CN112683542A - 一种基于火焰发光的速度场测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于流体速度测量领域，具体涉及一种基于火焰发光的速度场测量系统及方法。该方法采用激励源对燃烧系统中火焰进行周期性激励，在激励调制下燃烧参数发生周期性变化，火焰热释放和发光均产生周期性脉动，由相机拍摄周期性脉动的火焰发光图像，通过傅里叶变换或三角函数拟合得到每个像素对应的相位，求解相位空间梯度得到波数，用激励信号的角频率除以波数得到热释放脉动的传播速度，即速度场的空间分布。本发明解决了燃烧过程速度场测量中传统侵入方法缺乏空间分辨、对流场产生干扰，以及传统非侵入式激光方法系统复杂、成本高、难以应用于真实燃烧环境流场测量的问题，特别适用于复杂恶劣燃烧环境的流场测量。

Description

一种基于火焰发光的速度场测量系统及方法

技术领域

本发明属于流体速度测量领域，具体涉及一种基于火焰发光的速度场测量系统及方法。

背景技术

燃烧是人类对燃料化学能源利用的最重要方式之一，将化石燃料或可再生燃料输送至动力设备，如家用燃烧器、工业锅炉、内燃机、燃气轮机、火箭发动机等，燃料与空气等氧化剂混合后在动力设备中发生剧烈的燃烧过程，释放出化学能并将其转换为热能、机械能等能量。持续的燃烧过程包含典型的流动过程，需要燃料和氧化剂不断地流入燃烧室中，燃烧产生的反应产物需要从燃烧室中流出，流动对燃烧有着至关重要的影响。提升燃烧效率、降低污染物生成一直是燃烧领域研究的重点，实现清洁高效燃烧需要对燃烧过程中的基础科学进行研究，并对工程设计进行优化。这些科学和技术进步强烈依赖于对燃烧过程中的流场的准确认识。高精度的流场测量技术，不仅能为基础燃烧的理论、模型和仿真提供可靠的数据，还能为工业燃烧器和发动机性能评估提供可靠技术支撑。

为了实现对燃烧中流动的测量，前人已经发展了许多流动测量技术。这些传统流动测量方法包括侵入式和非侵入式两大类。侵入式流动测量包括皮托管、热线风速仪等，这些测量技术需要向流场中放入探测部件，会对流场造成一定程度的扰动，而且缺乏空间分辨。非侵入式流动测量包括粒子示踪测速(PIV)、激光多普勒测速(LDV)、分子标记测速(MTV)等。其中PIV方法需要像流场中布撒一定数量的示踪粒子，激光照射这些粒子产生米散射光，相机拍摄粒子米散射光图像，通过互相关分析得出示踪粒子在单位时间间隔内跟随流场的移动距离计算流场的速度分布。MTV方法的测量原理和PIV类似，不过该方法将示踪物改为了激光标记的气体分子，通过标记OH、NO、O2、N2等分子的解离光谱或拉曼光谱等，由相机记录示踪分子的运动从而测量流场速度。LDV方法则采用多普勒频移技术，通过运动粒子导致的激光频率偏移，来测量单点的速度。这些非侵入式的激光测量方法，多具有时空分辨高、测量精度好的优点，在实验室尺度的燃烧中得到了广泛的应用。

然而在实际工程中，燃烧环境比实验室尺度火焰更复杂恶劣。狭小的燃烧空间会增强激光散射强度，燃烧中间产物和污染物颗粒会形成强烈的背景干扰，降低激光测量方法的信噪比和示踪物图像质量；在燃油雾化燃烧中，液相燃料会降低激光在雾化稠密区的穿透性，造成局部成像困难；需要布撒粒子的测量方法还会污染燃烧室，阻塞微小通道，甚至粒子烧蚀在光学窗口上；在使用高能量激光时，光学窗口也容易被激光损伤，降低激光的利用效率。此外，复杂的激光测量系统还增加了实验测量的成本，降低了速度测量系统的鲁棒性，为其在工业燃烧应用带来诸多困难。

在燃烧场中，激发态组分会产生自发光，是燃烧场中跟随性好、响应快的天然示踪物。自发光信号本身较为杂乱，强度相对于受激辐射要弱很多，无法直接用于速度测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于火焰发光的速度场测量系统及方法，以解决传统侵入式速度测量方法缺乏空间分辨率，传统非侵入式速度测量方法依赖激光系统，设备复杂成本高，对测量环境要苛刻，难以运用在真实燃烧环境中的问题。

为实现上述目的，根据本发明的一方面，提供了一种基于火焰发光的速度场测量系统，其可包括火焰发生装置、激励装置、相机和处理装置，其中，所述火焰发生装置用于产生火焰并向周围发光发热，所述激励装置用于使所述火焰产生周期性热释放脉动，所述相机用于拍摄一系列不同周期的火焰图像并发送至所述处理装置，所述处理装置对所述一系列不同周期的火焰图像进行处理，得到火焰速度场中心面上速度分布。

在一实施例中，所述火焰发生装置包括燃料源、氧化剂和燃烧室，所述燃料源和氧化剂分别通过相应供应管道提供至所述燃烧室，所述燃烧室设有观察窗，所述火焰的发光经所述观察窗进入所述相机中成像。

在较佳实施例中，所述激励装置作用于所述氧化剂、燃料源和/或燃烧室。

在较佳实施例中，所述激励装置包括函数发生器和激励源，所述函数发生器用于产生周期性激励信号，所述激励源接收所述周期性激励信号后将其放大，并对所述火焰发生装置的气流流动速度、当量比或燃烧室内的压力进行调制，使所述火焰发生周期性脉动。

在较佳实施例中，所述激励源为喇叭或气笛。

在较佳实施例中，所述相机为低速相机，并且数字延迟发生器通过同轴电缆连接到所述激励装置和所述相机，控制激励信号和相机拍摄的时序，以保证每次所述相机拍摄的火焰图像的起始相位一致。

在较佳实施例中，所述相机为高速相机并且无数字延迟发生器，所述高速相机具有充足存储空间，可连接拍摄100个以上的周期的火焰图像。

在较佳实施例中，所述相机与所述观察窗之间设有窄带带通滤光片。

在较佳实施例中，所述窄带带通滤光片的中心为310nm，半高宽为10nm。

根据本发明的另一方面，还提供了一种基于火焰发光的速度场测量方法，其包括以下步骤：

提供如上所述的基于火焰发光的速度场测量系统；

通过所述激励装置对火焰进行周期性激励，在激励调制下燃烧参数发生周期性变化，火焰热释放和发光均产生周期性脉动；

由所述相机拍摄周期性脉动的火焰发光图像并发送至所述处理装置；

在所述处理装置中通过傅里叶变换或三角函数拟合得到每个像素对应的相位θ，求解相位θ的空间梯度得到波数k，用激励信号的角频率ω除以波数k得到火焰热释放脉动的传播速度u_θ：

即速度场的空间分布，其中，f_s为激励频率。

本发明提出通过引入外部扰动，使火焰自发光产生周期性强弱脉动，通过控制外加激励脉动的强弱，可以产生具有良好跟随性的周期性自发光脉动，扰动后的火焰发光脉动具有显著的对流传播特性，通过测量自发光脉动的传播过程即可测量燃烧室中的流场，相对于激光测量方法，该方法具有系统简单、鲁棒性好、成本低等诸多优点。

附图说明

图1是根据本发明实施例的一种基于火焰发光的速度场测量系统的示意图。

图2a和2b分别是本发明的一实施例中在激励频率300Hz和相对扰动幅值10％下测得的旋流火焰的相位分布图和流场速度分布图。

附图标记列表：

1：燃料源，2：氧化剂源，3：供应管道，4：燃烧室，5：观察窗，6：火焰，7：函数发生器，8：激励源，9：相机，10：窄带带通滤光片，11：数字延迟发生器，12：同轴电缆，13：处理装置

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

图1是根据本发明实施例的一种基于火焰发光的速度场测量系统的示意图。该测量系统主要包括火焰发生装置、激励装置、相机9和处理装置13。其中，火焰发生装置包括：燃料源1、氧化剂源2、供应管道3和燃烧室4，燃料源1和氧化剂2分别通过相应供应管道3提供至燃烧室4，燃烧室4设有观察窗5。燃料和氧化剂在燃烧室4中反应，形成火焰6并向周围发光发热，火焰发光透过观察窗5射出，进入相机9中成像。

激励装置包括函数发生器7和激励源8，函数发生器7用于产生周期性激励信号，激励源8接收所述周期性激励信号后将其放大，并对所述火焰发生装置的气流流动速度、当量比或燃烧室内的压力进行调制，使火焰发生周期性脉动。具体工作方式为，函数发生器7发出频率为f_s的周期性激励信号。激励信号包括但不限于周期性正弦电压信号。激励信号经同轴电缆12传递给激励源8。激励源8包括但不限于喇叭、气笛等调制元件。本实施例中以喇叭为例。激励源8接收周期性激励信号后将其放大，并对气流的流动速度、当量比或燃烧室内的压力等气流参数进行调制。也就是说，激励源8的作用位置可以是燃料源1和/或氧化剂源2的供应管道3和/或燃烧室4等。调制后，气流参数发生周期性脉动。脉动信号传递到火焰所在区域，对火焰的反应速率和热释放速率产生扰动，扰动后火焰的发光强度以f_s频率周期性脉动。

激励源8发出的激励信号的频率f_s和幅值A_s是扰动火焰热释放和发光的重要参数。其中，频率f_s需要选择较大值以保证燃烧区包含多个周期的相位增量，并且幅值A_s需要选择较小值以减弱外加激励扰动对原始流场的干扰。在具体实施例中，需要根据实施例中燃烧场的特征选择合适的激励频率f_s和幅值A_s。

相机9既可以选择高速相机，也可以选择低速普通相机，相机9前可选择放置窄带带通滤光片10，用于获取一定波长范围内的火焰发光信号。如采用中心为310nm、半高宽为10nm的滤光片，可以获取OH*自由基的发光信号，从而能够更好的反映碳氢等燃料的反应放热。

相机9为低速相机时，即相机的拍摄频率f_c远小于激励源的频率f_s，此时需要相机对火焰发光拍摄多次，数字延迟发生器11通过同轴电缆12连接到所述激励源装置(具体地，函数发生器7)和相机9，控制激励调制信号和相机9拍摄的时序，保证每次相机9拍摄的火焰图像的起始相位一致。相机9拍摄的图片发送至处理装置13(例如，计算机)，随后通过处理装置(具体地，相应处理软件)13对多次拍摄的不同周期相同相位的火焰图像进行处理(包括相位平均和传播速度计算等)。如果相机9采用高速相机且相机有充足的存储空间拍摄火焰发光脉动，则高速相机可以直接以较高的拍摄频率拍摄100个以上的周期的火焰图像，再发送至处理装置13进行处理。此时，系统无需数字延迟发生器11。

通过相位平均处理，可以消除火焰中由湍流脉动引起的随机热释放脉动，保留以激励频率f_s为主的周期性脉动特征。火焰热释放的这种周期性脉动存在于火焰面所能到达的每个区域，在湍流火焰中可以充满整个燃烧室。反映在火焰图像上即每个像素对应的热释放脉动满足以下关系

其中，式中

为任一时刻t火焰总体的热释放，

为第n个像素表征的热释放，

为该像素时间平均的热释放，

为该像素周期性脉动的复数形式热释放，Re表示取复数的实部，i为虚数单位。其中周期性脉动的热释放部分

可以通过傅里叶变换或三角函数拟合求出其相位θ_n。

将所有的相位按照像素的空间位置绘制在一起，即可得到相位θ分布图。基于各像素的空间位置和相位分布，可以求解相位θ的空间梯度得到火焰热释放脉动传播的角波数分布k：

由于角波数k等于激励信号的角频率ω除以火焰热释放脉动的传播速度u_θ，因此，角频率除以角波数k即可得到火焰热释放脉动的传播速度u_θ：

在火焰具有轴对称特征时，还可利用Abel逆变换算法先对原始发光信号进行变换，获得火焰中心切面上的发光脉动图像。利用这些变换后的图像，重复上述相位平均和火焰热释放脉动的传播速度u_θ计算，即可得到火焰流场中心面上的速度分布。

图2a和2b分别示出了在激励频率300Hz和扰动幅值10％下测得的旋流火焰的相位分布图和流场速度分布图。从图中可以看出，在激励频率300Hz和相对扰动幅值10％的条件下，通过火焰相位得出的流场结果很好地反映了燃烧区流场的平均速度分布。

本发明提出了一种基于火焰发光扰动的速度场测量方法，该方法可用于测量实验室尺度火焰和工业燃烧室中火焰所在区域的流场。该方法克服了传统侵入方法缺乏空间分辨、对流场产生干扰，以及传统非侵入式激光方法系统复杂、成本高、难以应用于真实燃烧环境流场测量的缺陷。本发明提出的测量方法简单易用，系统复杂性低，可靠性高，所需元件比包含激光的速度测量系统少，搭建简易，成本低，对测量环境要求低，特别适用于复杂恶劣燃烧环境的流场测量。

以上已详细描述了本发明的优选实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种基于火焰发光的速度场测量系统，其特征在于：包括火焰发生装置、激励装置、相机和处理装置，其中，所述火焰发生装置用于产生火焰并向周围发光发热，所述激励装置用于使所述火焰产生周期性热释放脉动，所述相机用于拍摄一系列不同周期的火焰图像并发送至所述处理装置，所述处理装置对所述一系列不同周期的火焰图像进行处理，得到火焰速度场中心面上速度分布。

2.如权利要求1所述的基于火焰发光的速度场测量系统，其特征在于：所述火焰发生装置包括燃料源、氧化剂和燃烧室，所述燃料源和氧化剂分别通过相应供应管道提供至所述燃烧室，所述燃烧室设有观察窗，所述火焰的发光经所述观察窗进入所述相机中成像。

3.如权利要求2所述的基于火焰发光的速度场测量系统，其特征在于：所述激励装置包括函数发生器和激励源，所述函数发生器用于产生周期性激励信号，所述激励源接收所述周期性激励信号后将其放大，并对所述火焰发生装置的气流流动速度、当量比或燃烧室内的压力进行调制，使所述火焰发生周期性脉动。

4.如权利要求3所述的基于火焰发光的速度场测量系统，其特征在于：所述激励源作用于所述氧化剂、燃料源和/或燃烧室。

5.如权利要求3所述的基于火焰发光的速度场测量系统，其特征在于：所述激励源为喇叭或气笛。

6.如权利要求1所述的基于火焰发光的速度场测量系统，其特征在于：所述相机为低速相机，并且数字延迟发生器通过同轴电缆连接到所述激励装置和所述相机，控制激励信号和相机拍摄的时序，以保证每次所述相机拍摄的火焰图像的起始相位一致。

7.如权利要求1所述的基于火焰发光的速度场测量系统，其特征在于：所述相机为高速相机并且无数字延迟发生器，所述高速相机具有充足存储空间，可连续拍摄100个以上的周期的火焰图像。

8.如权利要求1所述的基于火焰发光的速度场测量系统，其特征在于：所述相机与所述观察窗之间设有窄带带通滤光片。

9.如权利要求8所述的基于火焰发光的速度场测量系统，其特征在于：所述窄带带通滤光片的中心为310nm，半高宽为10nm。

10.一种基于火焰发光的速度场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供如权利要求1至9所述的基于火焰发光的速度场测量系统；

通过所述激励装置对火焰进行周期性激励，在激励调制下燃烧参数发生周期性变化，火焰热释放和发光产生周期性脉动；

由所述相机拍摄周期性脉动的火焰发光图像并发送至所述处理装置；

在所述处理装置中通过傅里叶变换或三角函数拟合得到每个像素对应的相位θ，求解相位θ的空间梯度得到波数k，用激励信号的角频率ω除以波数k得到火焰热释放脉动的传播速度u_θ：

即速度场的空间分布，其中，f_s为激励频率。

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