采集高温升高压燃烧室内CH*/OH*强度变化的装置及方法

采集高温升高压燃烧室内ch*/oh*强度变化的装置及方法
技术领域
1.本发明涉及工程级不稳定燃烧实验中采集ch*/oh*强度变化来间接测量释热率脉动的方法，具体涉及一种采集高温升高压燃烧室内ch*/oh*强度变化的装置及方法。


背景技术：

2.不稳定燃烧是低污染民用发动机燃烧室和先进军用发动机加力、冲压燃烧室设计中遇到的重要难点。燃烧室在工作过程中经常会在特定工况产生不稳定燃烧现象，大幅度的压力波动会导致燃烧状态极为不稳定，产生严重的机械振荡和噪声，导致燃烧室熄火，并可能损坏发动机部件，减少部件工作寿命，增加污染物的排放等不利影响。
3.不稳定燃烧产生的机制为释热率脉动与压力脉动产生双向耦合，并与燃烧室结构模态同步形成自激振荡，即热声耦合现象。燃烧室内部激励源一般为周期性涡脱落、供油压差脉动、反应区油气比脉动等。激励源最终会导致释热率在时空分布不均匀，从而触发与燃烧室声学特性共振的可能性，进而产生自激振荡。因此，在实验过程中测量释热率变化，分析释热率脉动特征，对于研究燃烧室不稳定燃烧特性有重要意义。
4.目前，对于燃烧室内释热率脉动的测量，普遍采用非接触式测量方法，即通过测量ch*/oh*强度变化间接反映释热率脉动特征。在实际实验过程中，这是通过在燃烧室壁面开观察窗实现的，燃烧区内的化学基团释放出的光强信号，经过ch*/oh*滤光片后，只有特定波长的光强信号能够被光电倍增管捕获，并最终转化为电信号。然而对于工作在高温高压条件下的工程级别燃烧室，由于石英玻璃强度的限制，对燃烧室进行开窗处理是不被允许的。本发明公开的一种采集高温升高压燃烧室内ch*/oh*强度变化的装置及方法，无需在燃烧室壁面开窗，也不会对燃烧室主体结构产生影响，只需通过测量孔就可完成对ch*/oh*强度变化的测量，使用方便，具有一定工程应用价值。且该方法能够获取燃烧区的单点释热率变化情况，为理解不稳定燃烧细节提供了技术支持。


技术实现要素：

5.发明目的：
6.为解决上述问题，以拓展燃烧室不稳定燃烧实验中ch*/oh*强度变化的测量方法，为工程级别航空发动机燃烧室燃烧性能优化提供依据和手段，本发明提供了一种采集高温升高压燃烧室内ch*/oh*强度变化的装置及方法。
7.技术方案：
8.一种采集高温升高压燃烧室内ch*/oh*强度变化的装置，包括第一光线通道、第二光线通道、滤光片(2)和光电倍增管(3)；所述第一光线通道的两端分别连接燃烧室内待测区域和滤光片(2)的入射面；所述第二光线通道的两端分别连接滤光片(2)的出射面和光电倍增管(3)。
9.进一步的，所述第一光线通道在燃烧室内的一端设置有石英玻璃(1)用以进行压力隔断。
10.一种采集高温升高压燃烧室内ch*/oh*强度变化的方法，其工作过程包括如下步骤：
11.步骤一：在目标燃烧室实验中，在燃烧室主燃区附近的壁面进行开孔，以便该装置可以采集到原始中间产物光强变化；
12.步骤二：为保护光电倍增管的正常工作，利用耐高温高压石英玻璃做压力隔断；
13.步骤三：为了得到目标产物的脉动变化，选择适当波长的滤光片来过滤掉研究中不需要的其他波段的光信号；
14.步骤四：通过滤光片的特定波段的光信号被光电倍增管采集，利用其将光信号强度变化转换为电压信号变化。其主要的工作原理是ch*/oh*中存在的光进入倍增系统后，光阴极在光子作用下发射电子，这些电子被外电场(或磁场)加速，聚焦于第一次极。这些冲击次极的电子能使次极释放更多的电子，它们再被聚焦在第二次极。这样，一般经十次以上倍增，放大倍数可达到104倍以上。最后，在高电位的阳极收集到放大了的光电流。输出电流和入射光子数成正比。整个过程时间约10-8
秒。最终转换为采集系统中所需的电压信号。
15.有益效果：
16.(1)本发明公开的一种采集高温升高压燃烧室内ch*/oh*强度变化的方法，可适用在不同尺寸下的燃烧室的释热率脉动测量。
17.(2)本发明公开的一种采集高温升高压燃烧室内ch*/oh*强度变化的方法主要是通过将燃烧室内中间产物光强信号转换为便于采集的电压信号，便于之后燃烧室内热声耦合特性的进一步研究，该装置能够保证燃烧室整体结构不被破坏的同时又能对真实燃烧室内释热率脉动进行精确测量，保证了释热率脉动的准确性。
18.(3)本发明公开的一种采集高温升高压燃烧室内ch*/oh*强度变化的方法，能够获取局部ch*/oh*强度信号，相比于全局释热率测量，这种单点测量方式更能捕捉燃烧区热释放的细节，获取有价值的脉动特征。
19.(4)本发明中设计较为简单，成本低，使用寿命较长，同时适用于多种不同条件下的实验环境中，能够大大节约科研经费支出。
附图说明
20.图1是本发明中测量装置的正视图(a)及该中心截面的剖视图(b)。
21.图2是本发明中测量装置的后视图(a)及正等测图(b)。
22.图3是不稳定燃烧状态下ch*强度信号(a)及fft计算频域图(b)。
23.图4是稳定燃烧状态下ch*强度信号(a)及fft计算频域图(b)。
具体实施方式
24.下面结合附图来进一步阐明本发明。
25.本发明的核心思想在于采用特定波段滤光片结合光电倍增管来测量燃烧室内释热率脉动变化，将光信号变化进一步转化为可供采集的电压信号。
26.图1是本发明中测量装置的正视图及中心截面的剖视图。如图1所示，包括如下构件：编号为1的部分为耐高温高压石英玻璃安装区域，其主要功效是隔断燃烧室内高温高压气体对之后的滤光片和光电倍增管的破坏。其长度一般保持在15mm-45mm之间，内径保持在
6-12mm，外径保持在12-18mm。本次实例中该部分长度为30mm，内径为8.6mm，壁厚2mm，其材料主要选择不锈钢、铜和合金等，具体材料选择根据温度条件选择，本次实例中选择304不锈钢制作。在编号为1的区域安装压力隔断玻璃，该部分选择的玻璃材料根据主要燃烧室内最大压力来选择，高压环境可选择高硼料玻璃；对于常压条件下的燃烧室考虑成本的话可以选择一般石英玻璃，其长度一般保持在10-35mm，本次实例中选择25mm。编号为2的部分为特定波长滤光片(ch*宜选用430nm nm滤光片，oh*宜选用309nm)安装和更换区域，该区域设计有卡槽和法兰，可以对不同波长的滤光片进行更换和固定。该部分设计长度在8-16mm，其材质可以选择高透光玻璃，同时考虑缓冲作用，这部分的滤光片可以在两边设置缓冲软脚垫，本次实例中其长度为10mm。连接编号1、2两个区域的长度控制在50-150mm，本次实例设置在100mm，材质可以选择铜、不锈钢及合金等。编号为3的部分为光电倍增管安装区域，其中设计有与前端孔径一致的小孔来提供光信号至光电倍增管来转换为电压信号。该部件的腔体一般控制在30*50*80mm-50*80*120mm，其材质可以选择铜、不锈钢及合金等，本次实例中选择不锈钢304。根据对燃烧室目标中间产物的采集需求，滤光片波长可以309nm(用于oh*测量)和430nm(用于ch*测量)。
27.图2为该装置侧视图及三维正等测图，其中固定滤光片的法兰靠四颗螺栓进行固定。
28.图3和图4为利用该装置在实验过程中获取的不稳定燃烧状态和稳定燃烧状态下的ch*光强测量信号(时序和频谱)。时域结果中可以明显观察到ch*光强的脉动特征。不稳定燃烧状态下的频域结果中，可以观察到明显的脉动主频，且ch*强度主频与压力脉动主频一致，说明利用该方法能够准确获取ch*光强变化特征。