[发明专利]用于研究外界风速对火焰传播及稳定性影响的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及外界风速对火焰传播及稳定性影响的实验技术领域，具体涉及用于研究外界风速对火焰传播及稳定性影响的装置。

背景技术

火焰的传播特征及其燃烧稳定性一直以来是国内外许多学者的研究热点之一。通过研究可控燃烧的火焰燃烧特性，可以认识火源扩散燃烧的发展条件及其燃烧传播过程，从而进一步推导出失控燃烧状态下的火灾等过程的形成和发展规律，这可为有效地减少火灾给人类社会造成的危害提供必要的理论依据和实验基础。

相对静止火源燃烧时，火焰经历由层流燃烧到湍流燃烧的过程。在这一过程中火焰前锋面的传播是不规则。众多学者对这一过程进行过研究探讨，并表述出了这一传播特征。目前，对于相对静止火源燃烧火焰的传播特征及稳定性的理论研究已有部分成果，李宇红等（李宇红, 祁海鹰, 张宏武. 甲烷预混燃烧火焰的详细数值模拟[J]. 工程热物理学报, 2002, 23 (1):119-122.）对甲烷的预混燃烧火焰进行过数值模拟，得到了燃烧过程中包括CO和NO在内的十种基元组分的浓度分布。Ellis C de C O（Ellis C de C O. Flame movement in gaseous explosive mixtures[J]. Journal of Fuel Science, 1928, 7: 502 - 508.）进行了CO和O₂在一个长为19. 5 cm、内径5 cm的封闭管道中的预混燃烧实验，并在实验过程中对燃烧火焰进行了拍摄，观察到了火焰前锋面的不规则传播，得出了在火焰传播过程中，火焰前锋面从向前弯曲转变为向后形成尖点的结论。M. Matalon等（MatalonM, Metzener P. The propagation of premixed flames in closed tubes[J]. Journal of Fluid Mechanics,1997,336:331-350.）在一段封闭管道内进行了预混气体火焰传播的实验研究，实验结果表明在火焰传播过程中，火焰前锋面会形成很多旋涡，而这些旋涡会引起已燃气体的涡旋，最终形成Tulip火焰结构。刘玉英等（刘玉英, MOST Jean-Miche, BAUER Philippe, 杨茂林. 稀释燃烧的火焰稳定性[J]. 燃烧科学与技术, 2009, 15(2):103-108.）通过对氮气稀释的甲烷-空气火焰的研究，讨论了反应物预热温度与稀释率两个因素对火焰稳定性的影响，实验结果表明反应物预热温度对火焰稳定性的影响更为显著，是影响火焰稳定性的主要因素。

然而，这些研究大多限制于数值模拟或者封闭、半封闭空间内小尺寸实验的火焰燃烧，而没有考虑到外界风速对火焰的传播特征及稳定性的影响。在实际的工况下，火焰燃烧大多是在完全开放的系统下发生的。因此，开展外界风速对火焰的传播特征及稳定性影响的研究更具现实意义。

发明内容

为弥补上述背景技术中的不足，本发明提供一种用于研究外界风速对火焰传播及稳定性影响的装置与方法，以帮助研究人员模拟火焰燃烧实际工况，充分认识在外界风速的影响下，火焰由层流燃烧发展为湍流燃烧的条件及其过程，研究分析在不同燃烧功率、不同风量、不同外界风速条件下火焰传播及稳定性特征，以及燃烧主要产物的含量分布特点，从而有效地控制燃烧过程。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种用于研究外界风速对火焰传播及稳定性影响的装置，包括风机、风量调节面板、风速均匀分布面板、实验隧道、风速测量窗口、烟气测量窗口、引风机、支架、本生灯、高度调节台、橡胶管、流量计、阀门、气体钢瓶。其中，实验隧道由支架所支撑，实验隧道入口处依次分别安装着风机、风量调节面板、风速均匀分布面板，实验隧道出口管道与引风机相连。在实验隧道底部中心线上距端口1/3处开有一个直径为10cm的圆形火焰口供本生灯的火焰伸进实验隧道中，本生灯置于高度调节台上，本生灯的气体入口连接橡胶管 ，在橡胶管的末端通过流量计与气体钢瓶的出口阀门相连，通过阀门可调节气体流量。

进一步地，所述的实验隧道 是由透明玻璃钢制成的中间为长方体型，两端呈喇叭状的隧道。在距实验隧道端口的3/4处的前、后面和顶部中心线上分别开有直径为10cm的圆形风速测量窗口，供风速仪测量实时风速。距实验隧道端口的4/5处的前、后两面分别开有5个等距排列的边长为5cm的正方形烟气测量窗口，供烟气分析仪的探头伸入，测量燃烧主要产物的含量。