CN116379427B - 适用于光学诊断的燃烧器及其测温方法 - Google Patents

适用于光学诊断的燃烧器及其测温方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种适用于光学诊断的燃烧器及其测温方法，涉及燃烧基础研究技术领域，通过将燃烧室主体安装在旋流器构件侧边延伸的连接边上，旋流器构件的顶部伸入到燃烧室主体内的燃烧腔中，伸入到燃烧腔内的旋流器构件的侧壁与燃烧室主体的内壁之间具有间隙，形成冷却气通道，冷却气体沿着冷却气进口进入并沿着冷却气通道流动，使冷却气体贴着燃烧室主体的内壁流动，对燃烧室主体的壁面进行降温，有效降低基于折射率法测量的误差，缓解了现有技术中存在的现有基于折射率的测量方法拍摄到的折射率在燃烧室外部发生变化，影响燃烧室温度重建的误差的技术问题。

Description

适用于光学诊断的燃烧器及其测温方法
技术领域
本发明涉及燃烧基础研究技术领域，尤其是涉及一种适用于光学诊断的燃烧器及其测温方法。
背景技术
背景纹影法是一种常用的光学测量方法，因其结构简单、便于使用而在燃烧领域广泛使用，一般在使用背景纹影方法时，会设计一带有特定背景点分布的背景板，将待测流体置于背景板与相机中间，拍摄存在待测流体和观测介质仅为空气时的背景点分布，以互相关算法处理流体对背景点造成的偏折，即可获得流体的密度信息，在实际使用时，如拍摄画面周围存在温度为室温的区域时，便能够通过从低温区向高温区积分进而获得全场的二维温度分布。
但是，现有基于折射率的测量方法在进行现有燃烧器的火焰测量时，由于燃烧室的壁面温度高，使燃烧室外部的气体温度升高，会影响光线在燃烧器外部时所经过区域的折射率，拍摄到的折射率在燃烧室外部便会发生变化，大大影响燃烧室温度重建的误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于光学诊断的燃烧器及其测温方法，以缓解了现有技术中存在的现有基于折射率的测量方法在进行火焰测量时，由于燃烧室的壁面温度高，使燃烧室外部的气体温度升高，会影响光线在燃烧器外部时所经过区域的折射率，拍摄到的折射率在燃烧室外部发生变化，影响燃烧室温度重建的误差的技术问题。
本发明提供的适用于光学诊断的燃烧器，包括：燃烧室主体和旋流器构件；
所述旋流器构件的侧壁沿水平方向延伸形成连接边，所述燃烧室主体的底部与所述连接边连接；
所述旋流器构件的顶部伸入到所述燃烧室主体内的燃烧腔中，且伸入到所述燃烧腔中的所述旋流器构件的侧壁与所述燃烧室主体的内壁之间具有间隙，形成冷却气通道；
所述燃烧室主体设置有冷却气进口，所述冷却气进口与所述冷却气通道连通，从所述冷却气进口进入的冷却气体沿着所述冷却气通道流动，以降低所述燃烧室主体壁面的温度。
在可选的实施方式中，
所述燃烧室主体包括燃烧室侧板、燃烧室底座、燃烧室顶板和燃烧室支撑杆；
多个所述燃烧室侧板围设形成所述燃烧腔，所述燃烧室侧板设置为透明材料；
所述燃烧室底座支撑所述燃烧室侧板，所述燃烧室底座安装于所述连接边上，所述燃烧室底座设置有所述冷却气进口；
所述燃烧室顶板盖设于所述燃烧室侧板上，所述燃烧室顶板设置有燃烧室出口；
所述燃烧室支撑杆位于所述燃烧腔外，且所述燃烧室支撑杆的一端与所述燃烧室顶板连接，所述燃烧室支撑杆的另一端与所述燃烧室底座连接。
在可选的实施方式中，
所述适用于光学诊断的燃烧器还包括热线测量构件；
所述热线测量构件安装于所述旋流器构件远离所述燃烧室主体的一侧，所述热线测量构件用于安装热线风速仪；
所述热线测量构件设置有用于观察所述热线风速仪的观察孔。
在可选的实施方式中，
所述旋流器构件包括旋流器出口段和旋流器主体；
所述旋流器出口段的一端与所述燃烧室底座连接，所述旋流器出口段的另一端与所述热线测量构件可拆卸连接；
所述旋流器出口段靠近所述热线测量构件的一侧向内凹陷形成有安装槽，所述旋流器主体设置于所述安装槽中。
在可选的实施方式中，
所述适用于光学诊断的燃烧器还包括整流构件；
所述整流构件包括收敛段；
所述收敛段与所述热线测量构件远离所述旋流器构件的一端连接，所述收敛段的内壁具有圆弧过渡边，且所述圆弧过渡边沿着朝向所述热线测量构件的方向内径逐渐减小。
在可选的实施方式中，
所述整流构件还包括进气段；
所述进气段与所述收敛段远离所述热线测量构件的一端连接，所述进气段内设置有蜂窝率。
在可选的实施方式中，
所述适用于光学诊断的燃烧器还包括喷嘴和钝体；
所述喷嘴安装于所述旋流器出口段的顶部，所述钝体的一端与所述喷嘴连接，所述钝体贯穿所述旋流器出口段、所述旋流器主体和所述收敛段的内腔。
在可选的实施方式中，
所述适用于光学诊断的燃烧器还包括支撑架和扬声器；
所述支撑架支撑所述进气段，所述扬声器安装于所述支撑架上，所述扬声器用于向进入到所述进气段内的气体施加压力振荡。
在可选的实施方式中，
所述旋流器主体设置为直流圆环或旋流圆环。
本发明提供的基于所述适用于光学诊断的燃烧器的测温方法，包括以下步骤：
测量燃烧室侧板的壁面温度；
将燃烧室主体放置于相机和背景板之间；
冷却气体贴着燃烧室侧板的内侧流动，以降低燃烧室侧板的内侧温度；
相机拍摄燃烧室主体在背景板上的偏移方向。
本发明提供的适用于光学诊断的燃烧器，通过将燃烧室主体安装在旋流器构件侧边延伸的连接边上，旋流器构件的顶部伸入到燃烧室主体内的燃烧腔中，伸入到燃烧腔内的旋流器构件的侧壁与燃烧室主体的内壁之间具有间隙，形成冷却气通道，冷却气体沿着冷却气进口进入并沿着冷却气通道流动，使冷却气体贴着燃烧室主体的内壁流动，对燃烧室主体的壁面进行降温，有效降低基于折射率法测量的误差，缓解了现有技术中存在的现有基于折射率的测量方法在进行火焰测量时，由于燃烧室的壁面温度高，使燃烧室外部的气体温度升高，会影响光线在燃烧器外部时所经过区域的折射率，拍摄到的折射率在燃烧室外部发生变化，影响燃烧室温度重建的误差的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的适用于光学诊断的燃烧器的整体结构剖视图；
图2为本发明实施例提供的适用于光学诊断的燃烧器的整体结构示意图；
图3为本发明实施例提供的适用于光学诊断的燃烧器中燃烧室主体与旋流器出口段的装配结构示意图；
图4为本发明实施例提供的适用于光学诊断的燃烧器中旋流器主体设置为旋流圆环的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的适用于光学诊断的燃烧器中旋流器主体设置为直流圆环的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的适用于光学诊断的燃烧器的使用结构示意图。
图标：100-燃烧室主体；110-燃烧室侧板；111-冷却气通道；120-燃烧室底座；130-燃烧室顶板；140-燃烧室支撑杆；150-冷却气进口；200-旋流器构件；210-旋流器出口段；220-旋流器主体；221-连接边；300-热线测量构件；310-观察孔；400-整流构件；410-收敛段；411-圆弧过渡边；420-进气段；500-喷嘴；600-钝体；700-支撑架；800-扬声器。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本实施例提供的适用于光学诊断的燃烧器，包括：燃烧室主体100和旋流器构件200；燃烧室主体100设置于旋流器构件200的上方，旋流器构件200的侧壁沿水平方向延伸形成连接边221，连接边221的外径较大，燃烧室主体100的底部通过螺栓安装在连接边221上，旋流器构件200的顶部内径小于燃烧室主体100的内径，使旋流器构件200的顶部伸入到燃烧室主体100内的燃烧腔中，且伸入到燃烧腔中的旋流器构件200的侧壁与燃烧室主体100的内壁之间具有间隙，该间隙形成冷却气通道111；燃烧室主体100设置有冷却气进口150，冷却气进口150与冷却气通道111连通，从冷却气进口150进入的冷却气体沿着冷却气通道111流动，由于冷却气通道111位于燃烧室主体100的内壁与旋流器构件200的侧壁之间，冷却气体贴着燃烧室主体100的内壁移动，即可利用冷却气体降低燃烧室主体100壁面的温度，有效限制热气体的发展区域，降低基于折射率法测量的误差。
本实施例提供的适用于光学诊断的燃烧器，通过将燃烧室主体100安装在旋流器构件200侧边延伸的连接边221上，旋流器构件200的顶部伸入到燃烧室主体100内的燃烧腔中，伸入到燃烧腔内的旋流器构件200的侧壁与燃烧室主体100的内壁之间具有间隙，形成冷却气通道111，冷却气体沿着冷却气进口150进入并沿着冷却气通道111流动，使冷却气体贴着燃烧室主体100的内壁流动，对燃烧室主体100的壁面进行降温，有效降低基于折射率法测量的误差，缓解了现有技术中存在的现有基于折射率的测量方法在进行火焰测量时，由于燃烧室的壁面温度高，使燃烧室外部的气体温度升高，会影响光线在燃烧器外部时所经过区域的折射率，拍摄到的折射率在燃烧室外部发生变化，影响燃烧室温度重建的误差的技术问题。
在可选的实施方式中，燃烧室主体100包括燃烧室侧板110、燃烧室底座120、燃烧室顶板130和燃烧室支撑杆140；多个燃烧室侧板110围设形成燃烧腔，燃烧室侧板110设置为透明材料；燃烧室底座120支撑燃烧室侧板110，燃烧室底座120安装于连接边221上，燃烧室底座120设置有冷却气进口150；燃烧室顶板130盖设于燃烧室侧板110上，燃烧室顶板130设置有燃烧室出口；燃烧室支撑杆140位于燃烧腔外，且燃烧室支撑杆140的一端与燃烧室顶板130连接，燃烧室支撑杆140的另一端与燃烧室底座120连接。
具体而言，燃烧室侧板110为透明材料，具体燃烧室侧板110为石英玻璃，四个燃烧室侧板110通过胶接形成燃烧腔，燃烧室底座120具有固定槽，固定槽的槽壁具有凸台，凸台支撑燃烧室侧板110。
燃烧室顶板130通过燃烧室支撑杆140与燃烧室底座120连接，由于四个燃烧室侧板110通过胶接，因此不需要使用燃烧室支撑杆140固定四个燃烧室侧板110，故而燃烧室支撑杆140置于燃烧室侧板110的外侧。
另外，四块燃烧室侧板110分为两块长板和两块短板，两块长板相对设置，两块短板相对设置，在燃烧室底座120相对的两侧上均开设螺栓孔，螺栓安装在螺栓孔中，利用燃烧室底座120两侧的螺栓将两块长板夹紧，将燃烧室侧板110夹紧固定，防止燃烧室振动。
在可选的实施方式中，适用于光学诊断的燃烧器还包括热线测量构件300；热线测量构件300安装于旋流器构件200远离燃烧室主体100的一侧，热线测量构件300用于安装热线风速仪；热线测量构件300设置有用于观察热线风速仪的观察孔310。
具体而言，热线测量构件300为圆盘状，热线测量构件300的顶端与旋流器构件200连接，热线测量构件300的底端与整流构件400连接，在热线测量构件300内安装热线风速仪，热线风速仪是将流速信号转变为电信号的一种测速仪器，也可测量流体温度或密度，热线测量构件300开设有两个观察孔310，两个观察孔310相对设置，便于观察热线风速仪。
在可选的实施方式中，旋流器构件200包括旋流器出口段210和旋流器主体220；旋流器出口段210的一端与燃烧室底座120连接，旋流器出口段210的另一端与热线测量构件300可拆卸连接；旋流器出口段210靠近热线测量构件300的一侧向内凹陷形成有安装槽，旋流器主体220设置于安装槽中；旋流器主体220设置为直流圆环或旋流圆环。
具体而言，旋流器出口段210的侧壁向外延伸形成连接，旋流器出口段210的底部通过螺栓与热线测量构件300连接，旋流器出口段210的底部中间平面向顶部凹陷形成安装槽，旋流器主体220安装在安装槽中，由于旋流器出口段210与热线测量构件300可自由拆卸，即可自由更换旋流器主体220的型号类型，例如选择无旋流的直流圆环型，也可选择旋流圆环形，根据实验火焰类型需要选择具体的旋流器主体220。
在可选的实施方式中，适用于光学诊断的燃烧器还包括整流构件400；整流构件400包括收敛段410；收敛段410与热线测量构件300远离旋流器构件200的一端连接，收敛段410的内壁具有圆弧过渡边411，且圆弧过渡边411沿着朝向热线测量构件300的方向内径逐渐减小；整流构件400还包括进气段420；进气段420与收敛段410远离热线测量构件300的一端连接，进气段420内设置有蜂窝率。
具体而言，整流构件400由收敛段410和进气段420组成，收敛段410和进气段420相互连接诶，收敛段410的内壁经计算设计具有平滑的圆弧过渡边411，保证气流以层流通过，在进气段420内部放置蜂窝率，用于打散流动中的湍流结构。
在可选的实施方式中，适用于光学诊断的燃烧器还包括喷嘴500和钝体600；喷嘴500安装于旋流器出口段210的顶部，钝体600的一端与喷嘴500连接，钝体600贯穿旋流器出口段210、旋流器主体220和收敛段410的内腔。
具体而言，旋流器出口段210、旋流器主体220、热线测量构件300和整流构件400均为中部贯通的结构，钝体600根据实际需要选择不同形状结构，喷嘴500通过螺栓安装在旋流器出口段210，可自由更换喷嘴500。
在可选的实施方式中，适用于光学诊断的燃烧器还包括支撑架700和扬声器800；支撑架700支撑进气段420，扬声器800安装于支撑架700上，扬声器800用于向进入到进气段420内的气体施加压力振荡。
具体而言，支撑架700包括支撑板、支撑杆和底板，支撑杆的一端与支撑板连接，支撑杆的另一端与底板连接，支撑板支撑进气段420，扬声器800安装在支撑板上，扬声器800置于燃烧器底部，用于对混合气施加压力振荡，进行火焰响应的实验。
本实施例提供的适用于光学诊断的燃烧器，燃气与空气的混合物通过进气段420上的进气孔进入，经过蜂窝率及收敛段410保持整齐的层流结构，从燃烧室出口喷出，在燃烧室内稳定的燃烧，便于进行光学测量；可自由更换喷嘴500和旋流器主体220，模拟多类型火焰的产生。为了实现壁面光学可见，使用石英玻璃搭建了燃烧室，可以观测到壁面附近的气体。为了限制热气体的发展区域，同时对燃烧室壁面进行降温，在壁面内侧设计了一圈气膜冷却，降低基于折射率法测量的误差。
本实施例提供的基于适用于光学诊断的燃烧器的测温方法，包括以下步骤：测量燃烧室侧板110的壁面温度；将燃烧室主体100放置于相机和背景板之间；冷却气体贴着燃烧室侧板110的内侧流动，以降低燃烧室侧板110的内侧温度；相机拍摄燃烧室主体100在背景板上的偏移方向。
具体而言，使用温度传感器测量燃烧室侧板110的温度，通过高速相机与背景纹影法背景板组合而成的温度测量装置从燃烧室侧板110的方向从壁面附近起对整个燃烧室的折射率进行拍照获取。
通过无遮挡燃烧室侧板110的设计，高速相机能够从壁面附近的位置开始拍摄背景点的偏移方向，而燃烧室侧板110的温度能够通过在燃烧室侧板110上布置温度传感器而容易获取；通过燃烧器内布置的冷却结构，冷却气体贴着燃烧室侧板110流动，燃烧室壁面温度较低，因而起外部由于温度引起的折射率变化基本可以忽略，即高速相机拍摄时观测时，光线在燃烧器外部时所经过区域的折射率基本不变化，拍摄到的折射率变化基本只发生在燃烧室内部，能够大大降低燃烧室温度重建的误差，综上，该方法，能够以温度传感器测量所得的燃烧室侧板110温度为积分起点，测量得到整个燃烧室内的二维平均温度。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种适用于光学诊断的燃烧器，其特征在于，包括：燃烧室主体（100）和旋流器构件（200）；
所述旋流器构件（200）的侧壁沿水平方向延伸形成连接边（221），所述燃烧室主体（100）的底部与所述连接边（221）连接；
所述旋流器构件（200）的顶部伸入到所述燃烧室主体（100）内的燃烧腔中，且伸入到所述燃烧腔中的所述旋流器构件（200）的侧壁与所述燃烧室主体（100）的内壁之间具有间隙，形成冷却气通道（111）；
所述燃烧室主体（100）设置有冷却气进口（150），所述冷却气进口（150）与所述冷却气通道（111）连通，从所述冷却气进口（150）进入的冷却气体沿着所述冷却气通道（111）流动，以降低所述燃烧室主体（100）壁面的温度；
所述燃烧室主体（100）包括燃烧室侧板（110）、燃烧室底座（120）、燃烧室顶板（130）和燃烧室支撑杆（140）；
多个所述燃烧室侧板（110）围设形成所述燃烧腔，所述燃烧室侧板（110）设置为透明材料；
所述燃烧室底座（120）支撑所述燃烧室侧板（110），所述燃烧室底座（120）安装于所述连接边（221）上，所述燃烧室底座（120）设置有所述冷却气进口（150）；
所述燃烧室顶板（130）盖设于所述燃烧室侧板（110）上，所述燃烧室顶板（130）设置有燃烧室出口；
所述燃烧室支撑杆（140）位于所述燃烧腔外，且所述燃烧室支撑杆（140）的一端与所述燃烧室顶板（130）连接，所述燃烧室支撑杆（140）的另一端与所述燃烧室底座（120）连接。
2.根据权利要求1所述的适用于光学诊断的燃烧器，其特征在于，
所述适用于光学诊断的燃烧器还包括热线测量构件（300）；
所述热线测量构件（300）安装于所述旋流器构件（200）远离所述燃烧室主体（100）的一侧，所述热线测量构件（300）用于安装热线风速仪；
所述热线测量构件（300）设置有用于观察所述热线风速仪的观察孔（310）。
3.根据权利要求2所述的适用于光学诊断的燃烧器，其特征在于，
所述旋流器构件（200）包括旋流器出口段（210）和旋流器主体（220）；
所述旋流器出口段（210）的一端与所述燃烧室底座（120）连接，所述旋流器出口段（210）的另一端与所述热线测量构件（300）可拆卸连接；
所述旋流器出口段（210）靠近所述热线测量构件（300）的一侧向内凹陷形成有安装槽，所述旋流器主体（220）设置于所述安装槽中。
4.根据权利要求3所述的适用于光学诊断的燃烧器，其特征在于，
所述适用于光学诊断的燃烧器还包括整流构件（400）；
所述整流构件（400）包括收敛段（410）；
所述收敛段（410）与所述热线测量构件（300）远离所述旋流器构件（200）的一端连接，所述收敛段（410）的内壁具有圆弧过渡边（411），且所述圆弧过渡边（411）沿着朝向所述热线测量构件（300）的方向内径逐渐减小。
5.根据权利要求4所述的适用于光学诊断的燃烧器，其特征在于，
所述整流构件（400）还包括进气段（420）；
所述进气段（420）与所述收敛段（410）远离所述热线测量构件（300）的一端连接，所述进气段（420）内设置有蜂窝率。
6.根据权利要求5所述的适用于光学诊断的燃烧器，其特征在于，
所述适用于光学诊断的燃烧器还包括喷嘴（500）和钝体（600）；
所述喷嘴（500）安装于所述旋流器出口段（210）的顶部，所述钝体（600）的一端与所述喷嘴（500）连接，所述钝体（600）贯穿所述旋流器出口段（210）、所述旋流器主体（220）和所述收敛段（410）的内腔。
7.根据权利要求5所述的适用于光学诊断的燃烧器，其特征在于，
所述适用于光学诊断的燃烧器还包括支撑架（700）和扬声器（800）；
所述支撑架（700）支撑所述进气段（420），所述扬声器（800）安装于所述支撑架（700）上，所述扬声器（800）用于向进入到所述进气段（420）内的气体施加压力振荡。
8.根据权利要求3所述的适用于光学诊断的燃烧器，其特征在于，
所述旋流器主体（220）设置为直流圆环或旋流圆环。
9.一种基于上述权利要求1-8任一项所述的适用于光学诊断的燃烧器的测温方法，其特征在于，包括以下步骤：
测量燃烧室侧板（110）的壁面温度；
将燃烧室主体（100）放置于相机和背景板之间；
冷却气体贴着燃烧室侧板（110）的内侧流动，以降低燃烧室侧板（110）的内侧温度；
相机拍摄燃烧室主体（100）在背景板上的偏移方向。
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