本生燈下氣體燃料層流火焰傳播速度的精確測量方法
2023-09-10 01:18:10 1
專利名稱：本生燈下氣體燃料層流火焰傳播速度的精確測量方法
技術領域：
本發明涉及一種層流火焰傳播速度的精確測量方法。
背景技術：
火焰傳播速度是指平面火焰波面沿著垂直其表面方向上通過鄰近未燃氣體移動的速度。它不僅在考察火焰穩定性方面有很大實用意義，而且在研究火焰傳播理論方面也具有很大理論價值。本生燈火焰法是一種常用的火焰傳播速度測量和計算方法，通常採用錐形法計算模型，在層流流動條件下用氣體混合物的平均流量除以火焰內焰鋒面表面積得到平均速度作為層流火焰傳播速度。但由於實際的本生燈管口出口氣流速度分布不均勻性和出口火焰鋒面不同部位傳熱特性不同，會造成局部火焰傳播速度的分布不均勻，在靠近管軸中心焰尖處偏大，在靠近管壁處的火焰根部區域偏小，而在火焰中間區域，則由於速度分布均勻、散熱特性相同，火焰傳播速度基本不變。此時，採用基於平均出口流量的錐形法計算出火焰傳播速度會產生較大誤差。
發明內容
本發明是為了提高現有的本生燈法錐形法計算模型計算精度，從而提供一種本生燈下氣體燃料層流火焰傳播速度的精確測量方法。本生燈下氣體燃料層流火焰傳播速度的精確測量方法，它由以下步驟實現步驟一、將示蹤粒子引入混氣罐內與氣體燃料充分混合，形成混合氣流；步驟二、將步驟一所述混合氣流通入本生燈燃燒器，在燃燒器出口點燃，形成本生燈火焰；步驟三、採用二維粒子成像速度儀獲得管口上方火焰區域的流場圖像；步驟四、對步驟三獲得的流場圖像進行處理，獲得垂直管口軸向截面內流場速度圖；步驟五、採用CCD成像儀對本生燈火焰進行圖像採集，獲得本生燈火焰圖像；步驟六、對步驟五獲得的本生燈火焰圖像進行亮度分析、邊緣提取後進行曲線擬合，獲得擬合後的曲線；步驟七、將步驟四獲得的流場速度圖與步驟六獲得的擬合後的曲線進行位置匹配，並採用插值法計算出步驟六獲得的曲線上線性度好的區段上各點氣流速度Un;η表示曲線上線性度好的區段上點的序號；所述η為正整數；曲線上線性度好的區段為對火焰鋒面進行線性擬合後與擬合曲線相對標準方差在士以內的區段；步驟八、根據公式= Un · cos θ 獲得步驟七所述各點的火焰傳播速度&，取與各點的火焰傳播速度&的平均值在相對標準方差為士0. 5% 士2%之內的點，然後再求取各點的火焰傳播速度&的平均值，得到本生燈層流火焰傳播速度S1 ；式中，θ η為火焰鋒面上第η個點的氣流速度Un與該點火焰鋒面法線的夾角。
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步驟一中所述氣體燃料為甲烷、氧氣和氮氣的混合燃料，甲烷的體積百分比為 6. 8 % 14. 3 %、氧氣的體積百分比為17. 8 % 20. 7 %、氮氣的體積百分比為67. 6 % 73. 6%。採用最小二乘法對CXD獲得的圖像進行曲線擬合。在步驟六中，採用圖像亮度處理軟體對步驟五獲得的本生燈火焰圖像進行亮度分析、邊緣提取。本生燈燃燒器的管口內徑為3mm 15mm。有益效果本發明使用二維粒子成像速度儀(PIV)和CCD成像儀，採用非接觸式的方式對本生燈層流火焰傳播速度進行測量，不會破壞火焰本體結構。由於二維粒子成像速度儀(PIV)可測得流場內各點的速度值，因此將流場速度圖與火焰輪廓擬合曲線進行位置匹配，可得到火焰鋒面上各點的火焰傳播速度值。對於錐形法計算模型所造成的誤差有較大消除，可實現對本生燈層流火焰傳播速度精確測量。
圖1是本發明的流程示意圖；圖2是本發明具體實施方式
六中的實驗裝置結構示意圖；圖3是本發明具體實施方式
六的實驗中採集的火焰鋒面示意圖；圖4是本發明具體實施方式
六的實驗中火焰鋒面的特徵圖；圖5是本發明具體實施方式
六的實驗中的火焰鋒面擬合曲線圖；圖6是本發明測量火焰傳播速度的原理示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一、結合圖1說明本具體實施方式
，本生燈下氣體燃料層流火焰傳播速度的精確測量方法，它由以下步驟實現步驟一、將示蹤粒子引入混氣罐內與氣體燃料充分混合，形成混合氣流；步驟二、將步驟一所述混合氣流通入本生燈燃燒器，在燃燒器出口點燃，形成本生燈火焰；步驟三、採用二維粒子成像速度儀獲得管口上方火焰區域的流場圖像；步驟四、對步驟三獲得的流場圖像進行處理，獲得垂直管口軸向截面內流場速度圖；步驟五、採用CCD成像儀對本生燈火焰進行圖像採集，獲得本生燈火焰圖像；步驟六、對步驟五獲得的本生燈火焰圖像進行亮度分析、邊緣提取後進行曲線擬合，獲得擬合後的曲線；步驟七、將步驟四獲得的流場速度圖與步驟六獲得的擬合後的曲線進行位置匹配，並採用插值法計算出步驟六獲得的曲線上線性度好的區段上各點氣流速度Un;η表示曲線上線性度好的區段上點的序號；所述η為正整數；所述曲線上線性度好的區段為對火焰鋒面進行線性擬合後與擬合曲線相對標準方差在士以內的區段；步驟八、根據公式= Un · cos θ η獲得步驟七所述各點的火焰傳播速度&，取與各點的火焰傳播速度&的平均值，在相對標準方差為士0.5% 士2%之內的點，然後再求取平均值，得到本生燈層流火焰傳播速度S1 ；
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式中，θ n為火焰鋒面上第η個點的氣流速度Un與該點火焰鋒面法線的夾角。
具體實施方式
二、本具體實施方式
與具體實施方式
一所述的本生燈下氣體燃料層流火焰傳播速度的精確測量方法的區別在於，步驟一中所述氣體燃料為甲烷、氧氣和氮氣的混合燃料。
具體實施方式
三、本具體實施方式
與具體實施方式
二所述的本生燈下氣體燃料層流火焰傳播速度的精確測量方法的區別在於，甲烷的體積百分比為6. 8% 14. 3%、氧氣的體積百分比為17. 8% 20. 7%、氮氣的體積百分比為67. 6% 73. 6%。
具體實施方式
四、本具體實施方式
與具體實施方式
一、二或三所述的本生燈下氣體燃料層流火焰傳播速度的精確測量方法的區別在於，採用最小二乘法對CCD獲得的圖像進行曲線擬合。
具體實施方式
五、本具體實施方式
與具體實施方式
四所述的本生燈下氣體燃料層流火焰傳播速度的精確測量方法的區別在於，在步驟六中，採用圖像亮度處理軟體對步驟五獲得的本生燈火焰圖像進行亮度分析、邊緣提取。
具體實施方式
六、本具體實施方式
與具體實施方式
一、二、三、四或五所述的本生燈下氣體燃料層流火焰傳播速度的精確測量方法的區別在於，本生燈燃燒器的管口內徑為 3mm 15mm0以下通過具體實驗驗證本發明的效果實驗裝置如圖2所示所述裝置包括甲烷氣瓶1、氧氣氣瓶2、氮氣氣瓶3、甲烷質量流量控制器4、氧氣質量流量控制器5、氮氣質量流量控制器6、質量流量顯示儀7、混氣罐 8、示蹤粒子引入裝置9、計算機10、(XD成像儀11、調焦望遠鏡12、本生燈燃燒器13、片光源光路系統14、雷射器15、PIV控制、同步單元16、同步器17、濾光鏡18、CXD照相機19和控制軟體20。所述甲烷質量流量控制器4用於測量和控制甲烷氣瓶1流出氣體的流量；氧氣質量流量控制器5用於測量和控制氧氣氣瓶2流出氣體的流量；氮氣質量流量控制器6用於測量和控制氮氣氣瓶3流出氣體的流量；甲烷質量流量控制器4的測量信號輸出端、氧氣質量流量控制器5的測量信號輸出端和氮氣質量流量控制器6的測量信號輸出端分別與質量流量顯示儀7的三個測量信號輸入端連接；控制甲烷氣瓶1的出氣口、氧氣氣瓶2的出氣口、氮氣氣瓶3的出氣口、示蹤粒子引入裝置9的出口分別與混氣罐8的四個進氣口連通； 混氣罐8的出氣口與本生燈燃燒器13的進氣口連通；CXD成像儀11的光輸入端處設置有調焦望遠鏡12，所述本生燈燃燒器13產生的火焰光輸入至調焦望遠鏡13的光輸入端；CXD 成像儀11的信號輸出端與計算機10連接；PIV控制、同步單元16、同步器17組成PIV的控制系統，保證系統組件的準確同步運行；流場成像由片光源光路系統14構成，以雷射器15 為光源；CCD照相機19識別示蹤粒子，進行圖像拍攝；在CCD照相機19鏡頭前安裝了濾光鏡18，以降低火焰發光對拍攝圖像的影響；控制軟體20完成對圖像的分析與顯示。本實驗中選用的參數有甲烷質量流量控制器4、氧氣質量流量控制器5、氮氣質量流量控制器6分別控制甲烷、氧氣、氮氣的流速為0. 1 5m/s ；混氣罐8的混合氣體流出的流速為0. 2 lOm/s，本生燈燃燒器13的管口內徑為3mm 15mm，區間取值每隔1mm。實驗中採用CCD成像儀對本生燈火焰進行圖像採集，獲得本生燈火焰鋒面像如圖 3所示；實驗中對本生燈火焰圖像進行亮度分析、邊緣提取後火焰鋒面的特徵圖如圖4所示；實驗中火焰鋒面擬合曲線圖如圖5所示。
在運用本生燈法進行火焰傳播速度的測量時，如果假設氣流速度沿管截面是均勻分布的，且不考慮火焰前沿的高溫對新鮮混氣的影響，則可將火焰鋒面看成一正錐形，此時，實際用氣體混合物的流量除以火焰內焰鋒面表面積得到的平均速度可作為火焰傳播速度。但實際的氣流速度沿管截面是不均勻分布的，會造成火焰傳播速度的不均勻分布，在靠近管軸中心處偏大，在靠近管壁處的火焰根部區域偏小，在中間區域則基本不變。此時，採用錐形法計算會造成較大誤差。因而，若想用本生燈法精確測定火焰傳播速度，需要取中間速度不變的區域進行測量。當火焰鋒面固定不動時，錐形內焰表面各點上的火焰傳播速度 Sn(方向指向錐形內焰內部)與該點氣流的法向分速度Vn是平衡的。也即對於錐形火焰面上的每一點存在以下關係式，又稱為餘弦定律Sn = Un · cos θ n = vn式中 表示錐形火焰面上一點的法向火焰傳播速度；Un表示該點的氣流速度；vn 表示該點氣流的法向分速度；θ n表示火焰鋒面上各點的氣流速度與火焰鋒面法線之間的夾角。運用二維粒子成像速度儀(PIV)可獲得管口上方火焰區域的流場圖像，經過圖像處理，可得到流場的速度分布圖。將處理CCD圖像所得到的擬合曲線與流場速度分布圖進行位置匹配，則可以得到曲線上各點所對應的氣流速度，利用上述計算公式，可得到各點的火焰傳播速度值。選取擬合曲線上線性度好的區段進行計算，可得到各點基本不變的火焰傳播速度值，求取平均值，作為測得層流火焰傳播速度經驗證，本發明的方法對錐形法計算模型所造成的誤差有較大消除，對本生燈層流火焰傳播速度精確度較高。
權利要求
1.本生燈下氣體燃料層流火焰傳播速度的精確測量方法，其特徵是它由以下步驟實現步驟一、將示蹤粒子引入混氣罐內與氣體燃料充分混合，形成混合氣流；步驟二、將步驟一所述混合氣流通入本生燈燃燒器，在燃燒器出口點燃，形成本生燈火焰；步驟三、採用二維粒子成像速度儀獲得管口上方火焰區域的流場圖像； 步驟四、對步驟三獲得的流場圖像進行處理，獲得垂直管口軸向截面內流場速度圖； 步驟五、採用CCD成像儀對本生燈火焰進行圖像採集，獲得本生燈火焰圖像； 步驟六、對步驟五獲得的本生燈火焰圖像進行亮度分析、邊緣提取後進行曲線擬合，獲得擬合後的曲線；步驟七、將步驟四獲得的流場速度圖與步驟六獲得的擬合後的曲線進行位置匹配，並採用插值法計算出步驟六獲得的曲線上線性度好的區段上各點氣流速度Un ； η表示曲線上線性度好的區段上點的序號；所述η為正整數； 曲線上線性度好的區段為對火焰鋒面進行線性擬合後與擬合曲線相對標準方差在士 以內的區段；步驟八、根據公式& = Un · cos θ η獲得步驟七所述各點的火焰傳播速度&，取與各點的火焰傳播速度&的平均值在相對標準方差為士0.5% 士2%之內的點，然後再求取各點的火焰傳播速度&的平均值，得到本生燈層流火焰傳播速度S1 ；式中，θ η為火焰鋒面上第η個點的氣流速度Un與該點火焰鋒面法線的夾角。
2.根據權利要求1所述的本生燈下氣體燃料層流火焰傳播速度的精確測量方法，其特徵在於步驟一中所述氣體燃料為甲烷、氧氣和氮氣的混合燃料。
3.根據權利要求2所述的本生燈下氣體燃料層流火焰傳播速度的精確測量方法，其特徵在於甲烷的體積百分比為6. 8% 14. 3%、氧氣的體積百分比為17. 8% 20. 7%、氮氣的體積百分比為67. 6% 73. 6%。
4.根據權利要求1、2或3所述的本生燈下氣體燃料層流火焰傳播速度的精確測量方法，其特徵在於採用最小二乘法對CCD獲得的圖像進行曲線擬合。
5.根據權利要求4所述的本生燈下氣體燃料層流火焰傳播速度的精確測量方法，其特徵在於在步驟六中，採用圖像亮度處理軟體對步驟五獲得的本生燈火焰圖像進行亮度分析、邊緣提取。
6.根據權利要求1、2、3或5所述的本生燈下氣體燃料層流火焰傳播速度的精確測量方法，其特徵在於本生燈燃燒器的管口內徑為3mm 15mm。
全文摘要
本生燈下氣體燃料層流火焰傳播速度的精確測量方法，涉及一種層流火焰傳播速度的精確測量方法。它提高了現有的本生燈法錐形法計算模型計算精度。它將採用二維粒子成像速度儀獲得管口上方火焰區域的流場圖像，對圖像進行處理後得到垂直管口軸向截面內流場速度圖；同時採用CCD成像儀對本生燈火焰進行圖像採集，對圖像進行亮度分析、邊緣提取後進行曲線擬合，獲得擬合後的火焰鋒面；將流場速度圖與鋒面曲線進行位置匹配，採用插值法計算得出鋒面曲線上線性度好的區段上各點的氣流速度Un；再根據餘弦定律計算各點的火焰傳播速度，求取平均值，得到本生燈的局部層流火焰傳播速度。本發明適用於氣體燃料燃燒過程中本生燈層流火焰傳播速度的精確測量。
文檔編號G01P3/38GK102253234SQ20111014872
公開日2011年11月23日 申請日期2011年6月3日 優先權日2011年6月3日
發明者于欣, 伊亞超, 劉輝, 孫軍, 孫銳, 彭江波, 楊曉川, 王春紅, 陳德應 申請人:哈爾濱工業大學