CN108318254B - 一种用于测量声波对自由传播火焰影响的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量声波对自由传播火焰影响的装置及方法。该装置包括定容燃烧弹、进样系统、点火系统、光学纹影系统和声学系统。定容燃烧弹容纳有预混可燃气，进样系统为定容燃烧弹的腔体提供预混可燃气。点火系统具有点火电极，用于对预混可燃气进行点火。声学系统具有声波发生装置，用于对定容燃烧弹腔体提供声波激励。定容燃烧弹的腔体的侧壁固定有相对的两个法兰，腔体的顶面和底面均安装有一个法兰，其中腔体的侧壁的两个法兰分别装有声波发生装置和点火电极，顶面和底面的两个法兰均装有透明视窗，作为光学纹影系统的光路，从而光学纹影系统记录在声波作用下火焰的传播过程。本发明解决了如何测量声波对自由传播火焰影响的问题。

Description

一种用于测量声波对自由传播火焰影响的装置和方法

技术领域

本发明涉及发动机领域与燃烧学领域，特别涉及一种用于检测声波对自由传播火焰影响的装置及方法。

背景技术

为了达到严格的发动机污染排放标准，发动机工业越来越多地采用贫燃预混燃烧方式来降低NOx等污染物的排放。贫燃预混燃烧虽然可以有效改善NOx排放，但是容易受到燃烧不稳定性的影响，特别是热声不稳定性。热声不稳定性是发动机燃烧室内的声波和火焰热释放的复杂耦合效应，可导致压力波的产生，进而引起火焰吹熄、回火、发动机损坏等严重后果。此外在内燃机中，热声耦合导致的压力振荡也与燃烧过程，特别是爆震燃烧关系紧密。因此，学术界和工业界一直进行着声波对火焰的影响研究，并探索抑制热声不稳定性的方法。层流火焰被广泛用于研究声波影响火焰的基本物理过程，但前人主要采用的是位于燃烧炉上的驻定火焰进行研究。在实际发动机燃烧中，驻定火焰主要发生在航空发动机和燃气轮机的稳定燃烧条件下，而内燃机的主要燃烧形式是自由传播火焰，航空发动机和燃气轮机不稳定燃烧情况下，也常常会发生火焰传播现象，这些都要求有能够研究声波对自由传播火焰影响的装置及方法。

定容燃烧弹在上个世纪三十年代便开始作为研究自由传播火焰，也是当前研究自由传播火焰的主要装置。将所需研究的燃料气体和空气按照一定比例在燃烧弹腔体内混合成为一定当量比的可燃混合气。在点火电极放电下，可燃气体被点燃并逐渐发展成为向外传播的球形火焰。通过腔体上的视窗，可利用纹影法将球形火焰的传播过程记录成为视频数据。在点火初期，球形火焰的传播会受到初始点火能的影响，当球形火焰的直径与腔体尺寸接近时，球形火焰的传播会受到壁面的影响。在中间的范围，便是球形火焰的自由传播过程。我们经文献调研发现，目前还没有涉及声波对自由传播火焰影响的工作，也没有相关装置和平台，因此亟需发明一套可以耦合声波和自由传播火焰的实验装置，来解决该领域的技术和科学问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于测量声波对自由传播火焰影响的装置和方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于测量声波对自由传播火焰影响的装置，所述装置包括定容燃烧弹、进样系统、点火系统、光学纹影系统和声学系统，其中所述定容燃烧弹与所述进样系统、所述点火系统和所述声学系统连接，其中所述定容燃烧弹容纳有一定压力和当量比的预混可燃气，所述进样系统为所述定容燃烧弹的腔体提供预混可燃气，所述点火系统具有点火电极，用于对预混可燃气进行点火，以及所述声学系统具有声波发生装置，并用于对所述定容燃烧弹的腔体内提供声波激励和对声波信息进行处理；其中所述定容燃烧弹的腔体的侧壁固定有相对的两个法兰，所述腔体的顶面和底面均安装有一个法兰，其中所述腔体的侧壁的两个法兰分别装有所述声波发生装置和所述点火电极；以及所述腔体的顶面和底面的两个法兰均装有透明视窗，作为所述光学纹影系统的光路，从而所述光学纹影系统记录在声波作用下火焰的传播过程。

一实施例中，所述进样系统包括气瓶、液体进样泵、气化罐、压力监测单元和真空泵，其中所述气瓶经由第一连接管道连接于主管道，第一连接管道上设有第一阀门，所述液体进样泵连接于所述气化罐，所述气化罐经由第二连接管道连接于所述主管道，所述第二连接管道上设有第二阀门，所述真空泵经由第三连接管道连接于所述主管道，所述第三连接管道上设有第三阀门，以及所述主管道与所述定容燃烧弹连接并设有第四阀门。

一实施例中，所述装置进一步包括温控系统，所述温控系统用于调节所述定容燃烧弹的腔体和所述主管道的温度，其中所述温控系统包括加热和控温单元。

一实施例中，所述点火系统进一步包括高压电源和触发器，所述高压电源提供可调的电压输入，所述触发器用于使所述点火电极放电。

一实施例中，所述光学纹影系统包括汞灯和高速摄像机，其中所述汞灯、所述定容燃烧弹和所述高速摄像机依次共轴布置，所述汞灯和所述高速摄像机分别正对着所述定容燃烧弹的顶面和底面的法兰的透明视窗。

一实施例中，所述装置进一步包括计算机系统，所述声波发生装置具有扬声器，通过所述计算机系统使所述扬声器发出不同频率的声波，并通过所述计算机系统对通过所述光学纹影系统所得到的图像信息和所述声学系统的声波信息进行进一步处理，从而得到声波影响自由传播火焰的物理规律。

一实施例中，所述声波发生装置具有扬声器，所述扬声器的外面设有金属网，所述扬声器的侧壁采用金属套管包裹扬声器的内部电子和电路元件，只露出振动发声的膜片。

一实施例中，所述定容燃烧弹的顶面和底面的法兰的透明视窗由石英制成，以及所述高速摄像机的帧率超过10000fps。

本发明还提供了一种用于测量声波对自由传播火焰影响的方法，所述方法包括步骤：

步骤S1：提供如权利要求1所述的用于测量声波对自由传播火焰影响的装置，其中所述光学纹影系统包括汞灯和高速摄像机，其中所述汞灯、所述定容燃烧弹和所述高速摄像机依次共轴布置，所述点火系统进一步包括高压电源和触发器；

步骤S2：通过所述进样系统在所述定容燃烧弹内充入一定压力和当量比的预混可燃气；

步骤S3：通过计算机系统控制所述声波发生装置发出一定频率的声波，并使所述高速摄像机处于拍摄状态，通过所述点火系统点燃所述定容燃烧弹的腔体内的预混可燃气，通过所述高速摄像机将火焰在声波影响下的传播过程拍摄下来并传输至所述计算机系统以进行分析。

一实施例中，所述进样系统包括气瓶、液体进样泵、气化罐、压力监测单元和真空泵，其中所述气瓶经由第一连接管道连接于主管道，第一连接管道上设有第一阀门，所述液体进样泵连接于所述气化罐，所述气化罐经由第二连接管道连接于所述主管道，所述第二连接管道上设有第二阀门，所述真空泵经由第三连接管道连接于所述主管道，所述第三连接管道上设有第三阀门，以及所述主管道与所述定容燃烧弹连接并设有第四阀门；步骤S2中，液体燃料通过所述液体进样泵泵入所述气化罐，在气化罐里气化，然后通入所述定容燃烧弹的腔体进行配气，通过所述压力监测单元在所述定容燃烧弹内充入燃料至所计算得到的压强，然后充入空气至设定压强，从而配好一定压力和当量比的预混可燃气。

本发明提出了一种测量声波对自由传播火焰影响的装置和方法，可以为认识发动机燃烧室内的声波和火焰热释放的复杂耦合效应，并抑制由于压力波的产生从而引起的火焰吹熄、回火、发动机损坏等严重后果提供技术支撑。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的用于测量声波对自由传播火焰影响的装置的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。

除非语境有其它需要，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”和其变型，诸如“包含”和“具有”应被理解为开放的、包含的含义，即应解释为“包括，但不限于”。

在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。

如该说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一”和“所述”包括复数指代物，除非文中清楚地另外规定。应当指出的是术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非文中清楚地另外规定。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

图1是根据本发明的一个实施例的测量声波对自由传播火焰影响的装置100。如图1所示，该装置包括定容燃烧弹22、进样系统、温控系统18、点火系统23、光学纹影系统和声学系统，其中定容燃烧弹22与进样系统、点火系统23和声学系统连接。定容燃烧弹22容纳有一定压力和当量比的预混可燃气。进样系统为定容燃烧弹22的腔体提供预混可燃气。点火系统23具有点火电极2，用于对预混可燃气进行点火。声学系统具有声波发生装置1，并用于对定容燃烧弹22腔体提供声波激励和对声波信息进行处理。光学纹影系统用于记录在声波作用下火焰的自由传播过程的图像。从而，通过对图像进行分析，可获得声波对火焰自由传播过程的影响。

以下，对上述的装置100的各个组成部分进行详细描述。

定容燃烧弹

定容燃烧弹22具有腔体24。腔体24的内部预先充满预混可燃气，为实验提供自由传播的球形火焰。燃烧弹腔体24上固定有四个法兰，其中一个侧面的法兰25安装声波发生装置1，为流场提供声波激励，另一个侧面的法兰26装置有点火电极2，用于对可燃混合气点火。顶面的法兰3装置一块石英玻璃视窗，底面的法兰4装置一块石英玻璃视窗，作为光学纹影系统的光路。

进样系统

进样系统包括气瓶5、液体进样泵6、气化罐7、压力监测单元8和真空泵9，其中气瓶5经由第一连接管道10连接于主管道13。第一连接管道10上设有第一阀门14。液体进样泵6连接于气化罐7。气化罐7经由第二连接管道11连接于主管道13。第二连接管道11上设有第二阀门15。真空泵9经由第三连接管道12连接于主管道13。第三连接管道12上设有第三阀门16。主管道13与定容燃烧弹连接并设有第四阀门17。

压力监测单元可对定容燃烧弹腔体内部的压强进行实时监测。实验过程中，需要配置一定当量比的可燃混合气。通过所研究燃料的分子式以及所需可燃混合气的当量比，可以算得燃料与空气摩尔分数的比值。由于实验所需的可燃混合气的压强是已知的，在实验所要求的初始压强和温度情况下，燃料气体和空气均可按照理想气体来处理。因此，按照道尔顿分压定律，可由燃料与空气的摩尔分数比值得到燃料与空气的各自分压。配气时，通过压力监测单元监测燃烧弹腔体内部的压强，便可配得所需当量比的可燃混合气体。压力监测单元可以有本领域已知的任何合适的装置来实现，其可以包括处理器、传感器等器件。

温控系统

温控系统18由对燃烧弹22和进气管路(即各连接管道)两部分的加热和控温单元组成。用于调节定容燃烧弹22的腔体24和主管道13的温度。

温控系统可对燃烧弹和管道的温度进行调节，从而使其在可允许误差范围内保持在设定温度。为了进行液体燃料的实验研究，需用温控系统将燃烧弹和管路系统调节到令燃料饱和蒸汽压高于所需燃料分压的温度。液体燃料由液体进样泵控制进入气化罐气化，然后通入燃烧弹进行配气。

点火系统

点火系统23包括高压电源和放电电极2。高压电源提供可调的电压输入、放电时电压可达几十千伏。点火电极2置于定容燃烧弹22内并与声波发送装置1相对。工作时，工作人员可以手动按下触发器，使点火电极2放电。

光学纹影系统

光学纹影系统通过纹影法采集声波作用的球形火焰自由传播过程。纹影法是一种反应被测视场内密度一阶导数变化的方法，其对被测视场内密度的骤变敏感度高。而球形火焰在传播过程中，火焰面的位置是流场内密度变化最剧烈的地方，因此，用纹影法可以清楚地得到球形火焰在视场内的自由传播图像。

光学纹影系统包括高速摄像机20和汞灯19等。由汞灯19提供纹影光源，由帧率超过10000fps的高速摄像机20记录火焰自由传播过程以及受声波影响的过程。汞灯19、光阑29、定容燃烧弹22、光阑30和高速摄像机20依次共轴布置。光阑29和光阑30分别布置于透镜27和28的焦点处。光学纹影系统也可以采用本领域已知的其他任何合适的器件来组成。

声学系统

声学系统包括扬声器、保护单元和计算机系统21。扬声器的外面设有金属网。扬声器的侧壁采用金属套管包裹扬声器的内部电子和电路元件，只露出振动发声的膜片，其高比热容保证扬声器内部不会被周边高温气体加热破坏。这两种措施结合起来，可起到保护扬声器的作用。当火焰传播到扬声器附近时，金属网可以使火焰淬灭，从而保证扬声器不会被高温火焰直接烧蚀。计算机系统21使扬声器发出不同频率的声波，并对声波信息进行进一步处理。

计算机系统

计算机系统21使扬声器发出不同频率的声波，并对通过光学纹影系统所得到的图像信息和声学系统的声波信息进行进一步处理，从而得到声波影响自由传播火焰的物理规律。

本发明还提供了一种测量声波对自由传播火焰影响的方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：提供如图1所示的用于测量声波对自由传播火焰影响的装置；

步骤S2：通过进样系统在定容燃烧弹22内充入一定压力和当量比的预混可燃气；

步骤S3：通过计算机系统21控制声波发生装置1发出一定频率的声波，并使高速摄像机20处于拍摄状态，通过点火系统23点燃定容燃烧弹22的腔体内的预混可燃气，通过高速摄像机20将火焰在声波影响下的传播过程拍摄下来并传输至计算机系统21以进行分析。

上述方法中，还包括准备工作。即，打开汞灯，打开高速摄像机及其控制软件，设置好参数。打开扬声器及其控制软件。打开点火器。打开真空泵，压力监测单元。

步骤S2中，液体燃料通过液体进样泵6泵入气化罐7，在气化罐7里气化，然后通入定容燃烧弹22的腔体进行配气，通过压力监测单元8在定容燃烧弹22内充入燃料至所计算得到的压强，然后充入空气至设定压强，从而配好一定压力和当量比的预混可燃气。

在一次实验结束之后，可以开启燃烧弹阀门，用真空泵将燃烧弹再次抽真空。按照实验要求配置其他当量比的可燃混合气，并重复上述步骤。

在进行完所有实验后，用真空泵将管路和燃烧弹腔体全部抽真空，通过空气钢瓶向管路和两腔体内充入一个大气压的空气后关闭阀门。最后保存好数据并依次关闭所有仪器。

本发明提出了一种测量声波对自由传播火焰影响的装置和方法，可以为认识发动机燃烧室内的声波和火焰热释放的复杂耦合效应，并抑制由于压力波的产生从而引起的火焰吹熄、回火、发动机损坏等严重后果提供技术支撑。

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，若需要，能修改实施例的方面来采用各种专利、申请和出版物的方面、特征和构思来提供另外的实施例。

考虑到上文的详细描述，能对实施例做出这些和其它变化。一般而言，在权利要求中，所用的术语不应被认为限制在说明书和权利要求中公开的具体实施例，而是应被理解为包括所有可能的实施例连同这些权利要求所享有的全部等同范围。

Claims (10)

1.一种用于测量声波对自由传播火焰影响的装置，其特征在于，所述装置包括定容燃烧弹、进样系统、点火系统、光学纹影系统和声学系统，其中所述定容燃烧弹与所述进样系统、所述点火系统和所述声学系统连接，其中所述定容燃烧弹容纳有一定压力和当量比的预混可燃气，所述进样系统为所述定容燃烧弹的腔体提供预混可燃气，所述点火系统具有点火电极，用于对预混可燃气进行点火，以及所述声学系统具有声波发生装置，并用于对所述定容燃烧弹的腔体内提供声波激励和对声波信息进行处理；其中所述定容燃烧弹的腔体的侧壁固定有相对的两个法兰，所述腔体的顶面和底面均安装有一个法兰，其中所述腔体的侧壁的两个法兰分别装有所述声波发生装置和所述点火电极；以及所述腔体的顶面和底面的两个法兰均装有透明视窗，作为所述光学纹影系统的光路，从而所述光学纹影系统记录在声波作用下火焰的传播过程。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述进样系统包括气瓶、液体进样泵、气化罐、压力监测单元和真空泵，其中所述气瓶经由第一连接管道连接于主管道，第一连接管道上设有第一阀门，所述液体进样泵连接于所述气化罐，所述气化罐经由第二连接管道连接于所述主管道，所述第二连接管道上设有第二阀门，所述真空泵经由第三连接管道连接于所述主管道，所述第三连接管道上设有第三阀门，以及所述主管道与所述定容燃烧弹连接并设有第四阀门。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括温控系统，所述温控系统用于调节所述定容燃烧弹的腔体和所述主管道的温度，其中所述温控系统包括加热和控温单元。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述点火系统进一步包括高压电源和触发器，所述高压电源提供可调的电压输入，所述触发器用于使所述点火电极放电。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学纹影系统包括汞灯和高速摄像机，其中所述汞灯、所述定容燃烧弹和所述高速摄像机依次共轴布置，所述汞灯和所述高速摄像机分别正对着所述定容燃烧弹的顶面和底面的法兰的透明视窗。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括计算机系统，所述声波发生装置具有扬声器，通过所述计算机系统使所述扬声器发出不同频率的声波，并通过所述计算机系统对通过所述光学纹影系统所得到的图像信息和所述声学系统的声波信息进行进一步处理，从而得到声波影响自由传播火焰的物理规律。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述声波发生装置具有扬声器，所述扬声器的外面设有金属网，所述扬声器的侧壁采用金属套管包裹扬声器的内部电子和电路元件，只露出振动发声的膜片。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述定容燃烧弹的顶面和底面的法兰的透明视窗由石英制成，以及所述高速摄像机的帧率超过10000fps。

9.一种用于测量声波对自由传播火焰影响的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

步骤S1：提供如权利要求1所述的用于测量声波对自由传播火焰影响的装置，其中所述光学纹影系统包括汞灯和高速摄像机，其中所述汞灯、所述定容燃烧弹和所述高速摄像机依次共轴布置，所述点火系统进一步包括高压电源和触发器；

步骤S2：通过所述进样系统在所述定容燃烧弹内充入一定压力和当量比的预混可燃气；

步骤S3：通过计算机系统控制所述声波发生装置发出一定频率的声波，并使所述高速摄像机处于拍摄状态，通过所述点火系统点燃所述定容燃烧弹的腔体内的预混可燃气，通过所述高速摄像机将火焰在声波影响下的传播过程拍摄下来并传输至所述计算机系统以进行分析。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述进样系统包括气瓶、液体进样泵、气化罐、压力监测单元和真空泵，其中所述气瓶经由第一连接管道连接于主管道，第一连接管道上设有第一阀门，所述液体进样泵连接于所述气化罐，所述气化罐经由第二连接管道连接于所述主管道，所述第二连接管道上设有第二阀门，所述真空泵经由第三连接管道连接于所述主管道，所述第三连接管道上设有第三阀门，以及所述主管道与所述定容燃烧弹连接并设有第四阀门；步骤S2中，液体燃料通过所述液体进样泵泵入所述气化罐，在气化罐里气化，然后通入所述定容燃烧弹的腔体进行配气，通过所述压力监测单元在所述定容燃烧弹内充入燃料至所计算得到的压强，然后充入空气至设定压强，从而配好一定压力和当量比的预混可燃气。