专利名称：本生灯下气体燃料层流火焰传播速度的精确测量方法
技术领域：
本发明涉及一种层流火焰传播速度的精确测量方法。
背景技术：
火焰传播速度是指平面火焰波面沿着垂直其表面方向上通过邻近未燃气体移动的速度。它不仅在考察火焰稳定性方面有很大实用意义，而且在研究火焰传播理论方面也具有很大理论价值。本生灯火焰法是一种常用的火焰传播速度测量和计算方法，通常采用锥形法计算模型，在层流流动条件下用气体混合物的平均流量除以火焰内焰锋面表面积得到平均速度作为层流火焰传播速度。但由于实际的本生灯管口出口气流速度分布不均勻性和出口火焰锋面不同部位传热特性不同，会造成局部火焰传播速度的分布不均勻，在靠近管轴中心焰尖处偏大，在靠近管壁处的火焰根部区域偏�。诨鹧嬷屑淝颍蛴捎谒俣确植季鶆�、散热特性相同，火焰传播速度基本不变。此时，采用基于平均出口流量的锥形法计算出火焰传播速度会产生较大误差。
发明内容
本发明是为了提高现有的本生灯法锥形法计算模型计算精度，从而提供一种本生灯下气体燃料层流火焰传播速度的精确测量方法。本生灯下气体燃料层流火焰传播速度的精确测量方法，它由以下步骤实现步骤一、将示踪粒子引入混气罐内与气体燃料充分混合，形成混合气流；步骤二、将步骤一所述混合气流通入本生灯燃烧器，在燃烧器出口点燃，形成本生灯火焰；步骤三、采用二维粒子成像速度仪获得管口上方火焰区域的流场图像；步骤四、对步骤三获得的流场图像进行处理，获得垂直管口轴向截面内流场速度图；步骤五、采用CCD成像仪对本生灯火焰进行图像采集，获得本生灯火焰图像；步骤六、对步骤五获得的本生灯火焰图像进行亮度分析、边缘提取后进行曲线拟合，获得拟合后的曲线；步骤七、将步骤四获得的流场速度图与步骤六获得的拟合后的曲线进行位置匹配，并采用插值法计算出步骤六获得的曲线上线性度好的区段上各点气流速度Un;η表示曲线上线性度好的区段上点的序号；所述η为正整数；曲线上线性度好的区段为对火焰锋面进行线性拟合后与拟合曲线相对标准方差在士以内的区段；步骤八、根据公式= Un · cos θ 获得步骤七所述各点的火焰传播速度&，取与各点的火焰传播速度&的平均值在相对标准方差为士0. 5% 士2%之内的点，然后再求取各点的火焰传播速度&的平均值，得到本生灯层流火焰传播速度S1 ；式中，θ η为火焰锋面上第η个点的气流速度Un与该点火焰锋面法线的夹角。
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步骤一中所述气体燃料为甲烷、氧气和氮气的混合燃料，甲烷的体积百分比为 6. 8 % 14. 3 %、氧气的体积百分比为17. 8 % 20. 7 %、氮气的体积百分比为67. 6 % 73. 6%。采用最小二乘法对CXD获得的图像进行曲线拟合。在步骤六中，采用图像亮度处理软件对步骤五获得的本生灯火焰图像进行亮度分析、边缘提取。本生灯燃烧器的管口内径为3mm 15mm。有益效果本发明使用二维粒子成像速度仪(PIV)和CCD成像仪，采用非接触式的方式对本生灯层流火焰传播速度进行测量，不会破坏火焰本体结构。由于二维粒子成像速度仪(PIV)可测得流场内各点的速度值，因此将流场速度图与火焰轮廓拟合曲线进行位置匹配，可得到火焰锋面上各点的火焰传播速度值。对于锥形法计算模型所造成的误差有较大消除，可实现对本生灯层流火焰传播速度精确测量。
图1是本发明的流程示意图；图2是本发明具体实施方式
六中的实验装置结构示意图；图3是本发明具体实施方式
六的实验中采集的火焰锋面示意图；图4是本发明具体实施方式
六的实验中火焰锋面的特征图；图5是本发明具体实施方式
六的实验中的火焰锋面拟合曲线图；图6是本发明测量火焰传播速度的原理示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一、结合图1说明本具体实施方式
，本生灯下气体燃料层流火焰传播速度的精确测量方法，它由以下步骤实现步骤一、将示踪粒子引入混气罐内与气体燃料充分混合，形成混合气流；步骤二、将步骤一所述混合气流通入本生灯燃烧器，在燃烧器出口点燃，形成本生灯火焰；步骤三、采用二维粒子成像速度仪获得管口上方火焰区域的流场图像；步骤四、对步骤三获得的流场图像进行处理，获得垂直管口轴向截面内流场速度图；步骤五、采用CCD成像仪对本生灯火焰进行图像采集，获得本生灯火焰图像；步骤六、对步骤五获得的本生灯火焰图像进行亮度分析、边缘提取后进行曲线拟合，获得拟合后的曲线；步骤七、将步骤四获得的流场速度图与步骤六获得的拟合后的曲线进行位置匹配，并采用插值法计算出步骤六获得的曲线上线性度好的区段上各点气流速度Un;η表示曲线上线性度好的区段上点的序号；所述η为正整数；所述曲线上线性度好的区段为对火焰锋面进行线性拟合后与拟合曲线相对标准方差在士以内的区段；步骤八、根据公式= Un · cos θ η获得步骤七所述各点的火焰传播速度&，取与各点的火焰传播速度&的平均值，在相对标准方差为士0.5% 士2%之内的点，然后再求取平均值，得到本生灯层流火焰传播速度S1 ；
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式中，θ n为火焰锋面上第η个点的气流速度Un与该点火焰锋面法线的夹角。
具体实施方式
二、本具体实施方式
与具体实施方式
一所述的本生灯下气体燃料层流火焰传播速度的精确测量方法的区别在于，步骤一中所述气体燃料为甲烷、氧气和氮气的混合燃料。
具体实施方式
三、本具体实施方式
与具体实施方式
二所述的本生灯下气体燃料层流火焰传播速度的精确测量方法的区别在于，甲烷的体积百分比为6. 8% 14. 3%、氧气的体积百分比为17. 8% 20. 7%、氮气的体积百分比为67. 6% 73. 6%。
具体实施方式
四、本具体实施方式
与具体实施方式
一、二或三所述的本生灯下气体燃料层流火焰传播速度的精确测量方法的区别在于，采用最小二乘法对CCD获得的图像进行曲线拟合。
具体实施方式
五、本具体实施方式
与具体实施方式
四所述的本生灯下气体燃料层流火焰传播速度的精确测量方法的区别在于，在步骤六中，采用图像亮度处理软件对步骤五获得的本生灯火焰图像进行亮度分析、边缘提取。
具体实施方式
六、本具体实施方式
与具体实施方式
一、二、三、四或五所述的本生灯下气体燃料层流火焰传播速度的精确测量方法的区别在于，本生灯燃烧器的管口内径为 3mm 15mm0以下通过具体实验验证本发明的效果实验装置如图2所示所述装置包括甲烷气瓶1、氧气气瓶2、氮气气瓶3、甲烷质量流量控制器4、氧气质量流量控制器5、氮气质量流量控制器6、质量流量显示仪7、混气罐 8、示踪粒子引入装置9、计算机10、(XD成像仪11、调焦望远镜12、本生灯燃烧器13、片光源光路系统14、激光器15、PIV控制、同步单元16、同步器17、滤光镜18、CXD照相机19和控制软件20。所述甲烷质量流量控制器4用于测量和控制甲烷气瓶1流出气体的流量；氧气质量流量控制器5用于测量和控制氧气气瓶2流出气体的流量；氮气质量流量控制器6用于测量和控制氮气气瓶3流出气体的流量；甲烷质量流量控制器4的测量信号输出端、氧气质量流量控制器5的测量信号输出端和氮气质量流量控制器6的测量信号输出端分别与质量流量显示仪7的三个测量信号输入端连接；控制甲烷气瓶1的出气口、氧气气瓶2的出气口、氮气气瓶3的出气口、示踪粒子引入装置9的出口分别与混气罐8的四个进气口连通； 混气罐8的出气口与本生灯燃烧器13的进气口连通；CXD成像仪11的光输入端处设置有调焦望远镜12，所述本生灯燃烧器13产生的火焰光输入至调焦望远镜13的光输入端；CXD 成像仪11的信号输出端与计算机10连接；PIV控制、同步单元16、同步器17组成PIV的控制系统，保证系统组件的准确同步运行；流场成像由片光源光路系统14构成，以激光器15 为光源；CCD照相机19识别示踪粒子，进行图像拍摄；在CCD照相机19镜头前安装了滤光镜18，以降低火焰发光对拍摄图像的影响；控制软件20完成对图像的分析与显示。本实验中选用的参数有甲烷质量流量控制器4、氧气质量流量控制器5、氮气质量流量控制器6分别控制甲烷、氧气、氮气的流速为0. 1 5m/s ；混气罐8的混合气体流出的流速为0. 2 lOm/s，本生灯燃烧器13的管口内径为3mm 15mm，区间取值每隔1mm。实验中采用CCD成像仪对本生灯火焰进行图像采集，获得本生灯火焰锋面像如图 3所示；实验中对本生灯火焰图像进行亮度分析、边缘提取后火焰锋面的特征图如图4所示；实验中火焰锋面拟合曲线图如图5所示。
在运用本生灯法进行火焰传播速度的测量时，如果假设气流速度沿管截面是均勻分布的，且不考虑火焰前沿的高温对新鲜混气的影响，则可将火焰锋面看成一正锥形，此时，实际用气体混合物的流量除以火焰内焰锋面表面积得到的平均速度可作为火焰传播速度。但实际的气流速度沿管截面是不均勻分布的，会造成火焰传播速度的不均勻分布，在靠近管轴中心处偏大，在靠近管壁处的火焰根部区域偏�。谥屑淝蛟蚧静槐�。此时，采用锥形法计算会造成较大误差。因而，若想用本生灯法精确测定火焰传播速度，需要取中间速度不变的区域进行测量。当火焰锋面固定不动时，锥形内焰表面各点上的火焰传播速度 Sn(方向指向锥形内焰内部)与该点气流的法向分速度Vn是平衡的。也即对于锥形火焰面上的每一点存在以下关系式，又称为余弦定律Sn = Un · cos θ n = vn式中 表示锥形火焰面上一点的法向火焰传播速度；Un表示该点的气流速度；vn 表示该点气流的法向分速度；θ n表示火焰锋面上各点的气流速度与火焰锋面法线之间的夹角。运用二维粒子成像速度仪(PIV)可获得管口上方火焰区域的流场图像，经过图像处理，可得到流场的速度分布图。将处理CCD图像所得到的拟合曲线与流场速度分布图进行位置匹配，则可以得到曲线上各点所对应的气流速度，利用上述计算公式，可得到各点的火焰传播速度值。选取拟合曲线上线性度好的区段进行计算，可得到各点基本不变的火焰传播速度值，求取平均值，作为测得层流火焰传播速度经验证，本发明的方法对锥形法计算模型所造成的误差有较大消除，对本生灯层流火焰传播速度精确度较高。
权利要求
1.本生灯下气体燃料层流火焰传播速度的精确测量方法，其特征是它由以下步骤实现步骤一、将示踪粒子引入混气罐内与气体燃料充分混合，形成混合气流；步骤二、将步骤一所述混合气流通入本生灯燃烧器，在燃烧器出口点燃，形成本生灯火焰；步骤三、采用二维粒子成像速度仪获得管口上方火焰区域的流场图像； 步骤四、对步骤三获得的流场图像进行处理，获得垂直管口轴向截面内流场速度图； 步骤五、采用CCD成像仪对本生灯火焰进行图像采集，获得本生灯火焰图像； 步骤六、对步骤五获得的本生灯火焰图像进行亮度分析、边缘提取后进行曲线拟合，获得拟合后的曲线；步骤七、将步骤四获得的流场速度图与步骤六获得的拟合后的曲线进行位置匹配，并采用插值法计算出步骤六获得的曲线上线性度好的区段上各点气流速度Un ； η表示曲线上线性度好的区段上点的序号；所述η为正整数； 曲线上线性度好的区段为对火焰锋面进行线性拟合后与拟合曲线相对标准方差在士 以内的区段；步骤八、根据公式& = Un · cos θ η获得步骤七所述各点的火焰传播速度&，取与各点的火焰传播速度&的平均值在相对标准方差为士0.5% 士2%之内的点，然后再求取各点的火焰传播速度&的平均值，得到本生灯层流火焰传播速度S1 ；式中，θ η为火焰锋面上第η个点的气流速度Un与该点火焰锋面法线的夹角。
2.根据权利要求1所述的本生灯下气体燃料层流火焰传播速度的精确测量方法，其特征在于步骤一中所述气体燃料为甲烷、氧气和氮气的混合燃料。
3.根据权利要求2所述的本生灯下气体燃料层流火焰传播速度的精确测量方法，其特征在于甲烷的体积百分比为6. 8% 14. 3%、氧气的体积百分比为17. 8% 20. 7%、氮气的体积百分比为67. 6% 73. 6%。
4.根据权利要求1、2或3所述的本生灯下气体燃料层流火焰传播速度的精确测量方法，其特征在于采用最小二乘法对CCD获得的图像进行曲线拟合。
5.根据权利要求4所述的本生灯下气体燃料层流火焰传播速度的精确测量方法，其特征在于在步骤六中，采用图像亮度处理软件对步骤五获得的本生灯火焰图像进行亮度分析、边缘提取。
6.根据权利要求1、2、3或5所述的本生灯下气体燃料层流火焰传播速度的精确测量方法，其特征在于本生灯燃烧器的管口内径为3mm 15mm。
全文摘要
本生灯下气体燃料层流火焰传播速度的精确测量方法，涉及一种层流火焰传播速度的精确测量方法。它提高了现有的本生灯法锥形法计算模型计算精度。它将采用二维粒子成像速度仪获得管口上方火焰区域的流场图像，对图像进行处理后得到垂直管口轴向截面内流场速度图；同时采用CCD成像仪对本生灯火焰进行图像采集，对图像进行亮度分析、边缘提取后进行曲线拟合，获得拟合后的火焰锋面；将流场速度图与锋面曲线进行位置匹配，采用插值法计算得出锋面曲线上线性度好的区段上各点的气流速度Un；再根据余弦定律计算各点的火焰传播速度，求取平均值，得到本生灯的局部层流火焰传播速度。本发明适用于气体燃料燃烧过程中本生灯层流火焰传播速度的精确测量。
文档编号G01P3/38GK102253234SQ20111014872
公开日2011年11月23日 申请日期2011年6月3日 优先权日2011年6月3日
发明者于欣, 伊亚超, 刘辉, 孙军, 孙锐, 彭江波, 杨晓川, 王春红, 陈德应 申请人:哈尔滨工业大学
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