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发动机燃烧高精度激光诊断系统解决方案

高精度激光诊断技术是一种新型的发动机燃烧测量方法,拥有其他测量方式不可比拟的优点,测量精度高,最大优势是可非接触式测量,能够实现无干扰测量,符合流动参数的测量要求。由于激光测速技术和流场显示技术在试验领域的应用,从逐点测量变为全场测量,使试验研究水平大为提高。在航空航天发动机燃烧室内复杂流场(如温度场、速度场、压力场、两相浓度场等) 的测量上激光测试技术具有很大的优势,获得试验数据能够准确反映燃烧室的真实工况。

拉曼散射(RAMAN SCATTERING)技术是激光测量技术的一种,可以同时测量多种组分的浓度,同时又可以得出测量点的温度。可见光拉曼散射温度、浓度测量技术具有不干扰流场,精度高,空间解析度高,测量范围广,同时多点多组分测量等优点非常适合在发动机研发过程中使用。采用先进拉曼散射等激光测量技术的支持,不仅能获得发动机燃烧室内流场的测量数据,还可以探索燃烧室化学反应过程中产生的各种化学组分的浓度和空间分布。

氢氧根离子标记测速(HTVHydroxyl Tagging Velocimetry)技术可实行无干扰精确测量三维流场。

 

激光诊断系统的功能:

l  燃烧室温度和组分测量

采用激光测量诊断技术获得燃烧室内的三维温度场、火焰筒壁面温度、主燃烧区域的温度和组分以及冷却和掺混效果等。

l  燃烧室内流场测量

燃烧室内的流场测量可以获得三维的速度数据,辅以压力测试的结果可以对燃烧室的流动状态、压力损失、流量分配等进行分析。

l  燃烧室模型分析计算

在发动机燃烧室的设计、优化和验证过程中,需要测量各组件流场的速度、温度、组分浓度和压力等信息。能够获得燃烧室中各个截面、甚至各点的气流压力、温度、流速和组分不但可以直接解决燃烧室研制过程中的试验问题,还可以将测试结果用于或验证燃烧室模型分析计算。

 

激光诊断系统的组成:

l  拉曼散射测量温度、组分技术

可见光拉曼:多组分浓度、温度同时测量时均值。

紫外光拉曼:单脉冲多组分浓度、温度同时测量瞬时值,特别适合于高超声速流场。

l  激光OH离子标记(HTV)速度测量技术

采用气体分子示踪,无需固体粒子,特别适用于高超声速流场测量。

 

激光诊断系统的指标

拉曼散射测量系统技术指标:

l  同时测量温度和多组分浓度场的时均值(可见光);

l  同时测量温度和多组分浓度场单脉冲瞬时值(紫外光);

l  温度测量范围2003500 K

l  浓度测量范围0.2%100%

l  空间解析精度小于150微米;

l  测量相对误差小于 ±3% (可见光);

l  测量相对误差小于 ± 10% (紫外光);

l  时间解析精度小于1微秒(紫外光);

 

激光OH离子标记速度测量技术指标:

l  同时测量流场中121或更多点的速度;

l  速度测量范围0.15000/秒;

l  空间解析精度小于100微米;

l  时间解析精度小于1微秒;

l  测量相对误差小于 ± 1%

 

激光诊断系统的优势:

l  无需示踪粒子,无需固体探头,对流场是零干扰;高速流场测量优势非常明显,目前是唯一可行的测量方法。

l  可单独测量或同时测量温度,压力,组分,速度。

l  测量点的空间解析度高:微米级;测量的时间解析度高;纳秒级;测量精度高;尤其适用于高速湍流化学反应流。

l  运行成本低,安全。

l  由于以上优点,激光测量广泛使用于美国军事工业:NASAAEDCGEUTGrummanLockheed Martin等等。

 

   传统温度组分测量的不足之处:

l  热电偶测量温度、气相色谱仪测浓度,都需要在测点布置探头而干扰流场,在超音速流场中还会引起激波而破坏流场,使得测量精度降低。

l  在高温燃烧室内的测量还会由于探头的催化作用,使得组分测量不精确。

l  发动机燃烧室内部流动具有强时变、强物理场耦合的特点,传统的测量手段已无法实施或不能精确捕捉其中的复杂物理现象。

  传统速度测量的不足之处:

l  在高速(超声速)及高湍流度来流条件下,大尺寸(相对分子)示踪粒子与来流相对速度方向上受到不可忽略的阻力、虚拟质量力和Basset力,引起示踪粒子的速度与被测流场的速度存在较大的差别。

l  在内流试验中,示踪粒子易迁移粘贴至壁面,在较短时间内试验记录所需的透明观测窗将被遮蔽。

l  如果示踪粒子分布不均匀,往往造成测量区域内的粒子数目不够;对测量结果造成不利影响。

l  对于大型设备需要使用大量的示踪粒子,造成测量成本较高。

 

                    试验现场

                          采集的拉曼散射信号                

 

                             组分浓度、温度比较

 

 

                    拉曼散射实验系统

 

 

 

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