CN107884510A - 一种生物质燃油层流预混火焰传播速度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种生物质燃油层流预混火焰传播速度测量方法，属于液体燃料气化燃烧技术领域。本发明以经过精处理的生物质燃油作为燃烧剂，通过生物质燃油气相本生灯产生层流预混火焰，利用平面激光诱导荧光火焰燃烧检测系统拍摄火焰得到火焰OH自由基浓度分布图像，利用MATLAB软件对拍摄得到的图片进行处理，确定火焰锋面并计算出火焰锋面面积，并运用相关公式计算生物质燃油层流预混火焰传播速度。本发明整体设计与现有技术相比，成本低，操作便捷，所需实验燃料少，节约了实验经费，且可以有效测量不同液体燃料火焰传播速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物质燃油层流预混火焰传播速度测量方法，属于液体燃料气化燃烧技术领域。
背景技术
目前，生物质燃油作为一种清洁的可再生能源燃料，以及成为了石化燃料的最佳替代品。具有环境又好、低温流动性好、润滑性能良好、十六烷值高、可再生以及可调和等优点。生物质燃油已广泛用于窑炉、锅炉等产热设备，用于发动机作为代用燃料也有广阔的应用前景。
为将生物质燃油更好应用于现代工业之中，研究生物质燃油燃烧性能以及特性是重中之重。层流火焰传播速度是研究燃烧机理的重要参数之一，是可燃预混合气的一种基本物理属性，并且是发展和验证燃料燃烧化学反应动力学机理的重要手段，它反映了预混燃料燃烧的基本特性，对化学反应动力学验证、燃烧模型建立以及燃烧器设计有重要意义。本生灯火焰法是测量火焰传播速度的方法之一，通过本生灯产生的生物质燃油层流预混火焰，如何准确测量火焰传播速度是难点。因此，获取生物质燃油层流预混火焰锋面是准确测量火焰传播速度的必经之路。而生物质燃油作为未来有广阔前景的新能源，研究其层流火焰传播速度以及其他燃烧火焰特性对未来发展具有重要意义。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种生物质燃油层流预混火焰传播速度测量方法。本发明以经过精处理的生物质燃油作为燃烧剂，通过生物质燃油气相本生灯产生层流预混火焰，利用平面激光诱导荧光火焰燃烧检测系统拍摄火焰得到火焰OH自由基浓度分布图像，利用MATLAB软件对拍摄得到的图片进行处理，确定火焰锋面并计算出火焰锋面面积，并运用相关公式计算生物质燃油层流预混火焰传播速度。本发明通过以下技术方案实现。
该生物质燃油层流预混火焰传播速度测量包括生物质燃油气相本生灯、激光装置、ICCD相机和控制装置，激光装置包括YAG激光器、倍频晶体和染料激光器，生物质燃油气相本生灯周围设有ICCD相机，生物质燃油气相本生灯层流预混火焰一侧设有染料激光器，YAG激光器产生的激光经过倍频晶体和染料激光器后照到层流预混火焰上，控制装置与染料激光器和ICCD相机电连接。
一种生物质燃油层流预混火焰传播速度测量方法，其具体步骤如下：
（1）确定生物质燃油进样量以及空气量，按照确定量通入到生物质燃油气相本生灯中点燃，得到生物质燃油层流预混火焰；
（2）打开平面激光诱导荧光火焰检测系统拍摄火焰，得到火焰OH自由基浓度分布图像并导出，并确定火焰锋面；
（3）将步骤（2）获得火焰OH自由基浓度分布图像中的火焰锋面进行包括图像裁剪、灰度化、二值化、边缘提取、拟合曲线、计算曲线旋转后面积的批量处理，得到火焰锋面面积A；
（4）根据公式计算在该条件下的层流预混火焰传播速度，式中Sn表示本生灯火焰传播速度，V表示混合气体的流量（忽略生物质燃油进样量，空气流量即为混合气体的流量），A表示火焰锋面面积。
所述步骤（1）中生物质燃油进样量由燃料注射泵控制，流量为0.10~5mL/min。
所述步骤（1）中空气量由转子流量计控制，流量范围依据生物质燃油元素含量计算出的空燃比得出。
所述步骤（2）中的平面激光诱导荧光火焰检测系统YAG激光器产生355nm的激光，经染料激光器和倍频晶体后波长变为283.4~283.7nm，照射在生物质燃油层流预混火焰上，该波长可用于激发火焰中OH自由基到激发态，OH自由基产生波长为308nm左右的荧光，通过ICCD相机捕捉，得到火焰OH自由基浓度分布图像。
所述步骤（3）中的图像裁剪为利用Photoshop图像处理软件对火焰OH自由基浓度分布图像进行图像裁剪。
所述步骤（3）中采用MATLAB软件对裁剪后图像进行灰度化、二值化、边缘提取、拟合曲线、计算曲线旋转后面积的批量处理，得到火焰锋面面积A。
本发明的有益效果是：本发明整体设计与现有技术相比，成本低，操作便捷，所需实验燃料少，节约了实验经费，且可以有效测量不同液体燃料火焰传播速度。
附图说明
图1是本发明工作流程示意图；
图2是本发明实施例1不同当量比小桐子生物柴油层流预混火焰传播速度变化曲线图；
图3为实施例2不同温度、当量比地沟油生物柴油层流预混火焰传播速度变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
该生物质燃油层流预混火焰传播速度测量包括生物质燃油气相本生灯、激光装置、ICCD相机和控制装置，激光装置包括YAG激光器、倍频晶体和染料激光器，生物质燃油气相本生灯周围设有ICCD相机，生物质燃油气相本生灯层流预混火焰一侧设有染料激光器，YAG激光器产生的激光经过倍频晶体和染料激光器后照到层流预混火焰上，控制装置与染料激光器和ICCD相机电连接。
如图1所示，该生物质燃油层流预混火焰传播速度测量方法，其具体步骤如下：
（1）确定生物质燃油进样量以及空气量（依据小桐子生物柴油元素含量计算出的空燃比分别为13.1:1，使当量比（即为单位质量的燃料完全燃烧所需的理论空气质量与实际供给的空气质量之比）分别为0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.5、1.8、2.0，生物质燃油进样量由燃料注射泵控制，流量为0.16 mL/min），按照确定量通入到生物质燃油气相本生灯中点燃（将小桐子生物柴油与空气混合后预热到200℃），得到生物质燃油层流预混火焰；
（2）打开平面激光诱导荧光火焰检测系统拍摄火焰，得到火焰OH自由基浓度分布图像并导出，并确定火焰锋面，具体为：平面激光诱导荧光火焰检测系统YAG激光器产生355nm的激光，经染料激光器和倍频晶体后波长变为283.4~283.7nm，照射在生物质燃油层流预混火焰上，该波长可用于激发火焰中OH自由基到激发态，OH自由基产生波长为308nm左右的荧光，通过ICCD相机捕捉，得到火焰OH自由基浓度分布图像；
（3）将步骤（2）获得火焰OH自由基浓度分布图像中的火焰锋面进行包括图像裁剪、灰度化、二值化、边缘提取、拟合曲线、计算曲线旋转后面积的批量处理，得到火焰锋面面积A；具体为：图像裁剪为利用Photoshop图像处理软件对火焰OH自由基浓度分布图像进行图像裁剪；采用MATLAB软件对裁剪后图像进行灰度化、二值化、边缘提取、拟合曲线、计算曲线旋转后面积的批量处理，得到火焰锋面面积A；
（4）根据公式计算在该条件下的层流预混火焰传播速度，式中Sn表示本生灯火焰传播速度，V表示混合气体的流量（忽略生物质燃油进样量，空气流量即为混合气体的流量），A表示火焰锋面面积。
实际获得的结果如表1所示，不同当量比小桐子生物柴油层流预混火焰传播速度变化曲线图如图2所示，从图2中可以看出小桐子生物柴油层流火焰锋面面积在当量比为1.1附近时达到最小，约为0.62cm2；当量比为2.0时，火焰锋面面积可达5.38cm2；小桐子生物柴油层流火焰传播速度随当量比的增大，呈现先增大后减小的趋势。当量比在1.0附近，层流火焰传播速度取得最大值，约为35.429cm/s。
表1
。
实施例2
该生物质燃油层流预混火焰传播速度测量包括生物质燃油气相本生灯、激光装置、ICCD相机和控制装置，激光装置包括YAG激光器、倍频晶体和染料激光器，生物质燃油气相本生灯周围设有ICCD相机，生物质燃油气相本生灯层流预混火焰一侧设有染料激光器，YAG激光器产生的激光经过倍频晶体和染料激光器后照到层流预混火焰上，控制装置与染料激光器和ICCD相机电连接。
如图1所示，该生物质燃油层流预混火焰传播速度测量方法，其具体步骤如下：
（1）确定生物质燃油进样量以及空气量（依据地沟油生物柴油元素含量计算出的空燃比分别为13.3 : 1，使当量比（即为单位质量的燃料完全燃烧所需的理论空气质量与实际供给的空气质量之比）分别为1.16、1.33、1.55、1.86、2.33，生物质燃油进样量由燃料注射泵控制，流量为0.16mL/min），按照确定量通入到生物质燃油气相本生灯中点燃（将不同空燃比的生物质燃油和空气通入到生物质燃油气相本生灯中混合后，分别预热到200℃、240℃和280℃），得到生物质燃油层流预混火焰；
（2）打开平面激光诱导荧光火焰检测系统拍摄火焰，得到火焰OH自由基浓度分布图像并导出，并确定火焰锋面，具体为：平面激光诱导荧光火焰检测系统YAG激光器产生355nm的激光，经染料激光器和倍频晶体后波长变为283.4~283.7nm，照射在生物质燃油层流预混火焰上，该波长可用于激发火焰中OH自由基到激发态，OH自由基产生波长为308nm左右的荧光，通过ICCD相机捕捉，得到火焰OH自由基浓度分布图像；
（3）将步骤（2）获得火焰OH自由基浓度分布图像中的火焰锋面进行包括图像裁剪、灰度化、二值化、边缘提取、拟合曲线、计算曲线旋转后面积的批量处理，得到火焰锋面面积A；具体为：图像裁剪为利用Photoshop图像处理软件对火焰OH自由基浓度分布图像进行图像裁剪；采用MATLAB软件对裁剪后图像进行灰度化、二值化、边缘提取、拟合曲线、计算曲线旋转后面积的批量处理，得到火焰锋面面积A；
（4）根据公式计算在该条件下的层流预混火焰传播速度，式中Sn表示本生灯火焰传播速度，V表示混合气体的流量（忽略生物质燃油进样量，空气流量即为混合气体的流量），A表示火焰锋面面积。
实际获得的结果如表2所示，不同温度、当量比地沟油生物柴油层流预混火焰传播速度变化曲线如图3所示，从图3中可以看出相同当量比时，层流火焰传播速度随预混气加热温度的升高而增大。
表2
。
实施例3
该生物质燃油层流预混火焰传播速度测量包括生物质燃油气相本生灯、激光装置、ICCD相机和控制装置，激光装置包括YAG激光器、倍频晶体和染料激光器，生物质燃油气相本生灯周围设有ICCD相机，生物质燃油气相本生灯层流预混火焰一侧设有染料激光器，YAG激光器产生的激光经过倍频晶体和染料激光器后照到层流预混火焰上，控制装置与染料激光器和ICCD相机电连接。
如图1所示，该生物质燃油层流预混火焰传播速度测量方法，其具体步骤如下：
（1）确定生物质燃油进样量以及空气量（依据小桐子生物柴油元素含量计算出的空燃比分别为13.1:1，生物质燃油进样量由燃料注射泵控制，流量为5mL/min），按照确定量通入到生物质燃油气相本生灯中点燃（将小桐子生物柴油与空气混合后预热到220℃），，得到生物质燃油层流预混火焰；
（2）打开平面激光诱导荧光火焰检测系统拍摄火焰，得到火焰OH自由基浓度分布图像并导出，并确定火焰锋面，具体为：平面激光诱导荧光火焰检测系统YAG激光器产生355nm的激光，经染料激光器和倍频晶体后波长变为283.4~283.7nm，照射在生物质燃油层流预混火焰上，该波长可用于激发火焰中OH自由基到激发态，OH自由基产生波长为308nm左右的荧光，通过ICCD相机捕捉，得到火焰OH自由基浓度分布图像；
（3）将步骤（2）获得火焰OH自由基浓度分布图像中的火焰锋面进行包括图像裁剪、灰度化、二值化、边缘提取、拟合曲线、计算曲线旋转后面积的批量处理，得到火焰锋面面积A；具体为：图像裁剪为利用Photoshop图像处理软件对火焰OH自由基浓度分布图像进行图像裁剪；采用MATLAB软件对裁剪后图像进行灰度化、二值化、边缘提取、拟合曲线、计算曲线旋转后面积的批量处理，得到火焰锋面面积A；
（4）根据公式计算在该条件下的层流预混火焰传播速度，式中Sn表示本生灯火焰传播速度，V表示混合气体的流量（忽略生物质燃油进样量，空气流量即为混合气体的流量），A表示火焰锋面面积。
实施例4
该生物质燃油层流预混火焰传播速度测量包括生物质燃油气相本生灯、激光装置、ICCD相机和控制装置，激光装置包括YAG激光器、倍频晶体和染料激光器，生物质燃油气相本生灯周围设有ICCD相机，生物质燃油气相本生灯层流预混火焰一侧设有染料激光器，YAG激光器产生的激光经过倍频晶体和染料激光器后照到层流预混火焰上，控制装置与染料激光器和ICCD相机电连接。
如图1所示，该生物质燃油层流预混火焰传播速度测量方法，其具体步骤如下：
（1）确定生物质燃油进样量以及空气量（依据小桐子生物柴油元素含量计算出的空燃比分别为13.1:1，生物质燃油进样量由燃料注射泵控制，流量为4mL/min），按照确定量通入到生物质燃油气相本生灯中点燃（将小桐子生物柴油与空气混合后预热到240℃），，得到生物质燃油层流预混火焰；
（2）打开平面激光诱导荧光火焰检测系统拍摄火焰，得到火焰OH自由基浓度分布图像并导出，并确定火焰锋面，具体为：平面激光诱导荧光火焰检测系统YAG激光器产生355nm的激光，经染料激光器和倍频晶体后波长变为283.4~283.7nm，照射在生物质燃油层流预混火焰上，该波长可用于激发火焰中OH自由基到激发态，OH自由基产生波长为308nm左右的荧光，通过ICCD相机捕捉，得到火焰OH自由基浓度分布图像；
（3）将步骤（2）获得火焰OH自由基浓度分布图像中的火焰锋面进行包括图像裁剪、灰度化、二值化、边缘提取、拟合曲线、计算曲线旋转后面积的批量处理，得到火焰锋面面积A；具体为：图像裁剪为利用Photoshop图像处理软件对火焰OH自由基浓度分布图像进行图像裁剪；采用MATLAB软件对裁剪后图像进行灰度化、二值化、边缘提取、拟合曲线、计算曲线旋转后面积的批量处理，得到火焰锋面面积A；
（4）根据公式计算在该条件下的层流预混火焰传播速度，式中Sn表示本生灯火焰传播速度，V表示混合气体的流量（忽略生物质燃油进样量，空气流量即为混合气体的流量），A表示火焰锋面面积。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (6)
1.一种生物质燃油层流预混火焰传播速度测量方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）确定生物质燃油进样量以及空气量，按照确定量通入到生物质燃油气相本生灯中点燃，得到生物质燃油层流预混火焰；
（2）打开平面激光诱导荧光火焰检测系统拍摄火焰，得到火焰OH自由基浓度分布图像并导出，并确定火焰锋面；
（3）将步骤（2）获得火焰OH自由基浓度分布图像中的火焰锋面进行包括图像裁剪、灰度化、二值化、边缘提取、拟合曲线、计算曲线旋转后面积的批量处理，得到火焰锋面面积A；
（4）根据公式计算在该条件下的层流预混火焰传播速度，式中Sn表示本生灯火焰传播速度，V表示混合气体的流量，A表示火焰锋面面积。
2.根据权利要求1所述的生物质燃油层流预混火焰传播速度测量方法，其特征在于：所述步骤（1）中生物质燃油进样量由燃料注射泵控制，流量为0.10~5mL/min。
3.根据权利要求1所述的生物质燃油层流预混火焰传播速度测量方法，其特征在于：所述步骤（1）中空气量由转子流量计控制，流量范围依据生物质燃油元素含量计算出的空燃比得出。
4.根据权利要求1所述的生物质燃油层流预混火焰传播速度测量方法，其特征在于：所述步骤（2）中的平面激光诱导荧光火焰检测系统YAG激光器产生355nm的激光，经染料激光器和倍频晶体后波长变为283.4~283.7nm，照射在生物质燃油层流预混火焰上，通过ICCD相机捕捉，得到火焰OH自由基浓度分布图像。
5.根据权利要求1所述的生物质燃油层流预混火焰传播速度测量方法，其特征在于：所述步骤（3）中的图像裁剪为利用Photoshop图像处理软件对火焰OH自由基浓度分布图像进行图像裁剪。
6.根据权利要求1所述的生物质燃油层流预混火焰传播速度测量方法，其特征在于：所述步骤（3）中采用MATLAB软件对裁剪后图像进行灰度化、二值化、边缘提取、拟合曲线、计算曲线旋转后面积的批量处理，得到火焰锋面面积A。
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2017
- 2017-12-21 CN CN201710983968.4A patent/CN107884510A/zh active Pending
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