Diese Studie führt eine quantitative Rekonstruktion und mehr dimensionale Visual isierungs analyze des 3D-Geschwindigkeitsfeldes und der transienten Wirbels trukturen im Nahfeld einer Überschall verbrennungs-Flammen düse auf der Grundlage von3 D3C Partikel bild Velocimetrie (PIV)Tomo graphische volumet rische Messtechnik. Das Experiment nutzt dieRevealer 3D3C-Particle Bild Velocimetry (PIV)System unabhängig entwickelt vonAgile Gerät, Integriert mit mehrerenHoch geschwindigkeit kameras. Dieses Setup erreicht eine stabile Bildgebung und eine hochpräzise Inversion des Strömungs feldes unter heraus fordernden Bedingungen, die durch intensive Flammens elbst lumineszenz, hohe Temperaturen und starke Turbulenzen gekennzeichnet sind.
Verbrennungs flammens tröme sind in Verbrennungs kammern mit Flugmotor, Scramjets, Raketen antriebs systemen und Verbrennungs test anlagen mit hoher Enthalpie weit verbreitet. Ihre Strömungs eigenschaften umfassen typischer weise hohe Temperaturen, hohe Strahlung, steile Geschwindigkeit gradienten und starke Turbulenz kopplung. Im Nahfeld der Düse sind Phänomene wie Flammen ausdehnung, Scher schicht entwicklung, Rückfluss mitnahme und Wirbels trukturent wicklung stark gekoppelt und bilden signifikante instationäre 3D-Strömungs strukturen. Da diese Strukturen die Verbrennungs effizienz, Stabilität und strukturelle Sicherheit direkt bestimmen, ist das Erhalten quantitativer 3D-Geschwindigkeitsverteilungen und Wirbel informationen für die Forschung und technische Optimierung von Verbrennungs mechanismen von grundlegender Bedeutung.
Unter solch extremen Bedingungen erfüllt die herkömmliche punkt basierte oder 2D-Durchflussdiagnostik die Anforderungen an räumliche Integrität und quantitative Genauigkeit nicht. Die Kombination vonHoch geschwindigkeit kamerasUndTeilchen bild Velocimetrie (PIV)Die Technologie ermöglicht eine nicht aufdringliche, vollwertige, vorübergehende und hoch auflösende Durchfluss messung und wird zu einem zentralen experimentellen Instrument in der Verbrennungs flammen forschung.
Dieses Experiment verwendet ein 3 D3CTeilchen bild Velocimetrie (PIV) Volumet risches Mess schema zur quantitativen Charakterisierung von 3D-Durchflussstrukturen.Agile GerätStellte die integrierte Hardware-und Software lösung zur Verfügung. Der Kern des Systems basiert auf einer volumet rischen Bildgebung architektur mit vierRevealer PIV-fähige Hoch geschwindigkeit kameras (G2100M)(Tabelle 1). Es erfasst Bilder zur Streuung von Tracer partikeln aus mehreren synchron isierten Perspektiven und verwendet tomo graphische Rekonstruktion und Dreikomponenten-Geschwindigkeit inversion algorithmen, um gleichzeitig volumet rische Geschwindigkeit felder und Wirbels trukturen zu erhalten.
Tabelle 1: Schlüssel parameter der Revealer-Hoch geschwindigkeit kamera G2100M
Ent schließung:5120 × 4096
Full-Frame-Rate:36 fps
Bit tiefe:12 Bit
Pixel Größe:4,5 μm
Spitzen-QE:63%
PIV Inter-Frame-Zeit:200 ns
Daten schnitts telle:CXP-12 (Echtzeit übertragung)
Für die Beleuchtung wird ein nieder frequenter Hochenergie-Doppelpuls-Laser verwendet, um die SNR-Anforderungen in Hoch temperatur umgebungen zu erfüllen. Aluminium oxid partikel in Mikron größe werden aufgrund ihrer Hoch temperatur beständigkeit und Fließ fähigkeit als Tracer-Partikel ausgewählt. Die Datenverarbeitung erfolgt durchEnthüllerDie proprietäre PIV-Nach bearbeitungs software ermöglicht die Selbst kalibrierung des Volumens, die Partikel rekonstruktion und die mehr dimensionale Visual isierung (Scheiben, Iso flächen und Stromlinien).
Die primäre Herausforderung für eineHoch geschwindigkeit kameraIn der Verbrennungs forschung wird nicht nur die Bildrate, sondern auch das Bildsignal-Rausch-Verhältnis (SNR) gesteuert und die Belichtung konsistenz über Frames hinweg unter intensiver Flammens elbst lumineszenz aufrechterhalten. In herkömmlichen PIV-Spreidel modi ist die Belichtung szeit des zweiten Frames oft signifikant länger als die erste (Abb. 1). Intensive chemische Selbst lumineszenz kann das Partikels treuungs signal im zweiten Rahmen selbst bei Bandpass filtern leicht übertönen, was zu systematischen Fehlern bei der Geschwindigkeit inversion führt.
Abb. 1
Um die Bildgebung verzerrung durch Flammen lumineszenz zu beheben, wird dieEnt decker 3D3C-PIVSystem führt einen Hochgeschwindigkeits-Flüssig kristall verschluss ein (Abb. 2). Durch eine benutzer definierte Synchron isations strategie wechselt der Verschluss innerhalb von Mikros kunden von transparent zu undurchsichtig. Dies komprimiert die effektive Belichtung szeit des zweiten PIV-Rahmens, um der ersten zu entsprechen. Diese Lösung unterdrückt Interferenzen in der Zeit dimension und verbessert die SNR-und Helligkeits konsistenz zwischen Frames erheblich.
Abb.2
Das Experiment folgt acht kritischen Schritten gemäß den volumet rischen Mess standards 3D3C-PIV:
Step1-Optical Position ierung:Definition des 3D-Messvolumens an der Düse (Abb. 3).
Abb. 3
Step2-Geometric Anordnung:Position ierung von vier Revealer-Hoch geschwindigkeit kameras für eine optimale Abdeckung vor dem Sichtfeld (Abb. 4).
Abb. 4
Step3-Scheimpflug anpassung:Verwenden Sie den Revealer-Scheimpflug-Mechanismus, um eine scharfe Abbildung über die gesamte Tiefe des Volumens sicher zustellen (Abb. 5).
Abb.5
Step4-Laser Ausrichtung:Gleichmäßige Abdeckung der Messfläche mit volumet rischer Laser beleuchtung (Abb. 6).
Abb. 6
Step5-Initial kalibrierung:Festlegen der Zuordnung zwischen Pixel-und physikalischen Koordinaten mit Genauigkeit auf Pixel ebene (Abb. 7).
Abb.7
Step6-Volume Selbst kalibrierung:Korrigieren des Projektions modells, um räumliche Reprojektion fehler zu reduzieren (Abb. 8).
Abb.8
Step7-Synchronization optimierung:Fertigstellung des Timings für den Laser, die Revealer-Hoch geschwindigkeit kameras und den Flüssig kristall verschluss zur Unterdrückung von Flammen licht (Abbildung 9).
Fig.9
Step8-Reconstruction & Visual isierung:Verwendung der Revealer RFlow4-Software für die volumet rische Rekonstruktion und die Berechnung der 3C-Geschwindigkeit.
Präzision:Die Partikel trefferquote während der Rekonstruktion bleibt über 95%, um eine zuverlässige räumliche Auflösung zu gewährleisten (Abb. 10 ~ 11).
Abb.10
Abb. 11
Zeit geänderte Analyse:Ident ifi ziert stabile Durchschnitts geschwindigkeit verteilungen und dominante Strömungs strukturen wie Rückfluss zonen (Abb. 12).
Abb.12
Momentane Geschwindigkeit:Quantitativ beobachtet die räumliche Geschwindigkeit verteilung, um die Jet-Core-Entwicklung und die Scher schicht ausdehnung zu identifizieren (Abb. 13).
Abb.13
3D Slicing & Streamlines:Visual isiert 3D-Geschwindigkeitsgradienten, strukturelle Kontinuität und Makro bewegungs wege der Flamme (Abb. 14 ~ 16).
Abb.14
Abb.15
Abb.16
Dieses Experiment rekonstruierte erfolgreich das 3D-Geschwindigkeitsfeld und die Wirbels trukturen eines Düsen nahfeldes unter Verwendung desEnt decker 3D3C-PIVSystem entwickelt vonAgile Gerät. Validiert in strahlungs reichen Verbrennungs umgebungen, dieHoch geschwindigkeit kameraUndTeilchen bild Velocimetrie (PIV)Das System bietet deutliche Vorteile in Bezug auf technische Anpassungs fähigkeit und Daten stabilität und ist damit die erste Wahl für die fortschritt liche Verbrennungs flammen forschung.
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