CN110608889A - 一种单液滴燃烧的火焰温度三维重构方法及实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单液滴燃烧的火焰温度三维重构方法及实验装置，包括一种新的三维层析重构方法和一种火花塞强制点火诱导单液滴燃烧的实验装置。所述三维重构方法包括以下步骤：步骤一，将单液滴燃烧的火焰划分为一系列水平切片；步骤二，对每一层水平切片进行火焰温度重构；步骤三，将所有水平切片进行叠加，得到三维火焰温度场。所述实验装置包括液滴制作系统和火花塞强制点火系统，强制点火系统利用两个铜针尖端之间产生的电火花，将石英丝尖端上的单液滴引燃。本发明实现了单液滴燃烧过程中非轴对称火焰温度的三维重构，能够准确测量单液滴燃烧的火焰温度，有利于内燃机燃烧特性的研究。

Description

一种单液滴燃烧的火焰温度三维重构方法及实验装置

技术领域

本发明属于内燃机设备技术领域，具体涉及一种单液滴燃烧的火焰温度三维重构方法及实验装置。

背景技术

因为内燃机的功率密度高，所以它被广泛应用于国防和经济建设中。喷雾过程是内燃机最重要的过程，它决定了内燃机的经济性、动力性和排放性，火焰温度直接与内燃机的这些特性密切相关。因此，有必要准确测量火焰温度。

喷雾燃烧是一个极其复杂的过程，包含了湍流、化学反应、蒸发、破碎等多个子过程。因为喷雾包含大量细微液滴，所以对单液滴燃烧的研究是喷雾燃烧研究的基础。单液滴与喷雾燃烧过程类似，而且单液滴结构十分简单，便于进行深入研究。

就目前而言，已有少量研究报道了单液滴燃烧过程中的火焰温度测量，包括双色法和干涉法。但是，这些方法必须假设火焰是轴对称的。这与实际情况并不相符，因为在单液滴燃烧过程中，不能始终保证火焰总是轴对称的。三维层析重构法可以研究非轴对称火焰，但是传统的层析重构法却无法处理火焰中有一个液滴的情况。因此，非常有必要开发一种新方法来研究单液滴燃烧过程中非轴对称火焰的温度。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种单液滴燃烧的火焰温度三维重构方法及实验装置，实现了单液滴燃烧过程中非轴对称火焰温度的三维重构，能够准确测量单液滴燃烧的火焰温度，有利于内燃机燃烧特性的研究。

为此，本发明采用了以下技术方案：

一种单液滴燃烧的火焰温度三维重构方法，包括以下步骤：

步骤一，将单液滴燃烧的火焰划分为一系列水平切片；

步骤二，对每一层水平切片进行火焰温度重构；

步骤三，将所有水平切片进行叠加，得到三维火焰温度场。

优选地，步骤一中，在包含液滴的水平切片内，液滴均设为圆形，计算出光线在水平切片内的轨迹。

优选地，步骤二中，采用层析重构算法建立一层水平切片内的火焰温度分布。

优选地，步骤三中，叠加所有水平切片的火焰温度分布，得到三维火焰温度场。

一种单液滴燃烧的火焰温度三维重构实验装置，所述实验装置用于实现上述的单液滴燃烧的火焰温度三维重构方法，包括液滴制作系统、火花塞强制点火系统、光纤成像束、光学透镜系统、长焦微距镜头和高速摄像机；所述液滴制作系统用于产生单液滴，所述火花塞强制点火系统用于引燃所述单液滴；所述光纤成像束的输入端与光学透镜系统相对设置，光纤成像束的输出端与长焦微距镜头相对设置，所述高速摄像机与长焦微距镜头相连接；所述光学透镜系统相对单液滴设置，用于确保只有平行光进入到光纤成像束的输入端，有利于将火焰划分为一系列水平切片。

优选地，所述光纤成像束包括4个输入端和1个输出端，所述光纤成像束的4个输入端相对位置设置有4套光学透镜系统，每套光学透镜系统的组成完全相同，4套光学透镜系统与单液滴的距离相等且相互之间呈45°夹角分布。

优选地，所述光学透镜系统包括长焦凸透镜、光阑和短焦凸透镜，长焦凸透镜正对着单液滴方向设置，所述长焦凸透镜和短焦凸透镜的焦点重合，所述光阑放置在这个重合焦点的位置。

优选地，所述液滴制作系统包括注射泵系统、石英丝、连接于所述石英丝的刚玉管、连接于所述刚玉管的刚玉管安装座、连接于所述刚玉管安装座的悬臂以及连接于所述悬臂的支架；所述注射泵系统包含一个微升注射器和第一步进电机，所述第一步进电机与步进电机控制器电性连接，通过控制第一步进电机的脉冲数控制所述微升注射器注射液体的体积；所述微升注射器针头内设置有直径为100μm的铜丝，所述铜丝用于将液滴从所述微升注射器的针头转移到所述石英丝的尖端。

优选地，所述火花塞强制点火系统包括两个铜针、两个火花塞、两个火花塞安装座、两个滑块、两个线性导轨、第二步进电机及第三步进电机；两个铜针相对设置，所述石英丝的尖端位于两个铜针尖端的中间，利用火花塞强制点火系统在两个铜针尖端之间产生电火花，利用所述电火花将石英丝尖端上的单液滴引燃；所述第二步进电机和第三步进电机均与步进电机控制器电性连接，通过控制第二步进电机和第三步进电机的脉冲数可以控制两个铜针尖端离开石英丝尖端的速度和距离。

优选地，所述实验装置还包括黑体炉，用于进行火焰温度标定；所述黑体炉相对光学透镜系统设置，黑体炉的出口和光学透镜系统之间的距离与单液滴和光学透镜系统之间的距离相等。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提供了一种新的三维层析重构方法，利用光纤成像束可以从四个不同的方向对火焰进行检测，可用于重构包含有液滴的非轴对称火焰的情况。

(2)本发明提供的火花塞强制点火诱导单液滴燃烧的实验装置，可以有效避免传统单液滴燃烧装置中加热棒辐射的影响。

(3)本发明的单液滴燃烧实验装置，所有的过程都由步进电机控制器自动控制，减小了人为因素的影响。

(4)本发明能够准确测量单液滴燃烧的火焰温度，有利于内燃机燃烧特性的研究。

附图说明

图1是本发明实施例所提供的一种单液滴燃烧的火焰温度三维重构实验装置的结构示意图。

图2是火焰温度标定的装置结构示意图。

图3是单液滴制作和强制点火装置的结构示意图。

图4是单液滴燃烧实验的控制电路示意图。

附图标记说明：1、光纤成像束第四输入端；2、第四短焦凸透镜；3、第四光阑；4、第四长焦凸透镜；5、火焰；6、液滴；7、第二长焦凸透镜；8、第二光阑；9、第一长焦凸透镜；10、第一光阑；11、第一短焦凸透镜；12、光纤成像束第一输入端；13、第二短焦凸透镜；14、光纤成像束第二输入端；15、光纤束；16、第三长焦凸透镜；17、第三光阑；18、第三短焦凸透镜；19、光纤成像束第三输入端；20、光纤成像束输出端；21、长焦微距镜头；22、高速摄像机；23、黑体炉；24、微升注射器；25、第一步进电机；26、注射泵支架；27、第一铜针；28、第一火花塞支架；29、第一火花塞；30、点火线圈；31、第一滑块；32、第二步进电机；33、第一线性导轨；34、第三步进电机；35、第二线性导轨；36、第二滑块；37、第二火花塞支架；38、第二火花塞；39、第二铜针；40、石英丝；41、刚玉管；42、支架；43、刚玉管安装座；44、悬臂；45、直流电源；46、总开关；47、步进电机控制器；48、第一电磁继电器；49、第一步进电机驱动器；50、第二步进电机驱动器；51、第三步进电机驱动器；52、第二电磁继电器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例

一种单液滴燃烧的火焰温度三维重构方法及实验装置，其可适用于内燃机、煤燃烧锅炉装置、燃气轮机等设备中。图1展示了单液滴燃烧的火焰温度三维重构方法的实验装置结构示意图，所述实验装置主要包括光纤成像束、高速摄像机22、长焦微距镜头21及4套光学透镜系统。所述光纤成像束包含光纤成像束第一输入端12、光纤成像束第二输入端14、光纤成像束第三输入端19、光纤成像束第四输入端1、光纤成像束输出端20及4根光纤束15。以第一套光学透镜系统为例，它包括第一长焦凸透镜9、第一光阑10及第一短焦凸透镜11。所述第一长焦凸透镜9的直径为50mm，焦距为150mm。其他的长焦凸透镜与第一长焦凸透镜9的型号完全相同。所述第一光阑10的最小圆孔直径为0.5mm，其他的光阑与第一光阑10的型号完全相同。所述第一短焦凸透镜11的直径为20mm，焦距为50mm。其他的短焦凸透镜与所述第一短焦凸透镜11的型号完全相同。所述第一长焦凸透镜9和第一短焦凸透镜11的焦点重合，第一光阑10放置在这个重合焦点的位置。这套光学透镜系统可确保进入光纤成像束第一输入端12的光线是近似平行的。此外，这套光学透镜系统可将投影到光纤成像束第一输入端12的火焰图像缩小到原火焰图像的三分之一。投影到4个光纤成像束输入端的火焰图像经过4根光纤束15的传播，汇聚到光纤成像束输出端20。利用高速摄像机22和长焦微距镜头21，拍摄光纤成像束输出端20的图像信息，可同时得到四个投影结果。

图2展示了火焰温度标定的实验装置示意图，它包括黑体炉23、图1中的第一条光学支路、长焦微距镜头21及高速摄像机22。对于第一条光学支路，它包括第一长焦凸透镜9、第一光阑10和第一短焦凸透镜11，并且它们的空间布置与图1中所示的完全相同。所述第一长焦凸透镜9与黑体炉23出口的距离与图1中液滴6与第一长焦凸透镜9的距离相同。第一短焦凸透镜11与长焦微距镜头21的空间距离也与图1中第一短焦凸透镜11与长焦微距镜头21的空间布置完全相同。根据火焰温度标定的结果，可以建立起黑体辐射强度与火焰温度之间的对应关系。

图3展示了单液滴制作和强制点火装置的示意图，主要包括液滴制作系统和火花塞强制点火系统。液滴制作系统包括注射泵系统、连接于注射泵系统的注射泵支架26、石英丝40、连接于所述石英丝40的刚玉管41、连接于所述刚玉管41的刚玉管安装座43、连接于所述刚玉管安装座43的悬臂44及连接于所述悬臂44的支架42。注射泵系统包括微升注射器24和第一步进电机25，所述第一步进电机25与步进电机控制器47之间电性连接。液滴制作系统可将一个直径为1mm左右的液滴悬挂于所述石英丝40的尖端。火花塞强制点火系统包括第一铜针27、连接于所述第一铜针27的第一火花塞29、连接于所述第一火花塞29的点火线圈30、连接于所述第一火花塞29的第一火花塞支座28、连接于所述第一火花塞支座28的第一滑块31、连接于所述第一滑块31的第一线性导轨33、连接于所述第一线性导轨33的第二步进电机32、第二铜针39、连接于所述第二铜针39的第二火花塞38、连接于所述第二火花塞38的第二火花塞支座37、连接于所述第二火花塞支座37的第二滑块36、连接于所述第二滑块36的第二线性导轨35、连接于所述第二线性导轨35的第三步进电机34。所述点火线圈30由步进电机控制器47控制，所述第二火花塞38的尾部与大地电性连接。

图4展示了单液滴燃烧实验的控制电路示意图，主要包括直流电源45、连接于所述直流电源45的总开关46、连接于所述直流电源45的步进电机控制器47、连接于所述步进电机控制器47及所述直流电源45的第一步进电机驱动器49、连接于所述步进电机控制器47及所述直流电源45的第二步进电机驱动器50、连接于所述步进电机控制器47及所述直流电源45的第三步进电机驱动器51、连接于所述第一步进电机驱动器49的第一步进电机25、连接于所述第二步进电机驱动器50的第二步进电机32、连接于所述第三步进电机驱动器51的第三步进电机34、连接于所述步进电机控制器47及所述直流电源45的第一电磁继电器48、连接于所述步进电机控制器47及所述直流电源45的第二电磁继电器52、连接于所述第二电磁继电器52及所述直流电源45的点火线圈30。所述第一电磁继电器48控制第一步进电机控制器49、第二步进电机控制器50及第三步进电机控制器51是否与所述步进电机控制器47的PUL和DIR端口的连接。所述第二电磁继电器52控制所述点火线圈30的通/断电、进而控制点火时刻。

预先设定好的程序主要分为三个步骤。第一步，所述步进电机控制器47的OUT2端口连通，第一电磁继电器48闭合，第一步进电机驱动器49开始与步进电机控制器47电性连接，第一步进电机25开始工作。第一步进电机25的转动带动所述微升注射器24前进与后退，进而会有一滴燃油粘附在微升注射器24的针头。利用石英丝40的引导作用，燃油液滴会逐渐从微升注射器24的针头转移到针头内的铜丝，最终悬挂于石英丝40的尖端。第二步，第二电磁继电器52闭合，点火线圈30开始充电；短暂延时后，第二电磁继电器52断开，第一铜针27和第二铜针39的尖端之间放电；为保证液滴点火成功，第二步一般被重复10个循环。第三步，步进电机控制器47的OUT2端口断开，第一电磁继电器48断开，第二步进电机驱动器50和第三步进电机驱动器51开始与所述步进电机控制器47连通，第二步进电机32和第三步进电机34开始工作。第二步进电机32和第三步进电机34的转动带动第一铜针27和第二铜针39分离。这样可以避免这两个铜针对液滴燃烧过程的影响。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单液滴燃烧的火焰温度三维重构方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，将单液滴燃烧的火焰划分为一系列水平切片；

步骤二，对每一层水平切片进行火焰温度重构；

步骤三，将所有水平切片进行叠加，得到三维火焰温度场。

2.根据权利要求1所述的一种单液滴燃烧的火焰温度三维重构方法，其特征在于：步骤一中，在包含液滴的水平切片内，液滴均设为圆形，计算出光线在水平切片内的轨迹。

3.根据权利要求1所述的一种单液滴燃烧的火焰温度三维重构方法，其特征在于：步骤二中，采用层析重构算法建立一层水平切片内的火焰温度分布。

4.根据权利要求3所述的一种单液滴燃烧的火焰温度三维重构方法，其特征在于：步骤三中，叠加所有水平切片的火焰温度分布，得到三维火焰温度场。

5.一种单液滴燃烧的火焰温度三维重构实验装置，其特征在于：所述实验装置用于实现如权利要求1至4中任一项所述的单液滴燃烧的火焰温度三维重构方法，包括液滴制作系统、火花塞强制点火系统、光纤成像束、光学透镜系统、长焦微距镜头和高速摄像机；所述液滴制作系统用于产生单液滴，所述火花塞强制点火系统用于引燃所述单液滴；所述光纤成像束的输入端与光学透镜系统相对设置，光纤成像束的输出端与长焦微距镜头相对设置，所述高速摄像机与长焦微距镜头相连接；所述光学透镜系统相对单液滴设置，用于确保只有平行光进入到光纤成像束的输入端，有利于将火焰划分为一系列水平切片。

6.根据权利要求5所述的一种单液滴燃烧的火焰温度三维重构实验装置，其特征在于：所述光纤成像束包括4个输入端和1个输出端，所述光纤成像束的4个输入端相对位置设置有4套光学透镜系统，每套光学透镜系统的组成完全相同，4套光学透镜系统与单液滴的距离相等且相互之间呈45°夹角分布。

7.根据权利要求5所述的一种单液滴燃烧的火焰温度三维重构实验装置，其特征在于：所述光学透镜系统包括长焦凸透镜、光阑和短焦凸透镜，长焦凸透镜正对着单液滴方向设置，所述长焦凸透镜和短焦凸透镜的焦点重合，所述光阑放置在这个重合焦点的位置。

8.根据权利要求5所述的一种单液滴燃烧的火焰温度三维重构实验装置，其特征在于：所述液滴制作系统包括注射泵系统、石英丝、连接于所述石英丝的刚玉管、连接于所述刚玉管的刚玉管安装座、连接于所述刚玉管安装座的悬臂以及连接于所述悬臂的支架；所述注射泵系统包含一个微升注射器和第一步进电机，所述第一步进电机与步进电机控制器电性连接，通过控制第一步进电机的脉冲数控制所述微升注射器注射液体的体积；所述微升注射器针头内设置有直径为100μm的铜丝，所述铜丝用于将液滴从所述微升注射器的针头转移到所述石英丝的尖端。

9.根据权利要求8所述的一种单液滴燃烧的火焰温度三维重构实验装置，其特征在于：所述火花塞强制点火系统包括两个铜针、两个火花塞、两个火花塞安装座、两个滑块、两个线性导轨、第二步进电机及第三步进电机；两个铜针相对设置，所述石英丝的尖端位于两个铜针尖端的中间，利用火花塞强制点火系统在两个铜针尖端之间产生电火花，利用所述电火花将石英丝尖端上的单液滴引燃；所述第二步进电机和第三步进电机均与步进电机控制器电性连接，通过控制第二步进电机和第三步进电机的脉冲数可以控制两个铜针尖端离开石英丝尖端的速度和距离。

10.根据权利要求5至9中任一项所述的一种单液滴燃烧的火焰温度三维重构实验装置，其特征在于：所述实验装置还包括黑体炉，用于进行火焰温度标定；所述黑体炉相对光学透镜系统设置，黑体炉的出口和光学透镜系统之间的距离与单液滴和光学透镜系统之间的距离相等。