用于研究外界風速對火焰?zhèn)鞑ゼ胺€(wěn)定性影響的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及外界風速對火焰?zhèn)鞑ゼ胺€(wěn)定性影響的實驗技術領域，具體涉及用于研究外界風速對火焰?zhèn)鞑ゼ胺€(wěn)定性影響的裝置。
【背景技術】
[0002]火焰的傳播特征及其燃燒穩(wěn)定性一直以來是國內(nèi)外許多學者的研究熱點之一。通過研究可控燃燒的火焰燃燒特性，可以認識火源擴散燃燒的發(fā)展條件及其燃燒傳播過程，從而進一步推導出失控燃燒狀態(tài)下的火災等過程的形成和發(fā)展規(guī)律，這可為有效地減少火災給人類社會造成的危害提供必要的理論依據(jù)和實驗基礎。
[0003]相對靜止火源燃燒時，火焰經(jīng)歷由層流燃燒到湍流燃燒的過程。在這一過程中火焰前鋒面的傳播是不規(guī)則。眾多學者對這一過程進行過研究探討，并表述出了這一傳播特征。目前，對于相對靜止火源燃燒火焰的傳播特征及穩(wěn)定性的理論研究已有部分成果，李宇紅等(李宇紅，祁海鷹，張宏武.甲烷預混燃燒火焰的詳細數(shù)值模擬[J].工程熱物理學報，2002，23 (1):119-122.)對甲烷的預混燃燒火焰進行過數(shù)值模擬，得到了燃燒過程中包括CO和NO在內(nèi)的十種基元組分的濃度分布。Ellis C de C O (Ellis C de C 0.Flame movement in gaseous explosive mixtures[J].Journal of Fuel Science, 1928,7: 502 - 508.)進行了 CO和O2在一個長為19.5 cm、內(nèi)徑5 cm的封閉管道中的預混燃燒實驗，并在實驗過程中對燃燒火焰進行了拍攝，觀察到了火焰前鋒面的不規(guī)則傳播，得出了在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，火焰前鋒面從向前彎曲轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚝笮纬杉恻c的結(jié)論。M.Matalon等(MatalonM, Metzener P.The propagat1n of premixed flames in closed tubes[J].Journal of Fluid Mechanics, 1997，336:331-350.)在一段封閉管道內(nèi)進行了預混氣體火焰?zhèn)鞑サ膶嶒炑芯?，實驗結(jié)果表明在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，火焰前鋒面會形成很多旋渦，而這些旋渦會引起已燃氣體的渦旋，最終形成Tulip火焰結(jié)構(gòu)。劉玉英等(劉玉英，MOSTJean-Miche, BAUER Philippe,楊茂林.稀釋燃燒的火焰穩(wěn)定性[J].燃燒科學與技術，2009，15(2):103-108.)通過對氮氣稀釋的甲烷-空氣火焰的研究，討論了反應物預熱溫度與稀釋率兩個因素對火焰穩(wěn)定性的影響，實驗結(jié)果表明反應物預熱溫度對火焰穩(wěn)定性的影響更為顯著，是影響火焰穩(wěn)定性的主要因素。
[0004]然而，這些研究大多限制于數(shù)值模擬或者封閉、半封閉空間內(nèi)小尺寸實驗的火焰燃燒，而沒有考慮到外界風速對火焰的傳播特征及穩(wěn)定性的影響。在實際的工況下，火焰燃燒大多是在完全開放的系統(tǒng)下發(fā)生的。因此，開展外界風速對火焰的傳播特征及穩(wěn)定性影響的研究更具現(xiàn)實意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為彌補上述【背景技術】中的不足，本發(fā)明提供一種用于研究外界風速對火焰?zhèn)鞑ゼ胺€(wěn)定性影響的裝置與方法，以幫助研究人員模擬火焰燃燒實際工況，充分認識在外界風速的影響下，火焰由層流燃燒發(fā)展為湍流燃燒的條件及其過程，研究分析在不同燃燒功率、不同風量、不同外界風速條件下火焰?zhèn)鞑ゼ胺€(wěn)定性特征，以及燃燒主要產(chǎn)物的含量分布特點，從而有效地控制燃燒過程。
[0006]本發(fā)明的目的至少通過如下技術方案之一實現(xiàn)。
[0007]—種用于研究外界風速對火焰?zhèn)鞑ゼ胺€(wěn)定性影響的裝置，包括風機、風量調(diào)節(jié)面板、風速均勻分布面板、實驗隧道、風速測量窗口、煙氣測量窗口、引風機、支架、本生燈、高度調(diào)節(jié)臺、橡膠管、流量計、閥門、氣體鋼瓶。其中，實驗隧道由支架所支撐，實驗隧道入口處依次分別安裝著風機、風量調(diào)節(jié)面板、風速均勻分布面板，實驗隧道出口管道與引風機相連。在實驗隧道底部中心線上距端口 1/3處開有一個直徑為1cm的圓形火焰口供本生燈的火焰伸進實驗隧道中，本生燈置于高度調(diào)節(jié)臺上，本生燈的氣體入口連接橡膠管，在橡膠管的末端通過流量計與氣體鋼瓶的出口閥門相連，通過閥門可調(diào)節(jié)氣體流量。
[0008]進一步地，所述的實驗隧道是由透明玻璃鋼制成的中間為長方體型，兩端呈喇叭狀的隧道。在距實驗隧道端口的3/4處的前、后面和頂部中心線上分別開有直徑為1cm的圓形風速測量窗口，供風速儀測量實時風速。距實驗隧道端口的4/5處的前、后兩面分別開有5個等距排列的邊長為5cm的正方形煙氣測量窗口，供煙氣分析儀的探頭伸入，測量燃燒主要產(chǎn)物的含量。
[0009]進一步地，所述的風量調(diào)節(jié)面板是一個組件，包括手柄、活動調(diào)節(jié)板、活動調(diào)節(jié)板中心孔、扇形進風口、固定調(diào)節(jié)板、扇形出風口和固定調(diào)節(jié)板中心孔，其中，活動調(diào)節(jié)板與固定調(diào)節(jié)板通過活動調(diào)節(jié)板中心孔和固定調(diào)節(jié)板中心孔安裝在同一軸上的方式組合在一起，且相互緊貼。固定調(diào)節(jié)板以螺栓相連方式固定在實驗隧道入口端法蘭處，通過轉(zhuǎn)動活動調(diào)節(jié)板上的手柄，調(diào)節(jié)固定調(diào)節(jié)板與活動調(diào)節(jié)板間的扇形風口重疊面積，從而控制進風口與出風口的相對開度，進而控制風量的大小。
[0010]進一步地，所述的風速均勻分布面板是在一塊隔板上，開設有3行5列圓形通風孔，以保證進入實驗隧道的風速分布均勻，其隔板的截面形狀為正方形。
[0011]進一步地，所述的本生燈是一個組件，它包括燈架、燈筒、空氣調(diào)節(jié)環(huán)、氣體入口。
[0012]進一步地，所述裝置的基本操作過程是:將橡膠管連接到本生燈的氣體入口上，先把空氣調(diào)節(jié)環(huán)轉(zhuǎn)為全閉狀態(tài)；微開氣體鋼瓶的閥門使可燃氣流入本生燈，同時轉(zhuǎn)動空氣調(diào)節(jié)環(huán)讓少量新鮮空氣進入本生燈，然后燃燒點燃本生燈，并依據(jù)實驗要求，調(diào)節(jié)閥門和空氣調(diào)節(jié)環(huán)使火焰高度達到設定高度；將燃燒著的本生燈放在高度調(diào)節(jié)臺上，并使火焰經(jīng)圓形火焰口進入實驗隧道直管段內(nèi)，調(diào)節(jié)高度調(diào)節(jié)臺的高度，使本生燈的火焰最底部與實驗隧道的底面在一個水平面上。開啟風機，轉(zhuǎn)動手柄，使實驗隧道直管段內(nèi)的風速達到實驗設定值，或開啟引風機，轉(zhuǎn)動手柄，使實驗隧道直管段內(nèi)的風速達到設定值；啟動全部測量儀表，用數(shù)碼相機記錄火焰的外形、用溫度計和煙氣分析儀記錄實驗隧道內(nèi)煙氣的溫度、02、CO、C02、NO、NOx等的濃度、用風速儀記錄煙氣的流速、用流量計記錄燃氣的流量；通過調(diào)節(jié)閥門和空氣調(diào)節(jié)環(huán)并與轉(zhuǎn)動手柄配合，以實現(xiàn)不同燃燒功率、火焰高度、外界風速下的實驗工況。在實驗完畢后，先把空氣調(diào)節(jié)環(huán)關上，再關掉氣體鋼瓶的閥門，拔出橡膠管。
[0013]其中，所述的風機以法蘭連接的方式裝在實驗隧道入口端管道上，引風機以法蘭連接的方式裝在實驗隧道出口端管道上，實驗時可以按需選擇是否拆卸。
[0014]其中，所述的橡膠管以活套連接的方式連接于氣體入口和氣體鋼瓶之間。
[0015]其中，所述的風速均勻分布面板焊接在實驗隧道入口端喇叭狀變徑管道的中間截面處，與風量調(diào)節(jié)面板共同完成對風量的調(diào)節(jié)，并使風以均勻方式流入實驗隧道直管段內(nèi)。
[0016]實驗時，使用風機時需將引風機拆下，而使用引風機時需將風機拆下，風機提供的風速分布截面是呈拋物線形的，引風機提供的風速分布是均勻的，因此可以研究兩種不同種類的風速對火焰?zhèn)鞑ゼ胺€(wěn)定性的影響。
[0017]實驗時，本生燈的火焰大小及高度均可按需調(diào)節(jié)，燃氣與空氣的比例可通過調(diào)節(jié)氣體鋼瓶的閥門的開度，或者空氣調(diào)節(jié)環(huán)的開度來控制。實驗裝置上設置有多種接口或測量窗口，供相應儀表對各種實驗研究條件下的空氣流量、風速以及煙氣成分等各物理量進行測量。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有實驗裝置相比，其有益的顯著效果如下:
1、本發(fā)明實驗裝置研究成本低，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，控制靈活，實驗現(xiàn)象易于觀察，進行研究所得數(shù)據(jù)真實可靠。
[0019]2、與傳統(tǒng)的火焰實驗裝置相比，本實驗裝置可進行外界風速與火源點具有一定相對速度條件下，火焰?zhèn)鞑ヌ卣骷捌浞€(wěn)定性實驗，為研究火焰結(jié)構(gòu)和燃燒特征，以及分析火焰的傳播特征和穩(wěn)定性提供實驗基礎。
[0020]
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明用于研究外界風速對火焰?zhèn)鞑ゼ胺€(wěn)定性影響的裝置結(jié)構(gòu)主視圖。
[0022]圖2為本發(fā)明用于研究外界風速對火焰?zhèn)鞑ゼ胺€(wěn)定性影響的裝置結(jié)構(gòu)俯視圖。
[0023]圖3為本生燈的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖4為風速均勻分布面板的結(jié)構(gòu)圖。
[0025]圖5a、圖5b為風量調(diào)節(jié)面板的結(jié)構(gòu)圖。
[0026]圖中:1_風機；2_風量調(diào)節(jié)面板；3_風速均勻分布面板；4_實驗隧道；
5-風速測量窗口 ；6_煙氣測量窗口 ；7_引風機；8_支架；9_本生燈；10_高度調(diào)節(jié)臺；11-橡膠管；12_流量計；13_閥門；14_氣體鋼瓶；15_圓形火焰口 ；16_燈架；17_燈筒；18-空氣調(diào)節(jié)環(huán)；19-氣體入口 ；20_圓形通風孔；21_隔板；22_手柄；23_活動調(diào)節(jié)板；24-活動調(diào)節(jié)板中心孔；25-扇形進風口 ；26_固定調(diào)節(jié)板；27-扇形出風口 ；28_固定調(diào)節(jié)板中心孔。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和實施例對發(fā)明作進一步的描述:
請參閱圖1和圖2本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)流程圖主視圖和俯視圖所示，一種用于研究外界風速對火焰?zhèn)鞑ゼ胺€(wěn)定性影響的裝置結(jié)構(gòu)主視圖，包括風