CN104764582B - 一种基于piv系统的烟气流场测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PIV系统的烟气流场测量装置，包括PIV系统，所述PIV系统包括电路连接的主机、控制面板、激光发生器、CCD相机，还包括燃烧室，燃烧室由可拆卸的隔板隔离成第一燃烧室、第二燃烧室，隔板中间及第二燃烧室右侧中间设置有中心孔，第一燃烧室的左侧设有开口，第二燃烧室、第一燃烧室顶部设置有取样口；气缸，可拆卸地横向设置于第二燃烧室右侧面，所述缸体顶部设置有气缸取样口；支架，支撑设置于所述第一燃烧室、第二燃烧室、气缸及拉力计下方。本发明还提供了一种基于PIV系统的烟气流场测量方法。本发明能测量吸燃状态下、阴燃状态下的烟气流场，具有融合性和多功能性，还可采集主流烟气和侧流烟气。

Description

一种基于PIV系统的烟气流场测量装置及方法

技术领域

本发明属于气体测量技术领域，具体涉及一种基于PIV系统的烟气流场测量装置及方法。

背景技术

目前，测量烟气流场的方法有：（1）声波测速法，声波是机械波，在气体介质中传播时为纵波。声速是小扰动的传播速度，在流体中与介质自身的流速为线性叠加关系，这正是声波法测量炉内烟气速度场的理论基础。（2）测速管测定法，便于观察和了解气流的运动轨迹和射流射程等，可以得出气流的速度场方向图谱和测定各处气流的速度值。气流及燃烧器射流测量的测速管常有：用于一维测量的如皮托(Pitot)管、普兰特(Prandtl)管等。（3）热线/热膜测速法，利用热平衡原理来测量气体的平均速度和脉动速度，具有惯性小，频率响应宽，灵敏度高，对流场干扰小的优点；（4） PIV（Particle Image Velocimetry）技术，又称粒子图像测速法，作为一种非接触式的测量方法，可在同一时刻记录下整个流场的有关信息，具备单点测量技术的精度和分辨率，又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像。目前采用PIV技术测量气体流场的比较多，但是均有比较强的针对性，如清华大学力学系的李力， 周力行等人使用Dantec 公司的三维相位多普勒颗粒分析仪（PDPA），对一2200mm×680mm×580mm 尺寸的模型炉的气粒两相流场进行测量。其中用到玻璃珠作为气相示踪颗粒和颗粒相。上海交通大学动力机械及工程教育部重点试验室的汪文辉 ，陆振华等人，采用激光粒子图像测速技术（PIV技术）对４５°三分支管接头在流型６时的内部流场进行测量，获取了在不同流量比及气流马赫数工况下接头内部的流场数据。Karen E.Bevan 和 JaalB.Ghandhi利用PIV技术对四冲程通用汽油机气缸内的流场进行分析和测量，得出汽油机的最佳性能相关性位置与流场结构的关系。

另外，国内外有很多种测量烟气流场的装置。例如，昆明理工大学杨伟祖为研究主流烟气（MS）和侧流烟气（SS）分别设计了采集研究主流烟气（MS）和侧流烟气（SS）的装置，但其并没有对烟气扩散速度进行测量。该装置在吸烟机卷烟夹持器上方附设了一个玻璃罩,侧流烟气被收集于罩内,经过烟气捕集装置、流量计连接到真空泵上。中国烟草总公司郑州烟草研究院，曹得坡，夏巧玲等设计卷烟燃吸模拟装置该装置包括气体流量控制器、聚焦红外炉、捕集器、吸收瓶以及程序升温控制器。石英管的内径为8 mm（模拟卷烟内径），壁厚1mm，长413 mm；通过程序升温控制器和热电偶控制聚焦红外炉进行快速加热；裂解气氛和流量通过两个气体流量控制计实现，流量控制计的进气口端分别与氮气、氧气源相连，气体经混合后进入聚焦红外炉中的石英管；裂解产物采用剑桥滤片（粒相物）和吸收溶液（气相物）进行捕集。湖南大学李军设计了主流烟气仿生吸收装置，该装置由烟嘴、吸烟吸收装置、连接吸烟机的吸入口管道、连接吸烟机的排烟口管道、烟气比例的陶门、吐烟吸收装置、排烟管道、吸收管、电动机等几个部件组成。

虽然国内外有很多种测量烟气流场的装置，但是利用PIV技术来测量烟支燃烧时烟气扩散的流场尚未出现。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种基于PIV系统的烟气流场测量装置，通过该装置既可以对实现吸燃状态烟气流场测量，又可以实现对实现阴燃状态烟气流场测量测量，

其采用的技术方案如下：

一种基于PIV系统的烟气流场测量装置，包括PIV系统，所述PIV系统包括电路连接的主机、控制面板、激光发生器、CCD相机，还包括：

燃烧室，所述燃烧室由可拆卸的隔板隔离成第一燃烧室、第二燃烧室，所述隔板中间及第二燃烧室右侧中间设置有中心线在同一水平高度的中心孔，所述第一燃烧室的左侧设有开口，顶部设置有第一燃烧室取样口，所述第二燃烧室的顶部设置有第二燃烧室取样口；

气缸，可拆卸地横向设置于第二燃烧室右侧面，包括设置于缸体内的活塞、水平连接活塞右侧且与缸体外的拉力计驱动连接的拉杆，所述缸体顶部设置有气缸取样口；

支架，支撑设置于所述第一燃烧室、第二燃烧室、气缸及拉力计下方。

进一步地，所述第一燃烧室取样口、第二燃烧室取样口及气缸取样口均设置有剑桥滤片。

进一步地，所述燃烧室及气缸的横截面均为方形。

进一步地，所述燃烧室、隔板、气缸采用透视性有机玻璃材质有。

进一步地，所述第一燃烧室的左下端设置有固定磁铁与支架保持紧固。

进一步地， 所述拉杆上设置设有凸台，所述支架上设置有与所述凸台相吸合以起到定位作用的定位磁铁。

进一步地，所述第二燃烧室右侧中间的中心孔内设置有用于烟支与该中心孔之间密封的橡胶垫。

本发明的另一目的在于提供采用所述的基于PIV系统的烟气流场测量装置测量烟气流场的方法，用于测量吸燃烟气流场，包括步骤：

（1）在第一燃烧室5旁边选取拍摄视角，将PIV系统的激光发生器放置在第一燃烧室前面，将CCD相机放置在第一燃烧室的侧面，相对位置呈90度，采用单通道滤光片；

（2）拆除气缸与第二燃烧室的连接，点燃烟支从第二燃烧室右侧中间的中心孔插入内并夹紧，同时将气缸与第二燃烧室连接上；

（3）拉动拉力计至适当吸压并用定位磁铁与拉杆上的凸台进行吸附定位，保持拉力计上的度数不变；打开第一燃烧室的第一燃烧室取样口，从第一燃烧室取样口采集烟锥燃烧端排放的烟气；打开第二燃烧室的第二燃烧室取样口，从第二燃烧室取样口采集透过卷烟纸烟气；打开气缸的气缸取样口，从气缸取样口采集主流烟气；

（4）开启PIV系统，对第一燃烧室中需要测量的流场部分进行标定，调整参数设置以得到清晰的流场图像；以烟气自身为示踪粒子，对其流场进行拍摄，并采集数据，对采集数据进行分析，得到混合液体的流场的数据参数；调整CCD相机的拍摄位置以及激光照射方向，采用同样地方法，对第二燃烧室烟气流场即透过卷烟纸烟气流场以及气缸内主流烟气的流场进行测量；

（5）通过控制拉力计的拉力调节气缸内的吸压，测量在不同吸压下各流场的不同情况；

（6）拆除气缸与第二燃烧室的连接部位，将烟支从第二燃烧室的右端拿出。

本发明的另一目的在于提供采用所述的基于PIV系统的烟气流场测量装置测量烟气流场的方法，用于测量阴燃烟气流场，包括步骤：

（1）在第一燃烧室旁边选取拍摄视角，将PIV系统的激光发生器放置在第一燃烧室前面，将CCD相机放置在第一燃烧室的侧面，相对位置呈90度，采用单通道滤光片；

（2）拉动拉力计至适当位置以保证主流烟气能在气缸内扩散且有足够的空间进行拍摄，拆除气缸与第二燃烧室的连接，点燃烟支从第二燃烧室右侧中间的中心孔插入内并夹紧，同时将气缸与第二燃烧室连接上；

（3）打开第一燃烧室的第一燃烧室取样口，从第一燃烧室取样口采集烟锥燃烧端排放的烟气；打开第二燃烧室的第二燃烧室取样口，从第二燃烧室取样口采集透过卷烟纸烟气；打开气缸的气缸取样口，从气缸取样口采集主流烟气；

（4）开启PIV系统，对第一燃烧室中需要测量的流场部分进行标定，调整参数设置以得到清晰的流场图像；以烟气自身为示踪粒子，对其流场进行拍摄，并采集数据，对采集数据进行分析，得到混合液体的流场的数据参数；调整CCD相机的拍摄位置以及激光照射方向，采用同样地方法，对第二燃烧室烟气流场即透过卷烟纸烟气流场以及气缸内主流烟气的流场进行测量；

（5）拆除气缸与第二燃烧室的连接部位，将烟支从第二燃烧室的右端拿出。

相比现有技术，本发明具有以下优点：

（1）本发明所述测量装置既能测量吸燃状态下的烟气流场，又能测量阴燃状态下的烟气流场，具有融合性和多功能性，同时还可以对主流烟气（MS）和侧流烟气（SS）进行采集。

（2）本发明所述测量装置具有灵活性，可以改变吸压，从而实现在不同吸压下的测量。

（3）本发明所述测量装置能够实现实时测量，可以移动PIV系统的位置，实现不同位置烟气流场的测量，方便灵活。

附图说明

图1为本发明所述基于PIV系统的烟气流场测量装置的结构示意图。

图2为实施例2测得吸燃状态下烟气流场烟气扩散示意图。

图3为实施例2测量测得吸燃状态下烟气流场的速度矢量示意图。

图4为实施例2测量的实验箱体混合液体的速度曲线示意图。

图中： 1-支架； 2-固定磁铁 ；3-开口；4-第一燃烧室取样口； 5-第一燃烧室； 6-烟支；7-隔板；8-第二燃烧室；9-第二燃烧室取样口；10-橡胶垫；11-气缸；12-气缸取样口；13-活塞；14-拉杆；15-拉力计；16-主机；17-激光发生器；18-控制面板；19-定位磁铁；20-CCD相机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

实施例1

一种基于PIV系统的烟气流场测量装置，包括PIV系统，所述PIV系统包括电路连接的主机16、控制面板18、激光发生器17、CCD相机20，还包括：

燃烧室，所述燃烧室由可拆卸的隔板7隔离成第一燃烧室5、第二燃烧室8，所述隔板7中间及第二燃烧室8右侧中间设置有中心线在同一水平高度的中心孔，所述第一燃烧室5的左侧设有开口3，顶部设置有第一燃烧室取样口4，所述第二燃烧室8的顶部设置有第二燃烧室取样口9；

气缸11，可拆卸地横向设置于第二燃烧室8右侧面，包括设置于缸体内的活塞13、水平连接活塞13右侧且与缸体外的拉力计15驱动连接的拉杆14，所述缸体顶部设置有气缸取样口12，所述气缸11横截面积应该适当大，从而保证激光能够从侧面照射进来，所述拉14杆直径适当偏小以保证激光有足够的空间通过要测量的平面；

支架1，支撑设置于所述第一燃烧室5、第二燃烧室8、气缸11及拉力计15下方。

进一步地，所述第一燃烧室取样口4、第二燃烧室取样口9及气缸取样口12均设置有剑桥滤片，以滤掉较大颗粒。

进一步地，所述燃烧室及气缸11的横截面均为方形，偏于PIV系统拍摄。

本实施例中，所述燃烧室、隔板7、气缸11采用透视性有机玻璃材质。

进一步地，所述第一燃烧室5的左下端设置有固定磁铁2与支架1保持紧固，所述拉杆14上设置设有凸台，所述支架1上设置有与所述凸台相吸合以起到定位作用的定位磁铁19，可以保持装置的牢固性和气缸11内吸压的稳定性。

进一步地，所述第二燃烧室8右侧中间的中心孔内设置有用于烟支6与该中心孔之间密封的橡胶垫10。本实施例中，第二燃烧室8深度大约为50mm。

本实施例的PIV系统为香港 Marketec 技术有限公司的产品，LIF模块为DynamicStudio公司的LIF模块，型号为80S85。

本实施例将烟支分为几段以便研究侧流烟气、主流烟气、透过卷烟纸烟气扩散机理，第一燃烧室5、第二燃烧室8之间，第二燃烧室8和气缸11之间都可以拆卸。

实施例2

本实施例采用实施例1提供的一种基于PIV系统的烟气流场测量装置测量烟气流场的方法，用于测量吸燃烟气流场，包括步骤：

（1）在第一燃烧室5旁边选取拍摄视角，将PIV系统的激光发生器17放置在第一燃烧室5前面，将CCD相机20放置在第一燃烧室5的侧面，相对位置呈90度，采用单通道滤光片；

（2）拆除气缸11与第二燃烧室8的连接，点燃烟支6从第二燃烧室8右侧中间的中心孔插入内并夹紧，同时将气缸11与第二燃烧室8连接上；

（3）拉动拉力计15至适当吸压并用定位磁铁19与拉杆14上的凸台进行吸附定位，保持拉力计15上的度数不变；打开第一燃烧室5的第一燃烧室取样口4，从第一燃烧室取样口4采集烟锥燃烧端排放的烟气；打开第二燃烧室8的第二燃烧室取样口9，从第二燃烧室取样口9采集透过卷烟纸烟气；打开气缸11的气缸取样口12，从气缸取样口12采集主流烟气；

（4）开启PIV系统，对第一燃烧室5中需要测量的流场部分进行标定，调整参数设置以得到清晰的流场图像；以烟气自身为示踪粒子，对其流场进行拍摄，并采集数据(如图2、图3)，对采集数据进行分析，得到混合液体的流场的数据参数(如图4)；调整CCD相机20的拍摄位置以及激光照射方向，采用同样地方法，对第二燃烧室8烟气流场即透过卷烟纸烟气流场以及气缸11内主流烟气的流场进行测量；

（5）通过控制拉力计15的拉力调节气缸11内的吸压，测量在不同吸压下各流场的不同情况；

（6）拆除气缸11与第二燃烧室8的连接部位，将烟支6从第二燃烧室8的右端拿出。

实施例3

本实施例采用实施例1提供的基于PIV系统的烟气流场测量装置测量烟气流场的方法，用于测量阴燃烟气流场，包括步骤：

（1）在第一燃烧室5旁边选取拍摄视角，将PIV系统的激光发生器17放置在第一燃烧室5前面，将CCD相机20放置在第一燃烧室5的侧面，相对位置呈90度，采用单通道滤光片；

（2）拉动拉力计15至适当位置以保证主流烟气能在气缸11内扩散且有足够的空间进行拍摄，拆除气缸11与第二燃烧室8的连接，点燃烟支6从第二燃烧室8右侧中间的中心孔插入内并夹紧，同时将气缸11与第二燃烧室8连接上；

（3）打开第一燃烧室5的第一燃烧室取样口4，从第一燃烧室取样口4采集烟锥燃烧端排放的烟气；打开第二燃烧室8的第二燃烧室取样口9，从第二燃烧室取样口9采集透过卷烟纸烟气；打开气缸11的气缸取样口12，从气缸取样口12采集主流烟气；

（4）开启PIV系统，对第一燃烧室5中需要测量的流场部分进行标定，调整参数设置以得到清晰的流场图像；以烟气自身为示踪粒子，对其流场进行拍摄，并采集数据，对采集数据进行分析，得到混合液体的流场的数据参数；调整CCD相机20的拍摄位置以及激光照射方向，采用同样地方法，对第二燃烧室8烟气流场即透过卷烟纸烟气流场以及气缸11内主流烟气的流场进行测量；

（5）拆除气缸11与第二燃烧室8的连接部位，将烟支6从第二燃烧室8的右端拿出。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于PIV系统的烟气流场测量装置，包括PIV系统，所述PIV系统包括电路连接的主机(16)、控制面板(18)、激光发生器(17)、CCD相机(20)，其特征在于，还包括：

燃烧室，所述燃烧室由可拆卸的隔板(7)隔离成第一燃烧室(5)、第二燃烧室(8)，所述隔板(7)中间及第二燃烧室(8)右侧中间设置有中心线在同一水平高度、用于插入并加紧烟支(6)的中心孔，所述第一燃烧室(5)的左侧设有开口(3)，顶部设置有第一燃烧室取样口(4)，所述第二燃烧室(8)的顶部设置有第二燃烧室取样口(9)；

气缸(11)，可拆卸地横向设置于第二燃烧室(8)右侧面，包括设置于缸体内的活塞(13)、水平连接活塞(13)右侧且与缸体外的拉力计(15)驱动连接的拉杆(14)，所述缸体顶部设置有气缸取样口(12)；

支架(1)，支撑设置于所述第一燃烧室(5)、第二燃烧室(8)、气缸(11)及拉力计(15)下方；

所述拉杆(14)上设置设有凸台，所述支架(1)上设置有与所述凸台相吸合以起到定位作用的定位磁铁(19)。

2.根据权利要求1所述的一种基于PIV系统的烟气流场测量装置，其特征在于：

所述第一燃烧室取样口(4)、第二燃烧室取样口(9)及气缸取样口(12)均设置有剑桥滤片。

3.根据权利要求1所述的一种基于PIV系统的烟气流场测量装置，其特征在于：所述燃烧室及气缸(11)的横截面均为方形。

4.根据权利要求1所述的一种基于PIV系统的烟气流场测量装置，其特征在于：所述燃烧室、隔板(7)、气缸(11)采用透视性有机玻璃材质。

5.根据权利要求1所述的一种基于PIV系统的烟气流场测量装置，其特征在于：所述第一燃烧室(5)的左下端设置有固定磁铁(2)与支架(1)保持紧固。

6.根据权利要求1所述的一种基于PIV系统的烟气流场测量装置，其特征在于：所述第二燃烧室(8)右侧中间的中心孔内设置有用于烟支(6)与该中心孔之间密封的橡胶垫(10)。

7.一种采用如权利要求1至6任一项所述的基于PIV系统的烟气流场测量装置测量烟气流场的方法，用于测量吸燃烟气流场，包括步骤：

(1)在第一燃烧室(5)旁边选取拍摄视角，将PIV系统的激光发生器(17)放置在第一燃烧室(5)前面，将CCD相机(20)放置在第一燃烧室(5)的侧面，相对位置呈90度，采用单通道滤光片；

(2)拆除气缸(11)与第二燃烧室(8)的连接，被点燃的烟支(6)从第二燃烧室(8)右侧中间的中心孔插入内并夹紧，同时将气缸(11)与第二燃烧室(8)连接上；

(3)拉动拉力计(15)至适当吸压并用定位磁铁(19)与拉杆(14)上的凸台进行吸附定位，保持拉力计(15)上的度数不变；打开第一燃烧室(5)的第一燃烧室取样口(4)，从第一燃烧室取样口(4)采集烟锥燃烧端排放的烟气；打开第二燃烧室(8)的第二燃烧室取样口(9)，从第二燃烧室取样口(9)采集透过卷烟纸烟气；打开气缸(11)的气缸取样口(12)，从气缸取样口(12)采集主流烟气；

(4)开启PIV系统，对第一燃烧室(5)中需要测量的流场部分进行标定，调整参数设置以得到清晰的流场图像；以烟气自身为示踪粒子，对其流场进行拍摄，并采集数据，对采集数据进行分析，得到混合液体的流场的数据参数；调整CCD相机(20)的拍摄位置以及激光照射方向，采用同样地方法，对第二燃烧室(8)烟气流场即透过卷烟纸烟气流场以及气缸(11)内主流烟气的流场进行测量；

(5)通过控制拉力计(15)的拉力调节气缸(11)内的吸压，测量在不同吸压下各流场的不同情况；

(6)拆除气缸(11)与第二燃烧室(8)的连接部位，将烟支(6)从第二燃烧室(8)的右端拿出。

8.一种采用如权利要求1至6任一项所述的基于PIV系统的烟气流场测量装置测量烟气流场的方法，用于阴燃烟气流场，包括步骤：

(1)在第一燃烧室(5)旁边选取拍摄视角，将PIV系统的激光发生器(17)放置在第一燃烧室(5)前面，将CCD相机(20)放置在第一燃烧室(5)的侧面，相对位置呈90度，采用单通道滤光片；

(2)拉动拉力计(15)至适当位置以保证主流烟气能在气缸(11)内扩散且有足够的空间进行拍摄，拆除气缸(11)与第二燃烧室(8)的连接，被点燃的烟支(6)从第二燃烧室(8)右侧中间的中心孔插入内并夹紧，同时将气缸(11)与第二燃烧室(8)连接上；

(3)打开第一燃烧室(5)的第一燃烧室取样口(4)，从第一燃烧室取样口(4)采集烟锥燃烧端排放的烟气；打开第二燃烧室(8)的第二燃烧室取样口(9)，从第二燃烧室取样口(9)采集透过卷烟纸烟气；打开气缸(11)的气缸取样口(12)，从气缸取样口(12)采集主流烟气；

(4)开启PIV系统，对第一燃烧室(5)中需要测量的流场部分进行标定，调整参数设置以得到清晰的流场图像；以烟气自身为示踪粒子，对其流场进行拍摄，并采集数据，对采集数据进行分析，得到混合液体的流场的数据参数；调整CCD相机(20)的拍摄位置以及激光照射方向，采用同样地方法，对第二燃烧室(8)烟气流场即透过卷烟纸烟气流场以及气缸(11)内主流烟气的流场进行测量；

(5)拆除气缸(11)与第二燃烧室(8)的连接部位，将烟支(6)从第二燃烧室(8)的右端拿出。