一种基于激光点火的可视化流动管燃烧器光学实验平台
阅读说明：本技术 一种基于激光点火的可视化流动管燃烧器光学实验平台 (Visual flow tube combustor optics experiment platform based on laser ignition ) 是由 胡二江 王朝君 郭晓阳 张俊杰 殷阁媛 黄佐华 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于激光点火的可视化流动管燃烧器光学实验平台,用于模拟流动状态下气体的激光点火燃烧过程。该平台主要包括流动管燃烧器、气体供给系统、纹影法光学拍摄系统、LPI点火系统、数据采集控制系统。通过同步器DG535触发Nd-YAG激光器实现激光点火,同步触发高速摄像机进行拍摄,通过纹影法光学拍摄系统获得燃烧过程的实验图像。本发明提供的一种基于激光点火的可视化流动管燃烧器光学实验平台,有利于激光点火燃烧的机理研究的发展。(The invention discloses a visual flow tube burner optical experiment platform based on laser ignition, which is used for simulating a laser ignition combustion process of gas in a flowing state. The platform mainly comprises a flow tube combustor, a gas supply system, a schlieren optical shooting system, an LPI ignition system and a data acquisition control system. A Nd-YAG laser is triggered by a synchronizer DG535 to realize laser ignition, a high-speed camera is synchronously triggered to shoot, and an experimental image of the combustion process is obtained by a schlieren optical shooting system. The visual flow tube burner optical experiment platform based on laser ignition is beneficial to the development of the mechanism research of laser ignition combustion.)
技术领域
本发明属于内燃机领域，具体是涉及一种基于激光点火的可视化流动管燃烧器光学实验平台。
背景技术
内燃机作为一种应用最为广泛的动力机械装置，已经广泛应用于人类出行和工业制造中。随着国家节能减排政策的提出和日益严峻的排放法规的出台，内燃机的发展面临严峻的挑战，提高热效率和减少污染物排放成为内燃机发展的两个方向。内燃机燃烧室内部的燃烧直接影响内燃机的工作状况，进而影响内燃机的动力性能、经济性能和污染排放性能。因此，研究内燃机燃烧室内部的燃烧状况具有非要重要的研究意义。由于内燃机燃烧室结构复杂，需要先研究简单结构燃烧室的燃烧状况才能应用于实际内燃机燃烧室，但是定容燃烧弹中只能研究静止的气流，与实际内燃机流动状态下的流动状态下的气流差距很大，不适合开展基础研究。作为一种极富潜力的新型点火技术，LPI(Laser-Induced PlasmaIgnition)点火在汽车、航空和航天领域有着良好的应用前景。相比于传统的车用电火花塞，采用LPI点火系统可以方便且精确地对点火能量、时刻和位置进行控制。同时，由于激光点火装置可以布置在气缸外，不仅更有利于燃烧室形状的设计，还可以避免火焰传播过程中火花塞表面产生的热损失，也消除了不完全燃烧产生的积碳，延长了火花塞寿命。此外，当点火能量相同时，LPI点火系统产生的初始火核体积大于电火花系统，这有利于实现更高效的燃烧，提高发动机的动力性和燃油经济性，同时降低排放。
流动管燃烧器可以研究流动状态的气流，因此相比于定容燃烧弹只能研究静止状态下的气流，可以更好的模拟内燃机燃烧室内部的燃烧状态。由于传统的流动管燃烧器一般只能使用电火花点火，因此可以通过对流动管的改造，合理的布置光路，实现流动管激光点火方式以及可视化研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于激光点火的可视化流动管燃烧器光学实验平台，具体是一种可以研究在流动气体采用LPI激光点火方式的光学可视化实验装置，解决现在很多流动管燃烧室无法采用激光点火以及燃烧可视化研究面临的难题。
本发明采用以下的技术方案来实现：
一种基于激光点火的可视化流动管燃烧器光学实验平台，包括可视化流动管燃烧器、气体供给系统、纹影法光学拍摄系统、LPI点火系统和数据采集控制系统；
在进行光学实验时，通过气体供给系统向可视化流动管燃烧器通入气体，形成流动气体；数据采集控制系统用于控制脉冲激光器触发LPI点火系统点火和同步触发高速摄像机拍摄采集，纹影法光学拍摄系统用于获得可视化流动管燃烧器内部的燃烧过程的实验图像。
本发明进一步的改进在于，气体供给系统中的气瓶通过软管和快插接头依次串联连接气体流量计和微量调节阀，气体流量计和微量调节阀精准控制气体流量。
本发明进一步的改进在于，可视化流动管燃烧器中，在流动管右侧靠近玻璃端盖和视窗盖板一侧的2个气路接口通过快插接头连接燃料和空气预混气体的软管，靠近整流孔板一侧的2个气路接口通过快插接头连接吹扫气体的软管，用于吹扫燃烧尾气。
本发明进一步的改进在于，燃烧尾气通过左侧连接的尾气抽气泵抽走，通过后方的排放管路排放到气体处理井中。
本发明进一步的改进在于，可视化流动管燃烧器能够用于激光点火方式，可视化流动管燃烧器包括一体化燃烧器腔体，一体化燃烧器腔体左右两侧连接4个气路接口，上部燃烧器端盖固定三块整流孔板实现气流场均匀；上下端面处的玻璃端盖实现激光光路的进出，左右端面处的视窗盖板用于高速摄像机的拍摄。
本发明进一步的改进在于，激光器发出的激光通过1号反射镜改变光路方向，经过2号反射镜抬升激光高度，经过3号反射镜实现光路水平传播，经过4号反射镜将平行激光改变为垂直激光，垂直激光依次通过扩束目镜和扩束物镜实现激光扩束，减小激光光束的发射角，最后通过聚焦镜和玻璃端盖实现在玻璃视窗中心处聚焦产生等离子体点火。
本发明进一步的改进在于，通过纹影光学系统对可视化流动管燃烧器内部的流动气流激光点火燃烧过程进行非接触测量。
本发明进一步的改进在于，纹影法光学拍摄系统包括LED光源、光学狭缝、1号凸透镜、2号凸透镜、刀口和高速摄像机；LED光源和光学狭缝产生点光源，通过1号凸透镜形成平行光，然后通过平面玻璃穿过被测流场，2号凸透镜将平行光聚焦，经过刀口切光后，最后由高速摄像机拍摄记录可视化流动管燃烧器内部流动气体燃烧情况。
本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明提供了一种基于激光诱导等离子体点火(LPI)的可视化流动管燃烧器的光学实验平台，该光学实验平台首先通过进气管路系统向流动管燃烧器进气，通过导流孔板在点火位置处形成均匀流场。DG535同步器给Nd-YAG激光器一个触发信号触发Nd-YAG激光器，Nd-YAG激光器发出激光，经过光路系统聚焦于点火位置，产生高温等离子体点燃流动气体。同步器DG535同步触发高速摄像机。本发明在研究流动燃烧的基础上，改进燃烧器，增加了可视化玻璃视窗，布置了LPI激光点火系统，实现流动燃烧器LPI激光点火。并且通过同步器实现了激光点火、高速摄像机的同步触发，实现了高速摄像机的同步测量。
附图说明
图1是本发明的一种基于激光诱导等离子体点火(LPI)的可视化流动管燃烧器的光学实验平台的气体供给系统结构图。
图2是流动管燃烧器的结构图。
图3是实验平台激光光路布置的示意图。
图4是实验平台的纹影法光学拍摄系统。
附图标记说明：
1、气瓶，2、气体流量计，3、微量调节阀，4、可视化流动管燃烧器，5、尾气抽气泵，6、排放管路，7、尾部燃烧器端盖，8、整流孔板，9、上部燃烧器端盖，10、气路接口，11、玻璃端盖，12、下部燃烧器端盖，13、一体化燃烧器腔体，14、平面玻璃，15、视窗盖板，16、Nd-YAG激光器，17、1号反射镜，18、2号反射镜，19、3号反射镜，20、4号反射镜，21、扩束目镜，22、扩束物镜，23、聚焦镜，24、LED光源，25、光学狭缝，26、1号凸透镜，27、2号凸透镜，28、刀口，29、高速摄像机。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参考图1至图4，本发明设计了一种基于激光诱导等离子体点火(Laser-InducedPlasma Ignition,LPI)的可视化流动管燃烧器的光学实验平台，包括气体供给系统、可视化流动管燃烧器4、激光光路布置系统、阴阳法拍摄系统。气体供给系统主要包括气瓶1、气体流量计2、微量调节阀3、可视化流动管燃烧器4、尾气抽气泵5、排放管路6。可视化流动管燃烧器4主要由尾部燃烧器端盖7、整流孔板8、上部燃烧器端盖9、气路接口10、玻璃端盖11、下部燃烧器端盖12、一体化燃烧器腔体13、平面玻璃14、视窗盖板15构成。激光光路布置系统主要由Nd-YAGNd-YAG激光器16、1号反射镜17、2号反射镜18、3号反射镜19、4号反射镜20、扩束目镜21、扩束物镜22、聚焦镜23构成。纹影法光学拍摄系统主要由LED光源24、光学狭缝25、1号凸透镜26、2号凸透镜27、高速摄像机28构成。其中，可视化流动管燃烧器是一个方形腔体，一共由4个气路接口10，靠近玻璃端盖11和视窗盖板15一侧的2个气路接口连接燃料和空气等预混气体，靠近整流孔板8一侧的2个气路接口连接吹扫气体。整流孔板8实现了预混气流的流场在玻璃视窗处流场的均匀稳定，玻璃端盖11实现了激光的进出，视窗盖板15用于纹影法光学拍摄系统的光路的进出和高速摄像机的拍摄。
具体的工作过程：气瓶通过气体流量计2、微量调节阀3和气路接口10进入到燃烧器腔体中，微量调节阀可以精确控制流量的稳定。打开Nd-YAGNd-YAG激光器16，激光通过1号反射镜17改变光路方向，经过2号反射镜18抬升激光高度，经过3号反射镜19实现光路水平传播，经过4号反射镜20将平行激光改变为垂直激光，垂直激光依次通过扩束目镜21和扩束物镜22实现激光扩束，可以减小激光光束的发射角，最后通过聚焦镜23和玻璃端盖11实现在玻璃视窗中心处聚焦产生等离子体点火。纹影法光学拍摄系统主要用于拍摄激光点火过程中火核的产生和发展过程，由LED光源24和光学狭缝25产生点光源，点光源通过1号凸透镜26变成平行光，进入流动管燃烧器玻璃视窗处，由于燃烧过程中密度场不均匀，光线会产生不同程度的折射。平行光经过2号凸透镜27重新变为点光源聚焦，经过刀口28切光，在聚焦点处放上高速摄像机29拍摄。高速摄像机29拍摄记录了激光点火过程中火核的产生和发展过程。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
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