CN109374915A - 基于火焰自发光特性的火焰轴向传播速度测量方法 - Google Patents
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Abstract
基于火焰自发光特性的火焰轴向传播速度测量方法，涉及一种爆震室内火焰从缓燃发展到爆震状态的传播速度测量方法。它解决了现有的以压力传感器或离子探针测量火焰传播速度的低时间分辨率，难以得出爆震波瞬时传播速度的问题。它的实现方法是：将在开有光学窗口的爆震室内填充预混可燃气体，点燃产生火焰并向爆震室下游传播；使用高速摄像机以200kHz以上的拍摄帧速对火焰进行成像；利用MATLAB软件对拍摄得到的每张图像进行裁剪、标定、二值化后确定爆震室轴向中心线处火焰锋面对应的实际轴向位置；根据每张图像的火焰锋面实际位置及拍摄时刻计算得到爆震波的传播速度。本发明适用于爆震室内火焰传播研究过程中的速度精细测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有光学窗口的爆震室内火焰从缓燃发展到爆震状态的速度测量方法。
背景技术
燃烧是人类社会发展的基石，从刀耕火种到现代化能源、动力，均与燃烧现象紧密联系。目前的研究指明，燃烧波可分成缓燃波和爆震波两种。其中，缓燃波可认为是一种等压燃烧过程，而爆震波基于的是爆震燃烧，热循环效率远高于基于等压燃烧的缓燃波。另外，爆震波的传播速度为千米每秒量级，比缓燃波高两个数量级。因此，在相同的条件下，爆震波释放出来的能量远比缓燃波大。正因为爆震波固有的优势条件，国内外的学者提出将爆震波与发动机结合起来，形成集高热效率、结构简单、低耗油率等优点于一身的脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine，简称PDE)。
在爆震领域内，速度是关键的研究参数之一。提取出火焰传播过程的速度，可明确得知是否在爆震室内形成爆震，同时可判断出爆震形成的位置，这对于了解爆震发展过程及优化爆震室设计具有重要的指导意义。
然而，在目前报道的爆震相关研究中，大部分学者采用在爆震室的壁面安装压力传感器或离子探针，通过记录信号达到峰值或开始出现的时间来推算出火焰的传播速度。但这存在较多缺陷，比如破坏爆震室壁面的光滑性，对燃烧流场造成影响；由于结构强度等因素的限制，传感器或离子探针间的安装距离一般较大，最终计算出的速度难以代表爆震波的瞬时速度。
自发光是火焰的重要特性，利用高速摄像机拍摄火焰的传播过程已是当下爆震研究的常用方法之一，但许多研究仅利用高速摄像机定性观察爆震的形成机理。实际上，高速摄像机拍摄到的每张图像均能清晰显示火焰锋面的位置。因此，提取出火焰锋面对应的轴向位置，再结合每张图像的拍摄时间，理论上可计算出火焰的传播速度，且比基于压力传感器或离子探针的测速法具有更高的时间分辨率，更能代表爆震波的瞬时速度。
发明内容
本发明是为了解决现有的爆震室内利用压力传感器或离子探针测量火焰传播速度的时间分辨率低、精度不足的问题，从而提供一种可燃混气在爆震室燃烧过程中火焰传播速度的测量方法。
可燃混气在爆震室燃烧过程中火焰传播速度的测量方法，它由以下步骤实现：
步骤一、将爆震室的进气口、排气口打开；
步骤二、将可燃混气从步骤一所述进气口填充进爆震室，计时7分钟，将爆震室内的空气尽量排出；
步骤三、停止充气的同时，分别利用点火头及胶带将步骤一所述的进气口及排气口进行密封，点燃产生火焰；
步骤四、使用高速摄像机对爆震室内的火焰传播过程进行成像，获得N张图像；
步骤五、对步骤四获得的N张图像裁剪为同一尺寸并进行标定，获得图像每个像素点对应的实际平面坐标；
步骤六、将步骤五获得的N张图像进行二值化处理，确定火焰锋面在爆震室轴向中心线的实际轴向位置；
步骤七、分别记录步骤四所得的N张图像对应的拍摄时刻；
步骤八、根据公式v＝Δs/Δt获得每个拍摄时刻对应的火焰传播速度，式中，v表示火焰传播速度，Δs表示相邻两张图像的火焰锋面在爆震室轴向中心线的轴向位置差，Δt表示相邻两张图像的拍摄时刻差。
步骤一中所述爆震室开有光学窗口，用以透过火焰的发光信号。
步骤二中所述可燃混气为可燃气、氧气、惰性气体的混合气体，可燃气、氧气、惰性气体的填充流量分别由三个流量计控制，可实现不同的混气配比。
步骤四中所述高速摄像机拍摄帧速为200kHz以上，快门时间为1μs，以足够高的时间分辨率冻结燃烧场。
步骤五中所述图像裁剪与标定为利用MATLAB软件对N张火焰传播图像进行批量处理。
步骤六中所述二值化及确定火焰锋面位置为利用MATLAB软件对N张火焰传播图像依次进行处理。
有益效果：本发明使用具有高时间分辨率的高速摄像机，采用非接触式的方法测量爆震室内的火焰传播速度，极大地提高速度测量过程中的时间分辨率，且计算得到的速度值更能代表爆震波的瞬时传播速度，另外还可消除压力传感器或离子探针安装孔的不光滑性对燃烧流场造成的不利影响。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图。
图2是本发明的实验装置结构示意图。
图3是实验过程中的火焰处理结果图。
图4是本发明方法得到的火焰传播速度变化曲线图。
其中，1为乙烯气瓶，2为氧气气瓶，3为氮气气瓶，4为乙烯气瓶减压阀，5为氧气气瓶减压阀，6为氮气气瓶减压阀，7为乙烯流量控制器，8为氧气流量控制器，9为氮气流量控制器，10为流量显示器，11为球阀，12为球阀，13为球阀，14为单向阀，15为单向阀，16为单向阀，17为球阀，18为预混腔，19为单向阀，20为球阀，21为进气口，22为爆震室，23为排气口，24为点火头，25为高速摄像机，26为CH滤镜，27为同步触发器，28为计算机(含控制软件)。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
图1是本发明实施过程中的具体步骤，依次由以下步骤实现：
步骤一、将爆震室的进气口、排气口打开；
步骤二、将可燃混气从步骤一所述进气口填充进爆震室，计时7分钟，将爆震室内的空气尽量排出；
步骤三、停止充气的同时，分别利用点火头及胶带将步骤一所述的进气口及排气口进行密封，点燃产生火焰；
步骤四、使用高速摄像机对爆震室内的火焰传播过程进行成像，获得N张图像；
步骤五、对步骤四获得的N张图像裁剪为同一尺寸并进行标定，获得图像每个像素点对应的实际平面坐标；
步骤六、将步骤五获得的N张图像进行二值化处理，确定火焰锋面在爆震室轴向中心线的实际轴向位置；
步骤七、分别记录步骤四所得的N张图像对应的拍摄时刻；
步骤八、根据公式v＝Δs/Δt获得每个拍摄时刻对应的火焰传播速度，式中，v表示火焰传播速度，Δs表示相邻两张图像的火焰锋面在爆震室轴向中心线的轴向位置差，Δt表示相邻两张图像的拍摄时刻差。
在上述八个步骤中，步骤一中所述爆震室开有光学窗口，高速摄像机的拍摄范围包含整个(或部分)光学窗口，可以捕获火焰的发光信号并成像，用于后期火焰传播速度的测量。
步骤二中所述可燃混气为可燃气、氧气、惰性气体的混合气体，可燃气、氧气、惰性气体的填充流量分别由三个流量计控制，调节方便，可根据具体的实验需求实现不同的混气配比。
步骤四中所述高速摄像机拍摄帧速为200kHz以上，快门时间为1μs，以足够高的时间分辨率冻结燃烧场，且捕捉到燃烧场更多的细节。
步骤五中所述图像裁剪与标定为利用MATLAB软件对N张火焰传播图像进行批量处理。
步骤六中所述二值化及确定火焰锋面位置为利用MATLAB软件对N张火焰传播图像依次进行处理，确定火焰锋面在爆震室轴向中心线的实际轴向位置。
下面通过具体实验验证本发明的效果：
实验选择的可燃气和惰性气体分别为乙烯和氮气，定义稀释比β为氮气流量与氧气流量的比值。
实验装置如图2所示，气体填充过程为：乙烯气瓶减压阀4、氧气气瓶减压阀5和氮气气瓶减压阀6分别将乙烯气瓶1、氧气气瓶2和氮气气瓶3流出气体的压强降至0.2MPa，确保三路气体填充压力的一致性，同时使填充压力处于所有元件的承压能力范围内，保证实验安全；乙烯流量控制器7、氧气流量控制器8和氮气流量控制器9分别用于调节和控制乙烯气瓶减压阀4、氧气气瓶减压阀5和氮气气瓶减压阀6流出气体的流量，可根据实验具体需求快速得到不同的混气配比；乙烯流量控制器7、氧气流量控制器8和氮气流量控制器9的控制信号输出端分别与流量显示器10的三个信号输入端相连接，可实时查看乙烯、氧气和氮气气路的流量；从乙烯流量控制器7流出的乙烯经过球阀11、单向阀14，从氧气流量控制器8流出的氧气经过球阀12、单向阀15，从氮气流量控制器9流出的氮气经过球阀13、单向阀16，汇合进同一条气路，流经球阀17后进入预混腔18进行动态预混；预混腔18流出的混合气流经单向阀19、球阀20后，通过进气口21流入爆震室22，实现混合气填充，同时打开爆震室22的排气口23，实现边充气边将爆震室22内的空气排出；高速摄像机25镜头前安装有400-700nm滤镜26，因为反应区物质的波长范围主要在400～700nm之间，而燃烧产物或其他杂光的波长均在此范围外，从而可抑制与反应区无关的其他信号的影响，避免对拍摄结果造成影响，更准确地探测出火焰锋面；计算机(含控制软件)28与高速摄像机25的信号输出端相连，可实时观看高速摄像机25拍摄的视场画面和记录火焰传播图像；同步触发器27的端口与高速摄像机25的触发接口相连；点火头24与同步触发器27的电压输出端相连；当充气时间达到7分钟，关闭球阀17停止充气，同时将点火头24塞进充气口21和用胶带粘紧排气口23，接着按下同步触发器27的点火开关，使点火头24和高速摄像机25同时工作。
在进行气体填充之前，先确定实验所需拍摄的光学窗口的范围，再将高速摄像机25的高度调整至光学窗口拍摄范围的中心线处，并正对光学窗口，避免拍摄得到的图像产生畸变，使标定后的图像尽可能与实际的物理位置相一致，提高标定精度；在开始拍摄之前，需检查线路是否存在问题，以免后期拍摄失败。
实验1设定的工况为：乙烯、氧气、氮气的流量分别设定为0.25L/min、0.75L/min、0.6L/min，即β＝0.8；高速摄像机25设定的拍摄帧速为200kHz、快门时间为1μs、镜头光圈为F5.6。
在充气的过程中，将高速摄像机25调整至合适位置，对焦，以便后续清晰捕获到目标流场的流动情况；充气完毕后对爆震室进行密封，按下点火开关，开始拍摄爆震室22内的火焰传播过程，最终获得N张火焰传播图像。
火焰图像的处理过程如下：基于MATLAB软件为操作平台，利用imcrop函数对N张火焰图像进行批量裁剪，去掉分析区域以外的其他区域；利用ginput函数获取图像左上角和右下角两个像素点的横、纵坐标值，结合该两像素点实际的物理坐标，建立起图像坐标与物理坐标的对应关系，将图像的每个像素坐标转化成实际平面坐标，完成标定处理过程；采用迭代方式找到图像分割的最佳阈值，结合im2bw函数对图像进行二值化处理(此时图像矩阵的数值仅有0或1，1代表有火焰发光信号，0反之)，记录图像轴向中心线处矩阵数值为1时对应的横坐标，最右方的横坐标值即为火焰锋面的实际轴向位置；经此三个步骤后获得图像如图3所示。
通过查看计算机(含控制软件)28里的控制软件，分别记录N张图像对应的拍摄时刻；根据公式v＝Δs/Δt获得每个拍摄时刻对应的火焰传播速度，式中，v表示火焰传播速度，Δs表示相邻两张图像的火焰锋面在爆震室轴向中心线的轴向位置差，Δt表示相邻两张图像的拍摄时刻差。
实际获得的火焰传播速度变化曲线图如图4实线所示；从图4实线变化趋势可看出，在轴向位置约260mm范围内，火焰在爆震室22内以缓燃状态向前传播，速度较低；而在轴向位置260～300mm之间，由于障碍物对火焰的扰动作用，火焰湍流度急剧增加，传播速度短距离内快速增加至超过3000m/s，此时火焰处于过驱爆震状态；随后过驱爆震衰减成稳定C-J爆震，火焰传播速度保持在1990～2300m/s范围之间；在速度实测过程中，图像相邻两个像素点之间的实际轴向距离大约在0.65mm内，两相邻图像之间的时间差在5μs左右，可得到本发明方法速度测量过程的最大偏差约为130m/s；利用NASA CEA程序可计算出乙烯、氧气、氮气流量分别为0.25L/min、0.75L/min、0.6L/min时，对应的理论C-J速度为2148.6m/s；由于爆震室22的壁面会对火焰的传播造成扰动，速度采集过程也存在误差，故本发明实测C-J速度并非为恒定值，而是在理论值附近上下波动，且实测C-J速度下限(1990m/s)、上限(2300m/s)与理论C-J速度(2148.6m/s)差值的绝对值均比最大偏差值(130m/s)大；另外，图4实线(即速度变化曲线)上的每个正方形标记符号均代表一个速度值计算点，可看出采集的时间分辨率较高。
实验2设定的工况为：乙烯、氧气、氮气的流量分别设定为0.25L/min、0.75L/min、0.75L/min，此时β＝1；高速摄像机25设定的拍摄帧速为200kHz、快门时间为1μs、镜头光圈为F4。
重复实验1的实验与图像处理步骤，获得的火焰传播速度变化曲线图如图4虚线所示；从图4虚线变化趋势可看出，在轴向位置约300mm范围内，火焰在爆震室22内以缓燃状态向前传播，速度较低；而在轴向位置300～330mm之间，由于障碍物对火焰的扰动作用，火焰湍流度急剧增加，传播速度短距离内快速增加至超过3000m/s，此时火焰处于过驱爆震状态；随后过驱爆震衰减成稳定C-J爆震，火焰传播速度保持在1930～2280m/s范围之间；在速度实测过程中，图像相邻两个像素点之间的实际轴向距离大约在0.65mm内，两相邻图像之间的时间差为5μs，可得到本发明方法速度测量过程的最大偏差约为130m/s；利用NASA CEA程序可计算出乙烯、氧气、氮气流量分别为0.25L/min、0.75L/min、0.75L/min时，对应的理论C-J速度为2112.0m/s；由于爆震室22的壁面会对火焰的传播造成扰动，速度采集过程也存在误差，故本发明实测C-J速度并非为恒定值，而是在理论值附近上下波动，且实测C-J速度下限(1930m/s)、上限(2280m/s)与理论C-J速度(2112.0m/s)差值的绝对值均比最大偏差值(130m/s)大；另外，图4虚线(即速度变化曲线)上的每个圆形标记符号均代表一个速度值计算点，可看出采集的时间分辨率较高。
实验3设定的工况为：乙烯、氧气、氮气的流量分别设定为0.25L/min、0.75L/min、0.9L/min，此时β＝1.2；高速摄像机25设定的拍摄帧速为200kHz、快门时间为1μs、镜头光圈为F2.8。
重复实验1的实验与图像处理步骤，获得的火焰传播速度变化曲线图如图4点线所示；从图4点线变化趋势可看出，在轴向位置约480mm范围内，火焰在爆震室22内以缓燃状态向前传播，速度较低，但由于障碍物对火焰的扰动，火焰传播极不稳定，速度波动较大；在轴向位置480～490mm之间，火焰在障碍物和爆震室22壁面的影响下持续加速，传播速度短距离内快速增加至接近3000m/s，此时火焰处于过驱爆震状态；随后过驱爆震衰减成稳定C-J爆震，火焰传播速度保持在1900～2220m/s范围之间；在速度实测过程中，图像相邻两个像素点之间的实际轴向距离大约在0.65mm内，两相邻图像之间的时间差为5μs，可得到本发明方法速度测量过程的最大偏差约为130m/s；利用NASA CEA程序可计算出乙烯、氧气、氮气流量分别为0.25L/min、0.75L/min、0.9L/min时，对应的理论C-J速度为2079.5m/s；由于爆震室22的壁面会对火焰的传播造成扰动，速度采集过程也存在误差，故本发明实测C-J速度并非为恒定值，而是在理论值附近上下波动，且实测C-J速度下限(1900m/s)、上限(2220m/s)与理论C-J速度(2079.5m/s)差值的绝对值均比最大偏差值(130m/s)大；另外，图4点线(即速度变化曲线)上的每个三角形标记符号均代表一个速度值计算点，可看出采集的时间分辨率较高。
以上结合附图和具体实验例子对本发明的具体实施方式作了详细描述，但是本发明并不限于上述实施方式，比如实验采用的可燃混合物不局限于气相，可为液相等其他燃料；本领域的技术人员可在本发明原理的基础上对上述方法做出各种改变与优化。
Claims (6)
1.基于火焰自发光特性的火焰轴向传播速度测量方法，其特征是：它由以下步骤实现：
步骤一、将爆震室的进气口、排气口打开；
步骤二、将可燃混气从步骤一所述进气口填充进爆震室，计时7分钟，将爆震室内的空气尽量排出；
步骤三、停止充气的同时，分别利用点火头及胶带将步骤一所述的进气口及排气口进行密封，点燃产生火焰；
步骤四、使用高速摄像机对爆震室内的火焰传播过程进行成像，获得N张图像；
步骤五、对步骤四获得的N张图像裁剪为同一尺寸并进行标定，获得图像每个像素点对应的实际平面坐标；
步骤六、将步骤五获得的N张图像进行二值化处理，确定火焰锋面在爆震室轴向中心线的实际轴向位置；
步骤七、分别记录步骤四所得的N张图像对应的拍摄时刻；
步骤八、根据公式v＝△s/△t获得每个拍摄时刻对应的火焰传播速度，式中，v表示火焰传播速度，△s表示相邻两张图像的火焰锋面在爆震室轴向中心线的轴向位置差，△t表示相邻两张图像的拍摄时刻差。
2.根据权利要求1所述的基于火焰自发光特性的火焰轴向传播速度测量方法，其特征在于步骤一中所述爆震室开有光学窗口，用以透过火焰的自发光信号。
3.根据权利要求2所述的基于火焰自发光特性的火焰轴向传播速度测量方法，其特征在于步骤二中所述可燃混气为可燃气、氧气、惰性气体的混合气体，可燃气、氧气、惰性气体的填充流量分别由三个流量计控制，可实现不同的混气配比。
4.根据权利要求3所述的基于火焰自发光特性的火焰轴向传播速度测量方法，其特征在于步骤四中所述高速摄像机拍摄帧速为200kHz以上，快门时间为1μs，以足够高的时间分辨率冻结燃烧场。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的基于火焰自发光特性的火焰轴向传播速度测量方法，其特征在于步骤五中所述图像裁剪与标定为利用MATLAB软件对N张火焰传播图像进行批量处理。
6.根据权利要求5所述的基于火焰自发光特性的火焰轴向传播速度测量方法，其特征在于步骤六中所述二值化及确定火焰锋面位置为利用MATLAB软件对N张火焰传播图像依次进行处理。
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