專利名稱：本生燈下氣體燃料層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊木_測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊木_測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
火焰?zhèn)鞑ニ俣仁侵钙矫婊鹧娌嫜刂怪逼浔砻娣较蛏贤ㄟ^鄰近未燃?xì)怏w移動(dòng)的速度。它不僅在考察火焰穩(wěn)定性方面有很大實(shí)用意義，而且在研究火焰?zhèn)鞑ダ碚摲矫嬉簿哂泻艽罄碚搩r(jià)值。本生燈火焰法是一種常用的火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y(cè)量和計(jì)算方法，通常采用錐形法計(jì)算模型，在層流流動(dòng)條件下用氣體混合物的平均流量除以火焰內(nèi)焰鋒面表面積得到平均速度作為層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?。但由于?shí)際的本生燈管口出口氣流速度分布不均勻性和出口火焰鋒面不同部位傳熱特性不同，會(huì)造成局部火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊姆植疾痪鶆颍诳拷茌S中心焰尖處偏大，在靠近管壁處的火焰根部區(qū)域偏小，而在火焰中間區(qū)域，則由于速度分布均勻、散熱特性相同，火焰?zhèn)鞑ニ俣然静蛔?。此時(shí)，采用基于平均出口流量的錐形法計(jì)算出火焰?zhèn)鞑ニ俣葧?huì)產(chǎn)生較大誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了提高現(xiàn)有的本生燈法錐形法計(jì)算模型計(jì)算精度，從而提供一種本生燈下氣體燃料層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊木_測(cè)量方法。本生燈下氣體燃料層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊木_測(cè)量方法，它由以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟一、將示蹤粒子引入混氣罐內(nèi)與氣體燃料充分混合，形成混合氣流；步驟二、將步驟一所述混合氣流通入本生燈燃燒器，在燃燒器出口點(diǎn)燃，形成本生燈火焰；步驟三、采用二維粒子成像速度儀獲得管口上方火焰區(qū)域的流場(chǎng)圖像；步驟四、對(duì)步驟三獲得的流場(chǎng)圖像進(jìn)行處理，獲得垂直管口軸向截面內(nèi)流場(chǎng)速度圖；步驟五、采用CCD成像儀對(duì)本生燈火焰進(jìn)行圖像采集，獲得本生燈火焰圖像；步驟六、對(duì)步驟五獲得的本生燈火焰圖像進(jìn)行亮度分析、邊緣提取后進(jìn)行曲線擬合，獲得擬合后的曲線；步驟七、將步驟四獲得的流場(chǎng)速度圖與步驟六獲得的擬合后的曲線進(jìn)行位置匹配，并采用插值法計(jì)算出步驟六獲得的曲線上線性度好的區(qū)段上各點(diǎn)氣流速度Un;η表示曲線上線性度好的區(qū)段上點(diǎn)的序號(hào)；所述η為正整數(shù)；曲線上線性度好的區(qū)段為對(duì)火焰鋒面進(jìn)行線性擬合后與擬合曲線相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方差在士以內(nèi)的區(qū)段；步驟八、根據(jù)公式= Un · cos θ 獲得步驟七所述各點(diǎn)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?amp;，取與各點(diǎn)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?amp;的平均值在相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方差為士0. 5% 士2%之內(nèi)的點(diǎn)，然后再求取各點(diǎn)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?amp;的平均值，得到本生燈層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐1 ；式中，θ η為火焰鋒面上第η個(gè)點(diǎn)的氣流速度Un與該點(diǎn)火焰鋒面法線的夾角。
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步驟一中所述氣體燃料為甲烷、氧氣和氮?dú)獾幕旌先剂?，甲烷的體積百分比為 6. 8 % 14. 3 %、氧氣的體積百分比為17. 8 % 20. 7 %、氮?dú)獾捏w積百分比為67. 6 % 73. 6%。采用最小二乘法對(duì)CXD獲得的圖像進(jìn)行曲線擬合。在步驟六中，采用圖像亮度處理軟件對(duì)步驟五獲得的本生燈火焰圖像進(jìn)行亮度分析、邊緣提取。本生燈燃燒器的管口內(nèi)徑為3mm 15mm。有益效果本發(fā)明使用二維粒子成像速度儀(PIV)和CCD成像儀，采用非接觸式的方式對(duì)本生燈層流火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)行測(cè)量，不會(huì)破壞火焰本體結(jié)構(gòu)。由于二維粒子成像速度儀(PIV)可測(cè)得流場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的速度值，因此將流場(chǎng)速度圖與火焰輪廓擬合曲線進(jìn)行位置匹配，可得到火焰鋒面上各點(diǎn)的火焰?zhèn)鞑ニ俣戎?。?duì)于錐形法計(jì)算模型所造成的誤差有較大消除，可實(shí)現(xiàn)對(duì)本生燈層流火焰?zhèn)鞑ニ俣染_測(cè)量。


圖1是本發(fā)明的流程示意圖；圖2是本發(fā)明具體實(shí)施方式
六中的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明具體實(shí)施方式
六的實(shí)驗(yàn)中采集的火焰鋒面示意圖；圖4是本發(fā)明具體實(shí)施方式
六的實(shí)驗(yàn)中火焰鋒面的特征圖；圖5是本發(fā)明具體實(shí)施方式
六的實(shí)驗(yàn)中的火焰鋒面擬合曲線圖；圖6是本發(fā)明測(cè)量火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑硎疽鈭D。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一、結(jié)合圖1說明本具體實(shí)施方式
，本生燈下氣體燃料層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊木_測(cè)量方法，它由以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟一、將示蹤粒子引入混氣罐內(nèi)與氣體燃料充分混合，形成混合氣流；步驟二、將步驟一所述混合氣流通入本生燈燃燒器，在燃燒器出口點(diǎn)燃，形成本生燈火焰；步驟三、采用二維粒子成像速度儀獲得管口上方火焰區(qū)域的流場(chǎng)圖像；步驟四、對(duì)步驟三獲得的流場(chǎng)圖像進(jìn)行處理，獲得垂直管口軸向截面內(nèi)流場(chǎng)速度圖；步驟五、采用CCD成像儀對(duì)本生燈火焰進(jìn)行圖像采集，獲得本生燈火焰圖像；步驟六、對(duì)步驟五獲得的本生燈火焰圖像進(jìn)行亮度分析、邊緣提取后進(jìn)行曲線擬合，獲得擬合后的曲線；步驟七、將步驟四獲得的流場(chǎng)速度圖與步驟六獲得的擬合后的曲線進(jìn)行位置匹配，并采用插值法計(jì)算出步驟六獲得的曲線上線性度好的區(qū)段上各點(diǎn)氣流速度Un;η表示曲線上線性度好的區(qū)段上點(diǎn)的序號(hào)；所述η為正整數(shù)；所述曲線上線性度好的區(qū)段為對(duì)火焰鋒面進(jìn)行線性擬合后與擬合曲線相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方差在士以內(nèi)的區(qū)段；步驟八、根據(jù)公式= Un · cos θ η獲得步驟七所述各點(diǎn)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?amp;，取與各點(diǎn)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?amp;的平均值，在相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方差為士0.5% 士2%之內(nèi)的點(diǎn)，然后再求取平均值，得到本生燈層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐1 ；
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式中，θ n為火焰鋒面上第η個(gè)點(diǎn)的氣流速度Un與該點(diǎn)火焰鋒面法線的夾角。
具體實(shí)施方式
二、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
一所述的本生燈下氣體燃料層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊木_測(cè)量方法的區(qū)別在于，步驟一中所述氣體燃料為甲烷、氧氣和氮?dú)獾幕旌先剂稀?br> 具體實(shí)施方式
三、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
二所述的本生燈下氣體燃料層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊木_測(cè)量方法的區(qū)別在于，甲烷的體積百分比為6. 8% 14. 3%、氧氣的體積百分比為17. 8% 20. 7%、氮?dú)獾捏w積百分比為67. 6% 73. 6%。
具體實(shí)施方式
四、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
一、二或三所述的本生燈下氣體燃料層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊木_測(cè)量方法的區(qū)別在于，采用最小二乘法對(duì)CCD獲得的圖像進(jìn)行曲線擬合。
具體實(shí)施方式
五、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
四所述的本生燈下氣體燃料層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊木_測(cè)量方法的區(qū)別在于，在步驟六中，采用圖像亮度處理軟件對(duì)步驟五獲得的本生燈火焰圖像進(jìn)行亮度分析、邊緣提取。
具體實(shí)施方式
六、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
一、二、三、四或五所述的本生燈下氣體燃料層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊木_測(cè)量方法的區(qū)別在于，本生燈燃燒器的管口內(nèi)徑為 3mm 15mm0以下通過具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明的效果實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示所述裝置包括甲烷氣瓶1、氧氣氣瓶2、氮?dú)鈿馄?、甲烷質(zhì)量流量控制器4、氧氣質(zhì)量流量控制器5、氮?dú)赓|(zhì)量流量控制器6、質(zhì)量流量顯示儀7、混氣罐 8、示蹤粒子引入裝置9、計(jì)算機(jī)10、(XD成像儀11、調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡12、本生燈燃燒器13、片光源光路系統(tǒng)14、激光器15、PIV控制、同步單元16、同步器17、濾光鏡18、CXD照相機(jī)19和控制軟件20。所述甲烷質(zhì)量流量控制器4用于測(cè)量和控制甲烷氣瓶1流出氣體的流量；氧氣質(zhì)量流量控制器5用于測(cè)量和控制氧氣氣瓶2流出氣體的流量；氮?dú)赓|(zhì)量流量控制器6用于測(cè)量和控制氮?dú)鈿馄?流出氣體的流量；甲烷質(zhì)量流量控制器4的測(cè)量信號(hào)輸出端、氧氣質(zhì)量流量控制器5的測(cè)量信號(hào)輸出端和氮?dú)赓|(zhì)量流量控制器6的測(cè)量信號(hào)輸出端分別與質(zhì)量流量顯示儀7的三個(gè)測(cè)量信號(hào)輸入端連接；控制甲烷氣瓶1的出氣口、氧氣氣瓶2的出氣口、氮?dú)鈿馄?的出氣口、示蹤粒子引入裝置9的出口分別與混氣罐8的四個(gè)進(jìn)氣口連通； 混氣罐8的出氣口與本生燈燃燒器13的進(jìn)氣口連通；CXD成像儀11的光輸入端處設(shè)置有調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡12，所述本生燈燃燒器13產(chǎn)生的火焰光輸入至調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡13的光輸入端；CXD 成像儀11的信號(hào)輸出端與計(jì)算機(jī)10連接；PIV控制、同步單元16、同步器17組成PIV的控制系統(tǒng)，保證系統(tǒng)組件的準(zhǔn)確同步運(yùn)行；流場(chǎng)成像由片光源光路系統(tǒng)14構(gòu)成，以激光器15 為光源；CCD照相機(jī)19識(shí)別示蹤粒子，進(jìn)行圖像拍攝；在CCD照相機(jī)19鏡頭前安裝了濾光鏡18，以降低火焰發(fā)光對(duì)拍攝圖像的影響；控制軟件20完成對(duì)圖像的分析與顯示。本實(shí)驗(yàn)中選用的參數(shù)有甲烷質(zhì)量流量控制器4、氧氣質(zhì)量流量控制器5、氮?dú)赓|(zhì)量流量控制器6分別控制甲烷、氧氣、氮?dú)獾牧魉贋?. 1 5m/s ；混氣罐8的混合氣體流出的流速為0. 2 lOm/s，本生燈燃燒器13的管口內(nèi)徑為3mm 15mm，區(qū)間取值每隔1mm。實(shí)驗(yàn)中采用CCD成像儀對(duì)本生燈火焰進(jìn)行圖像采集，獲得本生燈火焰鋒面像如圖 3所示；實(shí)驗(yàn)中對(duì)本生燈火焰圖像進(jìn)行亮度分析、邊緣提取后火焰鋒面的特征圖如圖4所示；實(shí)驗(yàn)中火焰鋒面擬合曲線圖如圖5所示。
在運(yùn)用本生燈法進(jìn)行火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y(cè)量時(shí)，如果假設(shè)氣流速度沿管截面是均勻分布的，且不考慮火焰前沿的高溫對(duì)新鮮混氣的影響，則可將火焰鋒面看成一正錐形，此時(shí)，實(shí)際用氣體混合物的流量除以火焰內(nèi)焰鋒面表面積得到的平均速度可作為火焰?zhèn)鞑ニ俣?。但?shí)際的氣流速度沿管截面是不均勻分布的，會(huì)造成火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊牟痪鶆蚍植?，在靠近管軸中心處偏大，在靠近管壁處的火焰根部區(qū)域偏小，在中間區(qū)域則基本不變。此時(shí)，采用錐形法計(jì)算會(huì)造成較大誤差。因而，若想用本生燈法精確測(cè)定火焰?zhèn)鞑ニ俣龋枰≈虚g速度不變的區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)火焰鋒面固定不動(dòng)時(shí)，錐形內(nèi)焰表面各點(diǎn)上的火焰?zhèn)鞑ニ俣?Sn(方向指向錐形內(nèi)焰內(nèi)部)與該點(diǎn)氣流的法向分速度Vn是平衡的。也即對(duì)于錐形火焰面上的每一點(diǎn)存在以下關(guān)系式，又稱為余弦定律Sn = Un · cos θ n = vn式中 表示錐形火焰面上一點(diǎn)的法向火焰?zhèn)鞑ニ俣?；Un表示該點(diǎn)的氣流速度；vn 表示該點(diǎn)氣流的法向分速度；θ n表示火焰鋒面上各點(diǎn)的氣流速度與火焰鋒面法線之間的夾角。運(yùn)用二維粒子成像速度儀(PIV)可獲得管口上方火焰區(qū)域的流場(chǎng)圖像，經(jīng)過圖像處理，可得到流場(chǎng)的速度分布圖。將處理CCD圖像所得到的擬合曲線與流場(chǎng)速度分布圖進(jìn)行位置匹配，則可以得到曲線上各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的氣流速度，利用上述計(jì)算公式，可得到各點(diǎn)的火焰?zhèn)鞑ニ俣戎?。選取擬合曲線上線性度好的區(qū)段進(jìn)行計(jì)算，可得到各點(diǎn)基本不變的火焰?zhèn)鞑ニ俣戎?，求取平均值，作為測(cè)得層流火焰?zhèn)鞑ニ俣冉?jīng)驗(yàn)證，本發(fā)明的方法對(duì)錐形法計(jì)算模型所造成的誤差有較大消除，對(duì)本生燈層流火焰?zhèn)鞑ニ俣染_度較高。
權(quán)利要求
1.本生燈下氣體燃料層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊木_測(cè)量方法，其特征是它由以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟一、將示蹤粒子引入混氣罐內(nèi)與氣體燃料充分混合，形成混合氣流；步驟二、將步驟一所述混合氣流通入本生燈燃燒器，在燃燒器出口點(diǎn)燃，形成本生燈火焰；步驟三、采用二維粒子成像速度儀獲得管口上方火焰區(qū)域的流場(chǎng)圖像； 步驟四、對(duì)步驟三獲得的流場(chǎng)圖像進(jìn)行處理，獲得垂直管口軸向截面內(nèi)流場(chǎng)速度圖； 步驟五、采用CCD成像儀對(duì)本生燈火焰進(jìn)行圖像采集，獲得本生燈火焰圖像； 步驟六、對(duì)步驟五獲得的本生燈火焰圖像進(jìn)行亮度分析、邊緣提取后進(jìn)行曲線擬合，獲得擬合后的曲線；步驟七、將步驟四獲得的流場(chǎng)速度圖與步驟六獲得的擬合后的曲線進(jìn)行位置匹配，并采用插值法計(jì)算出步驟六獲得的曲線上線性度好的區(qū)段上各點(diǎn)氣流速度Un ； η表示曲線上線性度好的區(qū)段上點(diǎn)的序號(hào)；所述η為正整數(shù)； 曲線上線性度好的區(qū)段為對(duì)火焰鋒面進(jìn)行線性擬合后與擬合曲線相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方差在士 以內(nèi)的區(qū)段；步驟八、根據(jù)公式& = Un · cos θ η獲得步驟七所述各點(diǎn)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?amp;，取與各點(diǎn)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?amp;的平均值在相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方差為士0.5% 士2%之內(nèi)的點(diǎn)，然后再求取各點(diǎn)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?amp;的平均值，得到本生燈層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐1 ；式中，θ η為火焰鋒面上第η個(gè)點(diǎn)的氣流速度Un與該點(diǎn)火焰鋒面法線的夾角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的本生燈下氣體燃料層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊木_測(cè)量方法，其特征在于步驟一中所述氣體燃料為甲烷、氧氣和氮?dú)獾幕旌先剂稀?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的本生燈下氣體燃料層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊木_測(cè)量方法，其特征在于甲烷的體積百分比為6. 8% 14. 3%、氧氣的體積百分比為17. 8% 20. 7%、氮?dú)獾捏w積百分比為67. 6% 73. 6%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的本生燈下氣體燃料層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊木_測(cè)量方法，其特征在于采用最小二乘法對(duì)CCD獲得的圖像進(jìn)行曲線擬合。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的本生燈下氣體燃料層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊木_測(cè)量方法，其特征在于在步驟六中，采用圖像亮度處理軟件對(duì)步驟五獲得的本生燈火焰圖像進(jìn)行亮度分析、邊緣提取。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或5所述的本生燈下氣體燃料層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊木_測(cè)量方法，其特征在于本生燈燃燒器的管口內(nèi)徑為3mm 15mm。
全文摘要
本生燈下氣體燃料層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊木_測(cè)量方法，涉及一種層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊木_測(cè)量方法。它提高了現(xiàn)有的本生燈法錐形法計(jì)算模型計(jì)算精度。它將采用二維粒子成像速度儀獲得管口上方火焰區(qū)域的流場(chǎng)圖像，對(duì)圖像進(jìn)行處理后得到垂直管口軸向截面內(nèi)流場(chǎng)速度圖；同時(shí)采用CCD成像儀對(duì)本生燈火焰進(jìn)行圖像采集，對(duì)圖像進(jìn)行亮度分析、邊緣提取后進(jìn)行曲線擬合，獲得擬合后的火焰鋒面；將流場(chǎng)速度圖與鋒面曲線進(jìn)行位置匹配，采用插值法計(jì)算得出鋒面曲線上線性度好的區(qū)段上各點(diǎn)的氣流速度Un；再根據(jù)余弦定律計(jì)算各點(diǎn)的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋笕∑骄?，得到本生燈的局部層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取１景l(fā)明適用于氣體燃料燃燒過程中本生燈層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊木_測(cè)量。
文檔編號(hào)G01P3/38GK102253234SQ20111014872
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者于欣, 伊亞超, 劉輝, 孫軍, 孫銳, 彭江波, 楊曉川, 王春紅, 陳德應(yīng) 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)