一种时间解析的喷注器混合比分布测量系统及方法与流程

1.本发明涉及一种时间解析的喷注器混合比分布测量系统及方法，属于发动机技术领域。


背景技术：

2.雾化燃烧过程是液体火箭发动机工作的关键过程，其雾化程度混合比水平可对发动机的性能产生明显影响。高效的雾化测试手段和精细化测量水平，可充分捕捉发动机喷注器雾化燃烧过程细节，为优化喷雾掺混效果、提升燃烧组织水平、掌握关键结构参数影响规律提供依据，从而提高发动机比冲性能和可靠性。
3.测量液体火箭发动机雾化混合比分布的主要手段为平面激光诱导荧光方法，目前国际上几大知名流体测试仪器研制生产公司(dantec、lavision、tsi等)所售卖的平面激光诱导荧光雾化混合比测试系统的最高重频为15khz，但由于激光诱导荧光雾化混合比测试的激光单脉冲能量一般在10～15mj，激光器总功率在100～225w之间，大大超出了国外对中国高功率激光器出口管制的功率参数限制(40w以上的激光器需要报外方商务部批准)，严重制约了我国液体火箭发动机雾化燃烧基础研究的实验能力。此外，15khz的激光重频并不能完全满足实时测量液体火箭发动机雾化混合比分布的需求。液体火箭发动机典型液液喷注器单元的喷注速度在20m/s～40m/s之间，激光片光厚度一般为0.5mm～1mm之间，为保证通过流通截面的所有液滴都被激光照射产生荧光，并被拍摄记录下来，激光及拍摄重频应达到40khz。
4.制约平面激光诱导荧光雾化混合比测试系统最高重频的技术瓶颈主要集中在激光器重频上。在激光平均功率限制的前提下，降低激光诱导荧光雾化混合比测试对激光单脉冲能量的需求，就成为提高平面激光诱导荧光雾化混合比测试系统激光重频的关键。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种时间解析的喷注器混合比分布测量系统及方法，突破制约平面激光诱导荧光雾化混合比测试系统最高重频的技术瓶颈，实现对液体火箭发动机雾化混合比分布的准确测量。本发明进一步提出了无毒的全新模拟液组合，能够覆盖目前所有实际工况的密度比。
6.本发明的技术解决方案是：
7.一种时间解析的喷注器混合比分布测量系统，包括时钟延时脉冲信号发生器组件、高频脉冲激光片光生成组件、氧化剂路高速摄影机、燃料路高速摄影机、图像处理机、液体火箭发动机典型液液喷注器单元、数据采集仪、高频压力传感器，还包括：
8.所述液体火箭发动机典型液液喷注器单元存放按预设密度比混合的、已染不同荧光的燃料模拟液和氧化剂模拟液，形成液液混合喷雾液滴，所述滴液通过喷注雾化形成混合模拟液喷注锥体；所述燃料模拟液为纯水或酒精水溶液，所述氧化剂模拟液为碘化钾溶液，用来模拟液体火箭发动机所用推进剂组合；
9.所述氧化剂路高速摄影机、所述燃料路高速摄影机结构相同，均设有镜后滤光模块，所述镜后滤光模块位于高速摄影机身、高速摄影光学镜头之间，用于对混合模拟液喷注锥体发出的荧光选择性透过；
10.所述高频脉冲激光片光生成组件发射激光片光，激光片光宽度30mm～50mm，厚度0.5mm～1mm；所述激光片光照射混合模拟液喷注锥体，激发混合模拟液喷注锥体发出荧光。
11.优选的，所述镜后滤光模块包括滤光片与放置滤光片的安装槽，滤光片最大直径50mm。
12.优选的，所述氧化剂路高速摄影机、所述燃料路高速摄影机的高速摄影机身均包括cmos成像感光元件和像增强器，像增强器采用gaas光阴极，cmos成像感光元件采用像元尺寸28μm的cmos，iso值不小于40000，且背景噪声控制不大于满量程的1/255。
13.优选的，所述液体火箭发动机典型液液喷注器单元的雾化喷注速度为20m/s～40m/s。
14.优选的，密度为1.425g/ml的碘化钾溶液和密度为1g/ml的纯水分别模拟密度为1.14g/ml的液氧，密度为0.8g/ml的煤油，碘化钾溶液与纯水密度比为1.425。
15.优选的，密度为1.62g/ml的碘化钾溶液和密度为0.9g/ml的酒精水溶液分别模拟密度为1.44g/ml的四氧化二氮，密度为0.8g/ml的一甲基肼，碘化钾溶液与酒精水溶液密度比为1.8。
16.优选的，还包括标定靶盘，所述标定靶盘为三维标定靶盘，放置于高频脉冲激光片光生成组件产发射的激光片光照射的流通截面，所述氧化剂路高速摄影机及所述燃料路高速摄影机拍摄标定靶盘，获得图像坐标与标定靶盘坐标的对应关系。
17.优选的，还包括光谱仪，用于对混合模拟液喷注锥体发出的荧光进行光谱测量，基于测量结果选取所述滤光片允许通过光的波段。
18.优选的，所述数据采集仪采集频率不小于2mb/s，同时采集所述高频压力传感器的压力信号和所述时钟延时脉冲信号发生器组件的时钟延时脉冲信号。
19.一种时间解析的喷注器混合比分布测量方法包括：
20.配置碘化钾溶液作为氧化剂路的模拟液，配置酒精水溶液作为燃料路的模拟液，使用不同的荧光物质将燃料路模拟液、氧化剂路模拟液染色，将上述染色后的燃料路模拟液、氧化剂路模拟液通过液体火箭发动机典型液液喷注器单元混合并喷注雾化，形成混合液喷注锥体；
21.宽度30mm～50mm，厚度0.5mm～1mm的激光片光，照射混合液喷注锥体的流通截面，激发氧化剂模拟液液滴和燃料模拟液液滴中不同染料的平面荧光；
22.生成预定的ttl方波信号，提供同步时钟的标记信号，并控制高频脉冲激光片光生成的脉冲时钟、拍摄快门时钟；
23.对所述荧光进行光学成像，经滤光及像增强放大后，生成氧化剂模拟液液滴平面荧光图像序列和燃料模拟液液滴平面荧光图像序列；
24.对上述荧光图像序列进行图像处理，计算得出氧化剂模拟液液滴和燃料模拟液液滴的流强以及两者混合比的时空分布场。
25.本发明与现有技术相比的优点在于：
26.(1)本发明创新性地提出了高速摄影机的设计，解决了传统喷注器雾化高速摄影
拍摄中外置于镜头外侧滤光片面积无法覆盖长焦大光圈镜头较大直径外表面问题，从根本上解除了需要长焦距镜头拍摄的混合比分布测量试验无法进行的困境。通过镜后滤光模块的使用、像增强器采用gaas光阴极、采用像元尺寸28μm的cmos、激发光片光源厚度为0.5mm～1mm、宽度为30mm～50mm的多方面控制，将平面激光诱导荧光的激光单脉冲能量需求从几十mj降低到1mj，使高频脉冲激光片光生成组件平均功率仅为40w时，激光脉冲重频即可达到40khz，氧化剂路高速摄影机、燃料路高速摄影机均同步达到40kfps，能够充分捕捉高流速的每个雾化喷注切面。
27.(2)本发明首次提出了一种新的模拟液组合，配置无毒的碘化钾溶液作为氧化剂路的模拟液，配置酒精水溶液或纯水作为燃料路的模拟液，使用该两种模拟液可模拟出的密度比范围(1～1.8)，可覆盖不同工况下偏二甲肼/四氧化二氮、一甲基肼/四氧化二氮、煤油/液氧组合推进剂的密度比，几乎覆盖了常见液体火箭发动机的全部工质种类，可有效保证冷态混合比分布测量的模拟液质量流量比和动量比与真实推进剂组合相同，工质易于获得，成本低廉，且相对于现有的硫酸铜溶液比色法、氯仿荧光法具有准确无毒等多方面优点，解决了在该类研究中模拟液模拟性不强、对操作人员存在毒害的长期痛点，有效提升了试验的准确性和安全性。
28.(3)本发明通过使用标定靶盘，获得图像坐标与标定靶盘坐标的对应关系，根据靶盘上靶点相对位置的变化修正拍摄荧光图像，解决了由于喷注出的液体遮挡等因素，高速摄影的拍摄方向并不垂直于照射平面，使得解码每个位置距离镜头的位置不同，在高速摄影cmos上成像放大比例不同，从而导致画面变形的问题。
附图说明
29.图1为本发明实施例一种时间解析的喷注器混合比分布测量系统示意图；
30.图2为本发明实施例一种时间解析的喷注器混合比分布测量系统实施例中近摄接圈安装位置示意图；
31.图3是本发明实施例一种时间解析的喷注器混合比分布测量方法时钟同步示意图；
32.图4是本发明实施例不同染料的荧光波长。
具体实施方式
33.下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，以使本发明的优点和特征更易于被本领域技术人员理解。
34.本发明提出的一种时间解析的喷注器混合比分布测量系统，如图1所示，包括时钟延时脉冲信号发生器1、高频脉冲激光片光生成组件、氧化剂路高速摄影机、燃料路高速摄影机、氧化剂处理器12、燃料处理器13、标定靶盘14、触发延时脉冲信号发生器15、液体火箭发动机典型液液喷注器单元16、高频压力传感器17、高速数据采集仪18、光谱仪19。
35.氧化剂路高速摄影机、燃料路高速摄影机的结构相同，如图2所示，均包括高速摄影机身、镜后滤光模块、高速摄影光学镜头。其中，高速摄影机身上有采集氧化剂或燃料的cmos成像感光元件和像增强器；镜后滤光模块位于高速摄影机身、高速摄影光学镜头之间，包括滤光片和滤光片安装槽。
36.基于上述结构，氧化剂路高速摄影机包括氧化剂机身4、氧化剂像增强器5、氧化剂光学镜头6、氧化剂镜后滤光模块7。燃料路高速摄影机包括燃料机身8、燃料像增强器9、燃料光学镜头10、燃料镜后滤光模块11。
37.氧化剂路镜后滤光模块7、燃料路镜后滤光模块11位于所述氧化剂路光学镜头6、燃料路光学镜头10和所述氧化剂路像增强器5、燃料路像增强器9之间，光学镜头进光面积不会因为滤光片尺寸小于大光圈光学镜头直径而减少。氧化剂路镜后滤光模块7、燃料路镜后滤光模块11的滤光片最大直径50mm，镜后滤光模块进光量分别是现有技术中采用镜前滤光方案的2.37倍(焦距80～200mm、2.8f大光圈镜头直径77mm)和9.7倍(焦距400mm、2.8f大光圈镜头直径156mm)。
38.所述氧化剂路像增强器5、燃料路像增强器9采用gaas光阴极，针对570nm～800nm波段光的光阴极量子效率可达30％以上(是其他类型光阴极的2倍以上)，所述氧化剂路高速摄影机、燃料路高速摄影机采用像元尺寸28μm的cmos，iso值不小于40000，且背景噪声控制在满量程的1/255，大幅度降低了拍摄所需的激光诱导荧光强度，约为现有技术拍摄系统方案的1/50。
39.所述高频脉冲激光片光生成组件包括激光器2、片光透镜组件3，其发射的激光片光宽度为30～50mm，片光厚度0.5～1mm，既满足液体火箭发动机典型液液喷注器单元雾化场最大宽度20～40mm的照射范围需求，又最大限度的集中了激光片光的能量，激光脉冲重频达到40khz，恰好满足液滴被全部记录的要求，即达到时间解析的混合比分布测量。
40.所述时钟延时脉冲信号发生器组件生成预定的ttl方波信号，为所述高速数据采集仪提供同步时钟的标记信号，并控制所述高频脉冲激光片光生成组件的脉冲时钟、所述氧化剂路高速摄影机及所述燃料路高速摄影机的拍摄快门时钟、所述氧化剂路像增强器及所述燃料路像增强器的快门时钟。
41.所述标定靶盘为三维标定靶盘，放置于激光片光照射的流通截面，所述氧化剂路高速摄影机及所述燃料路高速摄影机拍摄标定靶盘，获得图像坐标与标定靶盘坐标的对应关系。
42.所述图像处理机内置图像处理软件，可对所述氧化剂路高速摄影机、燃料路高速摄影机拍摄得到的荧光图像序列进行数字图像处理，获得氧化剂模拟液液滴和燃料模拟液液滴的流强以及两者混合比的时空分布场。同时，所述图像处理机内置平面激光诱导荧光图像处理程序，程序中采用三阶多项式拟合算法进行图像坐标系与三维物理坐标系转换计算，并采用液滴图像互相关算法进行激光片光与标定靶盘离面偏差的自修正计算，消除因离面偏差导致的双目视差。
43.所述高速数据采集仪采集频率不小于2mb/s，可同时采集所述高频压力传感器的压力信号和时钟延时脉冲信号，可实现液体火箭发动机典型液液喷注器单元动态压降和时间解析的喷雾混合比同步测量。
44.与现有常用的氯仿/酒精水溶液、硫酸铜溶液/水的模拟液组合相比，本发明通过长期试验筛选、比较化学试剂，找出适合的密度、粘度、无毒且溶解度较高的化学试剂作为模拟液，成功提出了全新的模拟液组合。燃料模拟液为纯水或酒精水溶液，氧化剂模拟液为碘化钾溶液，通过调整溶液浓度配比，可模拟液体火箭发动机常用的四氧化二氮/肼类和液氧/煤油的推进剂组合的密度比，具体溶液组合有：密度1.425g/ml的碘化钾溶液和密度1g/
ml的纯水分别模拟密度1.14g/ml的液氧，密度0.8g/ml的煤油，碘化钾溶液与纯水的密度比为1.425，与实际工况中液氧与煤油的密度比1.425相同；密度1.62g/ml的碘化钾溶液和密度0.9g/ml的酒精水溶液分别模拟密度1.44g/ml的四氧化二氮，密度0.8g/ml的一甲基肼，碘化钾溶液与一甲基肼的密度比为1.8，与实际工况中四氧化二氮与一甲基肼的密度比1.8相同。本发明提出的全新的模拟液组合覆盖了液体火箭发动机的全部工质种类，可有效保证冷态混合比分布测量的模拟液质量流量比和动量比与真实推进剂组合相同，工质易于获得，成本低廉，且相对于现有的硫酸铜溶液比色法、氯仿荧光法具有准确无毒等多方面优点，解决了在该类研究中模拟液模拟性不强、对操作人员存在毒害的长期痛点，有效提升了试验的准确性和安全性。
[0045][0046][0047]
本发明提出的一种时间解析的喷注器混合比分布测量方法是：所述时钟延时脉冲信号发生器组件生成预定的ttl方波信号，为所述高速数据采集仪提供同步时钟的标记信号，并控制所述高频脉冲激光片光生成组件的脉冲时钟、所述氧化剂路高速摄影机及所述燃料路高速摄影机的拍摄快门时钟、所述氧化剂路像增强器及所述燃料路像增强器的快门时钟；所述液体火箭发动机典型液液喷注器单元通入按真实推进剂密度比配置的、添加不同荧光染料的燃料模拟液和氧化剂模拟液，形成液液混合喷雾液滴；所述高频脉冲激光片光生成组件发射激光片光，照射所述液体火箭发动机典型液液喷注器单元下方一定距离的雾化混合流通截面，分别激发氧化剂模拟液液滴和燃料模拟液液滴中不同染料的平面荧光；所述氧化剂路大光圈光学镜头、燃料路大光圈光学镜头对荧光进行光学成像，分别通过所述化剂路荧光镜后滤光模块、燃料路荧光镜后滤光模块，分别将氧化剂模拟液液滴平面荧光和燃料模拟液液滴平面荧光成像于氧化剂路像增强器、燃料路像增强器中；所述氧化剂路像增强器和燃料路像增强器分别将氧化剂模拟液液滴平面荧光和燃料模拟液液滴平面荧光进行放大，成像于所述氧化剂路高速摄影机、所述燃料路高速摄影机中；所述氧化剂路高速摄影机、所述燃料路高速摄影机分别拍摄放大后的氧化剂模拟液液滴平面荧光和燃料模拟液液滴平面荧光，并传输到所述图像处理机中；所述标定靶盘放置于激光片光照射的流通截面，所述氧化剂路高速摄影机及所述燃料路高速摄影机拍摄标定靶盘，获得图像
坐标与标定靶盘坐标的对应关系；所述图像处理机内置图像处理软件，可对所述氧化剂路高速摄影机、燃料路高速摄影机拍摄得到的荧光图像序列进行数字图像处理，获得氧化剂模拟液液滴和燃料模拟液液滴的流强以及两者混合比的时空分布场。
[0048]
以碘化钾溶液和酒精水溶液分别模拟四氧化二氮、一甲基肼，进行时间解析的喷注器混合比分布测量的实施例如下：
[0049]
密度1.62g/ml的碘化钾溶液和密度0.9g/ml的酒精水溶液分别模拟密度1.44g/ml的四氧化二氮，密度0.8g/ml的一甲基肼，密度比均为1.8。在氧化剂路和燃料路分别添加燃料罗丹明610及罗丹明6g两种荧光物质。氧化剂模拟液和燃料模拟液通过待测液体火箭发动机典型液液喷注器单元进行雾化混合。
[0050]
时钟延时脉冲信号发生器1产生3路ttl信号，如图3所示，三路信号之间可精确设置延时，分别控制532nm高频脉冲激光器2的脉冲时钟，氧化剂光学镜头6和燃料光学镜头10的拍摄时钟，氧化剂像增强器5和燃料像增强器9的快门时钟。触发延时脉冲信号发生器15产生3路ttl信号，3路信号的延时一致，其中两路分别控制氧化剂机身4和燃料机身8的拍摄触发，另外一路进入高速数据采集仪18，作为图像与其他测量数据的时间同步信号。
[0051]
532nm高频脉冲激光器2产生每脉冲能量为1mj的532nm高频40khz脉冲激光束，通过片光透镜组件3，形成厚度为1mm、宽度为35mm的532nm激光片光，穿过雾化场流通截面，分别照射氧化剂模拟液液滴和燃料模拟液液滴，分别与模拟液中的罗丹明610与罗丹明6g产生激光诱导荧光，如图4所示，罗丹明610诱导荧光为575nm～600nm，罗丹明6g诱导荧光为550nm～575nm。
[0052]
使用光谱仪19对不同染料的激光诱导荧光进行实际光谱测量，基于光谱测量结果选取滤光片允许通过光的波段，根据信噪比要求确定滤光片通过波段带宽，确保两路荧光拍摄结果信噪比符合拍摄需要。
[0053]
氧化剂路镜后滤光模块7的滤光片直径50mm，氧化剂路像增强器5采用gaas光阴极。氧化剂路高速摄影机采用像元尺寸28μm的cmos，iso值40000，且背景噪声为满量程的1/255，对氧化剂罗丹明610的激光诱导荧光进行拍摄，其中，氧化剂镜后滤光模块7安装在氧化剂机身4与氧化剂光学镜头6之间，在不影响总进光量的前提下以40khz拍摄荧光二维分布图像，拍摄所得的荧光强度分布正比于氧化剂雾化液滴的流强分布。
[0054]
燃料路镜后滤光模块11的滤光片直径50mm，燃料路像增强器9采用gaas光阴极。燃料路高速摄影机采用像元尺寸28μm的cmos，iso值40000，且背景噪声控制在满量程的1/255，对燃料罗丹明6g的激光诱导荧光拍摄，其中，燃料镜后滤光模块11安装在燃料机身8与燃料光学镜头10之间，在不影响总进光量的前提下以40khz拍摄荧光二维分布图像，拍摄所得的荧光强度分布正比于燃料雾化液滴的流强分布。
[0055]
在拍摄荧光图像之前，将标定靶盘14放置于激光照射的平面内，两套拍摄系统分别对标定靶盘进行拍摄，用于后期荧光图像从图像坐标系向物理坐标系的转换。
[0056]
实验拍摄完成后，氧化剂荧光图像通过万兆网线从氧化剂路高速摄影机传输并存储至氧化剂处理机12中，氧化剂处理器12中安装图像处理软件，软件根据标定图像，将氧化剂荧光图像从图像坐标系转换至物理坐标系。燃料荧光图像通过万兆网线从燃料路高速摄影机传输并存储至燃料处理机13中，燃料处理机13中安装图像处理软件，软件根据标定图像，将燃料荧光图像从图像坐标系转换至物理坐标系。
[0057]
高速数据采集仪18通过同轴电缆对3路时钟同步ttl信号、1路同步触发ttl信号以及高频压力传感器14的信号进行采集。532nm高频脉冲激光器2输出表征每个脉冲功率的电压信号，进入高速数据采集仪。
[0058]
在给定氧化剂和燃料总流量的情况下，利用转换至物理坐标系的两套荧光图像序列，可计算出氧化剂和燃料流强以及两者混合比的时空分布场，且该分布场具有时间解析的特点。
[0059]
以上结合附图以及优选实施例对本发明进行了详细描述，本领域的普通技术人员可以根据上述说明做出本发明的各种变型。因而，优选实施例中的细节不构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书限定的范围作为本发明的保护范围整体更换。