CN117168627A - 热释放率脉动测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种热释放率脉动测量装置及方法，涉及热释放率脉动测量的技术领域，该装置包括：里克管、燃料腔、燃料喷嘴、十字管段、声压产生部件、底板、支架、声压信号采集器、温度传感器和数据处理器；底板上设有空气入口和燃料入口。在确定燃料喷嘴喷出的燃料稳定燃烧，且在火焰平面位置处形成一维热源的情况下，数据处理器基于气流温度、所有声压信号、预设频率、声压信号采集孔的位置信息、里克管的横截面积、燃料喷嘴的横截面积、当前环境温度和当前环境空气密度，计算预设频率下，燃料燃烧产生火焰的热释放率脉动值。利用该装置对燃料的热释放率脉动值标定时与燃料种类、燃烧模式均无关，因此可以进行广泛燃料工况的热释放率脉动测量。
Description
技术领域
本发明涉及热释放率脉动测量的技术领域，尤其是涉及一种热释放率脉动测量装置及方法。
背景技术
火焰作为产生热的一种形式，在人类历史上发挥着重要的作用，无论是最开始的生火熟食，还是现在发动机中的燃烧，都离不开火焰。近几十年来，科学技术针对多种燃料的火焰进行了大量的研究，对火焰热释放率这一物理量有了逐步加深的认识。热释放率是一个不太好测量的量，但其由于和声波等相互作用会造成较为严重的后果而不可忽略。
对于预混火焰，如喷嘴为圆形，则会形成锥形的清晰薄火焰面，燃烧就发生在这层火焰面上，研究发现，低分子数碳氢燃料的火焰的热释放率脉动值与火焰面的面积成正比，进一步的，由于化学反应的自由基作用，、/>等自由基的化学发光与预混火焰的表面积成正比，因此可以使用采集这些自由基发光，表征火焰面面积，进而获得火焰热释放率脉动值。因此，学者们一般使用光电倍增管、平面激光诱导荧光等方法确定以上自由基的量进而获取预混火焰热释放率脉动值。但是，对于实际生活中更加普遍的扩散火焰，或者非碳氢燃料的燃烧，目前并未有较为可靠的方法测量这些火焰的热释放率脉动值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热释放率脉动测量装置及方法，以缓解了现有技术无法对扩散火焰或者非碳氢燃料的热释放率脉动进行测量的技术问题。
第一方面，本发明提供一种热释放率脉动测量装置，包括：里克管、燃料腔、燃料喷嘴、十字管段、声压产生部件、底板、支架、声压信号采集器、温度传感器和数据处理器；所述底板上设有空气入口和燃料入口，所述燃料入口位于所述底板的中心；所述燃料喷嘴与所述燃料腔固定连接，且所述燃料喷嘴设于所述里克管内部，所述燃料腔设于所述十字管段底部；所述十字管段分别与所述里克管和所述声压产生部件相连接，所述声压产生部件对称设于所述十字管段外侧；以所述燃料喷嘴的出口平面为参考，在所述出口平面上方的里克管管壁上设置温度测量孔，并在所述温度测量孔内插入所述温度传感器；在所述出口平面上方的里克管管壁上设置竖向排列的第一声压信号采集孔和第二声压采集孔，在所述出口平面下方的里克管管壁上设置竖向排列的第三声压信号采集孔和第四声压采集孔，并分别在每个所述声压采集孔内插入相应的声压信号采集器；所述底板与所述十字管段底部相连接，并在所述底板下放置所述支架，用于支撑所述十字管段与所述里克管的组合体；所述空气入口用于为里克管提供空气输送通道；所述燃料腔用于收集从所述燃料入口供给的燃料，并通过所述燃料喷嘴将所述燃料喷出；所述声压产生部件用于提供预设频率的声波振荡，以在所述里克管下游提供纵向的压力波；在确定所述燃料喷嘴喷出的燃料稳定燃烧，且在火焰平面位置处形成一维热源的情况下，每个所述声压信号采集器采集相应的声压信号，并将所有所述声压信号发送至所述数据处理器；所述温度传感器采集气流温度，并将所述气流温度发送至所述数据处理器；所述数据处理器基于所述气流温度、所有所述声压信号、所述预设频率、所述声压信号采集孔的位置信息、所述里克管的横截面积、所述燃料喷嘴的横截面积、当前环境温度和当前环境空气密度，计算所述预设频率下，所述燃料燃烧产生火焰的热释放率脉动值。
在可选的实施方式中，所述热释放率脉动测量装置还包括：燃料喷嘴支撑件；所述燃料喷嘴支撑件用于固定所述燃料喷嘴，以使所述燃料喷嘴均匀排列。
在可选的实施方式中，所述热释放率脉动测量装置还包括：水冷装置；所述水冷装置与所述第一声压信号采集孔中插入的第一声压信号采集器和所述第二声压采集孔中插入的第二声压信号采集器相连接，用于对所述第一声压信号采集器和所述第二声压信号采集器进行水冷。
在可选的实施方式中，所述第一声压信号采集孔与所述第二声压采集孔之间的距离大于7cm且小于20cm；所述第三声压信号采集孔与所述第四声压采集孔之间的距离大于7cm且小于20cm。
第二方面，本发明提供一种热释放率脉动测量方法，该方法应用于前述实施方式中的任一种热释放率脉动测量装置，所述方法包括：在确定燃料喷嘴喷出的燃料稳定燃烧，且在火焰平面位置处形成一维热源的情况下，获取当前环境温度、当前环境空气密度、每个声压信号采集器发送的声压信号和温度传感器发送的气流温度；分别基于每个所述声压信号确定其频谱在预设频率处的声压幅值，得到第一声压幅值、第二声压幅值、第三声压幅值和第四声压幅值；基于所述第一声压幅值、所述第二声压幅值、所述第一声压信号采集孔的位置信息、所述第二声压采集孔的位置信息、所述气流温度和所述预设频率，计算火焰下游的压力波，以及，基于所述第三声压幅值、所述第四声压幅值、所述第三声压信号采集孔的位置信息、所述第四声压采集孔的位置信息、所述当前环境温度和所述预设频率，计算火焰上游的压力波；基于所述当前环境温度、所述气流温度和所述当前环境空气密度计算火焰下游气体平均密度；基于所述火焰下游气体平均密度、所述气流温度和所述火焰下游的压力波，计算火焰的下游速度脉动幅值，以及，基于所述当前环境空气密度、所述当前环境温度和所述火焰上游的压力波，计算火焰的上游速度脉动幅值；基于所述火焰下游气体平均密度、所述气流温度、所述上游速度脉动幅值、所述下游速度脉动幅值、所述里克管的横截面积和所述燃料喷嘴的横截面积，计算所述预设频率下，所述燃料燃烧产生火焰的热释放率脉动值。
在可选的实施方式中，基于所述第一声压幅值、所述第二声压幅值、所述第一声压信号采集孔的位置信息、所述第二声压采集孔的位置信息、所述气流温度和所述预设频率，计算火焰下游的压力波，以及，基于所述第三声压幅值、所述第四声压幅值、所述第三声压信号采集孔的位置信息、所述第四声压采集孔的位置信息、所述当前环境温度和所述预设频率，计算火焰上游的压力波，包括：利用算式计算火焰下游的压力波；其中，/>表示所述第一声压幅值，/>表示所述第二声压幅值，/>表示单位虚数，，/>表示所述预设频率，/>表示火焰下游声速，/>，/>表示比热比，/>表示气体常数，/>表示所述气流温度，/>表示所述第一声压信号采集孔的位置信息，/>表示所述第二声压采集孔的位置信息，/>表示火焰下游的上行压力波，/>表示火焰下游的下行压力波；利用算式/>计算火焰上游的压力波；其中，/>表示所述第三声压幅值，/>表示所述第四声压幅值，/>，/>表示火焰上游声速，，/>表示所述当前环境温度，/>表示所述第三声压信号采集孔的位置信息，/>表示所述第四声压采集孔的位置信息，/>表示火焰上游的上行压力波，/>表示火焰上游的下行压力波。
在可选的实施方式中，基于所述火焰下游气体平均密度、所述气流温度和所述火焰下游的压力波，计算火焰的下游速度脉动幅值，以及，基于所述当前环境空气密度、所述当前环境温度和所述火焰上游的压力波，计算火焰的上游速度脉动幅值，包括：利用算式计算火焰的下游速度脉动幅值；其中，/>表示所述火焰下游气体平均密度；利用算式/>计算火焰的上游速度脉动幅值；其中，/>表示所述当前环境空气密度。
在可选的实施方式中，基于所述火焰下游气体平均密度、所述气流温度、所述上游速度脉动幅值、所述下游速度脉动幅值、所述里克管的横截面积和所述燃料喷嘴的横截面积，计算所述预设频率下，所述燃料燃烧产生火焰的热释放率脉动值，包括：利用算式计算所述预设频率下，所述燃料燃烧产生火焰的热释放率脉动值；其中，/>表示所述里克管的横截面积与所述燃料喷嘴的横截面积的面积差，/>表示所述里克管的横截面积。
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现前述实施方式中任一项所述的热释放率脉动测量方法的步骤。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现前述实施方式中任一项所述的热释放率脉动测量方法。
本发明提供的热释放率脉动测量装置，包括：里克管、燃料腔、燃料喷嘴、十字管段、声压产生部件、底板、支架、声压信号采集器、温度传感器和数据处理器；底板上设有空气入口和燃料入口，燃料入口位于底板的中心。空气入口为里克管提供空气输送通道，燃料腔收集从燃料入口供给的燃料，并通过燃料喷嘴将燃料喷出，声压产生部件用于提供预设频率的声波振荡，以在里克管下游提供纵向的压力波。在确定燃料喷嘴喷出的燃料稳定燃烧，且在火焰平面位置处形成一维热源的情况下，每个声压信号采集器采集相应的声压信号，并将所有声压信号发送至数据处理器；温度传感器采集气流温度，并将气流温度发送至数据处理器，数据处理器基于气流温度、所有声压信号、预设频率、声压信号采集孔的位置信息、里克管的横截面积、燃料喷嘴的横截面积、当前环境温度和当前环境空气密度，计算预设频率下，燃料燃烧产生火焰的热释放率脉动值。本发明提供的热释放率脉动测量装置是基于热-声之间的相互作用，实现对燃料的热释放率脉动值进行标定，与燃料种类（包括但不限于碳氢燃料、氢燃料、氨燃料、酒精燃料等燃料）、燃烧模式（包括但不限于气体扩散燃烧、气体预混旋流燃烧、液体喷雾燃烧等燃烧模式）均无关，因此利用该装置可以进行广泛燃料工况的热释放率脉动测量。
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一种热释放率脉动测量装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种热释放率脉动测量装置的局部剖视图；
图3为本发明实施例提供的一种燃料喷嘴的布置示意图；
图4为本发明实施例提供的一种底板的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种与图3中的燃气喷嘴相匹配的燃料喷嘴支撑件的示意图；
图6为本发明实施例提供的一种热释放率脉动测量装置的流程图；
图7为本发明实施例提供的一种热释放率脉动测量的原理示意图；
图8为本发明实施例所提出测量方法的测量结果与现有技术方法的测量结果的对比图；
图9为本发明实施例提供的一种电子设备的示意图。
图标：100-里克管；101-燃料腔；102-燃料喷嘴；103-十字管段；104-声压产生部件；105-底板；106-支架；1001-温度测量孔；1002-第一声压信号采集孔；1003-第二声压信号采集孔；1004-第三声压信号采集孔；1005-第四声压信号采集孔；107-燃料入口；108-空气入口；109-连接孔；110-支脚孔；111-燃料喷嘴支撑件；60-处理器，61-存储器；62-总线；63-通信接口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
现有技术中，测量火焰热释放率的方法主要有两种：1、使用滤波片+光电倍增管或相机的形式采集某些自由基的发光，获得其数量，自由基数量与火焰面的面积成正比，火焰热释放率与火焰面面积成正比，因此，可以通过自由基数量获得火焰的热释放率；2、使用平面激光诱导荧光的方式获取自由基分布。但是，上述两种测量方法都是基于火焰热释放率与火焰面表面积的这一关系，而这一关系仅针对预混火焰生效，对于扩散火焰或部分预混火焰，不能使用这一方法进行测量。有鉴于此，本发明实施例提供了一种热释放率脉动测量装置，用以解决上文中所涉及的技术问题。
实施例一
本发明实施例的目的是提供一种能够对火焰热释放率脉动的标准值标定装置，且该装置不受预混、扩散等燃烧模式的限制。对于一个一维里克（Rijke）管，如果其中的热源可以表示成在z=b位置处薄热源的形式：，其中，/>表示热源在x位置的热释放脉动值，/>表示热源的总体热释放率脉动值，/>表示冲激函数，那么热释放率脉动值就可以用上下游速度脉动幅值来表示：/>，其中，/>表示速度脉动幅值，/>表示火焰面后的位置（热源平面后位置），/>表示火焰面前的位置（热源平面前位置），/>表示比热比，/>表示空气平均密度，/>表示平均声速。
也即，只要保证热源近似于一维热源模型，就可以通过测量获得火焰上下游速度脉动幅值的方法获得热释放率脉动的值。而火焰上下游的速度脉动幅值的大小又可以通过多麦克风测量声波的方法实现，最终可获得任意热源的热释放率。
图1为本发明实施例提供的一种热释放率脉动测量装置的结构示意图，图2为本发明实施例提供的一种热释放率脉动测量装置的局部剖视图，如图1-图2所示，该装置包括：里克管100、燃料腔101、燃料喷嘴102、十字管段103、声压产生部件104、底板105、支架106、声压信号采集器（图1中未示出）、温度传感器（图1中未示出）和数据处理器（图1中未示出）；底板上设有空气入口和燃料入口，燃料入口位于底板的中心。
燃料喷嘴与燃料腔固定连接，且燃料喷嘴设于里克管内部，燃料腔设于十字管段底部；十字管段分别与里克管和声压产生部件相连接，声压产生部件对称设于十字管段外侧。
以燃料喷嘴的出口平面为参考，在出口平面上方的里克管管壁上设置温度测量孔1001，并在温度测量孔内插入温度传感器；在出口平面上方的里克管管壁上设置竖向排列的第一声压信号采集孔1002和第二声压信号采集孔1003，在出口平面下方的里克管管壁上设置竖向排列的第三声压信号采集孔1004和第四声压信号采集孔1005，并分别在每个声压采集孔内插入相应的声压信号采集器。
底板与十字管段底部相连接，并在底板下放置支架，用于支撑十字管段与里克管的组合体。
空气入口用于为里克管提供空气输送通道。
燃料腔用于收集从燃料入口供给的燃料，并通过燃料喷嘴将燃料喷出。
声压产生部件用于提供预设频率的声波振荡，以在里克管下游提供纵向的压力波。
在确定燃料喷嘴喷出的燃料稳定燃烧，且在火焰平面位置处形成一维热源（也即，紧缩性热源）的情况下，每个声压信号采集器采集相应的声压信号，并将所有声压信号发送至数据处理器；温度传感器采集气流温度，并将气流温度发送至数据处理器。
数据处理器基于气流温度、所有声压信号、预设频率、声压信号采集孔的位置信息、里克管的横截面积、燃料喷嘴的横截面积、当前环境温度和当前环境空气密度，计算预设频率下，燃料燃烧产生火焰的热释放率脉动值。
基于上文中对本发明实施例所提供装置的结构介绍可知，该装置是在与十字管段底部相连接的底板上设置外部空气和待测燃料的入口，燃料入口设于底板中心，且与燃料腔连通，因此，燃料腔能够收集从燃料入口供给的燃料，并通过与燃料腔上端相连接的燃料喷嘴喷出。本发明实施例提供的热释放率脉动测量装置可用于对气体燃料或液体燃料进行热释放率脉动值测量。为了能够通过测量火焰上下游速度脉动幅值的方法获得热释放率脉动的值，本发明实施例要求燃料喷嘴喷出的燃料稳定燃烧时在火焰平面位置处形成近似一维热源，其中，火焰平面位置是火焰几何中心所在的平面位置。
可选地，图3为本发明实施例提供的一种燃料喷嘴的布置示意图，如图3所示，在里克管内部均匀布置有25个燃料喷嘴，本发明实施例不对喷嘴的数量进行具体限定，只要所有燃料喷嘴可提供一个尽可能像平面热源的结构，用于保证上文中所介绍的一维热源假设即可。
可选地，本发明实施例在底板上燃料入口的周围均匀设置若干空气入口，以在通过空气入口向里克管供给空气时，在管内形成均匀的外层流，辅助燃料稳定燃烧。本发明实施例不对向空气入口供给的空气流量进行具体限定，用户需要根据具体使用的燃料计算，一般地，空气流量只需要大于燃料完全燃烧所需的流量即可，以防止内部焦炭产生过多，附着管壁影响观测。
图4为本发明实施例提供的一种底板的结构示意图，图4所示的底板中，在燃料入口107四周设置4个空气入口108，且另设8个用于将底板与十字管段相连接的连接孔109，以及在底板四角设置的4个用于安装支架的支脚孔110。可选地，支架可以选择四角支架，支架与地面接触的每个支脚均安装有螺丝用于调平。
本发明实施例在与里克管下端的相连接的十字管段外侧对称设置两个声压产生部件，声压产生部件用于提供预设频率的声波振荡，可在里克管所提供的纵向长的空腔里形成纵向的压力波，而对称设置两个声压产生部件的目的是为了保证振荡的能量达到预设强度。可选地，声压产生部件可以选择扬声器，预设频率选择几十到几百赫兹均可。
只有里克管纵向长度远大于其内径截面的长和宽，才能认为是一维结构，只在纵向方向存在声波与热的作用，才被视为纵向方向的一维热源。如果单一的里克管纵向长度不能满足测试要求，则可以通过法兰将两个甚至多个里克管进行组合。
本发明实施例在里克管中间放置待测热源（也即，点燃燃料喷嘴所喷出的燃料产生的火焰），因为测量过程中，里克管内的气流是自下向上流动，因此，火焰下方实际是火焰上游，火焰上方实际是火焰下游。本发明实施例在火焰的上、下游适当位置处的里克管壁上各设置两个声压信号采集孔，在火焰下游位置处的里克管壁上还设有温度测量孔。声压信号采集孔用于插入声压信号采集器（例如麦克风），温度测量孔用于插入温度传感器，温度传感器用于测量火焰下游的气流温度。
以燃料喷嘴的出口平面为界，将里克管分为上下两个测量段，里克管上段插入的两个声压信号采集器用于测量火焰下游的声压脉动，里克管下段插入的两个声压信号采集器用于测量火焰上游的声压脉动，从而可根据双麦克风测量原理获得火焰上游和下游的速度脉动幅值，进而获取预设频率下待测热源的热释放率脉动值。
本发明提供的热释放率脉动测量装置，包括：里克管、燃料腔、燃料喷嘴、十字管段、声压产生部件、底板、支架、声压信号采集器、温度传感器和数据处理器；底板上设有空气入口和燃料入口，燃料入口位于底板的中心。空气入口为里克管提供空气输送通道，燃料腔收集从燃料入口供给的燃料，并通过燃料喷嘴将燃料喷出，声压产生部件用于提供预设频率的声波振荡，以在里克管下游提供纵向的压力波。在确定燃料喷嘴喷出的燃料稳定燃烧，且在火焰平面位置处形成一维热源的情况下，每个声压信号采集器采集相应的声压信号，并将所有声压信号发送至数据处理器；温度传感器采集气流温度，并将气流温度发送至数据处理器，数据处理器基于气流温度、所有声压信号、预设频率、声压信号采集孔的位置信息、里克管的横截面积、燃料喷嘴的横截面积、当前环境温度和当前环境空气密度，计算预设频率下，燃料燃烧产生火焰的热释放率脉动值。本发明提供的热释放率脉动测量装置是基于热-声之间的相互作用，实现对燃料的热释放率脉动值进行标定，与燃料种类、燃烧模式均无关，因此利用该装置可以进行广泛燃料工况的热释放率脉动测量。
在一个可选的实施方式中，热释放率脉动测量装置还包括：燃料喷嘴支撑件111；燃料喷嘴支撑件用于固定燃料喷嘴，以使燃料喷嘴均匀排列。图5为本发明实施例提供的一种与图3中的燃气喷嘴相匹配的燃料喷嘴支撑件的示意图。
为了减弱火焰产生的热气体对声压信号采集器的影响，在一个可选的实施方式中，热释放率脉动测量装置还包括：水冷装置；水冷装置与第一声压信号采集孔中插入的第一声压信号采集器和第二声压采集孔中插入的第二声压信号采集器相连接，用于对第一声压信号采集器和第二声压信号采集器进行水冷。实际应用时，可以选择在第一声压信号采集器和第二声压信号采集器的侧壁缠绕水冷管。
在一个可选的实施方式中，为了确保测试结果的准确性，第一声压信号采集孔与第二声压采集孔之间的距离大于7cm且小于20cm；第三声压信号采集孔与第四声压采集孔之间的距离大于7cm且小于20cm。上述距离设置既不太小，防止系统误差对较近两只麦克风的影响较大；又不太大使得该系统无法在高频下测量。
可选的，为了使得本发明装置的主体待测部分光学可测，支持同步使用多种光学测量手段研究待测火焰，因此，里克管可以选用由石英玻璃组成的方形透明腔室，且石英选用高透光耐高温石英。
实施例二
本发明实施例还提供了一种热释放率脉动测量方法，该方法应用于上述实施例一所提供的热释放率脉动测量装置，以下对本发明实施例提供的热释放率脉动测量装置做具体介绍。
图6是本发明实施例提供的一种热释放率脉动测量装置的流程图，如图6所示，该方法具体包括如下步骤：
步骤S102，在确定燃料喷嘴喷出的燃料稳定燃烧，且在火焰平面位置处形成一维热源的情况下，获取当前环境温度、当前环境空气密度、每个声压信号采集器发送的声压信号和温度传感器发送的气流温度。
具体的，要使用热释放率脉动测量装置进行待测热源的热释放率脉动测量，首先开启对布置于火焰下游的第一声压信号采集器和第二声压信号采集器的水冷，向空气入口供给一定流量的空气，接着向燃料入口供给待测热释放率的燃料，在燃料喷嘴出口点火，待每个燃料喷嘴的火焰都稳定燃烧后开始测量。
图7为本发明实施例提供的一种热释放率脉动测量的原理示意图，通过声压产生部件施加预设频率的合适幅值的压力振荡，使用四个声压信号采集器采集声压信号，采集到的声压信号可分别表示为、/>、/>、/>；通过温度传感器测得火焰下游的气流温度为。然后数据处理器接收所有声压信号和气流温度。另外，为了后续根据理想气体方程计算火焰下游气体平均密度，本发明实施例还需要获取当前环境温度以及当前环境空气密度。
步骤S104，分别基于每个声压信号确定其频谱在预设频率处的声压幅值，得到第一声压幅值、第二声压幅值、第三声压幅值和第四声压幅值。
为了利用双麦克风测量原理计算火焰上/下游的压力波，需要确定每个声压信号采集孔处采集到的声压信号在预设频率的声压幅值。因此，分别对声压信号、/>、/>、/>做快速傅里叶变换，得到四列信号的对应的频谱，从而确定每个频谱在预设频率处的幅值，得到第一声压幅值/>、第二声压幅值/>、第三声压幅值/>和第四声压幅值/>。
步骤S106，基于第一声压幅值、第二声压幅值、第一声压信号采集孔的位置信息、第二声压采集孔的位置信息、气流温度和预设频率，计算火焰下游的压力波，以及，基于第三声压幅值、第四声压幅值、第三声压信号采集孔的位置信息、第四声压采集孔的位置信息、当前环境温度和预设频率，计算火焰上游的压力波。
在本发明实施例中，为了根据双麦克风测量原理计算出火焰上/下游的压力波（压力波包括：上行压力波和下行压力波），需要确定每个声压幅值所对应的采集位置信息，也即，每个声压信号采集孔的位置信息，参考图7，以燃料喷嘴的出口平面为坐标平面，该平面可表示为z=0，因此，根据每个声压信号采集孔与坐标平面之间的距离，可计算出四个声压采集孔的位置信息，图7中A、B、C、D四点的z坐标分别为：，/>，/>，。
基于双麦克风测量原理可知，要计算火焰上/下游的压力波，除了声压幅值以及相应的采集位置信息之外，还需要确定火焰上/下游声波传导的波数，该波数与声压产生部件施加的振荡频率以及声速有关，而声速受到气流温度影响。鉴于火焰上游并没有火焰，所以本发明实施例认为火焰上游的气流温度约等于当前环境温度。因此，根据火焰上/下游处的声压幅值、相应采集位置信息、温度和预设频率即可计算火焰上/下游的上行压力波和下行压力波。
步骤S108，基于当前环境温度、气流温度和当前环境空气密度计算火焰下游气体平均密度。
根据理想气体方程可知，，其中，/>表示当前环境温度，/>表示当前环境温度，/>表示火焰下游气流温度，/>表示火焰下游气体平均密度。因此，在已知/>，/>和的情况下，可计算出火焰下游气体平均密度/>，以为后续步骤中对火焰的下游速度脉动幅值的计算提供数据。
步骤S110，基于火焰下游气体平均密度、气流温度和火焰下游的压力波，计算火焰的下游速度脉动幅值，以及，基于当前环境空气密度、当前环境温度和火焰上游的压力波，计算火焰的上游速度脉动幅值。
鉴于火焰上游并没有火焰，所以本发明实施例认为火焰上游的气体平均密度约等于当前环境空气密度，因此，在已知火焰上/下游气体平均密度、气流温度和压力波之后，根据双麦克风方法计算速度脉动幅值的原理即可计算出火焰的上/下游速度脉动幅值。
步骤S112，基于火焰下游气体平均密度、气流温度、上游速度脉动幅值、下游速度脉动幅值、里克管的横截面积和燃料喷嘴的横截面积，计算预设频率下，燃料燃烧产生火焰的热释放率脉动值。
本发明实施例中，根据图1的装置结构可知，火焰上游的气流通道面积是里克管的横截面积和燃料喷嘴的横截面积之差，火焰下游的气流通道面积是里克管的横截面积。因此，在计算出火焰下游气体平均密度、上游速度脉动幅值和下游速度脉动幅值，获取到火焰下游气流温度、里克管的横截面积和燃料喷嘴的横截面积之后，即可根据一维热源模型的热释放率脉动值计算方法，计算出预设频率下，待测燃料燃烧所产生火焰的热释放率脉动值。
在一个可选的实施方式中，基于第一声压幅值、第二声压幅值、第一声压信号采集孔的位置信息、第二声压采集孔的位置信息、气流温度和预设频率，计算火焰下游的压力波，以及，基于第三声压幅值、第四声压幅值、第三声压信号采集孔的位置信息、第四声压采集孔的位置信息、当前环境温度和预设频率，计算火焰上游的压力波，包括：
利用算式计算火焰下游的压力波；其中，/>表示第一声压幅值，/>表示第二声压幅值，e表示自然底数，/>表示单位虚数，/>，表示火焰下游声波传导的波数，/>表示预设频率，/>表示火焰下游声速（根据火焰下游的平均气流温度所得的声速），/>，/>表示比热比，/>，/>表示气体常数，/>，表示气流温度，/>表示第一声压信号采集孔的位置信息，/>表示第二声压采集孔的位置信息，/>表示火焰下游的上行压力波，/>表示火焰下游的下行压力波。
利用算式计算火焰上游的压力波；其中，/>表示第三声压幅值，/>表示第四声压幅值，/>，表示火焰上游声波传导的波数，/>表示火焰上游声速（根据火焰上游的平均气流温度所得的声速），/>，/>表示当前环境温度，表示第三声压信号采集孔的位置信息，/>表示第四声压采集孔的位置信息，/>表示火焰上游的上行压力波，/>表示火焰上游的下行压力波。
在一个可选的实施方式中，基于火焰下游气体平均密度、气流温度和火焰下游的压力波，计算火焰的下游速度脉动幅值，以及，基于当前环境空气密度、当前环境温度和火焰上游的压力波，计算火焰的上游速度脉动幅值，包括：
利用算式计算火焰的下游速度脉动幅值；其中，/>表示火焰下游气体平均密度。
利用算式计算火焰的上游速度脉动幅值；其中，/>表示当前环境空气密度。
在一个可选的实施方式中，基于火焰下游气体平均密度、气流温度、上游速度脉动幅值、下游速度脉动幅值、里克管的横截面积和燃料喷嘴的横截面积，计算预设频率下，燃料燃烧产生火焰的热释放率脉动值，包括：
利用算式计算预设频率下，燃料燃烧产生火焰的热释放率脉动值；其中，/>表示里克管的横截面积与燃料喷嘴的横截面积的面积差，/>表示里克管的横截面积。
为了验证本发明实施例所提供的方法及装置的测量准确性，发明人针对一例程25火预混火焰进行了测量。预混火焰的火焰热释放率可以使用CH、OH自由基的化学发光来测量。图8为本发明实施例所提出测量方法的测量结果与现有技术方法的测量结果的对比图，通过图8可以看出，对于预混火焰，自由基化学发光的测量结果与本发明实施例所提到测量方法结果一致。
实施例三
参见图9，本发明实施例提供了一种电子设备，该电子设备包括：处理器60，存储器61，总线62和通信接口63，所述处理器60、通信接口63和存储器61通过总线62连接；处理器60用于执行存储器61中存储的可执行模块，例如计算机程序。
其中，存储器61可能包含高速随机存取存储器（RAM，Random Access Memory），也可能还包括非易失性存储器（non-volatile memory），例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口63（可以是有线或者无线）实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。
总线62可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图9中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
其中，存储器61用于存储程序，所述处理器60在接收到执行指令后，执行所述程序，前述本发明实施例任一实施例揭示的过程定义的装置所执行的方法可以应用于处理器60中，或者由处理器60实现。
处理器60可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器60中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器60可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器61，处理器60读取存储器61中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
本发明实施例所提供的一种热释放率脉动测量装置及方法的计算机程序产品，包括存储了处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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。
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 (10)
1.一种热释放率脉动测量装置，其特征在于，包括：里克管、燃料腔、燃料喷嘴、十字管段、声压产生部件、底板、支架、声压信号采集器、温度传感器和数据处理器；所述底板上设有空气入口和燃料入口，所述燃料入口位于所述底板的中心；
所述燃料喷嘴与所述燃料腔固定连接，且所述燃料喷嘴设于所述里克管内部，所述燃料腔设于所述十字管段底部；所述十字管段分别与所述里克管和所述声压产生部件相连接，所述声压产生部件对称设于所述十字管段外侧；
以所述燃料喷嘴的出口平面为参考，在所述出口平面上方的里克管管壁上设置温度测量孔，并在所述温度测量孔内插入所述温度传感器；在所述出口平面上方的里克管管壁上设置竖向排列的第一声压信号采集孔和第二声压采集孔，在所述出口平面下方的里克管管壁上设置竖向排列的第三声压信号采集孔和第四声压采集孔，并分别在每个所述声压采集孔内插入相应的声压信号采集器；
所述底板与所述十字管段底部相连接，并在所述底板下放置所述支架，用于支撑所述十字管段与所述里克管的组合体；
所述空气入口用于为里克管提供空气输送通道；
所述燃料腔用于收集从所述燃料入口供给的燃料，并通过所述燃料喷嘴将所述燃料喷出；
所述声压产生部件用于提供预设频率的声波振荡，以在所述里克管下游提供纵向的压力波；
在确定所述燃料喷嘴喷出的燃料稳定燃烧，且在火焰平面位置处形成一维热源的情况下，每个所述声压信号采集器采集相应的声压信号，并将所有所述声压信号发送至所述数据处理器；所述温度传感器采集气流温度，并将所述气流温度发送至所述数据处理器；
所述数据处理器基于所述气流温度、所有所述声压信号、所述预设频率、所述声压信号采集孔的位置信息、所述里克管的横截面积、所述燃料喷嘴的横截面积、当前环境温度和当前环境空气密度，计算所述预设频率下，所述燃料燃烧产生火焰的热释放率脉动值。
2.根据权利要求1所述的热释放率脉动测量装置，其特征在于，所述热释放率脉动测量装置还包括：燃料喷嘴支撑件；
所述燃料喷嘴支撑件用于固定所述燃料喷嘴，以使所述燃料喷嘴均匀排列。
3.根据权利要求1所述的热释放率脉动测量装置，其特征在于，所述热释放率脉动测量装置还包括：水冷装置；
所述水冷装置与所述第一声压信号采集孔中插入的第一声压信号采集器和所述第二声压采集孔中插入的第二声压信号采集器相连接，用于对所述第一声压信号采集器和所述第二声压信号采集器进行水冷。
4.根据权利要求1所述的热释放率脉动测量装置，其特征在于，所述第一声压信号采集孔与所述第二声压采集孔之间的距离大于7cm且小于20cm；所述第三声压信号采集孔与所述第四声压采集孔之间的距离大于7cm且小于20cm。
5.一种热释放率脉动测量方法，其特征在于，该方法应用于权利要求1-4中的任一种热释放率脉动测量装置，所述方法包括：
在确定燃料喷嘴喷出的燃料稳定燃烧，且在火焰平面位置处形成一维热源的情况下，获取当前环境温度、当前环境空气密度、每个声压信号采集器发送的声压信号和温度传感器发送的气流温度；
分别基于每个所述声压信号确定其频谱在预设频率处的声压幅值，得到第一声压幅值、第二声压幅值、第三声压幅值和第四声压幅值；
基于所述第一声压幅值、所述第二声压幅值、所述第一声压信号采集孔的位置信息、所述第二声压采集孔的位置信息、所述气流温度和所述预设频率，计算火焰下游的压力波，以及，基于所述第三声压幅值、所述第四声压幅值、所述第三声压信号采集孔的位置信息、所述第四声压采集孔的位置信息、所述当前环境温度和所述预设频率，计算火焰上游的压力波；
基于所述当前环境温度、所述气流温度和所述当前环境空气密度计算火焰下游气体平均密度；
基于所述火焰下游气体平均密度、所述气流温度和所述火焰下游的压力波，计算火焰的下游速度脉动幅值，以及，基于所述当前环境空气密度、所述当前环境温度和所述火焰上游的压力波，计算火焰的上游速度脉动幅值；
基于所述火焰下游气体平均密度、所述气流温度、所述上游速度脉动幅值、所述下游速度脉动幅值、所述里克管的横截面积和所述燃料喷嘴的横截面积，计算所述预设频率下，所述燃料燃烧产生火焰的热释放率脉动值。
6.根据权利要求5所述的热释放率脉动测量方法，其特征在于，基于所述第一声压幅值、所述第二声压幅值、所述第一声压信号采集孔的位置信息、所述第二声压采集孔的位置信息、所述气流温度和所述预设频率，计算火焰下游的压力波，以及，基于所述第三声压幅值、所述第四声压幅值、所述第三声压信号采集孔的位置信息、所述第四声压采集孔的位置信息、所述当前环境温度和所述预设频率，计算火焰上游的压力波，包括：
利用算式计算火焰下游的压力波；其中，/>表示所述第一声压幅值，/>表示所述第二声压幅值，/>表示单位虚数，/>，/>表示所述预设频率，表示火焰下游声速，/>，/>表示比热比，/>表示气体常数，/>表示所述气流温度，表示所述第一声压信号采集孔的位置信息，/>表示所述第二声压采集孔的位置信息，表示火焰下游的上行压力波，/>表示火焰下游的下行压力波；
利用算式计算火焰上游的压力波；其中，/>表示所述第三声压幅值，/>表示所述第四声压幅值，/>，/>表示火焰上游声速，/>，/>表示所述当前环境温度，/>表示所述第三声压信号采集孔的位置信息，/>表示所述第四声压采集孔的位置信息，/>表示火焰上游的上行压力波，/>表示火焰上游的下行压力波。
7.根据权利要求6所述的热释放率脉动测量方法，其特征在于，基于所述火焰下游气体平均密度、所述气流温度和所述火焰下游的压力波，计算火焰的下游速度脉动幅值，以及，基于所述当前环境空气密度、所述当前环境温度和所述火焰上游的压力波，计算火焰的上游速度脉动幅值，包括：
利用算式计算火焰的下游速度脉动幅值；其中，/>表示所述火焰下游气体平均密度；
利用算式计算火焰的上游速度脉动幅值；其中，/>表示所述当前环境空气密度。
8.根据权利要求7所述的热释放率脉动测量方法，其特征在于，基于所述火焰下游气体平均密度、所述气流温度、所述上游速度脉动幅值、所述下游速度脉动幅值、所述里克管的横截面积和所述燃料喷嘴的横截面积，计算所述预设频率下，所述燃料燃烧产生火焰的热释放率脉动值，包括：
利用算式计算所述预设频率下，所述燃料燃烧产生火焰的热释放率脉动值；其中，/>表示所述里克管的横截面积与所述燃料喷嘴的横截面积的面积差，表示所述里克管的横截面积。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求5至8中任一项所述的热释放率脉动测量方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求5至8中任一项所述的热释放率脉动测量方法。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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