一种用于光学诊断的旋转爆震燃烧室、诊断系统及诊断方法

1.本发明属于旋转爆震燃烧诊断领域，具体是涉及到一种用于光学诊断的旋转爆震燃烧室、诊断系统及诊断方法。


背景技术：

2.目前，航空航天推进系统普遍采用化学能发动机，其燃烧释热过程普遍为等压燃烧，此时燃烧过程属于爆燃燃烧。经过几十年的研究和发展，基于等压燃烧的动力装置已日臻完善，性能已逐渐接近理论极限，再大幅提升性能的难度很大。因此，开发适应高速、高效要求的新型动力装置成为当今动力推进领域的迫切要求。与爆燃燃烧不同，爆震燃烧接近于等容燃烧，是一种激波与反应面高度耦合并以超声速传播的燃烧方式，其热循环效率更高，释热速率更快，可有效缩短燃烧室长度，具有很大的潜在优势。
3.连续旋转爆震波观测实验能进一步加深人们对爆震波的理解认识，对爆震发动机的研究提供理论基础，目前对于爆震波的观测方式可分为三种，圆盘形燃烧室开窗观测、环形或圆柱形燃烧室观测和“跑道型”燃烧室观测。圆盘形燃烧室开窗观测中圆盘型燃烧室不产生推力，且燃烧室壁面与爆震波的相互作用也与环形燃烧室存在差异，与真实旋转爆震发动机存在明显差异，相关研究开展较少；环形或圆柱形燃烧室观测，其圆弧面石英玻璃对光的折射作用将造成图像畸变，二维图像构建算法也十分复杂，误差难以控制，可信度受到一定程度的质疑；而“跑道型”燃烧室只有在采用高速摄影时能获得无畸变光学诊断图像，在采用plif观测时也会产生无法避免的畸变现象。因此，上述各类燃烧室无法开展多种光学诊断无畸变多维度同步观测，而由于旋转爆震极易受来流条件的影响且具有高度非定常特性，多种光学诊断技术分开使用时，难以将观测结果统一分析。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种可开展无畸变多维度同步观测的用于光学诊断的旋转爆震燃烧室、诊断系统及诊断方法。
5.本发明提供一种用于光学诊断的旋转爆震燃烧室，包括燃烧室壳体，燃烧室壳体一端设置有喷注结构，另一端为燃烧室出口，所述燃烧室壳体位于喷注结构的一端设置有光学窗口ⅰ，所述喷注结构设置在光学窗口ⅰ外侧，所述燃烧室壳体侧壁还设置至少一个光学窗口ⅱ，所述光学窗口ⅰ和光学窗口ⅱ均为平面结构且相互垂直。
6.更进一步地，所述光学窗口ⅱ设置有2块，2块光学窗口ⅱ相互垂直或相互平行，或者，所述光学窗口ⅱ设置有3至4块，相邻的两块光学窗口ⅱ相互垂直。
7.更进一步地，所述燃烧室壳体为矩形结构，光学窗口ⅱ设置在矩体的侧壁上。
8.更进一步地，光学窗口ⅱ与燃烧室壳体的内壁平齐。
9.更进一步地，所述燃烧室壳体的内部燃烧腔截面圆角矩形。
10.更进一步地，所述圆角矩形的圆角与直线段长的关系为：πr≥2l。
11.更进一步地，所述燃烧室壳体靠近喷注结构一端设置有安装板，所述安装板朝向
燃烧室出口一侧设置有凸台，所述光学窗口ⅰ设置在凸台靠近燃烧室出口一侧。
12.更进一步地，所述喷注结构包括氧化剂流通通道、氧化剂入口和燃料喷注孔，所述氧化剂流通通道由凸台的外壁与燃烧室壳体的内壁形成，所述氧化剂入口设置在氧化剂流通通道背离燃烧室出口一侧，所述氧化剂入口设置在安装板或燃烧室壳体上，所述燃料喷注孔设置在氧化剂流通通道靠近燃烧室出口的一侧端部，所述燃料喷注孔设置在燃烧室壳体上，所述氧化剂入口和燃料喷注孔沿氧化剂流通通道整圈等距分布若干个。
13.本发明还提供一种旋转爆震燃烧室光学诊断系统，包括用于光学诊断的旋转爆震燃烧室，还包括plif观测装置、高速纹影相机和火焰高速相机至少其中一种。
14.本发明还提供一种旋转爆震燃烧室光学诊断方法，包括如下步骤：
15.喷注结构对内部燃烧腔喷注氧化剂和燃料，氧化剂和燃料在内部燃烧腔内混合燃烧；
16.plif观测装置通过光学窗口ⅰ和光学窗口ⅱ观测内部燃烧腔燃烧情况，和/或，两组火焰高速相机通过光学窗口ⅰ和光学窗口ⅱ观测流向流场情况和径向流场情况。
17.本发明的有益效果是：
18.其一，本发明在燃烧室壳体靠近喷注结构的一端设置光学窗口ⅰ，可以通过该光学窗口ⅰ进行近距离观测内部燃烧腔头部的旋转爆震波的径向结构，解决目前只能在燃烧室出口进行观测，导致观测距离远，图像受高湍流度气流折射而产生严重畸变、相机需要特殊保护以免受高温燃烧产物等缺陷。
19.其二，在燃烧室壳体的侧壁设置与光学窗口ⅰ相互垂直的光学窗口ⅱ，可以实现plif观测，或者火焰高速相机的流向流场情况和径向流场情况同时观测，满足诊断的同步多维度需求。
20.其三，将光学窗口ⅰ和光学窗口ⅱ均设置为平面结构，有效避免图像畸变，提高流场观测的准确度。
21.上述三个改进相互结合，可通过多种光学诊断设备满足多角度、多样化同步观测以及高准确性的流场重构，使诊断的相关成果能有力促进对旋转爆震发动机的认识与理解。
附图说明
22.附图1为本发明的结构示意图。
23.附图2为本发明的主视图。
24.附图3为附图2中a-a向剖视图。
25.附图4为附图2中b-b向剖视图。
26.附图5为附图4中c处的局部放大图。
27.附图6为附图4中d-d向剖视图。
28.附图7为本发明的爆炸示意图。
29.附图8为本发明中旋转爆震燃烧室光学诊断系统中一种实施例的结构示意图。
30.附图9为本发明中旋转爆震燃烧室光学诊断系统其中一种实施例的结构示意图。
31.附图10为本发明中旋转爆震燃烧室光学诊断系统其中一种实施例的结构示意图。
32.附图11为本发明中旋转爆震燃烧室光学诊断系统其中一种实施例的结构示意图
33.在图中，1-燃烧室壳体；11-喷注结构；111-氧化剂流通通道；112-氧化剂入口；113-燃料喷注孔；114-燃料腔；12-燃烧室出口；13-安装板；14-凸台；15-内部燃烧腔；2-光学窗口ⅰ；3-光学窗口ⅱ；4-氧化剂接口；5-燃料接口；6-plif观测装置；7-高速纹影相机；8-火焰高速相机；9-尾喷管；10-相机安装架。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
36.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
37.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
39.如附图1-11所示，本发明一种用于光学诊断的旋转爆震燃烧室，包括燃烧室壳体1，燃烧室壳体1一端设置有喷注结构11，另一端为燃烧室出口12，所述燃烧室壳体1位于喷注结构11的一端设置有光学窗口ⅰ2，所述喷注结构11设置在光学窗口ⅰ2外侧，所述燃烧室壳体1侧壁还设置至少一个光学窗口ⅱ3，所述光学窗口ⅰ2和光学窗口ⅱ3均为平面结构且相互垂直。
40.本发明在燃烧室壳体1靠近喷注结构11的一端设置光学窗口ⅰ2，可以通过该光学窗口ⅰ2进行近距离观测内部燃烧腔15头部的旋转爆震波的径向结构，其中内部燃烧腔15头部是指内部燃烧腔15靠近喷注结构11的一侧，即燃烧刚开始的部位，尾部则指燃烧室出口12一侧，解决目前只能在燃烧室出口12进行观测，导致观测距离远，图像受高湍流度气流折射而产生严重畸变、相机需要特殊保护以免受高温燃烧产物等缺陷，将喷注结构11绕光学窗口ⅰ2的外侧设置，使光学窗口ⅰ2安装使用不影响燃烧效果，能够模拟真实的旋转爆震燃烧环境。在燃烧室壳体1的侧壁设置与光学窗口ⅰ2相互垂直的光学窗口ⅱ3，可以实现plif观测，或者火焰高速相机8的流向流场情况和径向流场情况同时观测，满足多维度诊断的同步需求。另外，将光学窗口ⅰ2和光学窗口ⅱ3均设置为平面结构，有效避免图像畸变，提高流
场观测的准确度。可通过多种光学诊断设备满足多角度、多样化同步观测以及高准确性的流场重构，使诊断的相关成果能有力促进对旋转爆震发动机的认识与理解。
41.所述光学窗口ⅱ3可以设置1块至多块，在其中一个实施例中，光学窗口ⅱ3设置有2块，2块光学窗口ⅱ3相互垂直或相互平行，2块光学窗口ⅱ3相互垂直时，可以通过两块光学窗口ⅱ3实现plif观测，同时还可以进行通过火焰高速相机8进行流向流场情况和径向流场情况同时观测，便于各种观测相机的排布组合；2块光学窗口ⅱ3相互平行时，即燃烧室壳体1的侧壁相对两侧各设置一组光学窗口ⅱ3，可以实现plif观测、火焰高速相机8的流向流场情况和径向流场情况同时观测，还可以通过高速纹影相机7进行纹影拍摄。
42.在其中一个实施例中，所述光学窗口ⅱ3设置有3至4块，相邻的两块光学窗口ⅱ3相互垂直，本实施例中，plif观测、流向流场情况和径向流场情况同时观测以及纹影可以同步进行，进而实现同步多维度观测。
43.其中，燃烧室壳体1的腔体可以为常规的环形结构，光学窗口ⅱ3在环形侧壁上圆弧过渡，优选地，所述燃烧室壳体1采用圆角矩形结构，光学窗口ⅱ3设置在圆角矩体的直线段侧壁上，便于光学窗口ⅱ3的安装和设置。光学窗口ⅱ3与燃烧室壳体1的内壁平齐，避免内部燃烧腔15出现台阶或凹槽影响火焰的旋转。
44.其中，所述燃烧室壳体1的内部燃烧腔15截面圆角矩形，实现非预混旋转爆震波稳定自持传播，使爆震波在该圆角矩形无内柱燃烧室能连续旋转传播，模拟真实的燃烧效果，保证诊断的真实性。所述圆角矩形的圆角r的选取不宜过小，直线段长l的值选取应考虑光学观测的需求，为了避免曲率过大对爆震波稳定传播造成影响，圆角与直线段长的关系为：πr≥2l。本实施例中，通过在矩形的燃烧室壳体1开设光学窗口ⅰ2和光学窗口ⅱ3，可开展多种光学诊断无畸变多维度同步观测，避免了现有的环形、圆柱形燃烧室中圆弧面石英玻璃对光的折射造成的图像畸变问题以及无法开展纹影等透光型光学诊断的问题，能更加精准的捕捉爆震波流动、燃烧过程中的细节，加深对于旋转爆震波自持传播机理与燃烧组织的认识理解。
45.为了方便喷注结构11的设计以及光学窗口ⅰ2的设置，所述燃烧室壳体1靠近喷注结构11一端设置有安装板13，所述安装板13朝向燃烧室出口12一侧设置有凸台14，所述光学窗口ⅰ2设置在凸台14靠近燃烧室出口12一侧，其中，凸台14截面与光学窗口ⅰ2的截面一致，凸台14为一个筒状的凸台，凸台14内部设置有供观察光学窗口ⅰ2的凹槽，以此可以通过光学窗口ⅰ2近距离贴近内部燃烧腔15的燃烧部分进行观测，提高诊断的效果。
46.所述喷注结构11包括氧化剂流通通道111、氧化剂入口112和燃料喷注孔113，所述氧化剂流通通道111由凸台14的外壁与燃烧室壳体1的内壁形成，所述氧化剂入口112设置在氧化剂流通通道111背离燃烧室出口12一侧，所述氧化剂入口112设置在安装板13或燃烧室壳体1上，所述燃料喷注孔113设置在氧化剂流通通道111靠近燃烧室出口12的一侧端部，所述燃料喷注孔113设置在燃烧室壳体1上，所述氧化剂入口112和燃料喷注孔113沿氧化剂流通通道111整圈等距分布若干个，其中，燃烧室壳体1还可以设置环形的燃料腔114，若干个燃料喷注孔113连接燃料腔114，其中，氧化剂入口112可连接氧化剂接口4用于提供氧化剂，燃料腔114可连接燃料接口5用于提供燃料，以此实现边喷注边混合边燃烧，尽可能还原常规的燃烧室燃烧情况，提高光学诊断的数据可靠性。
47.另外，在燃烧室出口12可以设置尾喷管9，进一步更真实的模拟燃烧效果，在燃烧
室壳体1靠近喷注结构11一侧还可以设置相机安装架10，便于诊断设备的安装，燃烧室壳体1和尾喷管9上还可以设置压力检测孔，用于检测内部燃烧腔15的压力。
48.本发明还提供一种旋转爆震燃烧室光学诊断系统，包括用于光学诊断的旋转爆震燃烧室，还包括plif观测装置6、高速纹影相机7和火焰高速相机8至少其中一种，该光学诊断系统可以多内部燃烧腔15进行无畸变流场诊断多维度同步观测。各光学观测方案彼此并不冲突。
49.本发明还一种旋转爆震燃烧室光学诊断方法，包括如下步骤：
50.喷注结构11对内部燃烧腔15喷注氧化剂和燃料，氧化剂和燃料在内部燃烧腔15内边喷注边混合边燃烧；
51.plif观测装置6通过光学窗口ⅰ2和光学窗口ⅱ3观测内部燃烧腔15燃烧情况，和/或，两组火焰高速相机8通过光学窗口ⅰ2和光学窗口ⅱ3观测流向流场情况和径向流场情况。
52.plif观测装置6的观测需要两组相互垂直设置的光学窗口，一个进行打片光另一个进行拍摄，本诊断方法可以是通过光学窗口ⅰ2打片光，光学窗口ⅱ3观测，如图11所述，也可以是光学窗口ⅱ3打片光，光学窗口ⅰ2观测，在光学窗口ⅱ3具有相互垂直的两组时，还可以通过其中一个光学窗口ⅱ3打片光，另一个光学窗口ⅱ3进行观测，使得plif观测可以多样化，多种观测方式。
53.高速纹影相机7需要两组相对设置的光学窗口ⅱ3进行观测，在光学窗口ⅱ3具有相互平行的两组时，高速纹影相机7可以通过该相互平行的两组光学窗口ⅱ3进行纹影观测，可以获取爆震波的传播特性。
54.如图8所示，火焰高速相机8则可以直接通过光学窗口ⅰ2或光学窗口ⅱ3进行观测，在光学窗口ⅰ2和光学窗口ⅱ3各设置一组火焰高速相机8时，可以对流向流场情况和径向流场情况同时观测，进而获取爆震波火焰的传播特性；
55.以此，本发明在光学窗口ⅱ3仅设置一组时，可以实现plif观测装置6和火焰高速相机8的观测，在光学窗口ⅱ3设置有2组以上时，可以实现plif观测装置6、火焰高速相机8和高速纹影相机7的观测。
56.在其中一个实施例中，可以进行plif、高速纹影、火焰高速摄像同步多维度观测，具体如图9所示，plif观测装置6的打片光设备作用在其中一个光学窗口ⅱ3上，plif观测装置6的观测设备朝向光学窗口ⅰ2进行观测，高速纹影相机7则通过两组相互平行的光学窗口ⅱ3进行观测，火焰高速相机8则朝向其中一个光学窗口ⅱ3进行观测。
57.在其中一个实施例中，可以进行高速纹影、火焰顶部高速摄像同步观测，如图10所示，高速纹影相机7通过两组相互平行的光学窗口ⅱ3进行观测，火焰高速相机8则通过光学窗口ⅰ2进行观察。
58.本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。