CN111397907B - 一种基于立体纹影成像技术研究胞化火焰空间结构的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于立体纹影成像技术研究胞化火焰空间结构的系统。该系统由定容燃烧室、加热系统、点火系统、同步控制系统、瞬态高温高压测量系统和纹影成像系统组成。将燃料充入定容燃烧室，用电极丝点燃燃料，通过纹影仪与高速摄像机记录火焰胞化形态变化，构建胞化火焰立体空间结构，瞬态热电偶与压力传感器记录压力温度数据。本发明采用立体纹影成像技术，多角度全方位记录了火焰胞化过程，改变了传统实验方式的单一视角，构建了立体的火焰形态，有助于火焰胞化和火焰自加速的研究，并且可精确控制点火、高速成像和数据采集之间的计时过程，在同步控制系统中输入控制信号的间隔和脉宽，使系统工作过程更加准确和高效。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧火焰领域，尤其涉及一种基于立体纹影成像技术研究胞化火焰空间结构的系统。
技术背景
球形膨胀预混火焰是测量层流燃烧速度的重要方法，也是火花点火式内燃机中的典型火焰形式。在火焰自身不稳定性的作用下，球形膨胀火焰在半径增大到一定程度时会发生整体性的失稳，整个火焰面上出现大量细胞状褶皱裂纹，即火焰胞化，此后火焰速度会自发地加快，并逐渐呈现出类似湍流火焰的自加速规律。这一过程中褶皱所导致的火焰面积的增加是导致火焰速度加快的重要原因，但是由于火焰面褶皱裂纹及火焰细胞形态特征难以量化，现有的实验设备往往无法直观地体现这些现象的内在因果关系。
发明内容
为了解决上述问题，本发明采用立体纹影成像技术，从火焰的两个方向进行成像，多角度观察火焰的变化情况，对火焰胞化过程进行完整的记录，更加直观清晰地观察火焰胞化过程，更立体的展现球形火焰表面褶皱的形态。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于立体纹影成像技术研究胞化火焰空间结构的系统，包括定容燃烧室、加热系统、点火系统、同步控制系统、瞬态高温高压测量系统和纹影成像系统；
所述纹影成像系统包括至少两套纹影仪，每一套纹影仪包括光源、高速摄像机和光学视镜；
所述定容燃烧室为带有燃烧腔的中空腔体结构，其外壁上设有若干个安装槽和安装通孔，安装通孔内可拆卸地安装有将安装通孔密封的密封组件；定容燃烧室的外壁设有至少两对呈不同角度的平行光学视窗，每一对光学视窗外侧分别设有一处光源和一台高速摄像机，在光源和高速摄像机与相对应的光学视窗之间的光路上设有光学视镜，每一对平行光学视窗对应的定容燃烧室内的燃烧腔为待测流场；
所述加热系统、点火系统、瞬态高温高压测量系统分别通过定容燃烧室外壁上相应的安装槽、安装通孔及其密封组件与定容燃烧室配套安装；所述同步控制系统与点火系统、瞬态高温高压测量系统、以及纹影成像系统相连接。
优选的，所述纹影成像系统包括两套纹影仪，每一套纹影仪包括沿光路依次设置的光源、凸透镜、狭缝、第一平面镜、第一准直反射镜、第二准直反射镜、第二平面镜、刀口及高速摄像机，待测流场位于所述的第一准直反射镜和第二准直反射镜之间的成像段光路上；
所述光源发射出的光线经凸透镜聚焦后穿过狭缝照射至第一平面镜，然后经第一准直反射镜后变换为平行光线，平行光线穿过定容燃烧室的一对平行光学视窗内部的待测流场后传播至第二准直反射镜，再经第二平面镜汇聚，汇聚后的光线经过刀口后在高速摄像机处成像。
优选的，两套纹影仪的成像段光路互相垂直。
优选的，所述点火系统包括点火电极和点火模块；点火电极的工作端插入定容燃烧室外壁上相应的安装通孔内，点火电极的控制端口通过点火模块与同步控制系统连接。
优选的，所述瞬态高温高压测量系统包括压力传感器、瞬态热电偶、电荷放大器和示波器；压力传感器和瞬态热电偶分别安装在定容燃烧室外壁上相应的安装通孔内，压力传感器和瞬态热电偶均通过电荷放大器与示波器连接。
优选的，所述同步控制系统包括电子控制单元ECU、数字延迟脉冲发生器和计算机；电子控制单元ECU通过计算机控制，电子控制单元ECU的两个输出端口分别与数字延迟脉冲发生器和点火系统的点火模块连接；所述数字延迟脉冲发生器的三个输出端口分别与两台高速摄像机和瞬态高温高压测量系统的示波器连接；所述电子控制单元ECU同时输出同步控制信号和点火控制信号，同步控制信号通过数字延迟脉冲发生器同时产生驱动两台高速摄像机工作的触发信号和驱动示波器工作的触发信号，点火控制信号用于控制点火模块驱动点火电极点燃定容燃烧室内的燃料。
优选的，所述加热系统包括K型热电偶、温度显示器、电压调节器和若干个热电阻；K型热电偶安装在定容燃烧室外壁上相应的安装通孔内，K型热电偶与温度显示器连接；若干个热电阻分别安装在定容燃烧室外壁上的安装槽内，热电阻与电压调节器连接。
优选的，所述热电阻的额定功率为60W。
优选的，所述定容燃烧室为带有燃烧腔的中空八角柱结构，八角柱的八个侧面设有四对光学视窗，每一个光学视窗的周围设有用于安装加热系统的安装槽，八角柱的顶部设有用于安装点火系统和瞬态高温高压测量系统的安装通孔，八角柱外壁上还设有进气阀和排气阀，排气阀与真空泵连接。
优选的，所述定容燃烧室的容积为3.6L，压力上限为20Mpa。
本发明具备的有益效果：
(1)本发明可精确控制精确控制点火、高速成像和数据采集之间的计时过程，在同步控制系统中输入控制信号的间隔和脉宽，使系统工作过程更加准确和高效。
(2)本发明在工作过程中能保持定容燃烧室温度稳定。加热系统既有加热的功能，又有保温的功能，当加热系统把定容燃烧室加热到目标温度后，将加热功率降低，使定容燃烧室温度保持在恒定状态。
(3)本发明采用立体纹影成像技术，多角度全方位记录了火焰胞化过程，改变了传统实验方式的单一视角，构建了立体的火焰形态，有助于火焰胞化和火焰自加速的研究。
(4)本发明采用了电极点火的方式，既可以保证实验过程的安全性，又不影响火焰形态的测量和记录。
(5)本发明只需要操作人员在计算机中点击触发信号，即可开始点火、数据记录，操作简单便捷。
附图说明
图1是本发明的一种基于立体纹影成像技术研究胞化火焰空间结构的系统结构示意图；
图2是系统的时序控制系统工作流程；
图3是ECU的顺序驱动信号；
图4是系统数据采集过程。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示的本发明的一种基于立体纹影成像技术研究胞化火焰空间结构的系统结构示意图，包括定容燃烧室、加热系统、点火系统、同步控制系统、瞬态高温高压测量系统和纹影成像系统；所述定容燃烧室为带有燃烧腔的中空腔体结构，其外壁上设有若干个安装槽和安装通孔，安装通孔内可拆卸地安装有将安装通孔密封的密封组件；定容燃烧室的外壁设有至少两对呈不同角度的平行光学视窗，每一对平行光学视窗对应的定容燃烧室内的燃烧腔为待测流场，使用两套纹影仪透过两对光学视窗来拍摄不同角度的火焰胞化形态；所述加热系统、点火系统、瞬态高温高压测量系统与定容燃烧室配套安装，所述同步控制系统与点火系统、瞬态高温高压测量系统、以及纹影成像系统相连接。
在本发明的一个具体实施例中，所述纹影成像系统包括两套纹影仪，纹影仪是一种观察透明物质密度和温度分布在介质中折射率变化的通用光学显示仪器，纹影仪能摄取所需研究的气流密度变化的形态，提供被实验物的真实流动图像。如研究分层流、多相流、超声速流、激波、火焰、爆炸等离子体及某些化学反应，是目前燃烧领域重要实验设备。每一套纹影仪包括沿光路依次设置的光源、凸透镜、狭缝、第一平面镜、第一准直反射镜、第二准直反射镜、第二平面镜、刀口及高速摄像机，待测流场位于所述的第一准直反射镜和第二准直反射镜之间的成像段光路上，纹影仪以平行光束通过含有可压缩流场的试验段进行成像。所述光源发射出的光线经凸透镜聚焦后穿过狭缝照射至第一平面镜，然后经第一准直反射镜后变换为平行光线，平行光线穿过定容燃烧室的一对平行光学视窗内部的待测流场后传播至第二准直反射镜，再经第二平面镜汇聚，汇聚后的光线经过刀口后在高速摄像机处成像。
在本发明的一个具体实施例中，所述定容燃烧室为带有燃烧腔的中空八角柱结构，其外壁上设有若干个安装槽和安装通孔，安装通孔内可拆卸地安装有将安装通孔密封的密封组件，具体的：八角柱的八个侧壁上各设有一个光学视窗，两套纹影仪光路设置呈45度角，光路中对应的定容燃烧室内的燃烧腔为待测流场；每一个光学视窗的周围均设有6个用于安装加热系统的安装槽，热电阻安装在安装槽中，共计48个热电阻；八角柱外壁上还设有进气阀和排气阀，排气阀与真空泵连接，燃料燃烧后通过真空泵和排气阀排出废气；未安装光学视窗的顶部设置有用于安装点火系统和瞬态高温高压测量系统的安装通孔，点火电极、K型热电偶、瞬态热电偶、压力传感器通过安装通孔进行点火、测温和测压。整个定容燃烧室的容积为3.6L，总质量为150kg，设计压力为上限200bar。
在本发明的一个具体实施例中，所述加热系统包括K型热电偶、温度显示器、电压调节器和若干个热电阻；K型热电偶安装在定容燃烧室外壁上相应的安装通孔内，K型热电偶与温度显示器连接；若干个热电阻分别安装在定容燃烧室外壁上的安装槽内，热电阻与电压调节器连接。加热系统通过加热定容燃烧室间接提高混合气体的初始温度，热电阻安装在定容燃烧室的侧面，每个功率最大值为60W，通过控制电压调节加热功率，并使用K型热电偶监控温度，温度显示仪显示定容燃烧室内温度。
所述点火系统包括点火电极和点火模块；点火电极的工作端插入定容燃烧室外壁上相应的安装通孔内，点火电极的控制端口通过点火模块与同步控制系统连接。点火模块与点火电极相连，通过点火电极点燃燃料。
所述瞬态高温高压测量系统包括压力传感器、瞬态热电偶、电荷放大器和示波器；压力传感器和瞬态热电偶分别安装在定容燃烧室外壁上相应的安装通孔内，压力传感器和瞬态热电偶均通过电荷放大器与示波器连接。
所述同步控制系统包括电子控制单元ECU、数字延迟脉冲发生器和计算机；电子控制单元ECU通过计算机控制，电子控制单元ECU的两个输出端口分别与数字延迟脉冲发生器和点火系统的点火模块连接；所述数字延迟脉冲发生器的三个输出端口分别与两台高速摄像机和瞬态高温高压测量系统的示波器连接。
如图2和图3所示，所述电子控制单元ECU同时输出同步控制信号和点火控制信号，同步控制信号通过数字延迟脉冲发生器同时产生驱动两台高速摄像机工作的信号和驱动示波器工作的信号，点火控制信号用于控制点火模块驱动点火电极点燃定容燃烧室内的燃料。由于预混合气体的燃烧过程约0.1s，点燃预混合气体后，系统记录燃烧室内部的温度和压力，高速摄像机进行拍摄。因此需要精确控制点火和数据采集之间的时序。时序控制过程如图2，当燃烧室中的可燃气体与空气均匀混合后，电子控制单元ECU输出2个顺序的驱动信号，驱动信号如图3所示，T1、T2分别是数字延迟脉冲发生器DG645(美国SRS公司)、点火控制模块触发信号。T1和T2相同，T2越大点火能量越大，测试过程中通常设置为10ms。在触发信号的下降沿，DG645将输出两个通道的同步控制信号，一个信号控制高速摄像机以固定分辨率(312×260)记录图像，另一个信号控制示波器采集定容燃烧室内部的瞬态温度和压力数据。点火控制模块还在触发信号的下降沿时向点火电极输入瞬时高压，并在电极间隙中会产生火花点燃可燃气体。
测试系统的数据采集过程如图4所示。测试系统使用了压电传感(Kistler6115A)。由于压力传感器具有高输出阻抗，因此配备了电荷放大器(Kistler5018A)，将输出电荷转换为由示波器识别的电压信号。为了准确地测量瞬态压力，在每次测试后需要关闭电荷放大器的测量功能，减少由电荷积累引起的误差。系统的瞬态热电偶是Nanmac公司生产的E12型，响应时间小于20μs。它与放大器(INA 141U)连接并进行校准从而获得温度和输出电压之间的拟合方程。将冰水混合物和沸水作为标准温度对象进行测量，然后将水银温度计和热电偶同时放置在燃烧室中，测量加热的空气，从而验证温度电压关系的准确性。校准数据如表1所示。
表1
系统进行测试时，示波器以125kHz的频率记录温度和压力数据，将噪声滤波器设置为75MHz。数据通过USB传输到计算机，在数据处理时进行过滤，消除由传感器的通道效应引起的振荡。
本系统的具体操作过程如下：
在实验开始前先启动加热系统，调节电压调节器，使安装在定容燃烧室上的热电阻以合适的功率对其进行加热。K型热电偶测量燃烧腔体温度，并通过温度显示器显示当前温度。当定容燃烧室被加热到目标温度后，将燃料注入定容燃烧室内，燃料与空气混合均匀后充入空气，达到预定压力后关闭进气阀。通过计算机控制ECU发出信号，点火信号使点火模块工作，点火模块向点火电极输入瞬时高压，并在电极间隙中会产生火花，点燃定容燃烧室内的燃料。同步控制信号进入数字延迟脉冲发生器，输出两个通道的同步控制信号，一个信号控制高速摄像机进行记录，另一个信号控制示波器显示定容燃烧室内部的瞬态温度和压力数据。瞬态热电偶、压力传感器通过电荷放大器与示波器相连，通过示波器采集相关数据。完成一次实验后，打开真空泵和排气阀，将废气排出。
以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于立体纹影成像技术研究胞化火焰空间结构的系统，其特征在于，包括定容燃烧室、加热系统、点火系统、同步控制系统、瞬态高温高压测量系统和纹影成像系统；
所述纹影成像系统包括两套纹影仪，两套纹影仪的成像段光路互相垂直；每一套纹影仪包括沿光路依次设置的光源、凸透镜、狭缝、第一平面镜、第一准直反射镜、第二准直反射镜、第二平面镜、刀口及高速摄像机，待测流场位于所述的第一准直反射镜和第二准直反射镜之间的成像段光路上；
所述光源发射出的光线经凸透镜聚焦后穿过狭缝照射至第一平面镜，然后经第一准直反射镜后变换为平行光线，平行光线穿过定容燃烧室的一对平行光学视窗内部的待测流场后传播至第二准直反射镜，再经第二平面镜汇聚，汇聚后的光线经过刀口后在高速摄像机处成像；
所述定容燃烧室为带有燃烧腔的中空腔体结构，其外壁上设有若干个安装槽和安装通孔，安装通孔内可拆卸地安装有将安装通孔密封的密封组件；定容燃烧室的外壁设有至少两对呈不同角度的平行光学视窗，每一对光学视窗外侧分别设有一处光源和一台高速摄像机，在光源和高速摄像机与相对应的光学视窗之间的光路上设有光学视镜，每一对平行光学视窗对应的定容燃烧室内的燃烧腔为待测流场；
所述加热系统、点火系统、瞬态高温高压测量系统分别通过定容燃烧室外壁上相应的安装槽、安装通孔及其密封组件与定容燃烧室配套安装；所述同步控制系统与点火系统、瞬态高温高压测量系统、以及纹影成像系统相连接；
所述同步控制系统包括电子控制单元ECU、数字延迟脉冲发生器和计算机；电子控制单元ECU通过计算机控制，电子控制单元ECU的两个输出端口分别与数字延迟脉冲发生器和点火系统的点火模块连接；所述数字延迟脉冲发生器的三个输出端口分别与两台高速摄像机和瞬态高温高压测量系统的示波器连接；所述电子控制单元ECU同时输出同步控制信号和点火控制信号，同步控制信号通过数字延迟脉冲发生器同时产生驱动两台高速摄像机工作的触发信号和驱动示波器工作的触发信号，点火控制信号用于控制点火模块驱动点火电极点燃定容燃烧室内的燃料。
2.如权利要求1所述的一种基于立体纹影成像技术研究胞化火焰空间结构的系统，其特征在于，所述点火系统包括点火电极和点火模块；点火电极的工作端插入定容燃烧室外壁上相应的安装通孔内，点火电极的控制端口通过点火模块与同步控制系统连接。
3.如权利要求1所述的一种基于立体纹影成像技术研究胞化火焰空间结构的系统，其特征在于，所述瞬态高温高压测量系统包括压力传感器、瞬态热电偶、电荷放大器和示波器；压力传感器和瞬态热电偶分别安装在定容燃烧室外壁上相应的安装通孔内，压力传感器和瞬态热电偶均通过电荷放大器与示波器连接。
4.如权利要求1所述的一种基于立体纹影成像技术研究胞化火焰空间结构的系统，其特征在于，所述加热系统包括K型热电偶、温度显示器、电压调节器和若干个热电阻；K型热电偶安装在定容燃烧室外壁上相应的安装通孔内，K型热电偶与温度显示器连接；若干个热电阻分别安装在定容燃烧室外壁上的安装槽内，热电阻与电压调节器连接。
5.如权利要求4所述的一种基于立体纹影成像技术研究胞化火焰空间结构的系统，其特征在于，所述热电阻的额定功率为60W。
6.如权利要求1所述的一种基于立体纹影成像技术研究胞化火焰空间结构的系统，其特征在于，所述定容燃烧室为带有燃烧腔的中空八角柱结构，八角柱的八个侧面设有四对光学视窗，每一个光学视窗的周围设有用于安装加热系统的安装槽，八角柱的顶部设有用于安装点火系统和瞬态高温高压测量系统的安装通孔，八角柱外壁上还设有进气阀和排气阀，排气阀与真空泵连接。
7.如权利要求1所述的一种基于立体纹影成像技术研究胞化火焰空间结构的系统，其特征在于，所述定容燃烧室的压力上限为20Mpa。
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