CN108443881B - 一种燃烧锥形火焰本生灯及火焰传播速度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃烧锥形火焰本生灯及火焰传播速度测量方法，属于火焰检测领域。本发明的本生灯，包括本生灯体，所述本生灯体主要由灯体段和灯嘴相连组成，所述灯体段内腔由下至上设置有填料层、均流板和第一烧结网，所述填料层和均流板位于上侧的第二烧结网下侧的第三烧结网之间，所述第一烧结网间隔设置在第二烧结网上方。本发明通过对本生灯体的内腔以及灯嘴的改进，对流经的混合气体起到稳流作用，从灯嘴燃起的火焰接近为锥形，从而可提高火焰传播速度的检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及火焰检测技术领域，更具体地说，涉及一种燃烧锥形火焰本生灯及火焰传播速度测量方法。
背景技术
层流预混燃烧的火焰传播速度是指平面火焰前沿相对于未燃烧气体在垂直于火焰表面的方向上行进的速度。研究火焰传播速度的目的是为了更好地表征合成气燃料的层流火焰速度。
层流火焰速度是可燃混合物的重要参数，因为它包含有关反应性，扩散性和放热性的基本信息。火焰速度的值对火焰的回火和吹熄倾向有重要的影响，并控制其他关键的燃烧特性，如火焰的空间分布。
虽然层流火焰速度的定义很简单，但实际上很难测量。目前火焰速度测量往往是多组数据取整个火焰表面的面积加权平均值。平均火焰速度通过将混合物的体积流量除以发光圆锥体表面积(火焰反应区域面积)来计算。
如检索到的中国专利公开了一种气体燃料在本生灯燃烧过程中火焰传播速度的测量方法(申请号：200910308156.5)，它的实现方法是：将在本生灯燃烧器中通入流量为Q的气体燃料点燃，产生本生灯火焰；使用CCD成像仪对本生灯火焰进行N次成像，获得N张图像；对每张图像进行亮度分析、边缘提取后进行曲线拟合；将拟合后的曲线围成的区域进行曲面积分，获得每张图像中本生灯火焰内焰锋面的表面积并求平均，获得当前本生灯火焰内焰锋面的表面积值；根据火焰内焰锋面的表面积值和燃气流量计算获得本生灯火焰的传播速度。
又如已经公开的(申请号：201110148721.3)本生灯下气体燃料层流火焰传播速度的精确测量方法，涉及一种层流火焰传播速度的精确测量方法。它提高了现有的本生灯法锥形法计算模型计算精度。它将采用二维粒子成像速度仪获得管口上方火焰区域的流场图像，对图像进行处理后得到垂直管口轴向截面内流场速度图；同时采用CCD成像仪对本生灯火焰进行图像采集，对图像进行亮度分析、边缘提取后进行曲线拟合，获得拟合后的火焰锋面；将流场速度图与锋面曲线进行位置匹配，采用插值法计算得出锋面曲线上线性度好的区段上各点的气流速度Un；再根据余弦定律计算各点的火焰传播速度，求取平均值，得到本生灯的局部层流火焰传播速度。
根据以上两个方案内容可知，其都是关于如何通过选取火焰区域图像、如何进行曲线拟合等方法来提高火焰传播速度，虽然相对于普通的直接检测计算会有一定的改善效果，但整体效果并没有达到较高的精度。因此，如何实现本生灯层流火焰传播速度的精确测量是目前行业内所面临的一大难题。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有技术中不能精确测量火焰传播速度的不足，提供了一种燃烧锥形火焰本生灯及火焰传播速度测量方法，本发明通过对本生灯体的内腔以及灯嘴的改进，对流经的混合气体起到稳流作用，从灯嘴燃起的火焰接近为锥形，从而可提高火焰传播速度的检测精度。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种燃烧锥形火焰本生灯，包括本生灯体，所述本生灯体主要由灯体段和灯嘴相连组成，所述灯体段内腔由下至上设置有填料层、均流板和第一烧结网，所述填料层和均流板位于上侧的第二烧结网下侧的第三烧结网之间，所述第一烧结网间隔设置在第二烧结网上方。
作为本发明更进一步的改进，所述填料层为玻璃珠填料。
作为本发明更进一步的改进，所述均流板上阵列排布有圆形通孔；通孔直径为2.5～3.2mm，通孔间距为4～5mm。
作为本发明更进一步的改进，所述第一烧结网由2～4层烧结网纵横排列叠合组成。
作为本发明更进一步的改进，所述第一烧结网与第二烧结网之间的间隔空腔内设置有热电偶，该热电偶检测部位位于灯体段的中心。
作为本发明更进一步的改进，所述灯体段包括下灯体和上灯体，下灯体底部与底座连接，第三烧结网、填料层、均流板和第二烧结网均设置在下灯体腔体内，第三烧结网与底座之间间隔区域用于进气；所述热电偶和第一烧结网安装在上灯体内腔。
作为本发明更进一步的改进，所述灯嘴根据内壁结构由下至上分为凹腔段、凸弧段和竖直稳流段，所述凹腔段的轴向长度为凸弧段轴向长度的1.5～1.9倍。
作为本发明更进一步的改进，所述灯嘴的收缩率为180。
本发明的一种火焰传播速度测量方法，其步骤为：
步骤一、把气体燃料和空气在混气罐内混合，并利用本生灯对混合气体进行稳流调整；
步骤二、在本生灯出口处点燃混合气体，形成近似锥形的火焰；
步骤三、使用CCD相机获取本生灯火焰的图像，并对图像进行灰度处理；
步骤四、对图像进行亮度分析和边缘提取，并进行曲线拟合，获得拟合后的矩阵点；
步骤五、将拟合后的点进行最小二乘法分析，使得拟合曲线尽可能的经过各个点；
步骤六、将拟合后的曲线围成区域进行曲面积分，获得每张图像中本生灯火焰内焰封面的表面积An；
步骤七、将步骤七中所得到的各个图像的表面积与N个图像的平均值，在相对标准方差为≤±2％后，取其平均值；
步骤八、根据公式：Sn＝Q/An，获得本生灯火焰的传播速度Sn；所述N为正整数，A为N张图像的平均值，Q为混合气体燃料的流量。
作为本发明更进一步的改进，步骤一中利用本生灯对混合气体进行稳流的过程为：
1)混合气体进入到本生灯体的端部腔体内；
2)随着底部气压升高，混合气体依次穿过第三烧结网、填料层、均流板、第二烧结网进入到第二烧结网上方腔体内；
3)利用热电偶检测混合气体温度；
4)混合气体向上流经第一烧结网，并顺着灯嘴内壁收缩。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明的一种燃烧锥形火焰本生灯，所设置的填料层、均流板对流经的气流起到稳流作用，当混合气体被稳流混合后，再次经过第一烧结网稳流，从而保证燃料气体能够与空气充分的均匀混合，从而使形成的火焰更稳定，接近于锥形。
(2)本发明的本生灯，其所采用的烧结网可以是由多层普通烧结网拼接组合而成。并把个烧结网纵横排列，以增强其稳流效果，所形成的火焰也更接近于圆锥形。此外，本生灯体内的两个混合空间能够使气体之间有混合的机会，有助于稳流效果的提高。
(3)本发明的本生灯，其灯嘴内壁包含了凹腔段、凸弧段和竖直稳流段，凹腔段的轴向长度为凸弧段轴向长度的1.5～1.9倍，通过一定长度逐渐使内壁收缩，防止内壁突变而引起的较大的气流扰动，并使气体在出口处沿竖直稳流段竖直上升，保证气体匀速竖直向上喷出。
(4)本发明的火焰传播速度测量方法，采用的Matlab程序不是简单的将图像转化为一个锥形，而是将图像进行灰度转化后，将图像转化为一个矩阵，由于火焰具有燃烧面上亮度最高的特点，利用这一特点使用程序抓取矩阵中所对应的矩阵点来完成对于整个火焰面的提取，在进行曲面积分，获得最接近标准的火焰面积。
附图说明
图1为本生灯的结构示意图；
图2为火焰传播速度检测系统的结构示意图；
图3为现有技术中带有弧度的火焰示意图；
图4为现有技术中非直线火焰示意图；
图5为本发明的火焰传播速度检测方法流程图；
图6为本发明中CCD相机采集的火焰图像；
图7为本发明中提取火焰外轮廓图；
图8为本发明所获得的拟合曲线图；
图9为大流量燃料下的火焰形貌图。
示意图中的标号说明：11、气瓶；12、空气过滤器；13、空气压缩机；21、第一控制器；22、第二控制器；23、显示仪；3、混气罐；4、本生灯体；41、底座；42、下灯体；421、第三烧结网；422、填料层；423、均流板；424、第二烧结网；43、上灯体；431、热电偶；432、第一烧结网；44、灯嘴；441、凹腔段；442、凸弧段；443、竖直稳流段；51、CCD相机；52、处理设备。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例
结合图1，本发明的一种燃烧锥形火焰本生灯，包括本生灯体4，本生灯体4主要由灯体段和灯嘴44相连组成。灯体段包括外部的壳体，以及内部的腔体，用于对气体进行混流疏导，灯嘴44则用于喷出气体形成火焰。
灯体段内腔由下至上设置有填料层422、均流板423和第一烧结网432，填料层422和均流板423位于上侧的第二烧结网424下侧的第三烧结网421之间，即利用第三烧结网421承载填料层422，并在上方用第二烧结网424加以覆盖。
在灯体段底端连接底座41，该底座41与第三烧结网421之间形成间隙空间，气体可以从侧壁或者底部进入到该空间内。
本实施例中第一烧结网432间隔设置在第二烧结网424上方，即第一烧结网432与第二烧结网424之间留有间隙空间，过稳流后的气体经过该空间后才会通过第一烧结网432进入到灯嘴44内。
第一个间隙空间能够容纳一定容量的气体，使其进一步混合，当气压增加后，气体依次通过第三烧结网421、填料层422、均流板423和第二烧结网424进行混合，使燃料气体能够与空气充分的混合。
当混合气体被稳流混合后，进入到第二间隙空间，再次使不同区域的气体经过局部混合后再进行整体混合。
填料层422可以是采用玻璃珠作为填料形成，玻璃珠的直径控制在2～3mm内，玻璃珠之间形成气体流通路径，当混合气体流经该填料层422后，燃料气体和空气的原始状态被打乱，在填料层422中重新排布，气体在珠子之间进行绕流，混合更加均匀。
均流板423位于填料层422上方，填料层422上阵列排布有圆形通孔。通孔直径为2.5～3.2mm，通孔间距为4～5mm。优选为直径3mm，间距5mm。气流在微米级的孔间扰流，穿过板后形成稳定的气流。
通孔竖直排列，能够使排出的气体均匀向上流动。此外，均流板423上的通孔尺寸大于玻璃珠的尺寸，使气体进入相对较大的空间。
但是当气体从通孔中排出时，如果直接进入到第二间隙空间内，气体流动空间突然变大，容易形成不稳定气流。而所设置的第二烧结网424用来均匀混合气体经过均流板423突然进入大空间产生的紊流。
上述第一、第二、第三烧结网均是金属烧结网，可以是把多层烧结网纵横叠合而形成，烧结网网孔直径为1微米精度。
如果只是单个烧结网，虽然其流通孔较小，但是所起的作用也只是单层混合疏导的作用，而通过多层的烧结网纵横叠合，也具有再次混合的作用。
为了精确控制混合气体的温度，在灯体段内腔力设置有热电偶431，具体地，第一烧结网432与第二烧结网424之间的间隔空腔内设置有热电偶431，该热电偶431检测部位位于灯体段的中心。
由于热电偶431的设置，可能会影响气流的稳定性，因此第一烧结网432必不可少，否则将无法均衡掉热电偶431所产生的气流影响。
进一步地，本实施例灯体段包括下灯体42和上灯体43，下灯体42底部与底座41连接，第三烧结网421、填料层422、均流板423和第二烧结网424均设置在下灯体42腔体内，第三烧结网421与底座41之间间隔区域用于进气；热电偶431和第一烧结网432安装在上灯体43内腔。
把灯体段分成下灯体42和上灯体43，更利于各部分组件的安装。下灯体42和上灯体43之间可以通过法兰盘上的螺栓固定。根据密封要求，可以在下灯体42和上灯体43的连接处设置密封垫，保证装置的密封性。上灯体43上端与灯嘴44连接，同样的可以设置密封垫圈来保证密封性。
本实施例中的灯嘴44内壁结构由下至上分为凹腔段441、凸弧段442和竖直稳流段443，凹腔段441表示弧段向内凹，由下至上方向，其曲线的切线与竖直线的夹角逐渐增加。
凸弧段442与凹腔段441情况相反，其曲线的切线与竖直线的夹角逐渐增加，在其与竖直稳流段443接触点时，凸弧段442的切线也呈现为竖直方向。
通过凹腔段441与凸弧段442的设置，把较大的直径尺寸逐步缩小为需要的口径，而且各部分圆滑过渡，整体的流线型结构也利于气体向中部聚拢。
进一步地，凹腔段441的轴向长度为凸弧段442轴向长度的1.5～1.9倍，灯嘴44的竖直稳流段443的口径大小通过凸弧段442过渡到凹腔段441最下侧的面积收缩率为180，凹腔段441的长度较长，保证竖直稳流段443与凸弧段442的连接处相切，凹腔段441的切线与连接处的法兰盘垂直。能够有足够的空间使径向尺寸逐步缩小，避免径向尺寸突变而引起的气流紊乱。灯嘴44顶部出口为D，为了保证出口气体预混稳定且均匀，应保证燃烧器整体高度≥50D。本发明中本生灯嘴竖直稳流段出口D＝6mm，整体高度300mm左右，保证燃烧器合适，若出口直径过大，燃烧器则过高，供气时需要更大的压力，存在安全隐患；在凸弧段442与竖直稳流段443相切段，若出口直径大，则会造成441段壁厚变薄。
本实施例下灯体42的高度可设为154mm，因该层放置均流板，玻璃珠，两层多层金属烧结网，因此要求的高度较高；考虑整体高度需要大于300mm，且上灯体内需要放置热电偶；上灯体43高87mm，灯嘴44的高度为80mm，使凹腔段441、竖直稳流段443的末端切线垂直于出口且保证壁厚。
在运用本生灯法进行火焰传播速度的测量时，如果假设气流速度沿管截面是均匀分布的，且不考虑火焰前沿的高温对新鲜混气的影响，则可将火焰锋面看成一正锥形，此时，实际用气体混合物的流量除以火焰内焰锋面表面积得到的平均速度可作为火焰传播速度。
目前，实验中使用本生灯进行层流燃烧速度测量时，主要存在两个缺点：
其一是所使用的本生灯由于结构简单，所呈现的火焰图像通常顶端椭圆度过大，火焰面不是标准的平面，火焰底端带有一定的弧度，使用相机拍出来的图像往往不是接近于锥形或者由于本生灯出口气流不稳定导致火焰倾斜，如图3所示[胡贤忠.CH4在O2/CO2气氛下燃烧特性的研究[D].东北大学,2016.]。
其二是采用处理火焰图像的Matlab程序中或多或少的存在一些问题，实验中大部分采用的Matlab处理火焰图像是粗略的将火焰面看作一条直线进行处理，而使用相机拍摄的一维火焰图像往往是曲线，所以使用程序获得的火焰轮廓是非常不准确的，所以采用锥角法处理火焰图像是不准确的，如图4[张杨竣,逯红梅,王启,等.天然气法向火焰传播速度仿真与实验测试[J].煤气与热力,2016,36(5):17-22.]。
本发明的本生灯燃烧器的灯嘴可采用不锈钢加工，高精度；各零件之间采用法兰精准连接，气密性好、内壁元平整光滑精度高防止气体在壁面形成涡流影响气体均匀从烧嘴喷出；均匀混合气由底部三路进气，气体刚进入燃烧器底部时是紊流的状态，并不能达到燃烧的条件。因此，为使气体在燃烧喷嘴处达到理想的条件，需要让气体进行稳定垂直于喷嘴流出；在本生灯内部整个壁面高精度抛光，气流充分发展段布置有多层均流层(玻璃珠、均流板、多层金属烧结网)保证出气均匀；灯嘴内表面为光滑弧面、精细抛光、不变形，其尺寸可以为6mm，收缩率为180，使燃烧器本体与出口平滑过渡保证气流的均匀流出。
基于上述的本生灯燃烧器，可采用目前的检测系统进行火焰传播速度测量，结合图2，气瓶11向混气罐3供应甲烷气体，通过空气压缩机13注入空气，该气体经过空气过滤器12净化后进入到混气罐3与甲烷气体混合。在两种气体输送管道上分别设置有第一控制器21和第二控制器22，分别用于检测其质量和流量，并把对应数据通过显示仪23进行显示。
混气罐3向本生灯体4供气，用于火焰燃烧，同时设置CCD相机51用于拍摄火焰图像，该CCD相机51与处理设备52电连接，处理设备52可以为电脑，用于对CCD相机51获取的图像进行处理。
结合图5，采用上述系统，本发明还提供了一种火焰传播速度测量方法，其过程为：
步骤一、把气体燃料和空气在混气罐内混合，并利用本生灯体对混合气体进行稳流调整；本生灯体对混合气体进行调整的过程为：
1)混合气体进入到本生灯体4的端部腔体内；
2)随着底部气压升高，混合气体依次穿过第三烧结网421、填料层422、均流板423、第二烧结网424进入到第二烧结网424上方腔体内；
3)利用热电偶431检测混合气体温度；
4)混合气体向上流经第一烧结网432，并顺着灯嘴44内壁收缩。
步骤二、混合气体在经过收缩率为180的本生灯出口形成稳定的气流，在本生灯出口处点燃混合气体，形成近似锥形的火焰；
步骤三、使用CCD相机获取本生灯火焰的RGB图像，如图6所示，并对图像进行灰度转换等处理；
步骤四、将步骤四所获得的图像进行亮度分析和边缘提取，如图7所示，并进行曲线拟合，获得拟合后的矩阵点；
步骤五、将拟合后的点进行最小二乘法分析，使得拟合曲线尽可能的经过各个点；如图8所示；
步骤六、将拟合后的曲线围成区域进行曲面积分，获得每张图像中本生灯火焰内焰封面的表面积An；
步骤七、将步骤七中所得到的各个图像的表面积与N个图像的平均值，在相对标准方差为≤±2％后，取其平均值；
步骤八、根据公式：Sn＝Q/An，获得本生灯火焰的传播速度Sn；所述N为正整数，A为N张图像的平均值。
具体实施时，空气流量范围在1000～550ml/min，燃料流量的范围在180～400ml/min，如图9，流量过大会造成火焰震动，拍摄不清晰。形成的火焰顶端椭圆度比较大，不能形成标准的锥形火焰；流量过小则会造成火焰面积过小以及回火等安全隐患，影响后期火焰面积识别及获取。
本发明采用的Matlab程序不是简单的将图像转化为一个锥形，而是将图像进行灰度转化后，将图像转化为一个矩阵，由于火焰具有燃烧面上亮度最高的特点，利用这一特点使用程序抓取矩阵中所对应的矩阵点来完成对于整个火焰面的提取，再进行曲面积分，获得最接近标准的火焰面积。
将处理CCD图像所得到的拟合曲线，利用上述计算公式，求的N次火焰传播速度。求取平均值，作为测得层流火焰传播速度经验证，本发明的方法对锥形法计算模型所造成的误差有较大消除，对本生灯层流火焰传播速度精确度较高。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种燃烧锥形火焰本生灯，包括本生灯体(4)，其特征在于：所述本生灯体(4)主要由灯体段和灯嘴(44)相连组成，所述灯体段内腔由下至上设置有填料层(422)、均流板(423)和第一烧结网(432)，所述填料层(422)和均流板(423)位于上侧的第二烧结网(424)下侧的第三烧结网(421)之间，所述第一烧结网(432)间隔设置在第二烧结网(424)上方；
所述灯嘴(44)根据内壁结构由下至上分为凹腔段(441)、凸弧段(442)和竖直稳流段(443)，所述凹腔段(441)的轴向长度为凸弧段(442)轴向长度的1.5～1.9倍；
所述第一烧结网(432)与第二烧结网(424)之间的间隔空腔内设置有热电偶(431)，该热电偶(431)检测部位位于灯体段的中心。
2.根据权利要求1所述的一种燃烧锥形火焰本生灯，其特征在于：所述填料层(422)为玻璃珠填料。
3.根据权利要求1所述的一种燃烧锥形火焰本生灯，其特征在于：所述均流板(423)上阵列排布有圆形通孔；通孔直径为2.5～3.2mm，通孔间距为4～5mm。
4.根据权利要求1所述的一种燃烧锥形火焰本生灯，其特征在于：所述第一烧结网(432)由2～4层烧结网纵横排列叠合组成。
5.根据权利要求1所述的一种燃烧锥形火焰本生灯，其特征在于：所述灯体段包括下灯体(42)和上灯体(43)，下灯体(42)底部与底座(41)连接，第三烧结网(421)、填料层(422)、均流板(423)和第二烧结网(424)均设置在下灯体(42)腔体内，第三烧结网(421)与底座(41)之间间隔区域用于进气；所述热电偶(431)和第一烧结网(432)安装在上灯体(43)内腔。
6.根据权利要求1所述的一种燃烧锥形火焰本生灯，其特征在于：所述灯嘴(44)的收缩率为180。
7.一种基于权利要求1-6中任意一项所述的燃烧锥形火焰本生灯的火焰传播速度测量方法，其特征在于：
步骤一、把气体燃料和空气在混气罐内混合，并利用本生灯对混合气体进行稳流调整；
步骤二、在本生灯出口处点燃混合气体，形成近似锥形的火焰；
步骤三、使用CCD相机获取本生灯火焰的图像，并对图像进行灰度处理；
步骤四、对图像进行亮度分析和边缘提取，并进行曲线拟合，获得拟合后的矩阵点；
步骤五、将拟合后的点进行最小二乘法分析，使得拟合曲线尽可能的经过各个点，
步骤六、将拟合后的曲线围成区域进行曲面积分，获得每张图像中本生灯火焰内焰封面的表面积An；
步骤七、将步骤七中所得到的各个图像的表面积与N个图像的平均值，在相对标准方差为≤±2％后，取其平均值；
步骤八、根据公式：Sn＝Q/An，获得本生灯火焰的传播速度Sn；所述N为正整数，A为N张图像的平均值，Q为混合气体燃料的流量。
8.根据权利要求7所述的一种火焰传播速度测量方法，其特征在于：步骤一中利用本生灯对混合气体进行稳流的过程为：
1)混合气体进入到本生灯体(4)的端部腔体内；
2)随着底部气压升高，混合气体依次穿过第三烧结网(421)、填料层(422)、均流板(423)、第二烧结网(424)进入到第二烧结网(424)上方腔体内；
3)利用热电偶(431)检测混合气体温度；
4)混合气体向上流经第一烧结网(432)，并顺着灯嘴(44)内壁收缩。
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