊断系统技术方案

一种发动机喷雾流场近场区光学诊断系统，包括沿飞秒脉冲激光入射方向放置的分光系统、复用系统、光克尔门选通成像系统以及比较成像系统；分光系统将入射飞秒脉冲激光分成具有不同波长和偏振特征，时间间隔可调的三束光脉冲，三束光脉冲通过复用系统分别记录不同时刻喷雾流场近场区的信息，并经过光克尔门选通成像系统分别成像。利用光克尔门选通弹道光成像系统可以有效排除散射光的影响，提高成像信噪比；通过比较成像系统所记录的三幅流场图中单个粒子轨迹可计算粒子的速度和加速度信息。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种发动机喷雾流场近场区光学诊断系统，包括沿飞秒脉冲激光入射方向放置的分光系统、复用系统、光克尔门选通成像系统以及比较成像系统；分光系统将入射飞秒脉冲激光分成具有不同波长和偏振特征，时间间隔可调的三束光脉冲，三束光脉冲通过复用系统分别记录不同时刻喷雾流场近场区的信息，并经过光克尔门选通成像系统分别成像。利用光克尔门选通弹道光成像系统可以有效排除散射光的影响，提高成像信噪比；通过比较成像系统所记录的三幅流场图中单个粒子轨迹可计算粒子的速度和加速度信息。【专利说明】一种发动机喷雾流场近场区光学诊断系统
本专利技术属于超高速流场高分辨成像与测量领域，具体涉及一种发动机喷雾流场近场区光学诊断系统。
技术介绍
在液体火箭发动机、汽油机、柴油机等内燃机中，喷注器对燃料进行雾化并与周围的氧化剂混合，其雾化细度和混合均匀性直接影响到内燃机的燃烧性能。燃油的雾化过程和喷射特性受喷射压力、燃油粘度、气缸内压力、温度、气流运动等外在因素以及喷油嘴结构、燃烧室形状等内部结构因素的影响。通过研究燃料喷雾在燃烧室空间的液滴分布、速度分布、流场强度及混合比，可以了解其在燃烧室内的释放程度和向燃烧室传递的热流，对于发展新的燃烧理论和新一代发动机技术，具有重要意义。因此，发展可用于超高速射流场的观测技术，可以加深对高速射流破裂雾化动力学过程的研究，为火箭发动机等引擎设计提供重要的实验数据，具有重要的科学意义和应用价值。相对于普通流场，火箭发动机等燃料喷雾超高速流场具有如下特点:(I)在近场区，射流湍流强度大、液滴密度最高；(2)燃烧属于湍流燃烧，燃烧过程中存在高速、剧烈的气流运动和各组分间的强烈的扩散运动。因此，火箭发动机等超高速喷雾流场近场区和高温、高压下内燃机燃烧过程的观测中，常规流场测量方法如阴影法、数字全息法、LIF法等光学成像及诊断技术存在如下有待解决的问题:(I)在近场区，用于成像的光子大部分被浓密液滴散射，普通的流场光学观测技术无法适用于此区域的诊断；(2)测量超高速流场中粒子运动速度及加速度时，成像系统的帧频需要达到MHz或数十MHz量级，因此，提高成像系统的帧频及保证帧频可调是测量超高速喷雾场中液相和气相界面之间扩散速度和加速度的关键，获得这些数据是分析液核在外力作用下破裂过程的前提。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种发动机喷雾流场近场区光学诊断系统，本专利技术能够对超高速喷雾流场的近场区成像，同时还能实现超短帧间隔的弹道光成像，使弹道光成像技术的功能扩展至能够测量超高速流场中粒子运动速度和加速度。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是:包括沿飞秒脉冲激光入射方向依次放置的分光系统、复用系统、光克尔门选通成像系统以及比较成像系统；复用系统包括宽带分束镜，宽带分束镜的反光路径中依次设有第三双色镜、第三偏振分束棱镜以及第五反射镜，且发动机喷雾流场设于宽带分束镜与第三双色镜之间；宽带分束镜的透光路径中依次设有宽带反射镜、第四双色镜、第四偏振分束棱镜以及第六反射镜；分光系统用于将飞秒脉冲激光转换成由倍频光、水平偏振基频光以及垂直偏振基频光组成的具有纳秒级时间间隔的脉冲串；复用系统用于使脉冲串中的倍频光、水平偏振基频光以及垂直偏振基频光照射发动机喷雾流场同一位置以携带发动机喷雾流场形貌信息，并将倍频光、水平偏振基频光以及垂直偏振基频光入射到光克尔门选通成像系统分别成像；比较成像系统用于比较光克尔门选通成像系统成像所得的三幅流场图中单个粒子轨迹以计算单个粒子的速度和加速度信息。所述的脉冲串经宽带分束镜分成两束光，一束光作为开关光束被宽带反射镜反射，被反射的开关光束中的倍频光经第四双色镜反射后控制光克尔门选通成像系统中光克尔门的开启和关闭；被反射的开关光束中的垂直偏振基频光依次经第四双色镜透射、第四偏振分束棱镜反射后控制光克尔门选通成像系统中光克尔门的开启和关闭；被反射的开关光束中的水平偏振基频光依次经第四双色镜透射、第四偏振分束棱镜透射、第六反射镜反射后控制光克尔门选通成像系统中光克尔门的开启和关闭；另一束光作为探测光束从发动机喷雾流场透射以使探测光束中的弹道光子携带发动机喷雾流场形貌信息，探测光束中的倍频光被第三双色镜反射后进入光克尔门选通成像系统进行成像；探测光束中的垂直偏振基频光依次经第三双色镜透射、第三偏振分束棱镜反射后进入光克尔门选通成像系统进行成像；探测光束中水平偏振基频光依次经第三双色镜透射、第三偏振分束棱镜透射、第五反射镜反射后进入光克尔门选通成像系统进行成像。所述的分光系统包括BBO倍频晶体、第一、二双色镜，第一双色镜的反光路径中依次设有第一光学延时器和第一反射镜；第一双色镜的透光路径中依次设有四分之一波片、第一偏振分束棱镜、第二光学延时器以及第二偏振分束棱镜；飞秒脉冲激光经BBO倍频晶体产生基-倍频混合光束，基-倍频混合光束经第一双色镜分离后得到倍频光和基频光；基频光经四分之一波片转变成圆偏振光，再经第一偏振分束棱镜透射和反射，反射后得到的垂直偏振基频光被第二光学延时器延时；透射后得到的水平偏振基频光以及被延时的垂直偏振基频光被第二偏振分束棱镜合束；倍频光经第一光学延时器延时后被第一反射镜反射，然后与合束的水平偏振基频光和垂直偏振基频光共同被第二双色镜合束成纳秒时间间隔的脉冲串。所述的第一、二光学延时器均采用结构相同的折返型光学延时器，折返型光学延时器包括平行放置在旋转台上的两个条形反射镜、由步进电机控制的第一光学延时线以及第七、八反射镜；入射光进入其中一个条形反射镜并在两个条形反射镜之间进行多次反射，然后经第七反射镜反射、第一光学延时线延时、第八反射镜反射后出射，两个条形反射镜的间距为3-20cm，旋转台与进入条形反射镜的入射光垂直方向之间的夹角保持在5-45°。所述的入射光在折返型光学延时器的光程均为30cm-7.5m。所述的四分之一波片的光轴长轴方向与其入射光偏振方向夹角为45°。所述的第一双色镜与四分之一波片之间设有用于反射基频光的第二反射镜，第二偏振分束棱镜与第二双色镜之间依次设有用于反射水平偏振基频光和垂直偏振基频光的第三、四反射镜。所述的第一、二、三、四偏振分束棱镜允许透射的偏振方向相同。所述的光克尔门选通成像系统包括第一、二、三光克尔门以及第一、二、三CXD ;第一光克尔门的开启和关闭由开关光束中的倍频光控制，探测光束中的倍频光经第一光克尔门处理后在第一 (XD上成像；第二光克尔门的开启和关闭由开关光束中的垂直偏振基频光控制，探测光束中的垂直偏振基频光经第二光克尔门处理后在第二 CXD上成像；第三光克尔门的开启和关闭由开关光束中的水平偏振基频光控制，探测光束中的水平偏振基频光经第三光克尔门处理后在第三CXD上成像；所述的比较成像系统用于比较第一、二、三C⑶成像所得到的三幅流场图中单个粒子轨迹以计算单个粒子的速度和加速度信息。所述的第一、二、三光克尔门的结构相同，且每个光克尔门包括沿探测光束方向依次放置的起偏器、第一聚焦透镜、光克尔介质、检偏器，沿开关光束依次放置的半波片、第九反射镜、由步进电机控制的第二光学延时线、第十反射镜、第二聚焦透镜、第十一反射镜；探测光束依次经起偏器起偏、第一聚焦透镜聚焦后入射到光克尔介质；开关光束依次经半波片起偏45°、第九反射镜反射本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种发动机喷雾流场近场区光学诊断系统，其特征在于：包括沿飞秒脉冲激光入射方向依次放置的分光系统、复用系统、光克尔门选通成像系统以及比较成像系统；复用系统包括宽带分束镜（13），宽带分束镜（13）的反光路径中依次设有第三双色镜（14）、第三偏振分束棱镜（15）以及第五反射镜（16），且发动机喷雾流场设于宽带分束镜（13）与第三双色镜（14）之间；宽带分束镜（13）的透光路径中依次设有宽带反射镜（17）、第四双色镜（18）、第四偏振分束棱镜（19）以及第六反射镜（20）；分光系统用于将飞秒脉冲激光转换成由倍频光、水平偏振基频光以及垂直偏振基频光组成的具有纳秒级时间间隔的脉冲串；复用系统用于使脉冲串中的倍频光、水平偏振基频光以及垂直偏振基频光照射发动机喷雾流场同一位置以携带发动机喷雾流场形貌信息，并将倍频光、水平偏振基频光以及垂直偏振基频光入射到光克尔门选通成像系统分别成像；比较成像系统用于比较光克尔门选通成像系统成像所得的三幅流场图中单个粒子轨迹以计算单个粒子的速度和加速度信息。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：闫理贺，司金海，谭文疆，陈涛，陈烽，侯洵，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61