用于可视化高速爆燃波传播状态和特性的测量装置及方法
阅读说明：本技术 用于可视化高速爆燃波传播状态和特性的测量装置及方法 (Measuring device and method for visualizing propagation state and characteristics of high-speed detonation wave ) 是由 张博 程俊 刘洪� 于 2021-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种用于可视化高速爆燃波传播状态和特性的测量装置,包括设于激波管实验平台的激波管的侧壁上的纹影视窗、设于纹影视窗的两侧的一对主镜,设于主镜的光路上游的高频LED光源、设于主镜的光路下游的高速相机,以及与高频LED光源、高速相机均相连的数字延时发生器。本发明还提供相应的测量方法。本发明的测量装置包括与LED光源与高速相机相连的信号触发系统,使得光源闪光频率与高速相机拍摄频率同步,从而可以实现对于爆燃波传播的全过程捕捉。本发明组成简单,操作性好,降低了纹影实验中对于高速爆燃波的捕捉难度。(The invention provides a measuring device for visualizing the propagation state and characteristics of high-speed deflagration waves, which comprises a schlieren window arranged on the side wall of a shock wave tube experiment platform, a pair of primary mirrors arranged at two sides of the schlieren window, a high-frequency LED light source arranged at the upstream of the light path of the primary mirrors, a high-speed camera arranged at the downstream of the light path of the primary mirrors, and a digital delay generator connected with the high-frequency LED light source and the high-speed camera. The invention also provides a corresponding measuring method. The measuring device comprises a signal triggering system connected with the LED light source and the high-speed camera, so that the light source flashing frequency is synchronous with the high-speed camera shooting frequency, and the whole process of deflagration wave propagation can be captured. The method has simple composition and good operability, and reduces the difficulty of capturing the high-speed detonation wave in the schlieren experiment.)
技术领域
本发明属于爆燃实验技术领域，具体涉及一种用于可视化高速爆燃波传播状态和特性的测量装置与方法。
背景技术
爆燃波是一种以亚音速传播的燃烧波。在日常工业生产安全、动力推进领域都有着广泛应用。爆燃由于其强不稳定性，易经过DDT(爆燃转爆轰)过程转捩为爆轰从而在燃烧领域、爆轰物理学领域成为研究热点。爆燃波的组成可以简述为前导冲击波-诱导区-火焰面这样一个耦合结构。一般情况下，随着火焰的自加速，前导冲击波会由于燃烧速率的加快，释热的增加导致强度不断变强，从而进一步提高诱导区的压力和温度，使其变得更易于燃烧，随着火焰逐渐加速追赶上前导冲击波，二者重合后，就会使得爆燃转捩为爆轰。因此，研究爆燃波的传播特性以及其结构变化，提高对可燃气体爆燃危害的评估防范能力，或加以利用实现动力推进领域内的技术革新，有着非常重要的科学意义和应用价值。
现阶段，对于爆燃现象的研究主要以数据测量方法和烟迹法为主。其中数据测量方法主要包括压力信号测量和光信号测量。相关的代表产品有美国爱迪赛恩公司的PREWAQ型爆炸压力波测试装置。其主要利用光纤接受光信号测定燃烧波速度，其价格一般比较昂贵，且使用寿命较短。烟迹法其主要原理是通过燃烧波通过附着有薄碳颗粒表层时会带动碳粒运动留下运动轨迹的原理从而对爆燃/爆轰传播状态的回溯。
现有技术的缺点在于：数据测量方法缺少了对于爆燃波传播过程中其演化形态的直观认知，仅能通过捕获到的实时压力/光信号来复现爆燃波传播过程中的状态变化；烟迹法同样如此，通过对燃烧波传播过程中在烟熏箔上留下的特定结构“胞格”形态来分析燃烧波在传播过程的形态演变。以上方法均无法对实时的爆燃波传播过程获得直接认知。
纹影技术作为传统的流动动力学可视化研究方法，在爆燃波的研究中也较为经常使用，但DDT(爆燃转捩爆轰)过程发展迅速，在几个微秒内即已完成，因此对于拍摄过程中时间的精确控制要求较高。国内外一般使用高频的激光器搭配使用，但激光器价格昂贵也较为笨重；而采取白炽灯作为光源仅适用于低速火焰波传播的可视化，火焰传播速度多在100m/s左右，而对于高速爆燃波，尤其是火焰传播速度在500m/s以上时，白炽灯作为光源会造成相机过度曝光，拍摄效果不佳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于可视化高速爆燃波传播状态和特性的测量装置及方法，以实现对于爆燃波传播的全过程捕捉，且保证图像清晰。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于可视化高速爆燃波传播状态和特性的测量装置，其安装于一激波管实验平台上，所述激波管实验平台包括激波管，以及安装于激波管上的气路控制系统、点火系统和数据采集系统，所述测量装置包括设于激波管实验平台的激波管的侧壁上的纹影视窗、设于纹影视窗的两侧的一对主镜，设于所述主镜的光路上游的高频LED光源、设于所述主镜的光路下游的高速相机，以及与所述高频LED光源、高速相机均相连的数字延时发生器。
所述点火系统包括安装在激波管一端的点火头以及与点火头相连的脉冲点火器。
所述气路控制系统通过开设在激波管上的进出气接口与激波管相连，气路控制系统包括与进出气接口相连的气路控制面板、以及与气路控制面板相连的燃料瓶、氧化剂高压气瓶、混气罐和真空泵，所述燃料瓶、氧化剂高压气瓶、混气罐和真空泵均与所述气路控制面板连接。
所述数据采集系统包括等间距地安装于激波管的长度方向上的压力传感器和离子探针，压力传感器和离子探针一一对应，对应的压力传感器和离子探针彼此同截面安装。
所述压力传感器和离子探针均与一数据采集硬件相连。
所述数字延时发生器与位于纹影视窗前方的一个离子探针相连，或者与一时序控制板相连。
所述高频LED光源设置为发射一路LED光，沿所述LED光的光路依次排布有凸面镜、狭缝、第一反射镜、所述主镜、第二反射镜、刀口和所述高速相机。
另一方面，本发明提供一种用于可视化高速爆燃波传播状态和特性的测量方法，包括：
S1：在激波管实验平台上搭建根据上文所述的用于可视化高速爆燃波传播状态和特性的测量装置；
S2：在保证激波管气密性良好的前提下，采用气路控制系统将激波管抽至真空状态随后注入燃料-氧化剂混合气体；
S3：在数字延时发生器上设置高频LED光源的曝光时间与高速相机的闪光时间同时开始和结束；
S4：触发点火系统，随后向高频LED光源和高速相机发送触发信号以开始激波管点爆实验；同时，采用高速相机采集和储存数据。
所述步骤S3还包括：打开高频LED光源、高速相机和数据采集系统并使其均处于待机状态。
所述数字延时发生器与位于纹影视窗前方的一个离子探针相连，且在所述步骤S4中，数字延时发生器通过接收纹影视窗前方的所述离子探针所捕获的火焰信号后经过一固定延时，来向高频LED光源和高速相机发送触发信号。
本发明的用于可视化高速爆燃波传播状态和特性的测量装置包括与LED光源与高速相机相连的信号触发系统，使得光源闪光频率与高速相机拍摄频率同步，从而可以通过同步相应的高频LED光源和高速相机拍摄不同发展阶段的爆燃波传播过程，实现对于爆燃波传播的全过程捕捉；同时高频LED光源的峰值频率为20000Hz-200000Hz，可以保证在高速相机下不会出现过度曝光的情况导致图像模糊的问题，可以精确捕获传播速度在500m/s及以上的高速爆燃波传播状态和特性。
此外，本发明的用于可视化高速爆燃波传播状态和特性的测量装置将数字延时发生器55与纹影视窗51前的离子探针42相连，从而由纹影视窗51前的离子探针42经数字延时发生器55控制高频LED光源53和高速相机54同步启动和工作，可以更为灵活的拍摄不同发展阶段的爆燃波传播过程。因此，本发明组成简单，操作性好，降低了纹影实验中对于高速爆燃波的捕捉难度。本发明可应用于可燃气体高速爆燃波传播演化过程的测量，在针对爆轰动力学，燃烧动力学以及流体动力学的可视化研究中有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的用于可视化高速爆燃波传播状态和特性的测量装置所在的激波管实验系统的结构示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的用于可视化高速爆燃波传播状态和特性的测量装置的连接示意图。
图3是如图2所示的用于可视化高速爆燃波传播状态和特性的测量装置所采用的高频LED光源和高速相机的触发信号同步示意图。
图4是本发明的用于可视化高速爆燃波传播状态和特性的测量装置所获得爆燃波传播过程纹影图片。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
如图1所示为根据本发明的一个实施例的一种用于可视化高速爆燃波传播状态和特性的测量装置，所述测量装置安装于一激波管实验平台上。所述激波管实验平台包括激波管1，以及安装于激波管1上的气路控制系统2、点火系统3和数据采集系统4。
点火系统3包括安装在激波管一端的点火头31以及与点火头31相连的脉冲点火器32。点火系统3通过点火头31与激波管1相连，点火头31由脉冲点火器32供电。
气路控制系统2通过开设在激波管1上的进出气接口与激波管1相连。进出气接口可以设置在激波管1的长度方向的任意位置上，在本实施例中，进出气接口设置在激波管1的长度方向上远离点火系统3的位置。气路控制系统2包括与进出气接口相连的气路控制面板20、以及与气路控制面板20相连的燃料瓶21(例如甲烷瓶)、氧化剂高压气瓶22(例如，氧气高压气瓶)、混气罐23和真空泵24，所述燃料瓶21、氧化剂高压气瓶22、混气罐23和真空泵24均通过各自对应的软管和阀门25来与所述气路控制面板20连接。
由此，燃料瓶21中的燃料和氧化剂高压气瓶22中的氧化剂通过气路控制面板20按照一定比例充入混气罐23混合均匀以得到燃料-氧化剂混合气体，随后注入真空状态的激波管1；在激波管1内燃料和氧化剂反应完全后，形成的废气由真空泵24从激波管1中抽出。
所述数据采集系统4包括等间距地安装于激波管的长度方向上的压力传感器41(PCB 113B21系列)和离子探针42，以及一数据采集硬件43，压力传感器41和离子探针42一一对应，对应的压力传感器41和离子探针42彼此同截面安装。压力传感器41用于获取压力信号，离子探针42用于获取火焰信号，压力传感器41和离子探针42均与数据采集硬件43相连。数据采集硬件43用于压力、火焰信号的采集与滤波。
如图2所示，本发明的用于可视化高速爆燃波传播状态和特性的测量装置包括设于激波管实验平台的激波管1的侧壁上的纹影视窗51、设于纹影视窗51的两侧的一对主镜52，设于所述主镜52的光路上游的高频LED光源53、设于所述主镜52的光路下游的高速相机54(型号为Phantom V710L)，以及与所述高频LED光源53、高速相机54均相连的数字延时发生器55。数字延时发生器55与数据采集系统4的位于纹影视窗51前方的一个离子探针42相连，以接收所述离子探针42所捕获的火焰信号，或者数字延时发生器55也可以与一时序控制板相连。在本实施例中数字延时发生器55与纹影视窗51前10cm处的离子探针42相连。
由此，所述主镜52、高频LED光源53、高速相机54和数字延时发生器55组成了数字化的纹影系统。
具体来说，高频LED光源53设置为发射一路LED光，沿所述LED光的光路依次排布有凸面镜56、狭缝57、第一反射镜581、所述主镜52、第二反射镜582、刀口59和所述高速相机54。所述的一对主镜52共光轴设置且光轴垂直于所述激波管1的长度方向。主镜52的直径均为30cm。在其他实施例中，主镜52的具体直径可根据实际试验需求采购。
其中，高频LED光源53为高功率频闪LED光源，其设置为在频闪和常亮两种模式之间可切换，常亮模式下其运行电压不能高于4.3V，频闪模式下，高频LED光源53的峰值频率为20000Hz-200000Hz，常亮模式下最大功率为90W，频闪模式下最大功率可以超过147W，光源的峰值安全电压为18V，单次持续运行时间不能超过10秒，建议运行电压范围为4.5-18V，其运行电压与频率之间的对应关系如下表1所示。
高速相机4为Phantom所属的VEO 710L高速相机。其最大拍摄频率可达70000fps。最大分辨率可达1280×800。
数字延迟发生器5为Stanford research system公司的DG645。其带有1路输入信号，8路输出信号。其中，数字延迟发生器5的输入信号可以由一时序控制板给出，也可以由特定的传感器(例如，压力传感器41或离子探针42)的信号给出，输出信号主要用于触发高频LED光源53和高速相机54同步工作。
表1运行电压与频率之间的对应关系
LED电压/V
峰值占空比/％
峰值频率/Hz
曝光时间/μs
5.0
50
200000
1
6.0
45
200000
1
7.0
30
200000
1
8.0
20
200000
1
10.0
10
100000
1
12.0
8
80000
1
14.0
5
50000
1
16.0
4
40000
1
18.0
2
20000
1
基于以上所述的用于可视化高速爆燃波传播状态和特性的测量装置，所实现的用于可视化高速爆燃波传播状态和特性的测量方法具体包括以下步骤：
步骤S1：如图2所示，在激波管实验平台上搭建上文所述的用于可视化高速爆燃波传播状态和特性的测量装置；所述激波管实验平台包括激波管1，以及安装于激波管1上的气路控制系统2、点火系统3和数据采集系统4。
步骤S2：在保证激波管气密性良好的前提下，采用气路控制系统2将激波管1抽至真空状态随后注入燃料-氧化剂混合气体；
其中，燃料瓶21中的燃料和氧化剂高压气瓶22中的氧化剂通过气路控制面板20按照一定比例充入混气罐23混合均匀以得到燃料-氧化剂混合气体。
步骤S3：在数字延时发生器55上设置高频LED光源53的曝光时间与高速相机54的闪光时间同时开始和结束，以使得高频LED光源53、高速相机54的触发信号如图3所示；
在本实施例中，高频LED光源53的曝光频率和高速相机54的闪光频率均为100000Hz，且每个周期的高频LED光源53的曝光时间与高速相机54的闪光时间均为5μs。
此外，步骤S3还包括：打开高频LED光源53、高速相机54和数据采集系统4并使其均处于待机状态；
步骤S4：触发点火系统3，随后向高频LED光源53和高速相机54发送触发信号以开始激波管点爆实验，以在所述激波管内形成高速传播的火焰波，甚至爆轰波；同时，采用所述用于可视化高速爆燃波传播状态和特性的测量装置的高速相机54采集和储存数据。
在此过程中，数字延时发生器55向高频LED光源53和高速相机54发送触发信号，使高频LED光源53和高速相机54同步启动并工作。在测量时，高频LED光源53在频闪模式下工作。在本实施例中，所述数字延时发生器55与位于纹影视窗51前方的一个离子探针42相连，且在所述步骤S4中，数字延时发生器55通过接收纹影视窗51前方的所述离子探针42所捕获的火焰信号后经过一固定延时，来向高频LED光源53和高速相机54发送触发信号。在本实施例中，离子探针42位于纹影视窗51前方10cm处，固定延时为0.2ms。
如图4所示为基于高频LED光源和高速相机的可视化同步测量系统所记录的高速爆燃波传播过程。由图4可知，本发明的用于可视化高速爆燃波传播状态和特性的测量装置及方法可以精确捕获传播速度在500m/s及以上的高速爆燃波传播状态和特性，高频LED光源53和高速相机54由安装在激波管1的纹影视窗51前的离子探针42经数字延时发生器55控制同步启动和工作，可以更为灵活的拍摄不同发展阶段的爆燃波传播过程，同时高频LED光源还可以保证在低频率相机下不会出现过度曝光的情况导致图像模糊的问题。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
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