(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210613758.7 (22)申请日 2022.05.31 (71)申请人 四川大学 地址 610000 四川省成 都市一环路南 一段 24号 (72)发明人 张健鹏　刘绍桐　宋勇　石顶峰　 马柳昊　任伟　 (74)专利代理 机构 北京云嘉 湃富知识产权代理 有限公司 1 1678 专利代理师 刘新桐 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种针对高温恶劣环境激光测量的气体隔 热方法 (57)摘要 本发明涉及光学透镜的气体隔热防尘方法 领域， 具体为一种针对高温恶劣环 境激光测量的 气体隔热方法， 其包括以下步骤： S1、 确定待测气 体温度T、 气体流速V、 所需测量孔的边长D0及高 度h0、 冷却气体出入口的边长h1、 入口间隔高度 h2、 以及冷却气体出口扩张量dh数据的范围， 创 建流场的数值仿真方案， 对相应测量情况进行数 据仿真与优选； S2、 基于S1中的最佳方案， 结合现 场情况进行隔热系统的部件设计制造与气路搭 建。 本发明可以使得光学透镜维持32 0K以下的表 面温度， 并显著消除冷却气流对待测流场的影 响。 同时， 用纯净的冷却气体填充透镜与待测气 体之间的空间， 保持了整个流场的封闭状态， 有 益于保持透镜表面光洁度， 使得激光测量在高温 气体的测量方面获得更广的应用空间与更高的 准确度。 权利要求书1页 说明书5页 附图6页 CN 114970030 A 2022.08.30 CN 114970030 A 1.一种针对高温恶劣环境激光测量的气体隔热 方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1、 确定待测气体温度T、 气体流速V、 所需测量孔的边长D0及高度h0、 冷却气体出入口的 边长h1、 入口间隔高度h2、 以及冷却气体出口扩 张量dh数据的范围， 创建流场的数值仿真方 案， 对相应测量情况进行 数据仿真与优选； S2、 基于S1中的最佳 方案， 结合现场情况进行隔热系统的部件设计制造与气路搭建。 2.根据权利要求1所述的针对高温恶劣环境激光测量的气体隔热方法， 其特征在于， S1 中， 对相应测量情况进行 数据仿真与优选包括以下步骤： S11、 所有冷却气体出入口和测量孔均 为矩形， 光学透镜(5)安装口为圆型， 矩形冷却气 体出入口通过转换接 头与气体圆管相连； S12、 冷却气体的流速根据待测 气体的流速V选择， 一般通过计算吹风比M得到， 吹风比M 的计算方式为； M＝ρ V/ρcVc， 公式中， ρ 代表待测气体的密度， ρc代表冷却气体的密度， Vc代表 冷却气体的流速， 吹风比越大， 冷却能力越强， 一般 选取吹风比M≥1即可； S13、 根据实际选用的光学透镜(5)直径确定测量孔的边长D0， 其数值大于光学透镜(5) 的直径以满足透 镜安装要求； S14、 测量孔高度h0的初始数值一般比安装此装置的壁面的厚度大10mm以上任意值即 可， 为后续对冷却气体出口扩大量进行的数值仿真提供余 量； S15、 冷却气体出入口边长 h1根据现场设备情况选择； S16、 将冷却气体出口进行适量扩张， 分别使用SST  k‑omega湍流模型进行数值模拟， 然 后比较模拟结果； S17、 在优选冷却气体出口的扩张量dh时， 以冷却气体入 口的尺寸作为基准， 视实际情 况将所有冷却气体出口同时向下进行不同程度的扩大， 以S11 ‑S16中得到的方案及待测气 体温度T与流速V作为条件， 利用商业流场仿真工具分别建立模型进行数值仿真， 选取光学 透镜(5)表面温度最低的方案， 其中入口间隔高度h2视情况取大于冷却气体入口边长h1的任 意数值即可； S18、 在优选入口间隔高度h2时， 以S17中得到的方案为基础， 对冷却气流的间隔高度h2 的不同数值分别建立模型进行仿真， 选取满足透镜工作要求的间隔高度h2的最小数值作为 最终设计。 3.根据权利要求2所述的针对高温恶劣环境激光测量的气体隔热方法， 其特征在于， S11中， 转换接 头根据需要设计， 不做具体形状限制。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114970030 A 2一种针对高 温恶劣环境 激光测量的气体 隔热方法 技术领域 [0001]本发明涉及 光学透镜的气体隔热防尘方法领域， 具体是一种针对高温恶劣环境激 光测量的气体隔热 方法。 背景技术 [0002]目前， 燃烧反应被广泛运用于电力生产与动力推进等领域， 对燃烧反应的研究与 设计优化在科学界与工程界都具有极其重要的意义。 研究与优化燃烧反应时， 需要对燃烧 产生的高温废气的各项物理化学参数进行即时、 全面的检测。 在检测流场 温度、 流速、 组分 等物理化学参数的诸多 方法中， 激光光谱技术因其无需与待测气 体直接接触、 响应快、 精度 高、 适用范围广等优势， 得到了广泛的使用。 但是， 受 限于高精度光学透镜严苛的使用温度 和光洁度限制， 激光光谱法在燃烧反应产生的高温、 含碳烟或灰尘颗粒气体检测中的应用 尚存困难； 在这一领域， 目前常见的利用传感器(如热电偶)直接进行检测的方法和抽样检 测方法也存在响应不及时、 无法对整个流场进行检测的固有局限性。 因此， 如何克服高温气 体和颗粒物对高精度光学透镜的不利影响， 将激光光谱技术引入对高温流场的检测当中， 对研究燃烧反应、 及其 他涉及高温气体 检测的领域具有重大意 义。 [0003]气体隔热方法是使用冷却气体阻隔高温气体对光学透镜或窗口的热传递并对其 进行冷却， 是将光学透 镜应用在高温环境的常见 方法。 [0004]授权公告号为CN113894449A的中国专利公开了一种镀锌钢板激光焊接保护气装 置， 提高了实际到达焊缝区域的保护气流量， 使焊缝区域形成稳定的焊接环境。 授权公告号 为CN112448253A的中国专利公开了一种使用超声速低温气体冷却的固体激光增益模块及 激光器， 具有换 热设备结构简单， 使用方便等优点。 [0005]但是上述已公开方案存在如下不足之处： 激光焊接的保护气方法中冷却气流对接 触流场的冲击极大， 固体激光增益器的气体冷却技术无需考虑高温热源对光学透镜的影 响， 都无法直接应用在高温、 含碳烟灰尘颗粒气体 检测的激光 光谱技术当中。 发明内容 [0006]本发明目的是针对背景技术中存在的高温恶劣环境对高精度光学透镜存在较大 影响的问题， 提出一种针对高温恶劣环境激光测量的气体隔热 方法。 [0007]本发明的技术方案： 一种针对高温恶劣环境激光测量的气体隔热方法， 包括以下 步骤： [0008]S1、 确定待测气体温度T、 气体流速V、 所需测量孔的边长D0及高度h0、 冷却气体 出入 口的边长h1、 入口间隔高度h2、 以及冷却气体出口扩 张量dh数据的范围， 创建流场的数值仿 真方案， 对相应测量情况进行 数据仿真与优选； [0009]S2、 基于S1中的最佳方案， 结合现场情况进行隔热系统的部件设计制造与气路搭 建。 [0010]优选的， S1中， 对相应测量情况进行 数据仿真与优选包括以下步骤：说　明　书 1/5 页 3 CN 114970030 A 3