CN113533620A - 自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量装置及方法 - Google Patents

自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量装置，涉及层流燃烧速度测量技术领域，其包括：空气源、液体燃料源、管道燃烧器和混合器，其中，空气源用于提供燃料燃烧所需要的空气；液体燃料源用于提供燃料燃烧所需要的液体燃料；管道燃烧器具有从燃料入口至燃料出口的横截面逐渐增大的阶梯形状的通道；以及，混合器用于将所述空气和所述液体燃料混合并送至所述管道燃烧器的燃料入口。

Description

自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量装置及方法
技术领域
本发明涉及层流燃烧速度测量技术领域，具体涉及一种自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量装置及方法。
背景技术
层流燃烧速度是可燃预混气扩散性、燃烧反应性和放热能力综合反映的物理化学特性。层流燃烧速度对于表征燃料的预混燃烧特性，验证燃烧反应机理和动力学模型以及校准湍流燃烧模型具有重要意义。在工业炉、内燃机、燃气轮机和火箭发动机燃烧室等实际燃烧系统中，层流燃烧速度是解释和评估各种燃烧现象，如火焰稳定、火焰结构、火焰淬熄和回火的重要参数之一。准确测量燃料层流燃烧速度为燃烧室内燃烧组织形式、火焰结构及火焰传播提供理论依据，最终为发动机燃烧室结构和性能优化提供支持。
层流燃烧速度主要受未燃预混气初始温度、压力、当量比等因素影响。实际燃烧室中工作温度和压力显著高于环境条件，掌握层流燃烧速度随热力学条件变化非常重要。燃料燃烧反应极其复杂，特别是在高温、高压条件下的燃烧机理目前尚不明确，准确计算和预测层流燃烧速度相对困难。在相对较高的初始压力和温度下，通过不同测量技术获得的燃料层流燃烧速度结果显示也偏差较大。因此，在更宽泛初始温度、压力条件下，尤其是在相对高温、高压条件下准确测量燃料层流燃烧测速度是至关重要的技术问题。
层流燃烧速度Su定义为一维无拉伸绝热平面火焰相对于来流未燃预混气的速度，通常采用的实验测量方法包括：本生灯法，热流法，对冲火焰及球形火焰法，但需要考虑较大的热损失和较高的火焰拉伸率来进行修正。并且以上方法难以实现较高初始温度下实验工况，测量工况较为单一。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量装置及方法。本发明减小了热损失和火焰拉伸带来的影响，在较为宽泛的初始温度条件，尤其是较高初始温度下的测量燃料层流燃烧速度。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量装置，其包括：
空气源，其用于提供燃料燃烧所需要的空气；
液体燃料源，其用于提供燃料燃烧所需要的液体燃料；
管道燃烧器，其具有从燃料入口至燃料出口的横截面逐渐增大的阶梯形状的通道；以及，
混合器，其用于将所述空气和所述液体燃料混合并送至所述管道燃烧器的燃料入口。
如上所述的自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量装置，进一步地，还包括：红外加热器，所述红外加热器用于对所述管道燃烧器的外壁进行加热，有助于点火和稳定火焰，以减少从火焰到固壁的热损失。
如上所述的自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量装置，进一步地，所述管道燃烧器的材质由蓝宝石制成。
如上所述的自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量装置，进一步地，所述空气源与所述混合器之间设置有质量流量计，所述质量流量计用于测量所述空气的流量。
如上所述的自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量装置，进一步地，还包括：控制模块，所述控制模块用于获取所述质量流量计的空气的流量数据。
如上所述的自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量装置，进一步地，所述液体燃料源与所述混合器之间设置有液体燃料泵，所述液体燃料泵用于加快液体燃料的输送。
如上所述的自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量装置，进一步地，还包括：相机，所述相机用于采集液体燃料燃烧时的图像信息。
如上所述的自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量装置，进一步地，还包括：激光器和探测器，所述激光器和探测器位于所述管道燃烧器的两侧。
一种自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量方法，其利用如上所述的测量装置进行，包括：
通过改变红外加热器功率，入口流速和当量比条件，点火后平面火焰将自适应地稳定在管道不同位置处；
此时的平面火焰即具有不同初始温度可燃预混气的层流燃烧特征，以此获取层流燃烧速度。
如上所述的自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量方法，进一步地，
入口处未燃混合气满足：
PVinlet＝mRgTinlet (1)
其中：P为压力，Vinlet为入口体积流量，m为质量流量，Rg为气体常数，Tinlet为入口未燃混合气初始温度。
火焰面前端未燃混合气被管道加热后满足：
PVu＝mRgTu (2)
其中：P为压力，Vu为火焰面前端未燃混合气体积流量，m为质量流量，Rg为气体常数，Tu为火焰面前端未燃混合气初始温度；
根据质量流量守恒，由(3)化简得(6)，根据层流燃烧速度定义，此时火焰面前端未燃混合气流速Uu即为层流燃烧速度Su：
Figure BDA0003150518930000031
Figure BDA0003150518930000032
Figure BDA0003150518930000033
Figure BDA0003150518930000034
其中：Ainlet为管道入口截面面积，Au为火焰面前端处管道截面面积，Uu为焰面前端未燃混合气流速Uu，Su为层流燃烧速度Su。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：本发明具有火焰稳定性高、热量损失小，平面火焰拉伸率低的特点，更加符合层流燃烧速度定义，基于激光吸收光谱技术测量初始温度为非接触式测温且精度高，并且能获取不同未燃混合气初始温度下的层流燃烧速度，实现不同燃料，不同工况下的层流燃烧速度高精度测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1一种基于激光测温的自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量装置系统示意图；
图2为本发明实施例的宝塔形管道燃烧器的结构示意图；
图3为本发明实施例的红外加热器加热管道示意图；
图4为本发明实施例的TDLAS测量气体温度原理图。
其中：1、空气源；2、液体燃料泵；3、质量流量计；4、控制模块；5、混合器；6、宝塔形管道燃烧器；7、激光器；8、探测器；9、红外加热器；10、相机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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。
实施例：
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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发明和简化描述，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发明的限制。
在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，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发明中的具体含义。
如图1所示，燃料与空气流量由质量流量计控制，在混合器混合后通入宝塔形管道燃烧器，管道由红外加热器加热，点火后平面火焰稳定在管道某位置处，火焰面前端未燃烧预混气初始温度由TDLAS装置测量，火焰图像由相机拍摄。
如图2所示，为本发明宝塔形管道燃烧器的结构示意图，入口尺寸为20×2mm，出口尺寸65×2mm。
如图3所示，红外加热器平行置于管道底部，保持一定间距，管道加热一段时间后温度场达到热平衡状态，管内壁面沿流动方向形成正向温度梯度分布。
如图4所示，激光器从管道侧壁发射激光通过管道横截面，由探测器接收后，根据Beer-Lambert关系，选择O2气体吸收谱线使其线强之比为温度的灵敏函数，通过测量线强之比可得火焰面前端未燃烧预混气初始温度。
本发明提供一种自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量装置及方法。本发明减小了热损失和火焰拉伸带来的影响，在较为宽泛的初始温度条件，尤其是较高初始温度下的测量燃料层流燃烧速度。
一种自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量装置，其包括：空气源1、液体燃料源、管道燃烧器和混合器5，其中，空气源1用于提供燃料燃烧所需要的空气；液体燃料源用于提供燃料燃烧所需要的液体燃料；管道燃烧器具有从燃料入口至燃料出口的横截面逐渐增大的阶梯形状的通道；以及，混合器5用于将所述空气和所述液体燃料混合并送至所述管道燃烧器的燃料入口。
作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，还包括：红外加热器9，所述红外加热器9用于对所述管道燃烧器的外壁进行加热，有助于点火和稳定火焰，以减少从火焰到固壁的热损失。
作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述管道燃烧器的材质由蓝宝石制成。
作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述空气源1与所述混合器5之间设置有质量流量计3，所述质量流量计3用于测量所述空气的流量。
作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，还包括：控制模块4，所述控制模块4用于获取所述质量流量计3的空气的流量数据。
作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述液体燃料源与所述混合器5之间设置有液体燃料泵2，所述液体燃料泵2用于加快液体燃料的输送。
作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，还包括：相机10，所述相机10用于采集液体燃料燃烧时的图像信息。
作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，还包括：还包括：激光器8和探测器9，所述激光器8和探测器9位于所述管道燃烧器的两侧。
一种基于激光测温的自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量装置及方法，减小了热损失和火焰拉伸带来的影响，在较为宽泛的初始温度条件，尤其是较高初始温度下的测量燃料层流燃烧速度。
所述的宝塔形管道入口尺寸为20×2mm，高入口长宽比和宝塔形可确保通道在垂直于流入方向(横向)上具有均匀的速度和温度分布，有助于形成稳定的平面火焰。形成的稳定平面火焰拉伸率低，更加符合层流燃烧速度的定义。
采用红外加热器对管道外壁进行加热，有助于点火和稳定火焰，减少从火焰到固壁的热损失。由于蓝宝石低导热系数和大比热特性，在外部红外热源作用下蓝宝石管道吸收红外辐射，管内壁面沿流动方向形成正向温度梯度分布，也减小了固壁与气体的热耦合影响，减少从火焰到固壁的热损失，达到相对绝热的工况条件。
通过改变红外加热器功率，入口流速和当量比条件，点火后平面火焰将自适应地稳定在管道不同位置处，此时的平面火焰即具有不同初始温度可燃预混气的层流燃烧特征，以此获取层流燃烧速度。根据理想气体状态方程及质量守恒，测量原理如下：
入口处未燃混合气满足：
PVinlet＝mRgTinlet (1)
其中：P为压力，Vinlet为入口体积流量，m为质量流量，Rg为气体常数，Tinlet为入口未燃混合气初始温度。
火焰面前端未燃混合气被管道加热后满足：
PVu＝mRgTu (2)
其中：P为压力，Vu为火焰面前端未燃混合气体积流量，m为质量流量，Rg为气体常数，Tu为火焰面前端未燃混合气初始温度。
根据质量流量守恒，由(3)化简得(6)，根据层流燃烧速度定义，此时火焰面前端未燃混合气流速Uu即为层流燃烧速度Su：
Figure BDA0003150518930000061
Figure BDA0003150518930000062
Figure BDA0003150518930000063
Figure BDA0003150518930000064
其中：Ainlet为管道入口截面面积，Au为火焰面前端处管道截面面积，Uu为焰面前端未燃混合气流速Uu，Su为层流燃烧速度Su：
火焰面前端未燃烧预混气初始温度Tu由可调谐半导体激光吸收光谱(TunableDiode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)装置测量，基于TDLAS的激光吸收光谱技术气体测温能较好地满足众多气体测量需求，具有受气体环境影响小，响应速度快和可靠性高等优点，特别是适用于高温等应用场合。采用O2作为吸收谱线进行测温，同时宝塔形管道燃烧器为蓝宝石材质以提高透射波长范围。
在某个实施例中，在1个大气压下，将当量比配比为1.0的液体燃料和空气以入口速度0.6m/s通入混合器内，液体燃料充分蒸发与空气预混。预混气再通入宝塔形管道燃烧器入口。红外加热器功率设置为1200W。在管道出口处点火后，火焰的后续发展和内外壁温度变化受其点火条件，初始热边界(内壁沿程温度分布)，加热器功率，当量比，入口流速，压力，入口初始温度影响，与燃料混合气流场，温度场，热边界相互耦合。改变预混气入口速度及加热功率，平面火焰最终自适应地稳定在管道不同位置处。根据式(6)，提高入口流速及加热功率，即可获取较高初始温度下单燃料层流燃烧速度。通过平行布置于宝塔形管道燃烧器侧壁两端TDLAS，测量火焰面前端处未燃混合气初始温度Tu，采用数码相机拍摄平面火焰，从中提取火焰特征参数Au。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量装置，其特征在于，包括：
空气源，其用于提供燃料燃烧所需要的空气；
液体燃料源，其用于提供燃料燃烧所需要的液体燃料；
管道燃烧器，其具有从燃料入口至燃料出口的横截面逐渐增大的阶梯形状的通道；以及，
混合器，其用于将所述空气和所述液体燃料混合并送至所述管道燃烧器的燃料入口。
2.根据权利要求1所述的自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量装置，其特征在于，还包括：红外加热器，所述红外加热器用于对所述管道燃烧器的外壁进行加热，有助于点火和稳定火焰，以减少从火焰到固壁的热损失。
3.根据权利要求1所述的自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量装置，其特征在于，所述管道燃烧器的材质由蓝宝石制成。
4.根据权利要求1所述的自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量装置，其特征在于，所述空气源与所述混合器之间设置有质量流量计，所述质量流量计用于测量所述空气的流量。
5.根据权利要求4所述的自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量装置，其特征在于，还包括：控制模块，所述控制模块用于获取所述质量流量计的空气的流量数据。
6.根据权利要求1所述的自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量装置，其特征在于，所述液体燃料源与所述混合器之间设置有液体燃料泵，所述液体燃料泵用于加快液体燃料的输送。
7.根据权利要求1所述的自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量装置，其特征在于，还包括：相机，所述相机用于采集液体燃料燃烧时的图像信息。
8.根据权利要求1所述的自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量装置，其特征在于，还包括：激光器和探测器，所述激光器和探测器位于所述管道燃烧器的两侧。
9.一种自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量方法，其利用如权利要求1至8任一所述的测量装置进行，其特征在于，包括：
通过改变红外加热器功率，入口流速和当量比条件，点火后平面火焰将自适应地稳定在管道不同位置处；
此时的平面火焰即具有不同初始温度可燃预混气的层流燃烧特征，以此获取层流燃烧速度。
10.根据权利要求9所述的自适应液体燃料高温层流火焰传播速度测量方法，其特征在于，入口处未燃混合气满足：
PVinlet＝mRgTinlet (1)
其中：P为压力，Vinlet为入口体积流量，m为质量流量，Rg为气体常数，Tinlet为入口未燃混合气初始温度。
火焰面前端未燃混合气被管道加热后满足：
PVu＝mRgTu (2)
其中：P为压力，Vu为火焰面前端未燃混合气体积流量，m为质量流量，Rg为气体常数，Tu为火焰面前端未燃混合气初始温度；
根据质量流量守恒，由(3)化简得(6)，根据层流燃烧速度定义，此时火焰面前端未燃混合气流速Uu即为层流燃烧速度Su：
Figure FDA0003150518920000021
Figure FDA0003150518920000022
Figure FDA0003150518920000023
Figure FDA0003150518920000024
其中：Ainlet为管道入口截面面积，Au为火焰面前端处管道截面面积，Uu为焰面前端未燃混合气流速Uu，Su为层流燃烧速度Su。
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