[发明专利]一种高气压下燃料层流和湍流火焰速度的测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高气压下燃料层流和湍流火焰速度的测量系统及方法，具体说是一种利用双腔体结构实现火焰恒压条件、通过产生球形火焰并捕捉其火焰边界以获得火焰传播速度这一重要参数的装置和方法，从而实现各类气体燃料在不同气压下层流和湍流火焰速度的精确测量，并可用于判断其相应最小点火能。

背景技术

火焰传播速度是刻画可燃预混气体燃烧速率的重要参数，包括层流火焰传播速度和湍流火焰传播速度两种，其测量数据对航空航天、能源、交通、火灾预防与扑救意义重大，受到工程界和科学界长期而密切的关注。火焰传播速度与燃料比例、预混气特性、环境压力、流场分布、散热损失有直接关系，当前国内外主要利用本生灯火焰、平面火焰、对冲火焰、球形火焰这几种火焰形态测量火焰速度，其中由于球形火焰具有准一维火焰形态、散热损失小、流场分布可控性强的特点越来越受到研究者的关注。然而，已有的球形火焰测速装置采用单腔体设计，由于燃烧释热气体膨胀，使得火焰面所处压力不恒定，火焰速度不断变化，导致测量不准确，极大的限制了相关的研究和应用。此外，在传统测量装置中由于湍流强度均匀度不高、对称性差、流场参数可控性低，导致湍流火焰速度测量困难。解决上述问题已经成为广泛而迫切的需求。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高气压下燃料层流和湍流火焰速度的测量系统及方法：具体来说，该系统采用内、外双腔体结构，在内腔体填充可燃预混气，在外腔体填充与内腔体等压力等密度的惰性气体，在内腔火焰点火瞬间导通内外腔体，以实现火焰扩张过程中所处压力恒定，进而测量得到恒定压力下的火焰传播速度。通过在本系统中空间对称布置湍流风扇，精确控制转速，可以产生不同强度的对称、均匀、可控湍流场，从而实现湍流火焰速度的精确测量。该装置及方法可以满足航空航天、能源、交通、火灾预防与扑救等领域的基础研究和工业应用。

本发明的技术方案：

本发明的目的之一在于提供一种高气压下燃料层流和湍流火焰速度的测量系统，该系统含有高气压双腔体燃烧器、湍流发生器、脉冲点火装置、纹影光源、PIV激光光源以及高速摄像测量装置；所述高气压双腔体燃烧器包括内外两个腔体、内外腔导通阀门、石英观察窗、激光入射窗口；所述湍流发生器包括高速电机、湍流风扇以及其连接轴；所述脉冲点火装置包括高电压脉冲发生器、点火电极以及其连接导线；纹影光源和高速摄像机固定在石英视窗两侧。

优选地，该测量系统进一步限定所述的高压双腔体燃烧器采用内、外双腔体设计，外腔体与内腔体容积比范围为5-100，优选10-50，进一步优选为20，外腔体与内腔体之间安装一个或多个内外腔导通阀门，并装配一个或多个湍流发生器。

优选地，该测量系统进一步限定所述的内外腔导通阀门采用O型圈密封，每个阀门含有一个或多个导通孔，通过阀门旋转控制导通孔打开或关闭。

优选地，该测量系统进一步限定所述的湍流发生器由高速电机、湍流风扇以及其连接轴构成，高速电机转速范围为0-30000转/分钟，湍流风扇采用多孔圆环与肋板轮毂结构，连接轴采用柔性材质。

优选地，该测量系统进一步限定所述的脉冲点火装置由高电压脉冲发生器、点火电极以及其连接导线组成，高电压脉冲发生器电压范围为0-200kV，电流波形为正弦波或方波；点火电极直径为0.05-10mm。

本发明的另一目的在于提供一种高气压下燃料层流和湍流火焰速度的测量方法，该方法包含以下步骤：

步骤1：湍流度标定：在湍流火焰速度的测量之前，须调节湍流发生器，使用PIV粒子示踪法标定不同湍流风扇转速下的平均湍流度。

步骤2：燃料加注：在内腔体加注可燃预混气，在外腔体加注与内腔体可燃预混气等压力等密度的惰性气体。

步骤3：设定湍流发生器：在湍流火焰速度的测量之前，对照湍流度标定数据，设定湍流风扇转速等参数。

步骤4：点火：使用高电压脉冲发生器，在点火电极之间形成高电压场，产生电火花点燃预混气，与此同时打开内外腔导通阀门，并触发高速摄像机开始拍摄。

步骤5：判断最小点火能：通过调整脉冲点火装置点火电压，确定可成功点火的最小能量即得到此种预混气的最小点火能

步骤6：测量：通过高速摄像机得到成功点火后火焰面在纹影光源下的传播图像，

步骤7：后处理：利用图像处理捕捉火焰面边缘运动情况，并以此计算火焰传播速度。