[发明专利]基于火焰自发光特性的火焰轴向传播速度测量方法

说明书

基于火焰自发光特性的火焰轴向传播速度测量方法，涉及一种爆震室内火焰从缓燃发展到爆震状态的传播速度测量方法。它解决了现有的以压力传感器或离子探针测量火焰传播速度的低时间分辨率，难以得出爆震波瞬时传播速度的问题。它的实现方法是：将在开有光学窗口的爆震室内填充预混可燃气体，点燃产生火焰并向爆震室下游传播；使用高速摄像机以200kHz以上的拍摄帧速对火焰进行成像；利用MATLAB软件对拍摄得到的每张图像进行裁剪、标定、二值化后确定爆震室轴向中心线处火焰锋面对应的实际轴向位置；根据每张图像的火焰锋面实际位置及拍摄时刻计算得到爆震波的传播速度。本发明适用于爆震室内火焰传播研究过程中的速度精细测量。

技术领域

本发明涉及一种具有光学窗口的爆震室内火焰从缓燃发展到爆震状态的速度测量方法。

背景技术

燃烧是人类社会发展的基石，从刀耕火种到现代化能源、动力，均与燃烧现象紧密联系。目前的研究指明，燃烧波可分成缓燃波和爆震波两种。其中，缓燃波可认为是一种等压燃烧过程，而爆震波基于的是爆震燃烧，热循环效率远高于基于等压燃烧的缓燃波。另外，爆震波的传播速度为千米每秒量级，比缓燃波高两个数量级。因此，在相同的条件下，爆震波释放出来的能量远比缓燃波大。正因为爆震波固有的优势条件，国内外的学者提出将爆震波与发动机结合起来，形成集高热效率、结构简单、低耗油率等优点于一身的脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine，简称PDE)。

在爆震领域内，速度是关键的研究参数之一。提取出火焰传播过程的速度，可明确得知是否在爆震室内形成爆震，同时可判断出爆震形成的位置，这对于了解爆震发展过程及优化爆震室设计具有重要的指导意义。

然而，在目前报道的爆震相关研究中，大部分学者采用在爆震室的壁面安装压力传感器或离子探针，通过记录信号达到峰值或开始出现的时间来推算出火焰的传播速度。但这存在较多缺陷，比如破坏爆震室壁面的光滑性，对燃烧流场造成影响；由于结构强度等因素的限制，传感器或离子探针间的安装距离一般较大，最终计算出的速度难以代表爆震波的瞬时速度。

自发光是火焰的重要特性，利用高速摄像机拍摄火焰的传播过程已是当下爆震研究的常用方法之一，但许多研究仅利用高速摄像机定性观察爆震的形成机理。实际上，高速摄像机拍摄到的每张图像均能清晰显示火焰锋面的位置。因此，提取出火焰锋面对应的轴向位置，再结合每张图像的拍摄时间，理论上可计算出火焰的传播速度，且比基于压力传感器或离子探针的测速法具有更高的时间分辨率，更能代表爆震波的瞬时速度。

发明内容

本发明是为了解决现有的爆震室内利用压力传感器或离子探针测量火焰传播速度的时间分辨率低、精度不足的问题，从而提供一种可燃混气在爆震室燃烧过程中火焰传播速度的测量方法。

可燃混气在爆震室燃烧过程中火焰传播速度的测量方法，它由以下步骤实现：

步骤一、将爆震室的进气口、排气口打开；

步骤二、将可燃混气从步骤一所述进气口填充进爆震室，计时7分钟，将爆震室内的空气尽量排出；

步骤三、停止充气的同时，分别利用点火头及胶带将步骤一所述的进气口及排气口进行密封，点燃产生火焰；

步骤四、使用高速摄像机对爆震室内的火焰传播过程进行成像，获得N张图像；

步骤五、对步骤四获得的N张图像裁剪为同一尺寸并进行标定，获得图像每个像素点对应的实际平面坐标；

步骤六、将步骤五获得的N张图像进行二值化处理，确定火焰锋面在爆震室轴向中心线的实际轴向位置；

步骤七、分别记录步骤四所得的N张图像对应的拍摄时刻；

步骤八、根据公式v＝Δs/Δt获得每个拍摄时刻对应的火焰传播速度，式中，v表示火焰传播速度，Δs表示相邻两张图像的火焰锋面在爆震室轴向中心线的轴向位置差，Δt表示相邻两张图像的拍摄时刻差。