CN104793006B - 一种高气压下燃料层流和湍流火焰速度的测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种高气压下燃料层流和湍流火焰速度的测量系统及方法，包括用于基于高气压双腔体燃烧器的测量装置，以及层流和湍流火焰速度测量方法。在双腔体燃烧器的内腔体中充满特定燃料的可燃预混气体，外腔体中充满与内腔体等压力等密度的惰性气体，通过高电压脉冲发生器使位于内腔体中心的电极产生电火花以引发可燃气体点火，在点火瞬间导通内外腔体以保证腔体内气压恒定，并同时触发高速相机进行纹影拍摄，最后通过处理火焰面传播图像得到此种燃料在特定压力下的火焰传播速度。通过控制湍流发生器的工作与否，可以分别得到湍流火焰速度与层流火焰速度；通过PIV粒子示踪技术可以标定火焰湍流场的湍流强度。

Description

一种高气压下燃料层流和湍流火焰速度的测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种高气压下燃料层流和湍流火焰速度的测量系统及方法，具体说是一种利用双腔体结构实现火焰恒压条件、通过产生球形火焰并捕捉其火焰边界以获得火焰传播速度这一重要参数的装置和方法，从而实现各类气体燃料在不同气压下层流和湍流火焰速度的精确测量，并可用于判断其相应最小点火能。

背景技术

火焰传播速度是刻画可燃预混气体燃烧速率的重要参数，包括层流火焰传播速度和湍流火焰传播速度两种，其测量数据对航空航天、能源、交通、火灾预防与扑救意义重大，受到工程界和科学界长期而密切的关注。火焰传播速度与燃料比例、预混气特性、环境压力、流场分布、散热损失有直接关系，当前国内外主要利用本生灯火焰、平面火焰、对冲火焰、球形火焰这几种火焰形态测量火焰速度，其中由于球形火焰具有准一维火焰形态、散热损失小、流场分布可控性强的特点越来越受到研究者的关注。然而，已有的球形火焰测速装置采用单腔体设计，由于燃烧释热气体膨胀，使得火焰面所处压力不恒定，火焰速度不断变化，导致测量不准确，极大的限制了相关的研究和应用。此外，在传统测量装置中由于湍流强度均匀度不高、对称性差、流场参数可控性低，导致湍流火焰速度测量困难。解决上述问题已经成为广泛而迫切的需求。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高气压下燃料层流和湍流火焰速度的测量系统及方法：具体来说，该系统采用内、外双腔体结构，在内腔体填充可燃预混气，在外腔体填充与内腔体等压力等密度的惰性气体，在内腔火焰点火瞬间导通内外腔体，以实现火焰扩张过程中所处压力恒定，进而测量得到恒定压力下的火焰传播速度。通过在本系统中空间对称布置湍流风扇，精确控制转速，可以产生不同强度的对称、均匀、可控湍流场，从而实现湍流火焰速度的精确测量。该装置及方法可以满足航空航天、能源、交通、火灾预防与扑救等领域的基础研究和工业应用。

本发明的技术方案：

本发明的目的之一在于提供一种高气压下燃料层流和湍流火焰速度的测量系统，该系统含有高气压双腔体燃烧器、湍流发生器、脉冲点火装置、纹影光源、PIV激光光源以及高速摄像测量装置；所述高气压双腔体燃烧器包括内外两个腔体、内外腔导通阀门、石英观察窗、激光入射窗口；所述湍流发生器包括高速电机、湍流风扇以及其连接轴；所述脉冲点火装置包括高电压脉冲发生器、点火电极以及其连接导线；纹影光源和高速摄像机固定在石英视窗两侧。

优选地，该测量系统进一步限定所述的高压双腔体燃烧器采用内、外双腔体设计，外腔体与内腔体容积比范围为5-100，优选10-50，进一步优选为20，外腔体与内腔体之间安装一个或多个内外腔导通阀门，并装配一个或多个湍流发生器。

优选地，该测量系统进一步限定所述的内外腔导通阀门采用O型圈密封，每个阀门含有一个或多个导通孔，通过阀门旋转控制导通孔打开或关闭。

优选地，该测量系统进一步限定所述的湍流发生器由高速电机、湍流风扇以及其连接轴构成，高速电机转速范围为0-30000转/分钟，湍流风扇采用多孔圆环与肋板轮毂结构，连接轴采用柔性材质。

优选地，该测量系统进一步限定所述的脉冲点火装置由高电压脉冲发生器、点火电极以及其连接导线组成，高电压脉冲发生器电压范围为0-200kV，电流波形为正弦波或方波；点火电极直径为0.05-10mm。

本发明的另一目的在于提供一种高气压下燃料层流和湍流火焰速度的测量方法，该方法包含以下步骤：

步骤1：湍流度标定：在湍流火焰速度的测量之前，须调节湍流发生器，使用PIV粒子示踪法标定不同湍流风扇转速下的平均湍流度。

步骤2：燃料加注：在内腔体加注可燃预混气，在外腔体加注与内腔体可燃预混气等压力等密度的惰性气体。

步骤3：设定湍流发生器：在湍流火焰速度的测量之前，对照湍流度标定数据，设定湍流风扇转速等参数。

步骤4：点火：使用高电压脉冲发生器，在点火电极之间形成高电压场，产生电火花点燃预混气，与此同时打开内外腔导通阀门，并触发高速摄像机开始拍摄。

步骤5：判断最小点火能：通过调整脉冲点火装置点火电压，确定可成功点火的最小能量即得到此种预混气的最小点火能

步骤6：测量：通过高速摄像机得到成功点火后火焰面在纹影光源下的传播图像，

步骤7：后处理：利用图像处理捕捉火焰面边缘运动情况，并以此计算火焰传播速度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：①使用大容积比双腔结构，保证整体压力恒定，可获得以均匀速度传播的火焰形态。②整体结构密封，适用于低压或高压下火焰传播速度的测量。③湍流风扇空间对称布置，转速范围广且控制精确，可以产生对称、均匀、可控湍流场。④内腔体尺寸大，可观测火焰区域广，壁面效应影响小。⑤采用高压脉冲点火装置，可以量化可燃气最小点火能量。⑥适用各类可燃气体火焰速度的测量。本发明的装置和方法可以获得各种燃料在不同混合当量比、不同压力下的层流火焰速度和最小点火能量，以及各种燃料在不同混合当量比、不同压力、不同湍流度下的湍流火焰速度和最小点火能量，测量数据可广泛应用于航空航天、能源、交通、火灾预防与扑救等领域的科研和生产实践。

附图说明

图1为本发明系统的结构原理示意图。

图中：1-高电压脉冲发生器，2-纹影光源，3-高速电机，4-内腔体，5-外腔体，6-石英视窗，7-湍流风扇，8-点火电极，9-PIV激光光源，10-高速摄像机，11-内外腔导通阀门，12-激光入射窗口

图2为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理、结构，及其工作过程作进一步的说明。

本发明所述的一种高气压下燃料层流和湍流火焰速度的测量系统及方法，系统含有高气压双腔体燃烧器、湍流发生器、脉冲点火装置、纹影光源2、PIV激光光源9以及高速摄像测量装置；所述高速摄像测量装置包括高速摄像机，所述高气压双腔体燃烧器包括内外两个腔体、内外腔导通阀门11、石英视窗6、激光入射窗口12；内外腔导通阀门11设置于内外腔体之间，用于根据需要导通内外腔体；激光入射窗口12设置于外腔体侧壁，PIV激光光源9固定于外腔体外，对准激光入射窗口12；两块石英视窗6相对设置于外腔体端面，纹影光源2和高速摄像机10分别固定在石英视窗6两侧，相对设置；所述湍流发生器包括高速电机3、湍流风扇7以及其连接轴，湍流风扇设置在内腔体内部，高速电机3设置在外腔体5外部；所述脉冲点火装置包括高电压脉冲发生器1、点火电极8以及其连接导线，点火电极2设置在内腔体4内部，高电压脉冲发生器1设置在外腔体5外部；在湍流火焰速度的测量之前，先调节湍流发生器，使用PIV粒子示踪法标定不同湍流风扇7转速下的平均湍流度。

将甲烷(CH4)、氧气(O2)、氮气(N2)按照1:2:7.52的分压比依次充入内腔体4至5个大气压，与此同时，在外腔体5按照3:10的分压比依次充入氦气(He2)和氮气(N2)至同等压力。静置5min，使内腔和外腔气体分别充分预混。

将八个湍流风扇7的转速同时设定为4000转/分钟，等待1分钟，使湍流场稳定。打开纹影光源2，开启高速摄像机10，并将高电压脉冲发生器1调节至60kV。打开点火开关，在点火电极8之间形成高电压场，产生电火花点燃内腔体内的可燃气，并同步打开内外腔导通阀11并触发高速摄像机10开始拍摄。

导出高速摄像机10的图像，捕捉火焰边缘，计算出湍流火焰平均速度。

按照上述方法得到5个大气压下、湍流度为7000(湍流发生器标定值4000转/分钟)，甲烷在当量比为1(即甲烷、氧气、氮气体积比为1:2:7.52)的湍流火焰速度为122.5cm/s，火焰所在腔体环境气压上升<4％，恒压条件良好。

Claims (2)

1.一种高气压下燃料层流和湍流火焰速度的测量系统，其特征在于：该系统含有高气压双腔体燃烧器、湍流发生器、脉冲点火装置、纹影光源、PIV激光光源以及高速摄像测量装置；所述高气压双腔体燃烧器包括内外两个腔体、内外腔导通阀门、石英观察窗、激光入射窗口；所述高速摄像测量装置包括高速摄像机，所述纹影光源和高速摄像机固定于石英视窗两侧；所述的高气压双腔体燃烧器外腔体和内腔体容积比为20；所述内外腔导通阀门采用O型圈密封，每个阀门含有一个或多个导通孔，通过阀门旋转控制导通孔打开或关闭；所述的湍流发生器由高速电机、湍流风扇以及其连接轴构成，高速电机转速范围为0-30000转/分钟，湍流风扇采用多孔圆环与肋板轮毂结构，连接轴采用柔性材质；所述的脉冲点火装置由高电压脉冲发生器、点火电极以及其连接导线组成，高电压脉冲发生器的电压范围为0-200KV，电流波形为正弦波或方波，点火电极直径为0.05-5mm。

2.一种高气压下燃料层流和湍流火焰速度的测量方法，其采用如权利要求1所述的高气压下燃料层流和湍流火焰速度的测量系统，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)湍流度标定:在湍流火焰速度的测量之前，调节湍流发生器，使用PIV示踪法标定不同湍流风扇转速下的平均湍流度，

2)燃料加注：在内腔体加注可燃预混气，在外腔体加注与内腔体可燃预混气等压力等密度的惰性气体；

3)设定湍流发生器:在湍流火焰速度的测量之前，对照湍流度标定数据，设定湍流风扇转速参数，

4)点火：使用高电压脉冲发生器，在点火电极之间形成高压电场，产生电火花点燃预混气，与此同时打开内外腔导通阀门，并触发高速摄像机开始拍摄；

5)判断最小点火能，通过调整脉冲点火装置点火电压，确定可成功点火的最小能量，即得到此种混合气体的最小点火能；

6)测量：通过高速摄像机得到成功点火后火焰面在纹影光源下的传播图像；

7)后处理：利用图像处理捕捉火焰面边缘运动情况，并以此计算火焰传播速度。