液體燃料氣相本生燈層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y量裝置及其測量方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了液體燃料氣相本生燈層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y量裝置及其測量方法，該裝置包括本生燈燃燒器，本生燈燃燒器分別連接有測溫顯示器（熱電偶）、冷態(tài)空氣加熱系統(tǒng)和液體燃料蒸發(fā)系統(tǒng)，其中液體燃料蒸發(fā)系統(tǒng)通過橡皮管道與注射泵相連，冷態(tài)空氣加熱系統(tǒng)與外部空氣相通；本生燈燃燒器旁裝有火焰圖像采集與處理裝置。裝置簡易、便于操作、成本低廉，有助于不同液體燃料燃燒特性的基礎(chǔ)對比，支撐噴霧燃燒系統(tǒng)的燃料快速選取。本發(fā)明的測量方法采用高速度的數(shù)字相機(jī)，連續(xù)拍攝火焰錐面，根據(jù)當(dāng)前混合氣速度，運(yùn)用火焰圖像余弦定理方法計算液體燃料氣相本生燈層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋摲椒ㄊ腔诨鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊亩x直接給出的方法，簡單有效。
【專利說明】液體燃料氣相本生燈層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y量裝置及其測量 方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及液體燃料氣相層流燃燒領(lǐng)域，具體是一種液體燃料氣相本生燈層流火 焰?zhèn)鞑ニ俣葴y量裝置及其測量方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，我國以液體燃料為推進(jìn)劑的運(yùn)載工具保有量大幅增加，能源與環(huán)境問已經(jīng) 成為人們的關(guān)注焦點(diǎn)。隨著液體燃料價格上漲，全球變暖以及其它一系列環(huán)境問題日益突 出，必須對液體燃料的品質(zhì)進(jìn)行改造來滿足節(jié)能與環(huán)保的要求。對新型合成液體燃料燃燒 基礎(chǔ)研究有助于噴霧燃燒系統(tǒng)燃料的選取。研究液體燃料氣相層流燃燒的目的是了解液 體燃料反應(yīng)動力學(xué)特性，液體燃料氣相層流火焰?zhèn)鞑ニ俣染褪墙y(tǒng)觀反應(yīng)動力學(xué)的體現(xiàn)，它 不僅在考察火焰穩(wěn)定性方面有很大實用意義，而且在研究傳播理論方面也具有很大理論價 值。
[0003] 迄今為止公布的文獻(xiàn)資料(論文、報告和專利）通過本生燈對層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?研究主要集中在氣體燃料方面，液體燃料的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饕ㄟ^定容燃燒彈試驗裝 置進(jìn)行研究，定容燃燒彈試驗裝置雖然能夠比較精確的測量層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊浣Y(jié)構(gòu)復(fù) 雜、成本高，不易實現(xiàn)。本發(fā)明通過簡易加熱裝置對液體燃料進(jìn)行蒸發(fā)、混合，獲得混合燃 氣，混合燃?xì)饨?jīng)過出口直徑可變的本生燈燃燒器進(jìn)行燃燒，從而通過本生燈火焰法對液體 燃料氣相層流火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)行測量，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡易、操作簡單、成本低廉；結(jié)合基于數(shù) 字圖像處理技術(shù)的非接觸式層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y量方法，該系統(tǒng)具有測量精度高的特點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供了一種液體燃料氣相本生燈層流火焰?zhèn)鞑?速度測量裝置及其測量方法 本發(fā)明包括本生燈燃燒器，本生燈燃燒器分別連接有測溫顯示器(熱電偶)、冷態(tài)空氣 加熱系統(tǒng)和液體燃料蒸發(fā)系統(tǒng)，其中液體燃料蒸發(fā)系統(tǒng)通過橡皮管道與注射泵相連，冷態(tài) 空氣加熱系統(tǒng)與外部空氣相通；本生燈燃燒器旁裝有火焰圖像采集與處理裝置。
[0005] 所述的冷態(tài)空氣加熱系統(tǒng)液體燃料蒸發(fā)管道以及與液體燃料蒸發(fā)管道連接的第 一點(diǎn)調(diào)壓器。
[0006] 所述的液體燃料蒸發(fā)管道傾斜放置，與水平面夾角為10-20°，從外到內(nèi)依次由保 溫陶瓷管、石英玻璃管、鎳鉻電加熱絲組成，其中鎳鉻電加熱絲采用螺旋線纏繞方式并采用 前密后疏的布置方式。
[0007] 所述的冷態(tài)空氣加熱系統(tǒng)包括依次連接的穩(wěn)壓立式儲氣罐、浮子流量計以及冷態(tài) 空氣加熱管道，其中穩(wěn)壓立式儲氣罐與外部空氣相通，冷態(tài)空氣加熱管道與本生燈燃燒器 相連，冷態(tài)空氣加熱管道還連接有第二電調(diào)壓器。
[0008] 所述的冷態(tài)空氣加熱管道從內(nèi)到外依次為加熱銅管中、石英玻璃管、保溫陶瓷管； 所述的浮子流量器空氣流量為OL/h?600L/h ;所述的第二電調(diào)壓器調(diào)壓范圍為0?250V。
[0009] 所述的本生燈燃燒器出口為螺旋可替換結(jié)構(gòu)，出口內(nèi)徑為5mm?15mm，不同出口 直徑間隔1mm。。
[0010] 所述的火焰圖像采集與處理裝置包括高速攝像機(jī)以及與高速攝像機(jī)相連的計算 機(jī)8。
[0011] 所述的注射泵流量可控，最大燃燒流量為500ml/h。
[0012] 本發(fā)明還提供了一種液體燃料氣相本生燈層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y量裝置的測量方 法，包括以下步驟： 1) 打開注射泵，設(shè)定燃料流量； 2) 打開液體燃料蒸發(fā)管道電源，選擇第一電調(diào)壓器電壓，調(diào)節(jié)液體燃料蒸發(fā)管道內(nèi)的 壓力； 3) 打開空氣穩(wěn)壓立式儲氣灌，利用浮子流量計選擇空氣流量； 4) 打開冷態(tài)空氣加熱管道電源，選擇第二電調(diào)壓器電壓，調(diào)節(jié)冷態(tài)空氣加熱管道內(nèi)的 壓力； 5) 使用電火花點(diǎn)火器點(diǎn)火，在本生燈出口形成穩(wěn)定的層流火焰鋒面； 6) 利用電子顯示器讀出本生燈層流火焰溫度，使其溫度穩(wěn)定，打開高速相機(jī)捕獲如圖4 所示的本生燈出口層流火焰鋒面； 7) 對本生燈火焰圖像進(jìn)行包括圖像剪裁、灰度化、灰度拉伸、邊緣提取、二值化、確定錐 角、計算角度的批量處理；所述數(shù)字圖像處理程序采用分段線性灰度變換（GST)處理技術(shù) 對火焰圖像進(jìn)行灰度處理式中/卜^〇為輸入圖像的像素值，客為輸出圖像的像素 值；[si] 8) 根據(jù)公Ssn = υπ X sin#計算在該條件下的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，式?表示錐形火 焰面上法向火焰?zhèn)鞑ニ俣?υη燃?xì)獬隹谒俣?，θη表示火焰面頂角?br> [0013] 本發(fā)明有益效果在于： 1、本發(fā)明提供的裝置簡易、便于操作、成本低廉，有助于不同液體燃料燃燒特性的基礎(chǔ) 對比，支撐噴霧燃燒系統(tǒng)的燃料快速選取。
[0014] 2、采用高速度的數(shù)字相機(jī)，連續(xù)拍攝火焰錐面，根據(jù)當(dāng)前混合氣速度，運(yùn)用火焰圖 像余弦定理方法計算液體燃料氣相本生燈層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，該方法是基于火焰?zhèn)鞑ニ俣?的定義直接給出的方法，簡單有效。
[0015] 3、通過改變輸入?yún)?shù)，測量液體燃料的貧油點(diǎn)火、熄火極限。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明的工作流程示意圖。
[0017] 圖2為本發(fā)明提供的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖3為可變管口內(nèi)徑本生燈結(jié)構(gòu)圖。
[0019] 圖4為采用分段線性灰度變換（GST)技術(shù)灰度圖像處理圖。 圖5為Robert算子邊緣化分析圖。
[0020] 圖6為內(nèi)錐角計算圖。
[0021] 圖7為不同溫度、當(dāng)量比層流火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓€。
[0022] 圖8為貧油點(diǎn)火、熄火極限隨液體燃料流量變化曲線。
[0023] 圖9為貧油點(diǎn)火、熄火極限隨混氣溫度變化曲線。

【具體實施方式】
[0024] 下面以航空煤油為測量對象，結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0025] 本發(fā)明提供的裝置如圖1所示，包括本生燈燃燒器5,本生燈燃燒器5分別連接有 測溫顯示器6、冷態(tài)空氣加熱系統(tǒng)和液體燃料蒸發(fā)系統(tǒng)，其中液體燃料蒸發(fā)系統(tǒng)通過橡皮管 道2與注射泵1相連，冷態(tài)空氣加熱系統(tǒng)與外部空氣相通；本生燈燃燒器5旁裝有火焰圖像 采集與處理裝置。
[0026] 所述的冷態(tài)空氣加熱系統(tǒng)液體燃料蒸發(fā)管道3以及與液體燃料蒸發(fā)管道3連接的 第一點(diǎn)調(diào)壓器4。
[0027] 所述的液體燃料蒸發(fā)管道3傾斜放置，與水平面夾角為10-20°。液體燃料蒸發(fā)管 道3從外到內(nèi)依次由保溫陶瓷管、石英玻璃管、鎳鉻電加熱絲組成，其中鎳鉻電加熱絲采用 螺旋線纏繞方式并采用前密后疏的布置方式。
[0028] 所述的冷態(tài)空氣加熱系統(tǒng)包括依次連接的穩(wěn)壓立式儲氣罐12、浮子流量計11以 及冷態(tài)空氣加熱管道10,其中穩(wěn)壓立式儲氣罐12與外部空氣相通，冷態(tài)空氣加熱管道10與 本生燈燃燒器5相連，冷態(tài)空氣加熱管道10還連接有第二電調(diào)壓器9。
[0029] 所述的冷態(tài)空氣加熱管道10從內(nèi)到外依次為加熱銅管中、石英玻璃管、保溫陶瓷 管；所述的浮子流量器空氣流量為〇L/h?600L/h ;所述的第二電調(diào)壓器調(diào)壓范圍為0? 250V。
[0030] 所述的本生燈燃燒器5的結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括固定底座13,固定底座13上安裝 有具有內(nèi)螺紋的本生燈登座14,下部具有外螺紋的本生燈燈管15通過螺紋與本生燈登座 14連接。本生燈出口為螺旋可替換結(jié)構(gòu)，出口內(nèi)徑為5mm?15mm。
[0031] 所述的火焰圖像采集與處理裝置包括高速攝像機(jī)7以及與高速攝像機(jī)7相連的計 算機(jī)8。
[0032] 所述的注射泵1流量可控，最大燃燒流量為500ml/h。
[0033] 本發(fā)明工作過程如圖1所示，具體包括以下步驟實現(xiàn)： (1)打開注射泵，并將燃料流量設(shè)定在70ml/h。
[0034] (2)打開液體燃料蒸發(fā)管道電源，調(diào)節(jié)電調(diào)壓器電壓為120V。
[0035] (3)打開空氣穩(wěn)壓儲氣灌，將空氣流量調(diào)至520L/h。
[0036] (4)打開空氣加熱管道電源，調(diào)節(jié)電壓器電壓為150V。
[0037] (5)使用電火花點(diǎn)火器點(diǎn)火，在本生燈出口形成穩(wěn)定的層流火焰鋒面。
[0038] (6)熱電偶電子顯示器溫度穩(wěn)定在290°C，打開高速相機(jī)捕獲本生燈出口層流火焰 鋒面。
[0039] (7)如圖4、圖5、圖6所示，對本生燈火焰圖像進(jìn)行包括圖像剪裁、灰度化、灰度拉 伸、邊緣提取、二值化、確定錐角、計算角度的批量處理，其中圖4為采用分段線性灰度變換 (GST)技術(shù)灰度圖像處理圖。圖5為Robert算子邊緣化分析圖。圖6為內(nèi)錐角計算圖。
[0040] (8)根據(jù)公Ssn = Ua X ，計算出航空煤油在該條件下的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?0. 88m/s，式中表示錐形火焰面上法向火焰?zhèn)鞑ニ俣?，Un燃?xì)獬隹谒俣?0n表示火焰面頂 角； (9) 調(diào)節(jié)空氣流量410L/h?740L/h，如圖7所示，獲得不同當(dāng)量比層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?的變化曲線； (10) 調(diào)節(jié)電調(diào)壓器，使得混氣溫度在230°C?290°C范圍內(nèi)變化，在同一溫度下調(diào)節(jié)空 氣流量在410L/h?740L/h范圍內(nèi)變化，如圖7所示，獲得不同溫度下層流火焰?zhèn)鞑ニ俣入S 當(dāng)量比的變化曲線； (11) 調(diào)節(jié)燃油流量在l〇ml/h?70ml/h內(nèi)變化，獲得如圖8所示的貧油點(diǎn)火、熄火極限 隨液體燃料流量變化曲線； (12) 燃油流量在65ml/h時，調(diào)節(jié)電調(diào)壓器獲得混氣溫度在230°C?290°C范圍內(nèi)變化， 獲得如圖9所示，貧油點(diǎn)火、熄火極限隨混氣溫度變化曲線。
[0041] 本發(fā)明具體應(yīng)用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于 本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)，這 些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種液體燃料氣相本生燈層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y量裝置，其特征在于：包括本生燈燃 燒器（5)，本生燈燃燒器（5)分別連接有測溫顯示器（6)、冷態(tài)空氣加熱系統(tǒng)和液體燃料蒸 發(fā)系統(tǒng)，其中液體燃料蒸發(fā)系統(tǒng)通過橡皮管道（2)與注射泵（1)相連，冷態(tài)空氣加熱系統(tǒng)與 外部空氣相通；本生燈燃燒器（5)旁裝有火焰圖像采集與處理裝置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體燃料氣相本生燈層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y量裝置，其特征在 于：所述的冷態(tài)空氣加熱系統(tǒng)液體燃料蒸發(fā)管道（3)以及與液體燃料蒸發(fā)管道（3)連接的 第一點(diǎn)調(diào)壓器（4)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的液體燃料氣相本生燈層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y量裝置，其特征在 于：所述的液體燃料蒸發(fā)管道（3)傾斜放置，與水平面夾角為10-20°，所述的液體燃料蒸 發(fā)管道（3)從外到內(nèi)依次由保溫陶瓷管、石英玻璃管、鎳鉻電加熱絲組成，其中鎳鉻電加熱 絲采用螺旋線纏繞方式并采用前密后疏的布置方式。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體燃料氣相本生燈層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y量裝置，其特征 在于：所述的冷態(tài)空氣加熱系統(tǒng)包括依次連接的穩(wěn)壓立式儲氣罐（12)、浮子流量計（11)以 及冷態(tài)空氣加熱管道（10)，其中穩(wěn)壓立式儲氣罐（12)與外部空氣相通，冷態(tài)空氣加熱管道 (10)與本生燈燃燒器5相連，冷態(tài)空氣加熱管道（10)還連接有第二電調(diào)壓器9。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的液體燃料氣相本生燈層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y量裝置，其特征在 于：所述的冷態(tài)空氣加熱管道（10)從內(nèi)到外依次為加熱銅管中、石英玻璃管、保溫陶瓷管； 所述的浮子流量器空氣流量為〇L/h?600L/h ;所述的第二電調(diào)壓器調(diào)壓范圍為0?250V。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體燃料氣相本生燈層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y量裝置，其特征在 于：所述的本生燈燃燒器（5)出口為螺旋可替換結(jié)構(gòu)，出口內(nèi)徑為5mm?15mm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體燃料氣相本生燈層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y量裝置，其特征在 于：所述的火焰圖像采集與處理裝置包括高速攝像機(jī)（7)以及與高速攝像機(jī)（7)相連的計 算機(jī)8。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體燃料氣相本生燈層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y量裝置，其特征在 于：所述的注射泵（1)流量可控，最大燃燒流量為500ml/h。
9. 一種以上任意一項權(quán)利要求所述的液體燃料氣相本生燈層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y量裝 置的測量方法，其特征在于包括以下步驟： 1) 打開注射泵，設(shè)定燃料流量； 2) 打開液體燃料蒸發(fā)管道電源，選擇第一電調(diào)壓器電壓，調(diào)節(jié)液體燃料蒸發(fā)管道內(nèi)的 壓力； 3) 打開空氣穩(wěn)壓立式儲氣灌，利用浮子流量計選擇空氣流量； 4) 打開冷態(tài)空氣加熱管道電源，選擇第二電調(diào)壓器電壓，調(diào)節(jié)冷態(tài)空氣加熱管道內(nèi)的 壓力； 5) 使用電火花點(diǎn)火器點(diǎn)火，在本生燈出口形成穩(wěn)定的層流火焰鋒面； 6) 利用電子顯示器讀出本生燈層流火焰溫度，使其溫度穩(wěn)定，打開高速相機(jī)捕獲如圖4 所示的本生燈出口層流火焰鋒面； 7) 對本生燈火焰圖像進(jìn)行包括圖像剪裁、灰度化、灰度拉伸、邊緣提取、二值化、確定錐 角、計算角度的批量處理； 8)根據(jù)公SSn = Un X sin#計算在該條件下的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋街蠸n表示錐形火 焰面上法向火焰?zhèn)鞑ニ俣?Un燃?xì)獬隹谒俣?，θη表示火焰面頂角?br> 10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的液體燃料氣相本生燈層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y量裝置的測量方 法，其特征在于包括以下步驟： 1) 通過調(diào)節(jié)空氣流量，獲得不同當(dāng)量比層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓€； 2) 通過調(diào)節(jié)電調(diào)壓器，改變混氣溫度，再在同一溫度下調(diào)節(jié)空氣流量，獲得不同溫度下 層流火焰?zhèn)鞑ニ俣入S當(dāng)量比的變化曲線； 3) 通過調(diào)節(jié)燃油流量，獲得熄火極限隨液體燃料流量變化曲線； 4) 通過調(diào)節(jié)電調(diào)壓器，改變混氣溫度，獲得貧油點(diǎn)火、熄火極限隨混氣溫度變化曲線； 5) 根據(jù)以上步驟得到的曲線圖，得到測量液體燃料的貧油點(diǎn)火、熄火極限。
【文檔編號】G01N31/12GK104062394SQ201410233209
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月29日
【發(fā)明者】金仁瀚, 劉勇, 李鵬飛, 朱冬清, 王鎖芳 申請人:南京航空航天大學(xué)