超聲速火焰的3DLIF可視化技術(shù)研究

袁勛，于欣，彭江波, *，秦飛，劉冰，曹振，高龍，韓明宏

1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 可調(diào)諧激光技術(shù)國家級重點實驗室，哈爾濱 150001

2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 光電子技術(shù)研究所，哈爾濱 150001

3. 西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場重點實驗室，西安 710072

0 引 言

作為高超聲速飛行器的動力推進系統(tǒng)，超燃沖壓發(fā)動機是高超聲速飛行器最為關(guān)鍵的部件，是航空航天技術(shù)領(lǐng)域的戰(zhàn)略制高點。超聲速燃燒機理的深度研究與超燃沖壓發(fā)動機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，需要發(fā)動機燃燒診斷技術(shù)為其提供大量的三維數(shù)據(jù)支撐。在發(fā)動機燃燒診斷技術(shù)中，目前應(yīng)用較為廣泛的平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)（Planar Laser–Induced Fluorescence，PLIF）具有非侵入、高時空分辨率等優(yōu)勢，但其作為平面可視化技術(shù)并不能完整反映火焰的三維空間結(jié)構(gòu)，需要新的測量技術(shù)來實現(xiàn)立體測量。

三維激光誘導(dǎo)熒光（Three Dimensional Laser–Induced Fluorescence，3DLIF）技術(shù)是在激光誘導(dǎo)熒光（LIF）技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的三維測量技術(shù)。3DLIF技術(shù)發(fā)展于20世紀90年代，由于激光和探測技術(shù)的限制，直到21世紀才逐漸開始完善。目前3DLIF技術(shù)有2種：多平面3DLIF技術(shù)和體光束照明3DLIF技術(shù)。多平面3DLIF技術(shù)基于PLIF技術(shù)，通過采集待測場不同位置的PLIF圖像進行三維重構(gòu)實現(xiàn)空間測量，屬于近似瞬態(tài)測量。實現(xiàn)多平面的方式有掃描式和多重曝光式：掃描式可通過掃描振鏡、旋轉(zhuǎn)股和旋轉(zhuǎn)掃描器等實現(xiàn)片光源掃描，其中，掃描振鏡方案具有簡單、高頻的優(yōu)點，逐漸成為應(yīng)用最多的方式；多重曝光式是 Kristensson等基于多重曝光頻率識別算法（FRAME）提出的一種全新的多平面技術(shù)，但由于系統(tǒng)龐大、能量損耗大、調(diào)試精度要求高等缺點仍停留在實驗驗證層面。體光束照明3DLIF技術(shù)又稱為VLIF技術(shù)，它將點光源整形為體光束用于激發(fā)待測場，然后采用多臺高速相機在不同角度進行圖像采集，再利用層析算法實現(xiàn)空間可視化，該方法屬于瞬態(tài)三維測量。

超燃沖壓發(fā)動機試驗臺架的結(jié)構(gòu)特性（比如大尺寸成像、光學(xué)窗口面積有限和設(shè)備空間受限等）對光學(xué)診斷技術(shù)要求很高，其燃燒空間結(jié)構(gòu)可視化還面臨一些技術(shù)難題。體光束照明3DLIF技術(shù)需要將點光源整形為大尺寸體光束，對激光器能量要求很高，技術(shù)難度較大；光學(xué)窗口面積有限導(dǎo)致多視角采集實現(xiàn)困難大，且多相機成本很高，測量系統(tǒng)非常復(fù)雜。掃描式多平面3DLIF技術(shù)基于現(xiàn)有的高頻PLIF發(fā)動機臺架試驗技術(shù)加入片光掃描設(shè)備，實現(xiàn)了發(fā)動機試驗臺架燃燒空間結(jié)構(gòu)可視化，但受高頻掃描技術(shù)和相機景深范圍的限制，掃描范圍一般在10 mm左右，無法滿足超聲速火焰大尺寸成像的要求。因此，目前3DLIF技術(shù)多用于小尺寸待測場成像，關(guān)于超燃沖壓發(fā)動機這種大尺寸、高速度成像的研究還未有報道。

針對超聲速火焰燃燒診斷的需求和高頻掃描技術(shù)的限制，本文在高頻PLIF成像系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計搭建了基于掃描振鏡的多平面3DLIF成像系統(tǒng)，并在超聲速同軸射流燃燒試驗裝置上進行了驗證實驗，實現(xiàn)了超聲速射流火焰的OH–3DLIF空間結(jié)構(gòu)可視化。針對超聲速火焰大尺寸成像的需求和掃描振鏡掃描范圍的限制，本文提出了一種擴大片光掃描范圍的片光整形方案，可實現(xiàn)20 mm的高頻掃描。通過實驗，本文還分析了多平面3DLIF技術(shù)用于超燃沖壓發(fā)動機燃燒診斷的可行性，并討論了不同噴口火焰速度對火焰形狀結(jié)構(gòu)的影響。

1 實驗裝置與方法

多平面3DLIF技術(shù)實現(xiàn)過程包括2部分：多平面PLIF圖像采集和圖像三維重構(gòu)。本文采用掃描振鏡實現(xiàn)多平面PLIF圖像采集：以掃描振鏡將激光反射至片光整形系統(tǒng)中，通過控制器控制掃描振鏡按照一定頻率和幅值進行偏轉(zhuǎn)，進而改變激光入射在片光整形系統(tǒng)的位置，最終實現(xiàn)出射片狀激光束在一定范圍內(nèi)往返掃描，一次掃描過程采集的圖像幀數(shù)由激光重復(fù)頻率和掃描振鏡頻率共同決定。圖像三維重構(gòu)則是在實現(xiàn)多平面PLIF圖像采集后，將一次掃描過程采集的圖像進行插值處理，進而獲得三維圖像。本文基于上述過程設(shè)計搭建了三維激光誘導(dǎo)熒光成像系統(tǒng)，并對采用插值算法實現(xiàn)三維重構(gòu)進行了簡要介紹。

1.1 三維激光誘導(dǎo)熒光成像系統(tǒng)

三維激光誘導(dǎo)熒光成像系統(tǒng)是在高頻PLIF系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計而成，如圖1所示。該系統(tǒng)由激光系統(tǒng)、片光掃描與整形系統(tǒng)、片光能量分布監(jiān)控、圖像采集系統(tǒng)、燃燒器以及數(shù)字延時器等組成。激光系統(tǒng)由1000 Hz脈沖Nd:YAG激光器和染料激光器組成，染料激光器采用羅丹明590，泵浦光經(jīng)染料激光器調(diào)諧后再進行倍頻，最后以1000 Hz的重復(fù)頻率輸出激光脈沖（單脈沖能量1.5 mJ）。為了降低熒光信號的溫度依賴性，選用波長為283.553 nm的激光用以激發(fā)OH基躍遷。采用掃描振鏡進行片光掃描，可實現(xiàn)激光規(guī)律偏轉(zhuǎn)。片光整形系統(tǒng)的作用主要是將圓形光束整形為片狀激光束。在實驗中，引出一部分激光照射羅丹明乙醇溶液，監(jiān)控片光能量縱向分布，用以圖像校正。圖像采集系統(tǒng)采用CMOS高速相機（Mikrotron EoSens 4cxp）搭配紫外鏡頭（Ocean）采集OH基熒光信號，分辨率為1856像素×970像素，視場大小為113 mm×53 mm，采用UG11和WG305濾光片阻擋散射信號。燃燒器為超聲速同軸射流燃燒試驗裝置。DG645數(shù)字延時器可實現(xiàn)激光系統(tǒng)、掃描振鏡和圖像采集系統(tǒng)之間的時序控制。

圖 1 三維激光誘導(dǎo)熒光成像系統(tǒng)Fig. 1 3DLIF imaging system

1.2 掃描振鏡與片光整形方案

成像系統(tǒng)的掃描振鏡與片光整形方案如圖2所示。

圖 2 掃描振鏡與片光整形方案Fig. 2 Scanning galvanometer and laser sheet shaping scheme

1.2.1 掃描振鏡

實驗采用的掃描振鏡最大偏轉(zhuǎn)角為2.5×10rad，空載響應(yīng)頻率為2000 Hz?？刂破鲗呙枵耒R輸入正弦波形電壓信號，壓電陶瓷位移軸長度會因壓電效應(yīng)產(chǎn)生有序變化，進而帶動掃描振鏡傾斜面的角度偏轉(zhuǎn)。傾斜面上固定反射鏡，將激光束反射至整形系統(tǒng)的不同位置，整形完成后即可實現(xiàn)火焰多平面激發(fā)。

為保證掃描精度，需要進行時序控制來保證每次掃描過程各個片光位置的一致。若將掃描振鏡與激光系統(tǒng)進行同步時序控制，會提高時間分辨率，但空間分辨率會下降一半。為了簡化實驗系統(tǒng)，本文將激光脈沖頻率和掃描振鏡頻率控制在整數(shù)倍，以保證每個掃描周期內(nèi)各片光位置保持不變。激光頻率為1000 Hz，基于重構(gòu)精度的需要，將掃描振鏡的頻率設(shè)為100 Hz，一個掃描周期內(nèi)即可采集6幀圖像進行重構(gòu)，重構(gòu)頻率為200 Hz。

1.2.2 片光整形系統(tǒng)

在常規(guī)的片光整形方案中，為了保證各片光之間平行，掃描振鏡應(yīng)位于聚焦透鏡的焦點處，則片光掃描范圍L可表示為：

式中，f為焦距，為掃描振鏡的最大擺角。由式（1）可知，要實現(xiàn)大范圍掃描，就需增大擺角與焦距。由于國產(chǎn)壓電陶瓷傾斜臺性能的限制，在高頻工作條件下，掃描振鏡難以實現(xiàn)大范圍擺動；而聚焦透鏡焦距過大則會使片光變厚，導(dǎo)致空間分辨率變差。由此可見，掃描范圍與片光厚度相互制約，在常規(guī)配置下片光掃描范圍無法滿足超聲速火焰的大尺寸成像。

為擴大掃描范圍并控制片光厚度，本文針對燃燒裝置的尺寸改進了片光整形系統(tǒng)，提出了一套擴大掃描范圍的片光整形方案，該方案的光學(xué)系統(tǒng)如圖3所示。該系統(tǒng)包括4個透鏡，分別是透鏡1（平凸柱透鏡，焦距540 mm）、透鏡2（球面凹透鏡，焦距25 mm）、透鏡3（平凸柱透鏡，焦距220 mm）和透鏡4（平凸柱透鏡，焦距350 mm），將透鏡1和2進行虛焦點共焦放置，透鏡2、3和4共焦放置。透鏡2和3用于光束縱向擴束并準(zhǔn)直為平行光，透鏡1、2和4用于光束擴展并聚焦為片光。由該方案整形后的片光寬度為85 mm，厚度約為0.6 mm，掃描范圍可達20 mm，在該厚度下獲得的PLIF圖像信噪比仍保持在較好的水平。

圖 3 片光整形方案（俯視圖）Fig. 3 Laser sheet shaping scheme（top view）

經(jīng)計算，在該掃描范圍下，實際成像范圍已超出相機景深范圍，這會導(dǎo)致景深外的圖像模糊，但火焰基本的形狀和渦結(jié)構(gòu)仍可以獲取，且火焰邊緣圖像面積較小，對通過重構(gòu)獲得火焰三維平均圖像產(chǎn)生的影響可以忽略。因此，該片光整形方案可在大幅擴大掃描范圍、控制片光厚度的基礎(chǔ)上將圖像清晰度控制在可接受的范圍內(nèi)。為進一步提高圖像清晰度和重構(gòu)精度，可采用雙相機模式進行圖像采集。

在三維重構(gòu)時應(yīng)確定每一幀圖像對應(yīng)的實際空間位置，由于片光并不是等間距的，需要對片光位置進行標(biāo)定。本文采用標(biāo)定卡像素換算方法進行標(biāo)定：將帶有刻度的標(biāo)定卡置于燃燒器噴嘴中軸位置，刻度面與鏡頭面呈45°放置，拍攝對焦圖像；然后打開激光器與掃描振鏡，拍攝片光激發(fā)標(biāo)定卡的熒光圖像；最后通過像素位置關(guān)系換算出一個掃描周期內(nèi)所有片光的實際空間位置。

1.3 圖像三維重構(gòu)

PLIF技術(shù)同一時間只能對一個火焰截面進行成像，要實現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)可視化，需要對一次掃描過程中的未激發(fā)區(qū)域（位于獲得的圖像之間）進行插值處理，進而采用不同位置的二維圖像重構(gòu)出一定時間間隔內(nèi)的平均三維圖像。常用的插值算法有線性插值、多項式插值、三次樣條插值以及雙三次插值等，考慮到精度和計算速度的要求，本文采用多項式插值。多平面三維重構(gòu)的流程如圖4所示，其實現(xiàn)過程為：1）多平面PLIF圖像的采集。使用高速相機采集多平面PLIF圖像并對圖像格式進行初步轉(zhuǎn)換。2）圖像預(yù)處理。對多平面PLIF圖像進行裁剪、圖像去噪、灰度值歸一化和能量分布校正等操作。3）插值算法處理。將每幀多平面PLIF圖像放入對應(yīng)位置并對空缺位置進行插值。4）火焰圖像三維重構(gòu)。根據(jù)所有火焰的多平面PLIF圖像進行合成，得到整個火焰區(qū)域的3DLIF偽彩色圖像。

圖 4 三維重構(gòu)流程圖Fig. 4 3D reconstruction flow chart

1.4 超聲速射流火焰

本文采用超聲速射流火焰（由超聲速同軸射流燃燒試驗裝置產(chǎn)生）進行實驗驗證，如圖5所示。試驗裝置外環(huán)為低速伴流燃料的通路，伴流燃料由乙烯與空氣預(yù)混而成，從燃燒器底部通入，經(jīng)過5塊多孔板的擾動進行充分的混合，最后預(yù)混氣在燃燒器頂部的多孔蜂窩板處點火形成伴流火焰。中心管道為高速主流燃料通路，主流燃料為乙烯，由管道頂端口徑為1 mm的空心圓錐形噴嘴噴出，經(jīng)伴流火焰引燃形成高速射流火焰。通過調(diào)節(jié)主流燃料通路上的壓力閥改變主流的噴注壓力（總壓）進而改變火焰速度，噴口火焰速度最快可達Ma=1.8。

圖 5 超聲速同軸射流燃燒試驗裝置Fig. 5 Schematic diagram of supersonic coaxial jet combustion

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 火焰三維重構(gòu)示例

根據(jù)上文實驗方案設(shè)計搭建3DLIF實驗裝置，乙烯流量為4.6 L/min，空氣流量為114.0 L/min，主流壓力為303975 Pa，噴口火焰速度為Ma=1.4。為便于觀測火焰中心位置OH基空間分布，片光掃描未完全沿燃燒器中軸對稱分布，而是向一側(cè)偏移。圖6為經(jīng)過片光位置標(biāo)定獲得的一次掃描過程各個片光的位置，其中紫色線代表片光，對應(yīng)數(shù)字為一次掃描過程的掃描順序。采集每個位置的OH–PLIF圖像，通過圖像去噪、能量分布校正和轉(zhuǎn)偽彩等圖像處理操作，獲得了如圖7所示的一次掃描過程OH–PLIF圖像。

對圖7的6幀圖像進行三維重構(gòu)，獲得了如圖8所示的超聲速火焰三維圖像。圖像對應(yīng)實際空間大小為50 mm（長）×85 mm（寬）×20 mm（厚），頻率為200 Hz，時間尺度為5 ms。由于火焰速度為超聲速，在該時間尺度內(nèi)相鄰PLIF圖像之間相關(guān)性較差，因此該三維圖像提供的是短時間內(nèi)的火焰結(jié)構(gòu)與形狀的平均。從圖中可以看出：火焰形狀為中心空洞的圓錐形（由于掃描范圍的限制無法完全重構(gòu)出完整圓錐形），中心幾乎無OH基存在，側(cè)邊鋒面存在大量褶皺，還原了超聲速射流火焰的形狀與結(jié)構(gòu)特征；根部有一部分區(qū)域未完全包合且出現(xiàn)小范圍截斷，與實際火焰并不相符，原因是噴口處片光與相鄰片光間隔相對較大，且只有噴口處PLIF圖像包含根部信號，因此在進行三維重構(gòu)時無法沿火焰鋒面輪廓進行插值，導(dǎo)致火焰根部無法完全包合。在后續(xù)研究中可采用多種算法進行對比分析，優(yōu)化重構(gòu)效果。

圖 6 片光位置Fig. 6 The location of laser sheet

圖 7 一次掃描過程各位置的OH-PLIF圖像Fig. 7 OH-PLIF images of one scanning process

圖 8 火焰三維圖像Fig. 8 3D image of flame

上述結(jié)果表明，多平面3DLIF技術(shù)可用于超聲速火焰的三維測量。為了分析該技術(shù)應(yīng)用于超燃沖壓發(fā)動機試驗臺架實現(xiàn)燃燒空間結(jié)構(gòu)可視化的可行性，與美國國家航空航天局蘭利研究中心的10 Hz多平面PLIF實驗進行了對比。多平面PLIF實驗在直連式超燃沖壓發(fā)動機燃燒室上進行，通過改變片光入射位置來采集同一工況不同位置的PLIF圖像，然后將這些圖像進行空間位置排序，以實現(xiàn)燃燒空間結(jié)構(gòu)的可視化。該多平面的實現(xiàn)方式屬于多次平均式，最后獲得的是同一工況不同實驗車次火焰結(jié)構(gòu)的平均。本文作者所在團隊先前在超燃沖壓發(fā)動機試驗臺架上進行過相似實驗，區(qū)別在于改變的是垂直于來流方向的片光位置，在不同車次下火焰相關(guān)性很差，通過插值重構(gòu)獲得的三維圖像并不具有實際意義，需要同一車次的火焰平均。本文采用振鏡快速掃描方式實現(xiàn)了短時間（5 ms）內(nèi)的火焰結(jié)構(gòu)與形狀的平均，該方式得到的結(jié)果更加接近于火焰的真實結(jié)構(gòu)，且能夠大大降低實驗的時間成本。本文自主研制的高頻PLIF系統(tǒng)的片光整形系統(tǒng)為自由調(diào)節(jié)一體式，只需將掃描振鏡與片光整形方案進行調(diào)整即可通過3DLIF技術(shù)進行三維測量，且掃描范圍滿足超聲速火焰大尺寸成像的需求，因此后續(xù)可應(yīng)用于超燃沖壓發(fā)動機試驗臺架上進行3DLIF實驗研究。

2.2 噴口火焰速度對火焰形狀的影響

為獲得不同噴口火焰速度對火焰形狀的影響，在表1所示的工況下重構(gòu)出了不同主流壓力和火焰速度條件下穩(wěn)燃過程的時均3DLIF圖像，如圖9所示。從圖中可以看出，隨著主流壓力增大、火焰速度加快，火焰體積逐漸變小，形狀更加瘦削，整體呈現(xiàn)向中心收縮的趨勢。這是由于流場速度變大以后，燃料被吹得更高，主要燃燒位置被抬高，火焰根部就會收窄。在主流壓力為101325 Pa、火焰速度為亞聲速（Ma=0.8）條件下，火焰結(jié)構(gòu)十分飽滿，形狀比較規(guī)則，而隨著火焰的速度加快，OH基信號逐漸變?nèi)?，渦結(jié)構(gòu)變多，火焰整體結(jié)構(gòu)更加破碎，火焰穩(wěn)定性變差。

表 1 工況表Table 1 Working condition

圖 9 不同火焰速度的空間結(jié)構(gòu)圖Fig. 9 Spatial structure diagrams of different flame speed

3 結(jié) 論

為滿足超燃沖壓發(fā)動機燃燒診斷的需求，本文開展了基于掃描振鏡的多平面3DLIF可視化技術(shù)研究，獲得了結(jié)論如下：

1）設(shè)計了基于掃描振鏡的多平面3DLIF成像系統(tǒng)，實現(xiàn)了超聲速射流火焰多平面3DLIF空間結(jié)構(gòu)可視化。

2）提出了一種擴大掃描范圍的片光整形方案，可實現(xiàn)50 mm×85 mm×20 mm大尺寸成像。

3）通過調(diào)節(jié)主流壓力來改變火焰速度，討論了火焰速度對火焰形狀的影響。分析結(jié)果表明，隨著火焰速度的增大，火焰體積變小，形狀更加瘦削，且渦結(jié)構(gòu)增多。

4）采用多平面3DLIF技術(shù)實現(xiàn)了超聲速燃燒場的三維測量，該技術(shù)可應(yīng)用于超燃沖壓發(fā)動機試驗臺架的燃燒空間結(jié)構(gòu)可視化。

由于超聲速火焰高速度、高精度成像的需求，目前激光器和掃描振鏡的頻率還無法達到近似瞬態(tài)測量，基于目前的設(shè)備水平，本文作者所在團隊擬將掃描頻率提高至1 kHz，則火焰的最小時間尺度可提升為500 μs，對于超聲速火焰，在該時間尺度下可視為近似瞬態(tài)測量，可以獲取火焰結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生與變化過程。除此之外，為了提高三維圖像的精度與準(zhǔn)確度，還需進一步優(yōu)化三維重構(gòu)算法。