缸内喷雾结构的跨界面高精度三维层析测量方法研究

Three-dimensional (3D) tomography is a real-time diagnostic technique with high spatiotemporal resolution, and can overcome the restrictions and limitations of traditional one-dimensional (1D) or two-dimensional (2D) diagnostic techniques on resolving highly turbulent flow measurements. 3D tomography is capable of resolving both macroscopic and microscopic properties of flow/combustion systems, and will be widely utilized in the researching area of optical diagnostics in the near future. However, if the current 3D tomography technique is directly applied to a system with limited optical access and the necessity of cross-interface imaging, the number of optical sensors would be limited and the light path would be distorted by the interface, resulting in low accuracy of tomographic reconstruction. Therefore, the project is proposing to develop an advanced tomography technique to solve these problems. The advanced tomography technique will be capable of precisely measuring the instantaneous spray structure of a Gas Direction Injection (GDI) optical engine with sufficient spatiotemporal resolution. The 3D measurements of the GDI spray provide theoretical supports and evidences on understanding the mechanics of spray atomization/mixing together with the chemical reaction kinetics, and on instructing the design of the combustion system.

三维层析技术具有瞬态测量、时空分辨率高等优点，克服传统一维或二维测试技术在高湍流度系统测量中的限制，获得流体或燃烧系统的三维宏观和微观特性，未来将被广泛应用于发动机光学诊断领域。然而，将当前的三维层析技术应用于受限空间的跨成像介质界面光学测试系统（如光学发动机）则会出现光学窗口有限、光路偏折、重构精度低等问题。本项目拟开发一种具有高时间分辨率，且适用于受限空间内的跨界面三维层析技术，并利用此技术准确测量直喷式汽油光学发动机缸内喷雾的瞬时空间结构和随时间的变化规律，为雾化混合机理研究、化学动力学机理研究和发动机燃烧系统的设计工作提供理论指导。

三维层析技术具有瞬态测量、时空分辨率高等优点，克服传统一维或二维测试技术在高湍流度系统测量中的限制，获得流体或燃烧系统的三维宏观和微观特性，未来将被广泛应用于发动机光学诊断领域。然而，将当前的三维层析技术应用于受限空间的跨成像介质界面光学测试系统（如光学发动机）则会出现光学窗口有限、光路偏折、重构精度低等问题。针对这些问题，本项目开发了一种具有高时间分辨率，且适用于受限空间内的跨界面三维层析技术，该技术包含光路折射修正、部分光路遮挡下的三维重构、粗糙标定下的角度修正三方面内容。其中，光路折射修正采用小孔成像模型与斯涅耳折射定律相结合的方法，规避了前人类似工作中的大量迭代计算问题，解决了在有界面折射条件下从被测空间至测量相机的光路映射问题，模拟验证投影模型精度低于1像素；部分光路遮挡下的三维重构利用测量相机与空间遮挡物的相对位置关系，优化相机布局，使相机组在被测空间存在内部遮挡物时也能完整重构三维光学信号场；粗糙标定下的角度修正针对实际实验中相机标定不准的普遍问题，利用多相机投影相互制约的原理，采用少量迭代运算修正各个相机的空间角度，可将标定误差从5°缩减为0.3°。跨界面三维层析技术能够准确测量直喷式汽油光学发动机缸内喷雾的瞬时空间结构和随时间的变化规律，为雾化混合机理研究、化学动力学机理研究和发动机燃烧系统的设计工作提供理论指导。