基于滑动弧放电的超燃冲压发动机燃烧室测速装置及方法
阅读说明：本技术 基于滑动弧放电的超燃冲压发动机燃烧室测速装置及方法 (Sliding arc discharge-based speed measurement device and method for scramjet engine combustion chamber ) 是由 朱家健 冯戎 田轶夫 蔡尊 孙永超 王成龙 汪洪波 孙明波 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：基于滑动弧放电的超燃冲压发动机燃烧室测速装置及方法,包括滑动弧等离子体测速装置,滑动弧等离子体测速装置安装在燃烧室的内壁面上,用于产生随燃烧室内气流的方向滑移的滑动弧等离子体；滑动弧等离子体作为气流速度的标示物,通过测量设定时间间隔内滑动弧等离子体的移动距离,确定滑动弧等离子体的滑移速度,进而根据滑动弧等离子体的滑移速度测得燃烧室内气流的速度。本发明的测速装置具有不干扰燃烧室内的流场结构、受环境温度干扰小、随流性好、不会对燃烧室造成污染、对高速气流测量准确性较好、适用于测量近壁面流速等优点。(The sliding arc discharge-based speed measuring device and method for the scramjet engine combustion chamber comprise a sliding arc plasma speed measuring device, wherein the sliding arc plasma speed measuring device is installed on the inner wall surface of the combustion chamber and used for generating sliding arc plasma which slides along the direction of air flow in the combustion chamber; and determining the slip speed of the sliding arc plasma by measuring the moving distance of the sliding arc plasma in a set time interval, and further measuring the speed of the airflow in the combustion chamber according to the slip speed of the sliding arc plasma. The speed measuring device has the advantages of no interference on a flow field structure in the combustion chamber, small interference by the ambient temperature, good flow following performance, no pollution to the combustion chamber, good high-speed airflow measuring accuracy, suitability for measuring the near-wall flow velocity and the like.)
技术领域
本发明属于超燃冲压发动机技术领域，具体涉及一种基于滑动弧放电的超燃冲压发动机燃烧室测速装置及方法。
背景技术
目前，国内外的主要气流速度测量设备有热线仪、介入式测量装置、PIV等方法。
对于热线仪，热敏式风速计可以对金属丝进行加热，当金属丝的温度发生改变时，其阻值也会随之变化，进而引起金属丝两端电压的变化，系统通过对金属丝两端电压的测量可以得出相应风速大小，这种测风系统受环境温度影响较大，易受环境温度波动干扰。
介入式测量装置设置在流场中，其本身就影响流场，同时可能被超声速火焰烧毁。
PIV技术在本质上是图像分析技术的一种，它采用两个时间间隔很短的两个脉冲光源照亮所需要测量的流场，利用相机将所照明的流场中的示踪粒子记录下来，利用计算机进行图像处理得到速度场的信息。但在高超声速条件下，示踪粒子的随流性变差，且示踪粒子难以撒播进入壁面或者凹腔区域，造成这些区域的速度难以测量。此外，示踪粒子会对超燃冲压发动机造成污染，难以清理干净，可能造成发动机管路的堵塞。
发明内容
针对现有技术存在的超燃冲压发动机燃烧室内流速测量难题，本发明提供一种基于滑动弧放电的超燃冲压发动机燃烧室测速装置及方法。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
基于滑动弧放电的超燃冲压发动机燃烧室测速装置，所述滑动弧等离子体测速装置安装在燃烧室的内壁面上；
所述滑动弧等离子体测速装置包括圆柱形绝缘体、第一电极、第二电极和电源；第一电极和第二电极对称设置在圆柱形绝缘体的顶面上，第一电极和第二电极均为条形电极，第一电极和第二电极倾斜相对设置，第一电极作为高压电极，第一电极通过导线连接电源；第二电极作为接地电极，第二电极通过导线连接大地；
开启电源，第一电极和第二电极间产生随燃烧室内气流的方向滑移的滑动弧等离子体，滑动弧等离子体作为气流速度的标示物，通过测量设定时间间隔内滑动弧等离子体的移动距离，确定滑动弧等离子体的滑移速度，进而根据滑动弧等离子体的滑移速度测得燃烧室内气流的速度。
具体地，开启电源，在第一电极和第二电极的最短间距处发生击穿，生成滑动弧等离子体，滑动弧等离子体在气流的作用下，随着气流沿着电极滑移，滑动弧等离子体作为气流速度的标示物，通过测量设定时间间隔内滑动弧等离子体的移动距离，确定滑动弧等离子体的滑移速度，进而根据滑动弧等离子体的滑移速度测得燃烧室内气流的速度。
进一步地，作为本发明的优选方案，所述燃烧室的侧壁上开设有可视窗，可视窗正对燃烧室内的滑动弧等离子体测速装置；高速相机设置在可视窗的外侧，用于对滑动弧等离子体测速装置工作时产生的滑动弧等离子体进行拍摄；根据高速相机拍摄到的两幅连续图像获得拍摄时间间隔内滑动弧等离子体的移动距离，确定滑动弧等离子体的滑移速度，进而根据滑动弧等离子体的滑移速度测得燃烧室内气流的速度。
进一步地，作为本发明的优选方案，所述燃烧室的下金属壁面上设置有用于安装滑动弧等离子体测速装置的安装孔或者安装槽，滑动弧等离子体测速装置安装在燃烧室的下金属壁面上，圆柱形绝缘体的顶面与燃烧室的下金属壁面齐平。
进一步地，作为本发明的优选方案，所述圆柱形绝缘体外套装有筒状的金属外壳，金属外壳通过导线与大地连接。
进一步地，作为本发明的优选方案，第一电极和第二电极对称分布在圆柱形绝缘体的顶面上。
进一步地，作为本发明的优选方案，第一电极的第一端和第二电极的第一端相对，且第一电极的第一端和第二电极的第一端之间的间距为第一电极和第二电极间的最短间距；第一电极的第二端和第二电极的第二端相对，且第一电极的第二端和第二电极的第二端之间的间距为第一电极和第二电极间的最长间距；
第一电极和第二电极间的对称轴线与燃烧室主流的流动方向平行，第一电极和第二电极间的最短间距处靠近燃烧室入口，第一电极和第二电极间的最长间距处远离燃烧室入口。
进一步地，作为本发明的优选方案，第一电极和第二电极均为条形钨电极。
本发明提供一种滑动弧等离子体测速装置，其可应用于各种流场中测速，不限于燃烧室。滑动弧等离子体测速装置，包括圆柱形绝缘体、第一电极、第二电极和电源；第一电极和第二电极对称设置在圆柱形绝缘体的顶面上，第一电极和第二电极均为条形电极，第一电极和第二电极倾斜相对设置，第一电极作为高压电极，第一电极通过导线连接电源；第二电极作为接地电极，第二电极通过导线连接大地；
将滑动弧等离子体测速装置安装在有测速需求的流场中，开启电源，第一电极和第二电极间产生随流场内气流的方向滑移的滑动弧等离子体，滑动弧等离子体作为气流速度的标示物，通过测量设定时间间隔内滑动弧等离子体的移动距离，确定滑动弧等离子体的滑移速度，进而根据滑动弧等离子体的滑移速度测得流场内气流的速度。
进一步地，同样可以利用高速相机对滑动弧等离子体测速装置工作时产生的滑动弧等离子体进行拍摄；根据高速相机拍摄到的两幅连续图像获得拍摄时间间隔内滑动弧等离子体的移动距离，确定滑动弧等离子体的滑移速度，进而根据滑动弧等离子体的滑移速度测得流场中气流的速度。
本发明提供一种利用上述基于滑动弧放电的超燃冲压发动机燃烧室测速装置的测速方法，包括：
开启滑动弧等离子体测速装置，产生随燃烧室内气流的方向滑移的滑动弧等离子体；
设定高速相机的拍摄时间间隔，利用高速相机按照设定的拍摄时间间隔对滑动弧等离子体进行拍摄，得到连续图像；根据两张连续图像得到拍摄时间间隔内滑动弧等离子体的移动距离，获得滑动弧等离子体的滑移速度，进而根据滑动弧等离子体的滑移速度测得燃烧室内气流的速度。
其中滑动弧等离子体的滑移速度的获取方法如下：设定高速相机的拍摄时间间隔Δt，利用高速相机拍摄得到的两张连续图像，计算得到两张连续图像中滑动弧等离子体的移动距离d，进而得到滑动弧等离子体的滑移速度vs＝d/Δt。
超燃冲压发动机燃烧室内流速的精准测量对于标定来流参数、研究边界层厚度、揭示燃烧与湍流相互作用机理等具有非常重要的意义。本发明提出基于滑动弧放电的超燃冲压发动机燃烧室测速装置及方法，解决超燃冲压发动机燃烧室内流速测量难题。通过上述技术方案，本发明能够达到的有益技术效果是：
本发明以超燃冲压发动机燃烧室内的滑动弧等离子体作为气流速度的标示物，滑动弧等离子体具有较好的随流性，通过高速相机拍摄出设定时间间隔内滑动弧等离子体的移动距离，获得燃烧室内气流的速度。当开启电源，滑动弧等离子体测速装置工作时，在两条形钨电极的最短距离处发生击穿，生成滑动弧等离子体，滑动弧等离子体随着气流方向沿两电极长度方向滑移，滑动弧等离子体作为气流速度的标示物，通过高速相机拍摄出设定时间间隔内滑动弧等离子体的移动距离，获得燃烧室内气流的速度。设定时间间隔为拍摄两幅连续图像的时间差即预先设置的高速相机的拍摄时间间隔。滑动弧等离子体的移动距离为滑动弧等离子体在燃烧室内气流吹动下的滑移距离，可以通过两幅连续图像获取。本发明的测速装置具有不干扰燃烧室内的流场结构、受环境温度干扰小、随流性好、不会对燃烧室造成污染、对高速气流测量准确性较好、适用于测量近壁面流速等优点。
附图说明
图1为本发明一实施例中滑动弧等离子体测速装置的立体示意图；
图2为本发明一实施例中滑动弧等离子体测速装置的俯视图；
图3为本发明一实施例中滑动弧等离子体测速装置的原理结构图；
图4为本发明一实施例中滑动弧等离子体测速装置在燃烧室中的安装结构示意图；
图5为本发明一实施例中滑动弧等离子体在超声速射流下的滑移速度分布示意图；
图中标号：
1、圆柱形绝缘体；2、第一电极；3、第二电极；4、电源；5、大地；6、金属外壳；7、第一电极和第二电极的最短间距处；8、第一电极和第二电极的最长间距处；9、燃烧室的下金属壁面；10、滑动弧等离子体。
具体实施方式
为了使本公开发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施例，并根据附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，未描述的内容以及部分英文简写为所属技术领域中普通技术人员所熟知的内容。本实施例中给定的一些特定参数仅作为示范，在不同的实施方式中该值可以相应地改变为合适的值。
本发明的主要思路是运用滑动弧等离子体放电特性进行流场速度测量。参照图1、图2和图3，本发明提供一种滑动弧等离子体测速装置，包括圆柱形绝缘体1、第一电极2、第二电极3和电源4。本实施例中圆柱形绝缘体1为圆柱形陶瓷绝缘体。圆柱形绝缘体1的直径为36mm。第一电极2和第二电极3对称设置在圆柱形绝缘体1的顶面上，第一电极2和第二电极3均为条形电极，第一电极2和第二电极3倾斜相对设置，第一电极2作为高压电极，第一电极2通过导线连接电源4；第二电极3作为接地电极，第二电极3通过导线连接大地5。所述圆柱形绝缘体1外套装有筒状的金属外壳6，金属外壳6通过导线与大地5连接。
第一电极2的第一端和第二电极3的第一端相对，且第一电极2的第一端和第二电极3的第一端之间的间距为第一电极2和第二电极3间的最短间距；第一电极2的第二端和第二电极3的第二端相对，且第一电极2的第二端和第二电极3的第二端之间的间距为第一电极2和第二电极3间的最长间距。本实施例中第一电极2和第二电极3间的最短间距为2mm，第一电极2和第二电极3间的最长间距为7mm，第一电极2和第二电极3均为条形钨电极，长度均为15.8mm。
在利用滑动弧等离子体测速装置进行测速时，将滑动弧等离子体测速装置安装在有测速需求的流场中。第一电极2和第二电极间3的对称轴线与流场中气流的流动方向平行，且第一电极和第二电极的最短间距处7靠近气流入口，第一电极和第二电极的最长间距处8远离靠近气流入口。
开启电源4，在第一电极2和第二电极3的最短间距一端发生击穿，生成滑动弧等离子体10，滑动弧等离子体10在气流的作用下，随着气流沿着电极向最长间距一端滑移，滑动弧等离子体10作为气流速度的标示物，通过测量设定时间间隔内滑动弧等离子体10的移动距离，确定滑动弧等离子体的滑移速度，进而根据滑动弧等离子体的滑移速度测得流场内气流的速度。具体地，可以利用高速相机按照设定的拍摄时间间隔对滑动弧等离子体的运动过程进行拍摄，得到连续图像；根据两张连续图像得到拍摄时间间隔内滑动弧等离子体的移动距离，获得滑动弧等离子体的滑移速度，进而根据滑动弧等离子体的滑移速度测得流场内气流的速度。
参照图4，本发明一实施例提供一种基于滑动弧放电的超燃冲压发动机燃烧室测速装置，包括滑动弧等离子体测速装置，滑动弧等离子体测速装置的结构如图1、图2和图3所示，在此不再赘述。本实施例中圆柱形绝缘体1为圆柱形陶瓷绝缘体。圆柱形绝缘体1的直径为36mm。
所述滑动弧等离子体测速装置安装在燃烧室内。具体地，所述燃烧室的下金属壁面9上设置有用于安装滑动弧等离子体测速装置的安装孔或者安装槽，滑动弧等离子体测速装置安装在燃烧室的下金属壁面9上，其圆柱形绝缘体的顶面与燃烧室的下金属壁面9齐平。
具体地，开启电源，在第一电极2和第二电极3的最短间距处发生击穿，生成滑动弧等离子体，滑动弧等离子体在气流的作用下，随着气流沿着电极滑移，滑动弧等离子体作为气流速度的标示物，通过测量设定时间间隔内滑动弧等离子体的移动距离，即可获得气流的速度。
图4中，第一电极2和第二电极3均为条形钨电极，第一电极2和第二电极3间的最短间距为2mm，最大间距为7mm，第一电极2和第二电极3长度均为15.8mm。为了保证在燃烧室中放电时不发生爬电现象，第一电极2和第二电极3间具有最长间距一端距离金属外壳的距离为31mm。
图4中，第一电极2和第二电极3间的对称轴线与燃烧室主流的流动方向平行，第一电极2和第二电极3间最短间距处靠近燃烧室入口，第一电极2和第二电极3间最长间距处远离燃烧室入口。滑动弧等离子体测速装置在燃烧室中放电时，第一电极2和第二电极3间最短间距处面向燃烧室入口处。滑动弧等离子体击穿于第一电极2和第二电极3间最短间距处，而后随着燃烧室气流的方向向前顺着电极滑移，滑动弧等离子体长度逐渐拉伸直至到达电源最大功率，而后滑动弧等离子体消失，新的滑动弧等离子体于第一电极2和第二电极3间最短间距处重新击穿，视为一个滑动弧放电周期。
在本发明一实施例中，在滑动弧放电过程中，运用高速相机对滑动弧运动过程进行拍摄，同时测量滑动弧等离子体的电流电压数据。高速相机的拍摄频率在设置在80000Hz以上，以便更好的采集滑动弧的动态发展过程。通过从拍摄的图像中提取滑动弧等离子体的骨骼结构，计算两张连续图像中滑动弧等离子体的移动距离，得到滑动弧等离子体的滑移速度，进而根据滑动弧等离子体的滑移速度测得燃烧室内气流的速度。由于可显著提升流速测量的准确性。由于等离子体放电装置位于流场下方，对流场不造成干扰，且滑动弧等离子体滑移速度受温度影响不大，因此可在高温环境中进行测量，且不会对燃烧室造成污染。
在本发明一实施例中，所述燃烧室的侧壁上开设有可视窗，可视窗正对燃烧室内的滑动弧等离子体测速装置；高速相机设置在可视窗的外侧，用于对滑动弧等离子体测速装置工作时产生的滑动弧等离子体进行拍摄；根据高速相机拍摄到的两幅连续图像获得拍摄时间间隔内滑动弧等离子体的移动距离，确定滑动弧等离子体的滑移速度，进而根据滑动弧等离子体的滑移速度测得燃烧室内气流的速度。
本发明一实施例中，利用上述基于滑动弧放电的超燃冲压发动机燃烧室测速装置的测速方法，包括：
开启滑动弧等离子体测速装置，在第一电极2和第二电极3间的最短间距处发生击穿，生成滑动弧等离子体8，滑动弧等离子体8在气流的作用下，随着气流沿着电极向第一电极2和第二电极3间的最长间距处滑移；
设定高速相机的拍摄时间间隔，利用高速相机按照设定的拍摄时间间隔对滑动弧等离子体进行拍摄，得到连续图像；根据两张连续图像得到拍摄时间间隔内滑动弧等离子体的移动距离，获得滑动弧等离子体的滑移速度，进而根据滑动弧等离子体的滑移速度测得燃烧室内气流的速度。
其中滑动弧等离子体的滑移速度的获取方法如下：设定高速相机的拍摄时间间隔Δt，利用高速相机拍摄得到的两张连续图像，计算得到两张连续图像中滑动弧等离子体的移动距离d，进而得到滑动弧等离子体的滑移速度vs＝d/Δt。
本发明已经经过实验和仿真验证，在本发明一实施例中运用滑动弧等离子体测速装置估算超声速射流的空气流速，并运用大涡模拟算得的速度分布进行校对。经测得滑动弧等离子体的滑移速度与当地流速接近，误差小于5％。为了获得超声速射流(Ma＝1.2)，在中心管中插入了直径为1.5mm的拉瓦尔喷嘴。滑动弧等离子体测速装置中的两个电极均采用直径为1mm条形钨针电极。滑动弧等离子体测速装置设置在拉瓦尔喷管上方。滑动弧等离子体测速装置中的两个电极以喷管出口中心为中心点，对称放置。其中一个电极连接到等离子电源上，用作阳极，而另一个接地作为阴极。滑动弧等离子体测速装置中的两个电极之间的最小间距为1.27mm。利用高速相机对滑动弧等离子体测速装置工作时产生的滑动弧等离子体进行拍摄；根据高速相机拍摄到的两幅连续图像获得拍摄时间间隔内滑动弧等离子体的移动距离，确定滑动弧等离子体的滑移速度，进而根据滑动弧等离子体的滑移速度测得气流经拉瓦尔喷管的出口速度。经测算，拉瓦尔喷管的出口速度为367m/s。滑动弧的放电形态由高速相机拍摄。相机帧率设置为224kHz，曝光时间为2.9μs。
通过计算高速相机拍摄的两张连续的滑动弧放电图像中滑动弧等离子体的的滑移距离，可以得到滑动弧的滑移速度，如图4所示，黑色实线代表滑动弧等离子体的骨骼结构，黑色虚线代表电极。滑动弧等离子体在初始击穿位置附近的滑移速度可以达到354m/s。通过大涡模拟，可以得到超声速射流的速度分布，得出滑动弧等离子体初始击穿位置附近的气流平均速度为344m/s。这与计算得到的滑动弧等离子体滑移速度较为一致，说明滑动弧等离子体滑移速度可被用作于估算气流速度的数据依据。
以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。