火焰释热率的瞬时成像方法及装置

技术领域

本发明主要涉及到火焰释热率成像技术领域，尤其是一种火焰释热率的瞬时成像方法及装置。

背景技术

碳氢燃料的燃烧过程涉及一系列基元反应，这些基元反应存在先后依赖关系，反映了燃烧过程的不同阶段。在燃烧场中，不同基元反应及其相关的反应物和生成物以一定的结构分布于流场中，这些结构常被称作火焰结构，这些反应物和生成物则被称为火焰组分。

火焰结构成像对燃烧研究具备重要意义，因为火焰结构具象化了燃料的燃烧过程，反映了燃烧过程不同阶段间的衔接关系，为深入理解燃烧现象和控制燃烧过程提供了关键信息。火焰释热率是最常被关注的火焰结构特征之一，因为火焰释热会导致流场局部状态参数发生显著改变，是火焰-流场耦合效应的关键驱动因素。在具体的燃烧系统中，火焰释热率分布往往是该系统工作状态和性能的决定性因素。

最广泛使用的火焰释热率成像方法是拍摄火焰自发光图像。碳氢燃料在燃烧时会产生CH*和OH*这两种激发态粒子，它们在向基态跃迁过程中，会发射特定波长范围内的辐射信号。CH*和OH*辐射强度和火焰释热率近似成正比。借助合适的相机、镜头和滤光片，可以选择性捕获CH*和OH*辐射信号，进而获得火焰释热率图像。

另外，还常开展火焰CH

现有技术的缺点是：

1)火焰CH*和OH*自发光成像不具备高时间分辨能力。火焰自发光的辐射功率有限，使得需要使用较长的曝光时间(目前一般大于1微秒)才能获得清晰的火焰图像。对于超声速燃烧这种高速流场中的燃烧现象而言，较长的曝光时间意味着流场已经运动了相当长的距离，即火焰自发光图像所捕获的火焰释热率是时间平均的结果。

2)火焰CH*和OH*自发光成像不具备高空间分辨能力。在拍摄火焰自发光图像时，由于相机视场具备一定的景深，因此火焰图像上任意一点像素所收集到的信号是景深区域内火焰自发光的叠加。这表明火焰自发光成像技术不能解析具体空间处的火焰释热率。

3)CH

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明提出一种火焰释热率的瞬时成像方法及装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种火焰释热率的瞬时成像方法，包括：

产生片光激光，所述片光激光包括213nm激光和283.55nm激光；

将所述片光激光入射碳氢燃料的燃烧区域；

213nm激光光解火焰组分CH

283.55nm激光激光激发火焰OH组分，产生第二荧光信号，第二成像单元对第二荧光信号进行成像，得到火焰OH组分的瞬时分布图像；

将火焰CH

进一步地，本发明一优选方案中，所述213nm激光是通过结合Nd:YAG激光器和5倍频技术而产生的。

进一步地，本发明一优选方案中，所述283.55nm激光的产生方法是：Nd:YAG激光器产生532nm激光，充当染料激光器的泵浦源；染料激光器以有机染料作为激光介质，将532nm激光转换为567.1nm激光，然后利用二倍频晶体将567.1nm激光转变为283.55nm激光。

进一步地，本发明一优选方案中，所述片光激光的产生方法是：一束213nm激光和一束283.55nm激光在双色镜处合束，然后被凹柱面镜和凸球面镜整形为片状激光。

进一步地，本发明一优选方案中，所述第一成像单元包括第一增强型相机，所述第一增强型相机的相机镜头前设置有第一滤光片，所述第一滤光片的中心波长430nm，半高全宽为10nm。

进一步地，本发明一优选方案中，所述第二成像单元包括第二增强型相机，所述第二增强型相机的相机镜头前设置有第二滤光片，所述第二滤光片的中心波长为310nm，半高全宽为10nm。

进一步地，本发明一优选方案中，所述213nm激光、283.55nm激光、第一增强型相机的曝光门宽和第二增强型相机的曝光门宽相对时序由数字延时信号发生器精确控制，以确保：1)213nm激光光解CH

另一方面，本发明还提供一种火焰释热率的瞬时成像方法，包括：

产生片光激光，所述片光激光包括213nm激光、387nm激光和283.55nm激光；

将所述片光激光入射碳氢燃料的燃烧区域；

213nm的激光光解火焰组分CH

283.55nm激光激光激发火焰OH组分，产生第二荧光信号，第二成像单元对第二荧光信号进行成像，得到火焰OH组分的瞬时分布图像；

将火焰CH

进一步地，本发明一优选方案中，所述213nm激光、387nm激光、283.55nm激光、第一增强型相机的曝光门宽和第二增强型相机的曝光门宽相对时序由数字延时信号发生器精确控制，以确保以下条件：1)213nm激光最先进入燃烧区域，间隔20～25ns延迟后387nm激光进入燃烧区域，然后间隔约100ns(间隔时间同样是相对于213nm激光进入燃烧区域的时间)后283.55nm激光最后进入燃烧区域；2)213nm的激光光解火焰组分CH

另一方面，本发明提供一种火焰释热率的瞬时成像装置，包括片光生成光路、燃烧室、第一成像单元、第二成像单元以及图像处理单元；

所述片光生成光路用于产生片光激光并将所述片光激光入射至所述燃烧室中碳氢燃料的燃烧区域，所述片光激光包括213nm激光和283.55nm激光；所述213nm激光光解火焰组分CH

另一方面，本发明提供一种火焰释热率的瞬时成像装置，包括片光生成光路、燃烧室、第一成像单元、第二成像单元以及图像处理单元；

所述片光生成光路用于产生片光激光并将所述片光激光入射至所述燃烧室中碳氢燃料的燃烧区域，所述片光激光包括213nm激光、387nm激光和283.55nm激光；所述213nm的激光光解火焰组分CH

相比现有技术，本发明的技术效果：

本发明利用火焰CH

与火焰CH*和OH*自发光成像技术相比，本发明能够获得高时空分辨的火焰释热率图像。

与CH

附图说明

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。

图1是本发明一实施例的结构示意图；

图2是本发明一实施例的结构示意图；

图中标号：

1、第一Nd:YAG激光器；2、第二Nd:YAG激光器；3、第一染料激光器；4、燃烧区域；5、第一增强型相机；6、第一滤光片；7、第二增强型相机；8、第二滤光片；9、高反镜；10、第一双色镜；11、凹柱面镜；12、光圈；13、凸球面镜；14、第三Nd:YAG激光器；15、第二染料激光器；16、第二双色镜。

具体实施方式

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。

在本发明的一实施例中，提供一种火焰释热率的瞬时成像方法，包括：

产生片光激光，所述片光激光包括213nm激光和283.55nm激光；

将所述片光激光入射碳氢燃料的燃烧区域；

213nm激光光解火焰组分CH

283.55nm激光激光激发火焰OH组分，产生第二荧光信号，第二成像单元对第二荧光信号进行成像，得到火焰OH组分的瞬时分布图像；

将火焰CH

在本发明的另一实施例中，提供一种火焰释热率的瞬时成像方法，包括：

产生片光激光，所述片光激光包括213nm激光、387nm激光和283.55nm激光；

将所述片光激光入射碳氢燃料的燃烧区域；

213nm的激光光解火焰组分CH

283.55nm激光激光激发火焰OH组分，产生第二荧光信号，第二成像单元对第二荧光信号进行成像，得到火焰OH组分的瞬时分布图像；

将火焰CH

上述实施例中实现火焰释热率瞬时成像，原理是：1)利用基元反应OH+CH

其中：CH

CH

两种CH

本发明一实施例中，提供的一种火焰释热率的瞬时成像装置，包括片光生成光路、燃烧室、第一成像单元、第二成像单元以及图像处理单元；

所述片光生成光路用于产生片光激光并将所述片光激光入射至所述燃烧室中碳氢燃料的燃烧区域，所述片光激光包括213nm激光和283.55nm激光；所述213nm激光光解火焰组分CH

本发明另一实施例中，提供一种包括片光生成光路、燃烧室、第一成像单元、第二成像单元以及图像处理单元；

所述片光生成光路用于产生片光激光并将所述片光激光入射至所述燃烧室中碳氢燃料的燃烧区域，所述片光激光包括213nm激光、387nm激光和283.55nm激光；所述213nm的激光光解火焰组分CH

参照图1，为本发明一实施例的结构示意图，其包括第一Nd:YAG激光器1、第二Nd:YAG激光器2、第一染料激光器3、燃烧区域4、第一增强型相机5、第一滤光片6、第二增强型相机7、第二滤光片8、高反镜9、第一双色镜10、凹柱面镜11、光圈12、凸球面镜13。

通过第一Nd:YAG激光器1和5倍频技术，产生213nm激光，213nm激光用来对燃烧室内碳氢燃料的燃烧区域4进行CH

第二Nd:YAG激光器2用于产生532nm激光，充当第一染料激光器3的泵浦源。第一染料激光器3以有机染料作为激光介质，将532nm激光转换为567.1nm激光，然后利用二倍频晶体将567.1nm激光转变为283.55nm激光。283.55nm激光用来对燃烧室内碳氢燃料的燃烧区域4进行开展OH PLIF成像。

213nm激光经高反镜9转向后和283.55nm激光先在第一双色镜10处合束，然后经凹柱面镜11、光圈12和凸球面镜13后整形为片状激光，最后入射到燃烧室内碳氢燃料的燃烧区域4。

213nm激光光解火焰组分CH

所述213nm激光、283.55nm激光、第一增强型相机5的曝光门宽和第二增强型相机7的曝光门宽相对时序由数字延时信号发生器精确控制，以确保：1)213nm激光光解CH

所述图像处理单元将火焰CH

参照图2，为本发明一实施例的结构示意图，其包括第一Nd:YAG激光器1、第二Nd:YAG激光器2、第一染料激光器3、燃烧区域4、第一增强型相机5、第一滤光片6、第二增强型相机7、第二滤光片8、高反镜9、第一双色镜10、凹柱面镜11、光圈12、凸球面镜13、第三Nd:YAG激光器14、第二染料激光器15、第二双色镜16。

通过第一Nd:YAG激光器1和5倍频技术，产生213nm激光。通过三Nd:YAG激光器14和第二染料激光器15产生用于激发火焰CH组分的387nm激光。

第二Nd:YAG激光器2用于产生532nm激光，充当第一染料激光器3的泵浦源。第一染料激光器3以有机染料作为激光介质，将532nm激光转换为567.1nm激光，然后利用二倍频晶体将567.1nm激光转变为283.55nm激光。283.55nm激光用来对燃烧室内碳氢燃料的燃烧区域4进行开展OH PLIF成像。

213nm激光经高反镜9转向后和283.55nm激光先在第一双色镜10处合束，387nm激光与合束后的213nm激光和283.55nm激光在第二双色镜16处合束，然后经凹柱面镜11、光圈12和凸球面镜13后整形为片状激光，最后入射到燃烧室内碳氢燃料的燃烧区域4。

所述第一增强型相机5的相机镜头前设置有第一滤光片6，所述第一滤光片6的中心波长430nm，半高全宽为10nm。所述第二增强型相机7的相机镜头前设置有第二滤光片8，所述第二滤光片8的中心波长为310nm，半高全宽为10nm。

所述213nm激光、387nm激光、283.55nm激光、第一增强型相机5的曝光门宽和第二增强型相机7的曝光门宽相对时序由数字延时信号发生器精确控制，以确保以下条件：1)213nm激光最先进入燃烧区域，间隔20～25ns延迟后387nm激光进入燃烧区域，然后间隔100ns(间隔时间同样是相对于213nm激光进入燃烧区域的时间)后283.55nm激光最后进入燃烧区域；2)213nm的激光光解火焰组分CH

所述213nm的激光光解火焰组分CH

所述图像处理单元将火焰CH

本发明未尽事宜为公知技术。

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。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

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。