[发明专利]一种测量超燃冲压发动机燃烧室温度和发射率的方法

说明书

一种测量超燃冲压发动机燃烧室火焰温度和发射率的方法，基于光谱辐射强度实现测量。检测超燃冲压发动机燃烧室内火焰辐射信息，得到检测光谱辐射强度数据，添加正态随机补偿作为迭代过程的目标光谱辐射强度；用未知阶系数的多项式函数表示每组发射率，任选一组作为温度和多项式系数初值，初始多项式阶数为0；结合Levenberg‑Marquardt算法和最小二乘法，通过迭代计算优化多项式系数和温度；重复迭代直至迭代结果收敛，再判定温度和发射率是否收敛，若不收敛则将多项式阶数加一，重新设定温度和多项式系数初值进行迭代计算，直至残差、温度、发射率同时收敛。本发明方法根据待测火焰光谱辐射强度得到火焰温度和随波长变化的发射率分布，不依赖迭代初值，结果可靠。

技术领域

本发明涉及辐射测温领域，是一种测量超燃冲压发动机燃烧室火焰温度和发射率分布的方法，具体基于光谱辐射强度实现测量。

背景技术

超燃冲压发动机是未来实现超声速飞行的最佳动力方式之一，其燃烧室内同时存在着燃料喷注、燃料掺混、点火、火焰传播、激波/边界层相互作用和热防护等，是一个多尺度和多参数耦合的物理-化学过程。

在这种环境下实现非接触、无干扰、准确高效地测量火焰温度和发射率具有十分重要的实际意义。

发明内容

为了克服现有方法依赖先验计算的不足，本发明提供了一种基于辐射谱线测量超燃冲压发动机燃烧室火焰温度和发射率的方法，该方法能够基于辐射谱线有效地给出火焰温度和发射率分布。

本发明突出的优势在于不依赖先验计算，更适合在复杂检测环境下测量得到可靠性高的结果。

为实现上述目的，提供了如下技术方案：

一种测量超燃冲压发动机燃烧室火焰温度和发射率的方法，具体包括如下步骤：

步骤1：用光谱仪检测超燃冲压发动机燃烧室内火焰碳烟辐射信息，通过黑体炉标定转换为多组包含相同个数的检测光谱辐射强度数据；

步骤2：将发射率表示为波长的多项式函数，即光谱辐射强度表示为下式1：

式中，I(λ，T)为实际光谱辐射强度，λ为波长，T为温度，ε(λ)为光谱发射率，P₀、P₁…P_n表示ε(λ)对应的多项式的各阶系数，n为多项式的阶数，是大于等于0的整数，c为光速，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数；

根据所述式1，可改写得到下式2：

式中，λ_j为第j个波长，I_j为测量的第j个波长对应的目标光谱辐射强度，r为迭代次数，为目标光谱辐射强度与计算光谱辐射强度之差；

步骤3：将检测光谱辐射强度添加正态随机补偿作为迭代过程的目标光谱辐射强度；

步骤4：利用未知阶系数的多项式函数表示每组发射率，任意选取一组数据作为温度和多项式系数初值，初始多项式阶数为0；

步骤5：采用Levenberg-Marquardt(LM)算法和最小二乘法相结合的方法迭代优化多项式系数和温度，上一次的迭代结果将作为下一次的迭代初值，重复迭代直至迭代结果收敛；再判定温度和发射率是否收敛，若不收敛则将多项式阶数加一，重新设定温度和多项式系数初值进行迭代计算，直至残差、温度、发射率同时收敛。

优选地，所述测量超燃冲压发动机燃烧室火焰温度和发射率的方法中：

所述步骤3)中的正态随机补偿在每次迭代中随机生成，表示为下式3：

I_j＝I₀×(1+0.1×N(μ，σ²))