一种可用于PLIF测量技术的带障碍物爆震室设计方法

摘要

本发明提出了一种可用于PLIF测量技术的带障碍物爆震室模块化设计方法，包括中间框、壁面组件、障碍物段、障碍物堵头及点火头；壁面组件与中间框组成爆震室的主体，障碍物段充当火焰扰动体，实验过程可结合障碍物堵头迅速改变障碍物段内的障碍物数量；PLIF系统的薄片激光分别从爆震室的上下壁面入射与出射，高速摄像机正对爆震室的前后壁面，并对分子荧光进行拍摄实现障碍物段的PLIF测量；本发明在国内外尚属首创，可克服现有障碍物段内PLIF测量设计的光路布置与结构强度失衡的缺点，在保证爆震室寿命的前提下优化进光方式，可应用于带障碍物燃烧场所的PLIF测量领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可用于平面激光诱导荧光(Planar laser inducedfluorescence，简称PLIF)技术开展光学测量的带障碍物爆震室设计方法，属于燃烧诊断领域。

背景技术

脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine，简称PDE)由于具有结构简单、热效率高、耗油率低等优点，逐渐受到国内外学者的重视。然而，在PDE从理论走向实践的过程中，面临着许多方面的问题，其中，如何在尽可能短的距离内获得稳定传播的爆震波便是难题之一，这也是PDE走向实用的关键。经过几十年的研究，学者们发现在爆震室内安装障碍物后，能极大缩短起爆距离。由此，各种形式的障碍物被设计出来，结合各种燃烧诊断技术以研究其起爆机理，同时优化障碍物的布置方式，以获得最佳的起爆效果。

在各种燃烧诊断技术中，平面激光诱导荧光是唯一一项能测量出多种低浓度组分(ppm量级)的技术。PLIF技术通过透镜的组合将激光束扩展成薄片光，穿过燃烧流场后激发特定频率的分子荧光，最后利用高速摄像机在垂直片光方向拍摄以供后期分析。PLIF技术不仅具有高时空分辨率(如可以实现二维平面分辨、激光单脉冲10ns脉宽下的瞬时分辨)，且适用于各种复杂的燃烧场合，可实现如温度测量、组分浓度分布(OH、CH、CH₂O、HCO等)测量，以及在此基础上的火焰结构、燃烧不稳定性、火焰传播速度等关键参数的定量分析。可见，PLIF技术自身的特点意味着它在燃烧诊断领域具有举足轻重的地位。

一般而言，爆震室具有头部、排气口、上下壁面及前后壁面，开展PLIF测量的过程中，高速摄像机的拍摄位置一般正对前后壁面捕捉燃烧流场的变化情况，故薄片光的进出方向仅能通过上下壁面或头部及排气口。当爆震室内部不带障碍物时，在上下壁面各加工一个视窗即可透过薄片激光以开展PLIF测量。由于这种设计较为简单，目前爆震与PLIF技术相结合的工作大多在光滑爆震室内开展。然而，当爆震室内布置有障碍物时，由于障碍物一般采用不透光的钢铁制造，会将薄片光部分挡住，以致无法获取燃烧流场的完整信息，给后期火焰结构、起爆机理等方面的分析带来困难。

有学者提出一种设计方法：障碍物整体采用石英玻璃制造，薄片光再从爆震室的排气口进入，由此对障碍物段内的燃烧情况进行测量。但这种方法具有三方面缺陷：1)需要将光路元器件布置在爆震室的排气口附近，容易受到激波的冲击以致损坏；2)若爆震室的长度较大，由于片光穿过障碍物后会存在光损，故离排气口越远的位置，片光的强度越弱，拍摄效果相对较差；3)火焰与障碍物相互作用时，会产生高强度的激波，若采用石英玻璃障碍物，难以承受激波的长时间冲击，容易破碎。由此可见，目前在带障碍物的爆震室内开展PLIF技术测量时仍缺乏一种有效的设计方法，为了能顺利在障碍物段开展PLIF技术测量，有必要提出一种既能保证爆震室强度，又能得到较好拍摄效果的爆震室设计方法。

发明内容

采用PLIF技术对带障碍物的爆震室开展光学测量时，光路布置与爆震室的设计是两个需要综合考虑的因素，爆震室设计(特别是障碍物)的优化程度不足，不仅给爆震室的寿命带来极大挑战，还给光路的布置带来极大困难，严重影响拍摄效果及后期的数据分析。为了解决现有透过PLIF片光的障碍物段结构设计不合理的问题，本发明提出了一种既能保证结构强度，又可优化光路布置的带障碍物爆震室设计方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种可用于PLIF测量技术的带障碍物爆震室设计方法，包括中间框、壁面组件、障碍物段、障碍物堵头及点火头，其特征在于：爆震室整体采用模块化结构设计，中间框作为燃烧发生的场所；壁面组件通过螺栓固定于中间框，用作爆震室的前后上下壁面；障碍物段通过梯形结构安装于中间框上下壁的梯形凹槽内，实验过程中可根据实际需求拆装障碍物，快速改变障碍物的数量；障碍物拆卸后，采用梯形障碍物堵头填入中间框上下壁的梯形凹槽中，维持爆震室上下壁面的平整性；薄片激光从爆震室的上壁面入射，下壁面出射，激发燃烧场特定频率的分子荧光，高速摄像机从前后壁面捕获荧光，实现障碍物段内的PLIF测量。

所述的中间框采用钢铁制造，铅垂、水平方向均设计有方形通孔，上下壁(即铅垂方向)的通孔分别用于片激光的进入与出射，前后壁(即水平方向)的通孔用于分子荧光的透过；头部中心处加工有M10螺纹孔，用于与点火头装配；尾部中心处加工有圆形通孔，燃烧过程结束后可用于燃烧产物的排放。

所述的壁面组件包括前盖板框、前玻璃板、后盖板框、后玻璃板、上盖板框、上玻璃板、下盖板框及下玻璃板；前后玻璃板为长方体石英玻璃，分别插入到中间框前后壁(即水平方向)的通孔内，提供爆震室的前后壁面，上下玻璃板为“T”形石英玻璃，“T”形窄部的高度等于中间框上下壁(即铅垂方向)的方形通孔的深度，装配过程中分别插入到通孔内用作爆震室的上下壁面，每块石英玻璃与中间框的接触面均粘有1mm厚的硅胶垫，保证爆震室的密封性，防止燃料泄漏；前后上下四块盖板框为钢铁材质，均加工有“T”型槽，分别用于前后上下石英玻璃板的定位与紧固，盖板框与石英玻璃板的接触面也铺有1mm厚的硅胶垫，防止石英玻璃板在较大压紧力下被夹碎。

所述的障碍物段由上壁障碍物阵列及下壁障碍物阵列对称布置组成，包括24个钢铁障碍物及12块薄方体石英玻璃片，每个障碍物阵列由6个障碍物块组成，每个障碍物块由障碍物-石英玻璃片-障碍物依次排列形成，石英玻璃片与两个障碍物的贴合面处通过中性玻璃胶粘贴牢固，防止燃烧过程中石英玻璃片脱落；每个障碍物均设计有梯形结构，可悬挂于中间框上下壁的梯形凹槽中，实现障碍物的定位与紧固；当障碍物块安装于中间框后，石英玻璃片的位置恰好处于中间框上下壁通孔的中心轴线处，使爆震室在上下壁面的中轴线处存在一个可透光的区域，实现薄片激光在障碍物段的顺利入射与出射。

所述的障碍物堵头为梯形结构，当障碍物拆卸后，可将其安装于中间框上下壁的梯形凹槽中，将爆震室的上下壁面平整填充。

所述的点火头为“T”形圆柱体，表面加工有M10外螺纹，与中间框头部的M10内螺纹配合；中间设计有两个通孔，两根漆包铜线插入到其中充当点火针，利用尖端放电原理实现燃料的点燃。

有益效果：采用本发明提供的可用于PLIF测量技术的带障碍物爆震室设计方法，各部件组装好后，上下盖板框、上下玻璃板、上下壁石英玻璃片及中间框上下壁两个通孔的中心线均位于同一铅垂面，即爆震室上下壁面的中轴线处均存在一个可透光的窄方形区域，薄片激光依次经上盖板框“T”型槽窄缝、上玻璃板“T”形宽部(上盖板框“T”型槽宽缝)、上玻璃板“T”形窄部(中间框上壁通孔)及上壁石英玻璃片完成入射过程，依次经下壁石英玻璃片、下玻璃板“T”形窄部(中间框下壁通孔)、下玻璃板“T”形宽部(下盖板框“T”型槽宽缝)及下盖板框“T”型槽窄缝完成出射过程，使光路的布置方式得到优化，有效防止光路元器件被激波损坏，还能减少待测区域的光损(爆震室上下壁面之间的距离最多在厘米量级，此距离下激光的耗损不大)，提高拍摄效果；另一方面保证了爆震室各部件(尤其是障碍物段)的结构强度，即使在激波的反复冲击下依然能维持长时间寿命，节约加工成本，提高实验效率。

附图说明

图1为PLIF光路系统及爆震室部分装配示意图。

图2为爆震室的基础视图。

图3为前盖板框与前玻璃板组合三维示意图。

图4为下盖板框与下玻璃板组合三维示意图。

图5为障碍物段结构示意图。

图6为障碍物堵头结构示意图。

其中，1为爆震室，2为激光器，3为平面反射镜，4为柱面镜系统，5为高速摄像机，1-1为中间框，1-2为前盖板框，1-3为后盖板框，1-4为上盖板框，1-5为下盖板框，1-6为前玻璃板，1-7为后玻璃板，1-8为上玻璃板，1-9为下玻璃板，1-10为点火头，1-11为上壁障碍物阵列，1-12为下壁障碍物阵列，1-13为前壁螺栓阵列，1-14为后壁螺栓阵列，1-15为上壁螺栓阵列，1-16为下壁螺栓阵列，1-17为障碍物堵头，1-11a为上壁障碍物①，1-11b为上壁障碍物②，1-11c为上壁障碍物③，1-11d为上壁障碍物④，1-11e为上壁障碍物⑤，1-11f为上壁障碍物⑥，1-11g为上壁障碍物⑦，1-11h为上壁障碍物⑧，1-11i为上壁障碍物⑨，1-11j为上壁障碍物⑩，1-11k为上壁障碍物1-11m为上壁障碍物1-12a为下壁障碍物①，1-12b为下壁障碍物②，1-12c为下壁障碍物③，1-12d为下壁障碍物④，1-12e为下壁障碍物⑤，1-12f为下壁障碍物⑥，1-12g为下壁障碍物⑦，1-12h为下壁障碍物⑧，1-12i为下壁障碍物⑨，1-12j为下壁障碍物⑩，1-12k为下壁障碍物1-12m为下壁障碍物1-111为上壁石英玻璃片①，1-112为上壁石英玻璃片②，1-113为上壁石英玻璃片③，1-114为上壁石英玻璃片④，1-115为上壁石英玻璃片⑤，1-116为上壁石英玻璃片⑥，1-121为下壁石英玻璃片①，1-122为下壁石英玻璃片②，1-123为下壁石英玻璃片③，1-124为下壁石英玻璃片④，1-125为下壁石英玻璃片⑤，1-126为下壁石英玻璃片⑥。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施过程对本发明作进一步说明。

参见图1，此处为了让爆震室1显示更直观，爆震室1装配后的放大图里，对前盖板框1-2、上盖板框1-4及前玻璃板1-6进行隐藏。PLIF光路系统可表述如下：将激光器2调至对应特定分子的激发频率，激光经平面反射镜3后变成垂直方向，再经过柱面镜系统4后扩展成薄片光，从爆震室1的上壁面入射，下壁面出射，高速摄像机5放置在爆震室1前壁面的某处位置，记录荧光的变化过程，用于后期火焰传播特性分析。爆震室1整体采用模块化设计，中间框1-1的水平及铅垂方向均加工有方形通孔，中心处的空心区域作为爆震室1的燃烧流道，燃料在其中发生着剧烈燃烧，铅垂方向的通孔用于激光的穿过，点火头1-10通过螺纹结构紧固于中间框1-1的头部中心处，利用尖端放电原理将燃料点燃，尾部的圆形通孔用于燃烧产物的排放，避免对后续的燃烧过程造成影响；中间框1-1的上下壁面还设计有梯形凹槽结构，用于障碍物的定位及悬挂。

参见图1、图2、图3及图4，前玻璃板1-6及后玻璃板1-7为同样大小的方体石英玻璃，尺寸与中间框1-1水平方向的通孔一致，插入到通孔后可完全将其封紧，提供爆震室1的前后壁面，上玻璃板1-8及下玻璃板1-9为同样的“T”形石英玻璃，窄部尺寸与中间框1-1铅垂方向的两个通孔完全一致，装配过程中分别将其插入到通孔内，提供爆震室1的上下壁面，宽部分别贴紧于中间框1-1的上下壁，限制上玻璃板1-8及下玻璃板1-9在爆震室1铅垂方向的位移(如图1所示)；前盖板框1-2、后盖板框1-3、上盖板框1-4及下盖板框1-5均为加工有“T”型槽的方形钢板，前玻璃板1-6、后玻璃板1-7、上玻璃板1-8及下玻璃板1-9分别放置于前盖板框1-2、后盖板框1-3、上盖板框1-4及下盖板框1-5“T”型槽的宽缝，实现定位，而“T”型槽的窄缝仅用于光的通过(如图3及图4所示)；四块玻璃板与中间框1-1及四块盖板框的贴合面处均粘贴厚度为1mm的软硅胶垫，一方面保证爆震室1的密封性，防止火焰冒出，另一方面起到缓冲作用，避免石英玻璃板在较大夹紧力作用下破碎；前盖板框1-2、后盖板框1-3、上盖板框1-4及下盖板框1-5最后分别通过前壁螺栓阵列1-13、后壁螺栓阵列1-14、上壁螺栓阵列1-15及下壁螺栓阵列1-16与中间框1-1实现紧固，由此组成完整的爆震室1(如图2所示)。

参见图1、图2及图5，障碍物段由上壁障碍物阵列1-11及下壁障碍物阵列1-12组成，两个障碍物阵列对称布置在中间框1-1的上下壁。上壁障碍物阵列1-11由6个障碍物块组成，每个障碍物块由两个障碍物夹着一块石英玻璃片组成，即上壁障碍物①(1-11a)、上壁石英玻璃片①(1-111)及上壁障碍物②(1-11b)，上壁障碍物③(1-11c)、上壁石英玻璃片②(1-112)及上壁障碍物④(1-11d)，上壁障碍物⑤(1-11e)、上壁石英玻璃片③(1-113)及上壁障碍物⑥(1-11f)，上壁障碍物⑦(1-11g)、上壁石英玻璃片④(1-114)及上壁障碍物⑧(1-11h)，上壁障碍物⑨(1-11i)、上壁石英玻璃片⑤(1-115)及上壁障碍物⑩(1-11j)，上壁障碍物(1-11k)、上壁石英玻璃片⑥(1-116)及上壁障碍物(1-11m)各组成一个障碍物块。下壁障碍物阵列1-12也包括6个障碍物块，每个障碍物块同样由两个障碍物夹着一块石英玻璃片组成，即下壁障碍物①(1-12a)、下壁石英玻璃片①(1-121)及下壁障碍物②(1-12b)，下壁障碍物③(1-12c)、下壁石英玻璃片②(1-122)及下壁障碍物④(1-12d)，下壁障碍物⑤(1-12e)、下壁石英玻璃片③(1-123)及下壁障碍物⑥(1-12f)，下壁障碍物⑦(1-12g)、下壁石英玻璃片④(1-124)及下壁障碍物⑧(1-12h)，下壁障碍物⑨(1-12i)、下壁石英玻璃片⑤(1-125)及下壁障碍物⑩(1-12j)，下壁障碍物(1-12k)、下壁石英玻璃片⑥(1-126)及下壁障碍物(1-12m)各组成一个障碍物块(如图5所示)。每个障碍物均由两部分组成，其中一部分为梯形结构，用于悬挂到中间框1-1的梯形凹槽中，实现定位与固连，另一部分为方形结构，装配到爆震室1后整体位于燃烧流道中充当障碍物的角色。每块石英玻璃片均为厚度约3mm的方形薄片，尺寸与障碍物段的方形结构部分完全一致，通过中性玻璃胶与两边的障碍物粘贴牢固，防止火焰从障碍物与石英玻璃片之间的缝隙穿过。采用3mm厚度的原因为同时兼顾片激光的透过及结构强度两方面因素，一般PLIF技术采用的片激光厚度均在1mm内，故3mm厚的玻璃片足以让片激光整体透过且留有足够的光路位置布置误差；另一方面爆震是高温高压的剧烈燃烧过程，若玻璃片的厚度太大，容易在激波或爆震波的作用下破碎，故玻璃片的厚度越小，与火焰的相互作用面积会相应缩小，其寿命也会相应得到提高。所有部件装配完成后，上盖板框1-4、上玻璃板1-8、中间框1-1铅垂方向的两个通孔、上壁障碍物阵列1-11和下壁障碍物阵列1-12的所有石英玻璃片、下玻璃板1-9及下盖板框1-5的中心线均位于同一铅垂面，即爆震室1上下壁面的中轴线处存在一个可透光的窄方形区域，薄片激光依次经上盖板框1-4“T”型槽窄缝、上玻璃板1-8“T”形宽部(上盖板框1-4“T”型槽宽缝)、上玻璃板1-8“T”形窄部(中间框1-1上壁通孔)及上壁障碍物阵列1-11的石英玻璃片完成入射过程，依次经下壁障碍物阵列1-12的石英玻璃片、下玻璃板1-9“T”形窄部(中间框1-1下壁通孔)、下玻璃板1-9“T”形宽部(下盖板框1-5“T”型槽宽缝)及下盖板框1-5“T”型槽窄缝完成出射过程，即光路布置在爆震室1的铅垂方向，可有效防止在水平方向布置光路时，爆震室1出口的激波将光学元件冲坏(如图1所示)。

参见图6，在实验过程中，可根据具体的工况灵活调节障碍物块的数量，若上壁障碍物阵列1-11及下壁障碍物阵列1-12的障碍物块被拆卸后，可用障碍物堵头1-17将中间框1-1的梯形凹槽填平，维持爆震室1上下壁面的平整性。

以上结合附图和具体实施过程对本发明的具体实施方式作了详细描述，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的技术人员不脱离本发明原理的前提下，可以对上述方法做出各种改变与优化。