CN111157222A - 一种对冲火焰拉伸熄灭极限和火焰速度测量系统 - Google Patents

一种对冲火焰拉伸熄灭极限和火焰速度测量系统 Download PDF

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CN111157222A CN202010059935.2A CN202010059935A CN111157222A CN 111157222 A CN111157222 A CN 111157222A CN 202010059935 A CN202010059935 A CN 202010059935A CN 111157222 A CN111157222 A CN 111157222A
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张孝春
苏国锴
张真溢
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Abstract

本申请公开了一种对冲火焰拉伸熄灭极限和火焰速度测量系统，包括：气体罐组、PIV装置、CCD相机组、计算机和上下相对设置的两个对冲装置；对冲装置包括壳体和非共面同轴圆环喷口对冲系统；非共面同轴圆环喷口对冲系统安装在壳体上；壳体通过管路系统与气体罐组连接；PIV装置和CCD相机组均正对着两个对冲装置喷口之间的区域；PIV装置与计算机电连接；非共面同轴圆环喷口对冲系统包括内喷口和外喷口；内喷口和外喷口均为弧边喷口；内喷口与外喷口之间具有预设的第一高度差。本发明最大程度地切合了气体的流动方向，减少了内外喷口的气流产生交叉紊流的可能性，可以在测量区域形成更稳定的流场，进而提高了测量精度。

Description

一种对冲火焰拉伸熄灭极限和火焰速度测量系统
技术领域
本申请涉及对冲火焰测量技术领域，尤其涉及一种对冲火焰拉伸熄灭极限和火焰速度测量系统。
背景技术
火焰传播速度和火焰拉伸熄灭极限是燃烧理论中的非常重要的参数，并具有非常大的现实意义和广阔的应用前景。研究火焰传播速度，可以应用于提高燃烧效率，减少不完全燃烧产物的产生等；研究火焰拉伸熄灭极限，可以控制燃烧过程，通过控制特定燃料喷射速率，获得所需的火焰温度、长度，满足工艺所需的特殊要求，进而提升对燃烧技术的认知，增进燃烧技术的发展。
目前，普遍使用对冲火焰法测量火焰传播速度，火焰拉伸熄灭极限等参数，但现有的测量系统测量精准度较差，为此，本发明提出一种对冲火焰拉伸熄灭极限和火焰速度测量系统。
发明内容
本申请实施例提供了一种对冲火焰拉伸熄灭极限和火焰速度测量系统，使得有效提高了流场的稳定性，进而提高了测量精度。
有鉴于此，本申请提供了一种对冲火焰拉伸熄灭极限和火焰速度测量系统，包括：气体罐组、PIV装置、CCD相机组、计算机和上下相对设置的两个对冲装置；
所述对冲装置包括壳体和非共面同轴圆环喷口对冲系统；
所述非共面同轴圆环喷口对冲系统安装在所述壳体上；
所述壳体通过管路系统与所述气体罐组连接；
所述PIV装置和所述CCD相机组均正对着两个所述对冲装置喷口之间的区域；
所述PIV装置与所述计算机电连接；
所述非共面同轴圆环喷口对冲系统包括内喷口和外喷口；
所述内喷口和所述外喷口均为弧边喷口；
所述内喷口与所述外喷口之间具有预设的第一高度差。
可选地，所述管路系统上设置有示踪粒子添加系统和MFC质量流量计。
可选地，所述示踪粒子添加系统上设置有可改变增压腔室体积的调节阀。
可选地，所述壳体包括下层壳体、中层外部壳体和中层内部壳体；
所述中层外部壳体和所述中层内部壳体均与所述下层壳体连接；
所述中层外部壳体与所述中层内部壳体无直接连接；
所述内喷口安装在所述中层内部壳体的顶部；
所述外喷口安装在所述中层外部壳体的顶部；
所述下层壳体底部设置有用于与所述管路系统连接的管路连接口。
可选地，两个所述对冲装置之间设置有用于调节两个所述对冲装置喷口距离的对冲间距调节装置；
所述中层外部壳体设置有连接口；
所述中层外部壳体通过所述连接口与所述对冲间距调节装置连接。
可选地，所述中层内部壳体与所述下层壳体的连接处设置有用于稳定气流的内部稳流装置。
可选地，所述内喷口的相对位置高于所述外喷口的相对位置。
可选地，所述第一高度差为3-5mm。
可选地，所述外喷口和所述内喷口均为沿火焰喷射方向逐渐变窄的漏斗型结构。
可选地，所述外喷口顶端的半径为30mm；
所述外喷口底端的半径为80mm；
所述内喷口顶端的半径为10mm；
所述内喷口底端的半径为40mm。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：包括气体罐组、PIV装置、CCD相机组、计算机和上下相对设置的两个对冲装置，对冲装置包括壳体和非共面同轴圆环喷口对冲系统，非共面同轴圆环喷口对冲系统安装在壳体上，壳体通过管路系统与气体罐组连接，PIV装置和CCD相机组均正对着两个对冲装置喷口之间的区域，PIV装置与计算机电连接；非共面同轴圆环喷口对冲系统包括内喷口和外喷口，内喷口和外喷口均为弧边喷口，内喷口与外喷口之间具有预设的第一高度差，通过采用内外双喷口模型，同时喷口采用弧边喷口构型设计，内外喷口间存在一定的高度差，可以最大程度地切合了气体的流动方向，减少了内外喷口的气流产生交叉紊流的可能性，可以在测量区域形成更稳定的流场，具有提高测量精度，提高流场稳定性的潜力。
附图说明
图1为本申请实施例中对冲火焰拉伸熄灭极限和火焰速度测量系统的结构示意图；
图2为本申请实施例中对冲装置的剖面图；
图3为本申请实施例中示踪粒子添加系统的剖面图；
其中，附图标记为：
1-壳体，2-非共面同轴圆环喷口对冲系统，3-对冲间距调节装置，4-PIV装置，5-计算机，6-CCD相机组，7-管路系统，8-示踪粒子添加系统，9-MFC质量流量计，10-气体罐组，11-中层内部壳体，12-中层外部壳体，13-密封圈，14-下层壳体，15-保护性气体管路连接口，16-燃料或氧化剂管路连接口，17-稳流板，18-连接口，21-内喷口，22-外喷口，81-增压腔室，82-调节阀。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
发明人发现：20世纪60年代学者使用的对冲喷口是单层圆环喷口，缺少分流出来的保护性气体喷口，未能使保护性气体包裹在火焰外部，保护火焰不受外部干扰，在这种情况下，火焰的稳定性差于双喷口模型，造成对冲火焰的稳定性有所下降。而共面同轴圆环喷口模型相较于最新的非共面同轴圆环双喷口模型，由于保护性气体与燃料同高度喷出，压缩了中心燃烧流场，因此中心流场稳固性和面积大小略有差距。
用对冲火焰法测量速度时，两个喷嘴在喷嘴中心线上相隔一定距离互相对立布置，可燃气体通过相隔一定距离的两个喷嘴同时对称喷出，火焰将在相隔距离中间位置形成一个滞止面，为了保持火焰在两个喷嘴之间稳定，以及防止外界如空气与内部空间燃料和氧化剂的混合及空气流动的影响，往壳体通入氮气以保护燃烧区域。此时火焰状态是定常、层流、准绝热、无外部流场作用、理想且可以简单定量描述的，结合PIV实验装置，可以测得流场中心轴线上的速度分布。
本申请提供了一种对冲火焰拉伸熄灭极限和火焰速度测量系统的一个实施例，具体请参阅图1和图2。
本实施例中的对冲火焰拉伸熄灭极限和火焰速度测量系统包括：气体罐组10、PIV装置4、CCD相机组6、计算机5和上下相对设置的两个对冲装置，对冲装置包括壳体1和非共面同轴圆环喷口对冲系统2，非共面同轴圆环喷口对冲系统2安装在壳体1上，壳体1通过管路系统7与气体罐组10连接，PIV装置4和CCD相机组6均正对着两个对冲装置喷口之间的区域，PIV装置4与计算机5电连接；非共面同轴圆环喷口对冲系统2包括内喷口21和外喷口22，外喷口22和内喷口21共同组成非共面同轴圆环喷口对冲系统2；内喷口21和外喷口22均为弧边喷口，内喷口21与外喷口22之间具有预设的第一高度差。
需要说明的是：通过采用内外双喷口模型，同时喷口采用弧边喷口构型设计，内外喷口间存在一定的高度差，可以最大程度地切合了气体的流动方向，减少了内外喷口的气流产生交叉紊流的可能性，可以在测量区域形成更稳定的流场，具有提高测量精度，提高流场稳定性的潜力。
以上为本申请实施例提供的一种对冲火焰拉伸熄灭极限和火焰速度测量系统的实施例一，以下为本申请实施例提供的一种对冲火焰拉伸熄灭极限和火焰速度测量系统的实施例二，具体请参阅图1至图3。
本实施例中的对冲火焰拉伸熄灭极限和火焰速度测量系统包括：气体罐组10、PIV装置4、CCD相机组6、计算机5和上下相对设置的两个对冲装置，对冲装置包括壳体1和非共面同轴圆环喷口对冲系统2，非共面同轴圆环喷口对冲系统2安装在壳体1上，壳体1通过管路系统7与气体罐组10连接，PIV装置4和CCD相机组6均正对着两个对冲装置喷口之间的区域，PIV装置4与计算机5电连接，CCD相机组6也可以与计算机5电连接，PIV装置4发出激光，处于对冲火焰流场的示踪粒子在激光的照射下发出一定频率的光，CCD相机组6将这一瞬间直观、准确地记录下来，通过计算机5的数据处理，根据CCD相机组6记录的数据，能够更准确地解析出对冲火焰流场的原貌。
非共面同轴圆环喷口对冲系统2包括内喷口21和外喷口22，外喷口22和内喷口21共同组成非共面同轴圆环喷口对冲系统2；内喷口21和外喷口22均为弧边喷口，弧边喷口由特定半径和角度的弧边以及与两者相切的直线段构成；内喷口21与外喷口22之间具有预设的第一高度差。
管路系统7上设置有示踪粒子添加系统8和MFC质量流量计9。具体的，如图3所示，示踪粒子添加系统8上设置有可改变增压腔室81体积的调节阀82，可以通过控制气流在增压腔室81内的紊流状态来控制示踪粒子的输出量，进而实现对示踪粒子添加量的控制。
需要说明的是：示踪粒子添加系统8设置了调节阀82，可以改变示踪粒子添加系统8的内部体积与压力，用以控制示踪粒子在火焰流场中的浓度，保证在拍摄窗口中有足够的示踪粒子，避免示踪粒子过少过多而导致的分析误差，从而保证分析结果的准确性。
如图2所示，壳体1包括下层壳体14、中层外部壳体12和中层内部壳体11，中层外部壳体12和中层内部壳体11均与下层壳体14连接，中层外部壳体12与中层内部壳体11无直接连接，内喷口21安装在中层内部壳体11的顶部，外喷口22安装在中层外部壳体12的顶部，下层壳体14底部设置有用于与管路系统7连接的管路连接口，具体的，管路连接口包括保护性气体管路连接口15和燃料或氧化剂管路连接口16。
两个对冲装置之间设置有用于调节两个对冲装置喷口距离的对冲间距调节装置3，中层外部壳体12设置有连接口18，中层外部壳体12通过连接口18与对冲间距调节装置3连接，具体的，连接口18设有螺纹，可以调节两个对冲装置喷口的距离，通过对冲间距调节装置3的加入，可以调节并固定对冲装置间的距离，方便研究不同距离的对冲火焰相关参数变化现象规律。
中层内部壳体11与下层壳体14的连接处设置有用于稳定气流的内部稳流装置，具体的，内部稳流装置可以采用稳流板17，稳流板17由陶瓷蜂窝体制成，陶瓷蜂窝体采用方形多孔通道结构，气体通过稳流板17时，可以整流成为竖直向上的层流，使得流场更加稳定，进而可以提高实验成功率。
下层壳体14与中层外部壳体12和中层内部壳体11的连接处均设置有密封圈13，保证壳体1连接处不漏气，具体的，密封圈13的材质可以为橡胶。
内喷口21的相对位置高于外喷口22的相对位置，具体的，第一高度差为3-5mm，优选地，第一高度差为3mm。
外喷口22和内喷口21均为沿火焰喷射方向逐渐变窄的漏斗型结构。
具体的，外喷口22顶端的半径为30mm，外喷口22底端的半径为80mm，外喷口22的半径由80mm渐缩至30mm；内喷口21顶端的半径为10mm，内喷口21底端的半径为40mm，内喷口21的半径由40mm渐缩至10mm。
具体实施时，调节两个对冲装置喷口的距离，开启管路系统7连接的气体罐组10，接入燃料、氧化剂和保护性气体，并开启管路系统7连接的示踪粒子添加系统8在管路系统7中加入适量的示踪粒子，开启安装在管路系统7中的MFC质量流量计9，分别调节三种气体的流量；开启配套测控部分的计算机5、CCD相机组6和PIV装置4，调节激光打入测量区域，初次调节CCD相机组6的镜头方向和焦距，使得拍摄的对冲喷口在测量窗口中间，且清晰可见；使用电子点火装置点燃对冲装置喷口之间的燃料，观察火焰形态，对CCD相机组6的焦距进行微调，使得拍摄的火焰图片清晰饱满；用CCD相机组6进行实验现象的拍摄，实验结束后，将CCD相机组6记录的数据导入配套测控部分的计算机5，进行数据处理。
本对冲火焰拉伸熄灭极限和火焰速度测量系统通过对现有对冲装置进行改进，采用内外双喷口模型，同时喷口采用弧边喷口构型设计，内外喷口间存在一定的高度差，可以最大程度地切合了气体的流动方向，减少了内外喷口的气流产生交叉紊流的可能性，可以在测量区域形成更稳定的流场，具有提高测量精度，提高流场稳定性的潜力。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种对冲火焰拉伸熄灭极限和火焰速度测量系统，其特征在于，包括：气体罐组、PIV装置、CCD相机组、计算机和上下相对设置的两个对冲装置；
所述对冲装置包括壳体和非共面同轴圆环喷口对冲系统；
所述非共面同轴圆环喷口对冲系统安装在所述壳体上；
所述壳体通过管路系统与所述气体罐组连接；
所述PIV装置和所述CCD相机组均正对着两个所述对冲装置喷口之间的区域；
所述PIV装置与所述计算机电连接；
所述非共面同轴圆环喷口对冲系统包括内喷口和外喷口；
所述内喷口和所述外喷口均为弧边喷口；
所述内喷口与所述外喷口之间具有预设的第一高度差。
2.根据权利要求1所述的对冲火焰拉伸熄灭极限和火焰速度测量系统，其特征在于，所述管路系统上设置有示踪粒子添加系统和MFC质量流量计。
3.根据权利要求2所述的对冲火焰拉伸熄灭极限和火焰速度测量系统，其特征在于，所述示踪粒子添加系统上设置有可改变增压腔室体积的调节阀。
4.根据权利要求1所述的对冲火焰拉伸熄灭极限和火焰速度测量系统，其特征在于，所述壳体包括下层壳体、中层外部壳体和中层内部壳体；
所述中层外部壳体和所述中层内部壳体均与所述下层壳体连接；
所述中层外部壳体与所述中层内部壳体无直接连接；
所述内喷口安装在所述中层内部壳体的顶部；
所述外喷口安装在所述中层外部壳体的顶部；
所述下层壳体底部设置有用于与所述管路系统连接的管路连接口。
5.根据权利要求4所述的对冲火焰拉伸熄灭极限和火焰速度测量系统，其特征在于，两个所述对冲装置之间设置有用于调节两个所述对冲装置喷口距离的对冲间距调节装置；
所述中层外部壳体设置有连接口；
所述中层外部壳体通过所述连接口与所述对冲间距调节装置连接。
6.根据权利要求4所述的对冲火焰拉伸熄灭极限和火焰速度测量系统，其特征在于，所述中层内部壳体与所述下层壳体的连接处设置有用于稳定气流的内部稳流装置。
7.根据权利要求1所述的对冲火焰拉伸熄灭极限和火焰速度测量系统，其特征在于，所述内喷口的相对位置高于所述外喷口的相对位置。
8.根据权利要求1所述的对冲火焰拉伸熄灭极限和火焰速度测量系统，其特征在于，所述第一高度差为3-5mm。
9.根据权利要求1所述的对冲火焰拉伸熄灭极限和火焰速度测量系统，其特征在于，所述外喷口和所述内喷口均为沿火焰喷射方向逐渐变窄的漏斗型结构。
10.根据权利要求9所述的对冲火焰拉伸熄灭极限和火焰速度测量系统，其特征在于，所述外喷口顶端的半径为30mm；
所述外喷口底端的半径为80mm；
所述内喷口顶端的半径为10mm；
所述内喷口底端的半径为40mm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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