燃料射流濃度場(chǎng)分布測(cè)試裝置及其實(shí)施方法
【專利摘要】一種屬于濃度場(chǎng)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域的燃料射流濃度場(chǎng)分布測(cè)試裝置及其實(shí)施方法，包括激光器、倍頻器、全反棱鏡、片光生成鏡組、定容彈系統(tǒng)、平面反光鏡、濾鏡、熒光信號(hào)探測(cè)器。本發(fā)明采用激光器產(chǎn)生準(zhǔn)直的激光信號(hào)，經(jīng)倍頻器得到相應(yīng)波長(zhǎng)的準(zhǔn)直激光信號(hào)，由一號(hào)全反棱鏡和二號(hào)全反棱鏡改變光路進(jìn)入片光生成鏡組，再經(jīng)過片光生成鏡組由準(zhǔn)直光變成了片光，片光射入容彈內(nèi)誘導(dǎo)示蹤粒子產(chǎn)生熒光，熒光經(jīng)過平面反光鏡改變光路并經(jīng)濾鏡濾光后，被熒光信號(hào)探測(cè)器捕捉生成二維熒光圖像，將生成的圖像劃分n個(gè)網(wǎng)格，并通過標(biāo)定得到的濃度與光強(qiáng)的關(guān)系進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，從而得到定量的燃料噴霧濃度分布。本發(fā)明實(shí)驗(yàn)工況接近實(shí)際內(nèi)燃機(jī)，對(duì)未來(lái)內(nèi)燃機(jī)的開發(fā)有指導(dǎo)意義。
【專利說(shuō)明】
燃料射流濃度場(chǎng)分布測(cè)試裝置及其實(shí)施方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種濃度場(chǎng)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域的的測(cè)試裝置，特別是一種采用激光誘導(dǎo)熒光法的燃料射流濃度場(chǎng)分布測(cè)試裝置及其實(shí)施方法。【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，在內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展過程中，為了能更好的控制燃料的燃燒效率和排放， 內(nèi)燃機(jī)在燃燒前，燃料噴霧的濃度分布場(chǎng)是至關(guān)重要的，如果能夠定量的確定燃料噴霧的濃度分布，對(duì)于噴霧的控制、燃燒室的設(shè)計(jì)等都有很好的參考價(jià)值。內(nèi)燃機(jī)的光學(xué)診斷方法相較于探針法有著不干擾當(dāng)?shù)亓鲌?chǎng)的優(yōu)點(diǎn)，尤其是平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)的方法能夠?qū)⑷剂系臐舛确植级康卦诙S圖像中顯示出來(lái)。傳統(tǒng)的PLIF方法將示蹤粒子(tracer)加進(jìn)燃料中，需要嚴(yán)格選用與燃料物理性質(zhì)相似的tracer，并需要在供油系統(tǒng)內(nèi)混合均勻，操作難度較大;且標(biāo)定時(shí)往往通過保持tracer在燃料中的濃度不變而改變不同次數(shù)的燃料噴射量的方法，這種標(biāo)定方法對(duì)計(jì)算標(biāo)定系數(shù)K有很大的不確定性。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為了解決傳統(tǒng)PLIF操作難度較大、標(biāo)定方法不確定性較大的問題，提供了一種燃料射流濃度場(chǎng)分布測(cè)試的實(shí)施裝置，并利用該裝置發(fā)明了一種燃料射流濃度場(chǎng)分布測(cè)試方法，該方法將tracer加進(jìn)氛圍氣中，標(biāo)定時(shí)只需改變tracer在氛圍氣中的濃度，且標(biāo)定圖像和計(jì)算圖像是在同一次實(shí)驗(yàn)過程中的兩次間隔拍攝得到，與傳統(tǒng)方法相比降低了操作難度和計(jì)算標(biāo)定系數(shù)K的不確定性。
[0004]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括激光器、倍頻器、一號(hào)全反棱鏡、二號(hào)全反棱鏡、片光生成鏡組、定容彈系統(tǒng)、濾鏡、平面反光鏡、熒光信號(hào)探測(cè)器，用激光器產(chǎn)生準(zhǔn)直的激光信號(hào)，經(jīng)倍頻器得到相應(yīng)波長(zhǎng)的準(zhǔn)直的激光信號(hào)，由一號(hào)全反棱鏡和二號(hào)全反棱鏡改變光路進(jìn)入片光生成鏡組，再經(jīng)過片光生成鏡組由準(zhǔn)直光變成了片光，片光射入容彈內(nèi)誘導(dǎo)示蹤粒子產(chǎn)生熒光，熒光經(jīng)過平面反光鏡改變光路并經(jīng)濾鏡濾光后，被熒光信號(hào)探測(cè)器捕捉生成二維熒光圖像。熒光信號(hào)探測(cè)器用于探測(cè)示蹤粒子的熒光信號(hào)，獲得示蹤粒子的熒光圖像。
[0005]本發(fā)明還包括一種利用本發(fā)明裝置測(cè)試燃料射流濃度場(chǎng)分布的測(cè)試方法，該方法的具體步驟為:
[0006]第一，激光器產(chǎn)生準(zhǔn)直的激光信號(hào)，經(jīng)過倍頻器得到相應(yīng)波長(zhǎng)的準(zhǔn)直的激光信號(hào)；
[0007]第二，經(jīng)倍頻的準(zhǔn)直激光信號(hào)經(jīng)一號(hào)全反棱鏡和二號(hào)全反棱鏡改變光路進(jìn)入片光生成鏡組，并被片光生成鏡組轉(zhuǎn)化為片光(片狀激光信號(hào))；
[0008]第三，片光經(jīng)過定容彈內(nèi)的定溫(T)定壓(p)的氛圍氣，激發(fā)氛圍氣中已知濃度并均勻分布的示蹤粒子，產(chǎn)生熒光信號(hào)；
[0009]第四，采用熒光信號(hào)探測(cè)器對(duì)示蹤粒子發(fā)出的熒光進(jìn)行探測(cè)，獲得二維熒光圖像， 作為標(biāo)定圖像；
[0010]第五，將標(biāo)定圖像劃分為n個(gè)網(wǎng)格，提取每個(gè)網(wǎng)格中的平均灰度值F，其中n為整數(shù)；
[0011]第六，對(duì)于第i個(gè)網(wǎng)格，灰度值Fi和當(dāng)?shù)厥聚櫫Ｗ訚舛菴i(x)的關(guān)系由公式Fi = K ? Ci(x)得到，由此關(guān)系計(jì)算出標(biāo)定系數(shù)K;
[0012]第七，噴射器噴射燃料，激光器同步再次發(fā)出激光，經(jīng)倍頻器、一號(hào)全反棱鏡、二號(hào)全反棱鏡、片光生成鏡組進(jìn)入已噴入燃料的溫度為T，噴射背壓為P的定容彈內(nèi)，激發(fā)氛圍氣中的示蹤粒子發(fā)出熒光，由熒光信號(hào)探測(cè)器獲得二維熒光圖像，作為計(jì)算圖像；
[0013]第八，將計(jì)算圖像劃分為n個(gè)網(wǎng)格，提取每個(gè)網(wǎng)格中的平均灰度值F，其中n為整數(shù)；
[0014]第九，由得到的K值和熒光信號(hào)探測(cè)器得到的灰度值F，通過數(shù)值計(jì)算，可以定量地得到第i個(gè)網(wǎng)格的示蹤粒子濃度分布Ci(x)=Fi/K，燃料噴霧濃度Cj(x)則由公式Cj(x) = l-Ci (x) /Co計(jì)算得到，燃料噴霧中的氛圍氣濃度Ca (x)則由公式匕(x) = Ci (x) /Co，其中Co為初始時(shí)刻混合均勻的氛圍氣中的示蹤粒子濃度。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明利用平面激光誘導(dǎo)熒光的成像裝置，設(shè)計(jì)了一種測(cè)量燃料噴霧在容彈內(nèi)濃度分布的方法。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)方法將示蹤粒子加入燃料中并充分混合的繁瑣問題，并提出了將示蹤粒子加入氛圍氣中的簡(jiǎn)便方法，用來(lái)測(cè)量燃料噴霧在容彈內(nèi)濃度分布。本方法實(shí)驗(yàn)工況均接近于實(shí)際內(nèi)燃機(jī)，對(duì)未來(lái)內(nèi)燃機(jī)的開發(fā)有指導(dǎo)意義?！靖綀D說(shuō)明】
[0016]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]附圖中的標(biāo)號(hào)分別為:1、激光器，2、倍頻器，3、一號(hào)全反棱鏡，4、二號(hào)全反棱鏡，5、 片光生成鏡組，6、定容彈系統(tǒng)，7、平面反光鏡，8、濾鏡，9、熒光信號(hào)探測(cè)器?！揪唧w實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0019]本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】一如圖1所示，本發(fā)明包括激光器1、倍頻器2、一號(hào)全反棱鏡3、二號(hào)全反棱鏡4、片光生成鏡組5、定容彈系統(tǒng)6、平面反光鏡7、濾鏡8、焚光信號(hào)探測(cè)器 9,用激光器1產(chǎn)生準(zhǔn)直的激光信號(hào)，經(jīng)倍頻器2得到相應(yīng)波長(zhǎng)的準(zhǔn)直的激光信號(hào)，由一號(hào)全反棱鏡3和二號(hào)全反棱鏡4改變光路進(jìn)入片光生成鏡組5,再經(jīng)過片光生成鏡5組由準(zhǔn)直光變成了片光，片光射入定容彈系統(tǒng)6內(nèi)誘導(dǎo)示蹤粒子產(chǎn)生熒光，熒光經(jīng)過平面反光鏡7改變光路并經(jīng)濾鏡8濾光后，被熒光信號(hào)探測(cè)器9捕捉生成二維熒光圖像。熒光信號(hào)探測(cè)器9用于探測(cè)示蹤粒子的熒光信號(hào)，獲得示蹤粒子的熒光圖像。
[0020]【具體實(shí)施方式】二，本實(shí)施方式是【具體實(shí)施方式】一所述的燃料射流濃度場(chǎng)分布測(cè)試裝置的進(jìn)一步說(shuō)明，定容彈系統(tǒng)6中噴射燃料，定容彈系統(tǒng)6中充入的氛圍氣為惰性氣體，氛圍氣中充入示蹤粒子，且示蹤粒子為有機(jī)化合物。
[0021]進(jìn)一步地，示蹤粒子可選用丙酮。
[0022]【具體實(shí)施方式】三，本實(shí)施方式是【具體實(shí)施方式】一所述燃料射流濃度場(chǎng)分布測(cè)試裝置的進(jìn)一步說(shuō)明，激光器1采用Nd:YAG激光器。
[0023]【具體實(shí)施方式】四，本實(shí)施方式是【具體實(shí)施方式】一所述燃料射流濃度場(chǎng)分布測(cè)試裝置的進(jìn)一步說(shuō)明，熒光信號(hào)探測(cè)器9采用ICCD相機(jī)。
[0024]【具體實(shí)施方式】五，本實(shí)施方式是【具體實(shí)施方式】一所述燃料射流濃度場(chǎng)分布測(cè)試裝置的進(jìn)一步說(shuō)明，片光生成鏡組5采用焦距為500mm的凸面球透鏡和焦距為-30mm的凹面柱透鏡。
[0025]【具體實(shí)施方式】六，本實(shí)施方式是【具體實(shí)施方式】一所述燃料射流濃度場(chǎng)分布測(cè)試裝置的進(jìn)一步說(shuō)明，濾鏡8的中心波長(zhǎng)為390nm，帶寬為18nm。
[0026]【具體實(shí)施方式】七，本方法是【具體實(shí)施方式】一的實(shí)施方法，該方法的具體步驟為:
[0027]第一，激光器1產(chǎn)生準(zhǔn)直的激光信號(hào)，經(jīng)過倍頻器2得到相應(yīng)波長(zhǎng)的準(zhǔn)直的激光信號(hào)；
[0028]第二，經(jīng)倍頻的準(zhǔn)直激光信號(hào)經(jīng)一號(hào)全反棱鏡3和二號(hào)全反棱鏡4改變光路進(jìn)入片光生成鏡組5,并被片光生成鏡組5轉(zhuǎn)化為片光(片狀激光信號(hào))；[〇〇29]第三，片光經(jīng)過定容彈內(nèi)的定溫(T)定壓(P)的氛圍氣，激發(fā)氛圍氣中已知濃度并均勻分布的示蹤粒子，產(chǎn)生熒光信號(hào)；
[0030]第四，采用熒光信號(hào)探測(cè)器9對(duì)示蹤粒子發(fā)出的熒光進(jìn)行探測(cè)，獲得二維熒光圖像，作為標(biāo)定圖像；
[0031]第五，將標(biāo)定圖像劃分為n個(gè)網(wǎng)格，提取每個(gè)網(wǎng)格中的平均灰度值F，其中n為整數(shù)； [〇〇32]第六，對(duì)于第i個(gè)網(wǎng)格，灰度值Fi和當(dāng)?shù)厥聚櫫Ｗ訚舛菴i(x)的關(guān)系由公式Fi = K ? Ci(x)得到，由此關(guān)系計(jì)算出標(biāo)定系數(shù)K;
[0033]第七，噴射器噴射燃料，激光器同步再次發(fā)出激光，經(jīng)倍頻器2、一號(hào)全反棱鏡3、二號(hào)全反棱鏡4、片光生成鏡組5進(jìn)入已噴燃料的溫度為T，噴射背壓為p的定容彈內(nèi)，激發(fā)氛圍氣中的示蹤粒子發(fā)出熒光，由熒光信號(hào)探測(cè)器9獲得二維熒光圖像，作為計(jì)算圖像；
[0034]第八，將計(jì)算圖像劃分為n個(gè)網(wǎng)格，提取每個(gè)網(wǎng)格中的平均灰度值F，其中n為整數(shù)；
[0035]第九，由得到的K值和熒光信號(hào)探測(cè)器9得到的灰度值F，通過數(shù)值計(jì)算，可以定量地得到第i個(gè)網(wǎng)格的示蹤粒子濃度分布Ci (x) = Fi/K，燃料噴霧濃度Cj (x)則由公式Cj (x)= l-Ci(X)/Co計(jì)算得到，燃料噴霧中的氛圍氣濃度Ca(x)則由公SCa(X) = Ci(X)/Co其中Co為初始時(shí)刻混合均勻的氛圍氣中的示蹤粒子濃度。[〇〇36]本實(shí)施方式所述方法利用MATLAB軟件提取出已經(jīng)獲得的二維熒光圖像的灰度值， 利用標(biāo)定圖像得到標(biāo)定系數(shù)K，并由計(jì)算圖像的灰度值計(jì)算出示蹤粒子的濃度，再利用示蹤粒子的濃度計(jì)算出燃料噴霧濃度和燃料噴霧中的氛圍氣濃度。[〇〇37]進(jìn)一步地，燃料可選用天然氣，二甲基醚、甲醇、乙醇、丁醇、高分子碳?xì)浠衔锏热剂稀?br>[0038]【具體實(shí)施方式】八、本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】七所述實(shí)施方法的進(jìn)一步說(shuō)明， 步驟一中獲得的倍頻后的波長(zhǎng)為266nm。
[0039]【具體實(shí)施方式】九、本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】七所述的基于氛圍氣的平面激光誘導(dǎo)熒光對(duì)燃料噴霧濃度分布的定量測(cè)量方法的進(jìn)一步說(shuō)明，步驟二獲得的片狀脈沖信號(hào)在工作區(qū)域的光束面積大小為100mmX0.5mm，激光能量為60mJ，脈沖寬度為5ns。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種燃料射流濃度場(chǎng)分布測(cè)試裝置，包括激光器(1)和倍頻器(2)，其特征在于，還包 括一號(hào)全反棱鏡(3)、二號(hào)全反棱鏡(4)、片光生成鏡組(5)、定容彈系統(tǒng)(6)、平面反光鏡 (7)、濾鏡(8)、熒光信號(hào)探測(cè)器(9)，激光器(1)和倍頻器(2)布置在一起，激光器(1)產(chǎn)生的 光源依次按照倍頻器(2)、一號(hào)全反棱鏡(3)、二號(hào)全反棱鏡(4)、片光生成鏡組(5)、定容彈 系統(tǒng)(6)、平面反光鏡(7)、濾鏡(8)的路徑傳播，最后被熒光信號(hào)探測(cè)器(9)捕捉。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料射流濃度場(chǎng)分布測(cè)試裝置，其特征在于定容彈系統(tǒng)(6)中 噴射燃料，定容彈系統(tǒng)(6)中充入的氛圍氣為惰性氣體，氛圍氣中充入示蹤粒子，且示蹤粒 子為有機(jī)化合物。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料射流濃度場(chǎng)分布測(cè)試裝置，其特征在于激光器(1)采用脈 沖激光器。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料射流濃度場(chǎng)分布測(cè)試裝置，其特征在于熒光信號(hào)探測(cè)器 (9)采用ICCD相機(jī)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料射流濃度場(chǎng)分布測(cè)試裝置，其特征在于片光生成鏡組(5) 采用凸面球透鏡和凹面柱透鏡。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料射流濃度場(chǎng)分布測(cè)試裝置，其特征在于濾鏡(8)采用帶通 濾光片，濾鏡(8)中心波長(zhǎng)和帶寬由示蹤粒子的發(fā)射光譜決定。7.—種實(shí)施權(quán)利要求1所述燃料射流濃度場(chǎng)分布測(cè)試裝置的方法，其特征在于包括以 下步驟:第一，先進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，激光器(1)產(chǎn)生準(zhǔn)直的激光信號(hào)，經(jīng)過倍頻器(2)得到相應(yīng)波長(zhǎng) 的準(zhǔn)直的激光信號(hào)；第二，經(jīng)倍頻的準(zhǔn)直激光信號(hào)經(jīng)一號(hào)全反棱鏡(3)和二號(hào)全反棱鏡(4)改變光路進(jìn)入片 光生成鏡組(5)，并被片光生成鏡組(5)轉(zhuǎn)化為片光(片狀激光信號(hào))；第三，片光經(jīng)過定容彈內(nèi)的定溫(T)定壓(p)的氛圍氣，激發(fā)氛圍氣中已知濃度并均勻 分布的不蹤粒子，產(chǎn)生焚光信號(hào)；第四，采用熒光信號(hào)探測(cè)器(9)對(duì)示蹤粒子發(fā)出的熒光進(jìn)行探測(cè)，獲得二維熒光圖像， 作為標(biāo)定圖像；第五，將標(biāo)定圖像劃分為n個(gè)網(wǎng)格，提取每個(gè)網(wǎng)格中的平均灰度值F，其中n為整數(shù)；第六，對(duì)于第i個(gè)網(wǎng)格，灰度值Fi和當(dāng)?shù)厥聚櫫Ｗ訚舛菴i(x)的關(guān)系由公式FI = K ? Ci(x) 得到，由此關(guān)系計(jì)算出標(biāo)定系數(shù)K;第七，噴射器噴射燃料，激光器同步再次發(fā)出激光，經(jīng)倍頻器、一號(hào)全反棱鏡、二號(hào)全反 棱鏡、片光生成鏡組進(jìn)入已噴入燃料的溫度為T，噴射背壓為p的定容彈內(nèi)，激發(fā)氛圍氣中的 示蹤粒子發(fā)出熒光，由熒光信號(hào)探測(cè)器獲得二維熒光圖像，作為計(jì)算圖像；第八，將計(jì)算圖像劃分為n個(gè)網(wǎng)格，提取每個(gè)網(wǎng)格中的平均灰度值F，其中n為整數(shù)；第九，由得到的K值和熒光信號(hào)探測(cè)器得到的灰度值F，通過數(shù)值計(jì)算，可以定量地得到 第i個(gè)網(wǎng)格的示蹤粒子濃度分布Ci (x) = Ft/K，燃料噴霧濃度Cj (x)則由公式Cj (x) = 1 -Ci (x) / Co計(jì)算得到，燃料噴霧中的氛圍氣濃度Ca(x)則由公式匕(x) = Ci (x) /Co，其中Co為初始時(shí)刻 混合均勻的氛圍氣中的示蹤粒子濃度；標(biāo)定圖像和計(jì)算圖像是在同一次實(shí)驗(yàn)過程中的兩次間隔拍攝得到。
【文檔編號(hào)】G01N21/64GK105973852SQ201610151100
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年3月16日
【發(fā)明人】李鐵, 史衛(wèi)全
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué)