[发明专利]本生灯下气体燃料层流火焰传播速度的精确测量方法

说明书

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匀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匀，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小，而在火焰中间区域，则由于速度分布均匀、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U_n；

n表示曲线上线性度好的区段上点的序号；所述n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±1％以内的区段；

步骤八、根据公式S_n＝U_n·cosθ_n获得步骤七所述各点的火焰传播速度S_n，取与各点的火焰传播速度S_n的平均值在相对标准方差为±0.5％～±2％之内的点，然后再求取各点的火焰传播速度S_n的平均值，得到本生灯层流火焰传播速度S₁；

式中，θ_n为火焰锋面上第n个点的气流速度U_n与该点火焰锋面法线的夹角。

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CCD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。

附图说明

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；