一种结合消光法和辐射光的稳态火焰中碳烟测量装置

摘要

本发明公开了一种结合消光法和辐射光的稳态火焰中碳烟测量装置，涉及动力机械的燃烧领域，本实验装置包括碳烟消光测试系统和碳烟辐射光测试系统；碳烟消光测试系统包括LED灯、扩散片、凸透镜和一个加载窄通滤波片的第一高速数码相机；碳烟辐射光测试系统包括凸透镜、分光片和一个加载第二窄通滤波片的第二高速数码相机；通过碳烟消光系统可以获得碳烟量的空间分布；通过碳烟辐射光测试系统和光强标定装置可以获得碳烟辐射光在给定波长下光学路径上投影的总强度；然后结合背景消光系统获得的碳烟在光学路径上的消光系数，再根据辐射传输方程对稳态火焰中碳烟辐射图片进行三维重建获得碳烟的温度分布。

说明书

技术领域

本发明涉及基础燃烧以及动力机械的燃烧等研究领域，尤其涉及到一种结合消光法和辐射光的稳态火焰中碳烟测量装置。

背景技术

火焰中的碳烟生成氧化过程包含了极其复杂的物理现象和化学动力学过程，涉及大量难以定量测量的中间组分，使得对其生成氧化过程的认识还十分有限，因此急需开发更为可靠的光学诊断技术，实现在各种工况环境下对碳烟瞬态特性更加全面、准确的测量。近些年，为了增进对碳烟生成氧化过程的理解，已经发展了多种光学诊断技术；双色法基于两种不同波长辐射光强，可以对瞬态碳烟量及其温度实现定量测量。但是由于碳烟不同层面信号自吸的影响，使得其测试结果具有很大不确定性。随着高速数码相机和先进光源的发展，一种扩散射背景光消光技术在国际上得以应用，但是此技术不能得到碳烟温度的信息。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种考虑碳烟自吸光的影响，实现对稳态火焰中的碳烟量和碳烟温度同步测量的测量装置；该测量装置将碳烟对背景光的消光特性和碳烟自身的辐射特性结合起来，利用高速数码成像，能够同时捕捉稳态火焰中碳烟的生成量和碳烟温度，从而克服了现有技术的不足。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的：

一种结合消光法和辐射光的稳态火焰中碳烟测量装置，包括碳烟消光测试系统和碳烟辐射光测试系统；所述碳烟消光测试系统用于获取稳态火焰中碳烟的生成量；所述碳烟辐射光测试系统根据碳烟消光测试系统得到的局部消光系数k_λ获取稳态火焰中碳烟温度；所述碳烟消光测试系统从右到左包括LED灯、扩散片、凸透镜、第一窄通滤波片和第一高速数码相机；所述扩散片与凸透镜之间设置有燃烧室；所述燃烧室的左右两侧开设有第一光学窗口和第二光学窗口；所述燃烧室内设置有喷油器；所述凸透镜与第一窄通滤波片之间设置有分光镜；第一高速数码相机触发LED灯，使LED灯的脉冲频率为第一高速数码相机的一半，这样可以获得一张照片有背景光，一张背景无背景光，这样交错的一系列图片，然后插值计算获得每个时刻的火焰辐射强度；

所述碳烟辐射光测试系统包括分光镜、第二窄通滤波片和第二高速数码相机；所述第一高速数码相机与第二高速数码相机呈90°角布置；所述第一高速数码相机通过导线分别与第二高速数码相机、LED灯相连接；第二高速数码相机的脉冲频率与第一高速数码相机的脉冲频率相同。

进一步的，第一高速数码相机前放置的第一窄通滤波片与LED灯波峰值处光的波长一致，此波长的光可进入到第一高速数码相机中。

进一步的，可通过LED灯和扩散片获得的一束扩散的背景光，以减小纹影效应对碳烟量测量精度的影响。

进一步的，燃烧过程中，通过第一高速数码相机触发LED灯以及第二高速数码相机，实现对碳烟量和碳烟温度的同步测量。

进一步的，第二高速数码相机前放置的第二窄通滤波片的波长较高，碳烟辐射强度随波长而增加，提高了信噪比。

以假设准静态环境下的稳态碳烟火焰为对称结构，通过碳烟消光测试系统可以获得碳烟总体的KL因子，对其进行三维重建，可以获得局部的消光系数(k_λ)。然后根据米散射原理获得碳烟的体积分数分布；通过标定装置获得碳烟的辐射光在光学路径上投影的总强度(I_r)。

对于给定波长(λ)的光,在光学路径投影上的总体辐射强度(I_r)为每个碳烟层局部光谱辐射率(k_λI_b)和自吸光之差的集合结果；根据Beer-Lamert原理，在光学路径上任何位置(y)碳烟的辐射强度在经历过后续路径吸光后而穿透黑体光强可以按以下公式表示：

其中，y_max为碳烟在光学路径上距离投影面最近坐标，y′为从碳烟y位置到y_max任意碳烟层光学路径上的坐标。因此，在每一像素总体投影到的强度可按以下公式表示：

y_min为碳烟层光学路径上距离投影面的最远坐标；根据碳烟辐射光测试系统获得每个像素点处的总体投影强度(I_r)，然后结合碳烟消光测试系统获得的消光系数(k_λ)对碳烟辐射图像再次进行三维重建可获得局部光谱辐射率(k_λI_b)，进而获得黑体辐射强度(I_b)。最后根据普朗克定律(Plank)可获得空间上的碳烟温度分布。

有益效果：

1、相比较传统双色测温法，此技术考虑了碳烟的自吸光影响，使测得碳烟量和碳烟温度更加准确。

2、此消光系统可以捕捉碳烟在火焰中瞬态发展过程，相比较传统的激光诱导炽光法和点激光消光法，此技术具有很好的时空特性。

3、此技术可通过碳烟辐射图片对碳烟生成区域进行准确划分，进而可以用此碳烟区域界定消光系统获得图片中碳烟区域而消除由液相米散射和纹影效应带来的不确定性影响。

附图说明

图1为本发明涉及到的结合消光法和辐射光的稳态火焰中碳烟测量装置示意图。

1、LED灯 2、扩散片 3、燃烧室 4、测试火焰 5、喷油器 6、第一光学窗口 7、凸透镜8、分光镜 9、第一窄通滤波片 10、第一高速数码相机 11、第二窄通滤波片 12、第二高速数码相机 13、第二光学窗口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

通过LED灯1和扩散片2产生一束高速脉冲扩散背景光，当背景光穿过火焰后，碳烟消光测试系统和碳烟辐射光测试系统穿透后剩余的背景光和碳烟辐射光通过凸透镜7被加载第一窄通滤波片9的第一高速数码相机10接收；通过朗伯一比尔定律(Beer-lambert)即可计算瞬态火焰中的碳烟的KL因子，进而获得碳烟的质量和体积分数。

在触发喷油器喷油信号同时触发第一高速数码相机10，然后通过第一高速数码相机10触发LED灯1和第二高速数码相机12，并设定LED灯输出频率为第一高速数码相机10的一半，第二高速数码相机12频率与第一高速数码相机10保持一致；LED灯1的光束通过扩散片2产生一束可覆盖整个火焰的扩散背景光，当扩散背景光穿过碳烟后，余留的扩散背景光强度以及与第一窄通滤波片9波长对应的碳烟自身的辐射光分别穿过凸透镜7、分光镜8和第一窄通滤波片9被第一高速数码相机10接收；与此同时，与第二窄通滤波片11对应的碳烟自身的辐射光通过凸透镜7、分光镜8和第二窄通滤波片11被第二高速数码相机12接收。

由第一高速数码相机10所获得图片，通过碳烟消光辐射系统根据Beer-lambert原理计算获得碳烟光学路径上总体KL值。假设准静态环境下的稳态碳烟火焰为对称结构，对碳烟火焰进行三维重建剥(洋葱法)获得局部的光学消光系数。然后根据米散射原理获得碳烟的体积分数分布(f_v)，如下公式所示。

k_e为无量纲系数，可通过Rayleigh-Debye-Gans原理计算获得。

将一个金属钨带标定灯放置火焰相同位置，改变标定灯电流，获得标定灯在不同辐射强度下第二高速数码相机12图片上的强度，进而获得目标物辐射强度与辐射图片上数码强度的线性关系。然后，对第二高速数码相机12捕捉的碳烟辐射图片计算获得碳烟在光学路径上的辐射强度。接下来，结合碳烟消光系统获得的局部光学消光系数对第二高速数码相机12获得的辐射图片进行三维重建，获得局部黑体辐射强度。最后根据普朗克定律(Plank)计算获得碳烟的温度分布。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。