[发明专利]太赫兹波和红外光波联用测量气固射流场的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种太赫兹波和红外光波联用测量气固射流场的方法和装置，属于多相流测量技术。

背景技术

气固两相射流是工程装置中普遍应用的一种流动方式，如一般工业中：电站煤粉锅炉煤粉射流燃烧；航天工业中：火箭燃烧喷出的射流。如何能够稳定燃烧、强化传热从而高效燃烧，目前虽然已经有一些经验性的公式以及设计，但对这种流动的机理仍然不是很清楚。因此随着科技的发展、设备的更新，对气固两相射流的研究以及相关实验测试技术得到了很大的重视和发展。

自20世纪80年代以来，众多学者寻求非接触测量流场的方法，发明了LDV、改进的LDV、PDA、PIV等非接触测量手段来直接或间接地研究两相流动流场的规律。LDV、PDA都是单点测量方法，粒子成像测速仪(PIV)是实验流体力学测量手段的新的飞跃，它突破了传统的单点测量的限制，是目前最先进的全场定量测量手段。针对单相的测量，目前的测量手段发展日趋成熟，但是仍然存在较大误差。PIV在测量气相时需要添加粒径很小的示踪颗粒来间接代替气相场，这本身误差就很大，在只测量颗粒相时，PIV则可直接测量示踪颗粒的速度，误差较小，发展较为成熟。但PIV在测量两相流场时，则需要同时添加两种示踪颗粒，一种代替气相场一种则是颗粒相，这种测量方法不仅小颗粒是间接反应气相场的运动，同时忽略了两种颗粒之间的碰撞，并且给后期图片信息处理带来很多麻烦。

到目前为止，还没有较为先进的测量方法能同时测量气固两相流场，并实现不干扰流场的测量。太赫兹波由于其特殊的频率范围，因此具有较强的穿透性且方向性好，红外光波热成像可以准确定位、定量、定性地分辨温度差为0.05℃的不同物体。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种太赫兹波和红外光波联用测量气固射流场的方法和装置，用于解决常规测量方法只能测量固相场的局限性、PIV测量方法以示踪颗粒流动行为表征气相场而不可避免引起误差、改进型PIV测量方法在同时测量气固场时无法忽略气相示踪颗粒对固相颗粒的碰撞影响等问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种太赫兹波和红外光波联用测量气固射流场的方法，联合运用太赫兹成像和红外光波热成像两种方法对气固两相射流流场进行全场测量，具体包括如下步骤：

(1)将太赫兹波整流成平行光线并垂直穿透气固两相流场，分析经流场衰减后的太赫兹波谱，通过比对已知气体成分的太赫兹波谱，获得被测气固流场的气相场分布信息；

(2)加热固相颗粒至一定温度，并随气相射流进入被测流场区域，分布在流场中的固相颗粒向四周发射红外光波，采用红外热成像技术捕捉固相颗粒的运动轨迹和分布信息；

(3)联合运用太赫兹波成像和红外光波热成像两种成像方法同时并实时获取气固两相射流场信息。

一种太赫兹波和红外光波联用测量气固射流场的装置，包括太赫兹波测量系统、红外光波测量系统和流场测试区，所述太赫兹波测量系统的太赫兹波整流成平行光线后垂直穿透流场测试区，所述红外光波测量系统对流场测试区内的固相颗粒向四周发射的红外光波进行捕捉。

一种具体方案为：

所述流场测试区包括射流喷嘴和流场测试空间，所述射流喷嘴设置在流场测试空间的上部中心轴线上，向流场测试空间内直接喷射气体和加热后的颗粒气固混合物；

所述太赫兹波测量系统包括激光脉冲发射器、太赫兹波辐射源、发射侧平面镜、第一上下伸缩仪、接收侧平面镜、第二上下伸缩仪、太赫兹波探测晶体、时域光谱仪组成，激光脉冲发射器、太赫兹波辐射源、发射侧平面镜和第一上下伸缩仪布置于流场测试空间的一侧，接收侧平面镜、第二上下伸缩仪和太赫兹波探测晶体布置于流场测试空间的另一侧；所述发射侧平面镜置于第一上下伸缩仪上，接收侧平面镜置于第二上下伸缩仪上；激光脉冲发射器发出的激光激发太赫兹波辐射源，产生的平行光经发射侧平面镜反射后垂直穿透流场测试空间，再经接收侧平面镜反射后被太赫兹波探测晶体接收，时域光谱仪对太赫兹波探测晶体的接收信号光谱分析，将分析后信息发送给服务器；

所述红外光波测量系统包括与服务器相连的红外成像仪，在红外成像仪中设置显微镜头；所述红外成像仪设置在流场测试空间的侧面，直接捕捉流场测试空间内的固相颗粒向四周发射的红外光波，调节显微镜头捕捉局部的颗粒发射的红外光波。

上述装置中，同时调节第一上下伸缩仪和第二上下伸缩仪，以维持发射侧平面镜和接收侧平面镜在适配高度，能够改变所测量的高度。