[发明专利]一种运动火源火焰锋面结构的可视化测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及火焰锋面测量装置，属实验设备技术领域，特别涉及一种运动速度可调的运动火源火焰锋面结构的可视化测量装置及方法。

背景技术

火焰锋面(flame front)也称作火焰前锋，亦称“火焰波前”、“火焰前沿”或“火焰波”。指在已点燃的可燃混合气中，将燃烧产物与未燃混合气相互隔开的薄层，是燃烧场中最关键的部分。为了深入了解火焰锋面对放热率、污染物生成和火焰稳定性等的影响，需要研究其几何特征以及运动动态行为，这也是探索描述湍流火焰的必要方法。

在研究火焰锋面的几何特征及其运动动态行为的方法中，有火焰实验、数值模拟和理论分析三大类。火焰锋面的几何特征及其运动规律非常复杂、影响因素也较多，目前完全通过数值模拟和理论推导来进行可视化研究还有一定的困难。因而，通过实验的手段——火焰可视化实验来探询火焰锋面的几何特征及其运动规律就显得十分必要。

近年来，国内外对火焰锋面相关科学问题的实验研究开展了许多工作，曹红加等人在《燃烧科学与技术》杂志的2010年第16卷第1期“声波对V形预混火焰锋面皱褶的影响”一文中对声波扰动下V形预混火焰的锋面皱褶进行了动态分析，建立了声波扰动V形预混火焰的实验台，通过精细热电偶探测火焰锋面皱褶的变化，测量了不同声波扰动频率下的V形预混火焰的锋面皱褶。杨宏敏等人在《燃烧科学与技术》杂志的2002年第8卷第1期“湍流预混对冲火焰结构及熄火特性试验研究”一文中利用激光层析技术和数字图像处理技术对对冲方式下湍流预混火焰的结构及熄火特性进行了试验研究，采用PIV方法测量了冷态对冲面附近的速度场，获得了速度应变率作为衡量流场对锋面燃烧影响的参数。还有人提出了采用甲烷-空气混合物，在半封闭的管道内进行过爆炸实验，得到爆炸过程中火焰位置、形状和产生的超压值。何学超等人在《中国科学技术大学学报》杂志的2009年第39卷第4期“管道内甲烷-空气预混火焰传播特性的实验与数值模拟研究”一文中利用高速摄影摄像等手段，对封闭管道内甲烷-空气预混气体火焰传播过程中的火焰结构、传播速度以及压力特性进行了实验研究，并结合修正的EBU-Arrhenius混合反应模型进行了数值模拟。

从目前的已有的研究情况来看，这些火焰锋面的实验研究几乎均是基于以下2个前提条件，即：(1)火焰燃烧及发展过程中的火源点相对于外界着火空间是静止不动的，这与静止火源着火等引起的燃烧情景是吻合的；但在某些实际情况下，也有可能发生火源仍处于运动状况这类燃烧场景，如高速列车表面着火初期，司机会在不知情或列车无法立刻停止的情况下，着火列车继续向前行驶，这类情况下的火源就是处于运动状态的；(2)火焰锋面的实验主要集中在受控燃烧或正常重力(加速度a＝1g＝9.8m/s²)和微重力[a＝(0～1)g]环境下，但是，燃烧过程也可能发生在加速度a＞1g的体积力场中，如高速旋转的物体表面着火或处于加速工况下飞行物表面的着火。尽管许多学者认同火焰锋面的多种存在形式，并一致认为湍流诱发火焰锋面褶皱，增大了火焰锋面的面积，强化了燃烧过程，体积力对皱折锋面预混火焰的总体特征和锋面结构都有影响，并且体积力在层流和湍流火焰中产生不同的效应。但对非正常重力下的实验观测还很少。

对体积力影响火焰锋面结构的完整分析，应该不仅包括加速度a＝(0～1)g的范围，也应包括加速度a＞重力加速度g的范围。然而，对大体积力场中火焰锋面结构的研究报道却不多见。另外，火源移动速度的不同对火焰锋面结构及其形态变化的影响的研究还未涉及。这是由于目前的火焰试验装置在测量火焰锋面结构时存在以下不足：(1)体积力场无法作大范围调节，不能从实验角度来测量加速度变化对火焰锋面结构及其形态变化的影响；(2)火源点运行速度的大小对火焰锋面结构及其着火空间内温度场的变化影响很大，但实验装置无法实现火源点的移动，并对其运行速度进行控制。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点与不足，提供一种结构简单、合理的运动火源火焰锋面结构的可视化测量装置，该装置可解决现有技术中实现装置的体积力场中的加速度a无法作大范围调节和实验装置内着火火源点无法移动且其运行速度无法控制的缺陷。

为达上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种运动火源火焰锋面结构的可视化测量装置，包括控制电脑、燃烧器、转盘机构、图像采集装置、转盘驱动装置和支撑座，所述燃烧器连接在转盘机构上，转盘机构设置于支撑座上；所述转盘驱动装置置于支撑座内，且通过转轴与转盘机构连接；所述转盘驱动装置、图像采集装置分别与控制电脑连接；图像采集装置与转盘机构连接，且与燃烧器的位置对应设置。