液体燃料气相本生灯层流火焰传播速度测量装置及其测量方法
【专利摘要】本发明提供了液体燃料气相本生灯层流火焰传播速度测量装置及其测量方法，该装置包括本生灯燃烧器，本生灯燃烧器分别连接有测温显示器（热电偶）、冷态空气加热系统和液体燃料蒸发系统，其中液体燃料蒸发系统通过橡皮管道与注射泵相连，冷态空气加热系统与外部空气相通；本生灯燃烧器旁装有火焰图像采集与处理装置。装置简易、便于操作、成本低廉，有助于不同液体燃料燃烧特性的基础对比，支撑喷雾燃烧系统的燃料快速选取。本发明的测量方法采用高速度的数字相机，连续拍摄火焰锥面，根据当前混合气速度，运用火焰图像余弦定理方法计算液体燃料气相本生灯层流火焰传播速度，该方法是基于火焰传播速度的定义直接给出的方法，简单有效。
【专利说明】液体燃料气相本生灯层流火焰传播速度测量装置及其测量 方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及液体燃料气相层流燃烧领域，具体是一种液体燃料气相本生灯层流火 焰传播速度测量装置及其测量方法。
【背景技术】
[0002] 目前，我国以液体燃料为推进剂的运载工具保有量大幅增加，能源与环境问已经 成为人们的关注焦点。随着液体燃料价格上涨，全球变暖以及其它一系列环境问题日益突 出，必须对液体燃料的品质进行改造来满足节能与环保的要求。对新型合成液体燃料燃烧 基础研究有助于喷雾燃烧系统燃料的选取。研究液体燃料气相层流燃烧的目的是了解液 体燃料反应动力学特性，液体燃料气相层流火焰传播速度就是统观反应动力学的体现，它 不仅在考察火焰稳定性方面有很大实用意义，而且在研究传播理论方面也具有很大理论价 值。
[0003] 迄今为止公布的文献资料(论文、报告和专利）通过本生灯对层流火焰传播速度的 研究主要集中在气体燃料方面，液体燃料的层流火焰传播速度主要通过定容燃烧弹试验装 置进行研究，定容燃烧弹试验装置虽然能够比较精确的测量层流火焰传播速度但其结构复 杂、成本高，不易实现。本发明通过简易加热装置对液体燃料进行蒸发、混合，获得混合燃 气，混合燃气经过出口直径可变的本生灯燃烧器进行燃烧，从而通过本生灯火焰法对液体 燃料气相层流火焰传播速度进行测量，该系统结构简易、操作简单、成本低廉；结合基于数 字图像处理技术的非接触式层流火焰传播速度测量方法，该系统具有测量精度高的特点。
【发明内容】
[0004] 本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种液体燃料气相本生灯层流火焰传播 速度测量装置及其测量方法 本发明包括本生灯燃烧器，本生灯燃烧器分别连接有测温显示器(热电偶)、冷态空气 加热系统和液体燃料蒸发系统，其中液体燃料蒸发系统通过橡皮管道与注射泵相连，冷态 空气加热系统与外部空气相通；本生灯燃烧器旁装有火焰图像采集与处理装置。
[0005] 所述的冷态空气加热系统液体燃料蒸发管道以及与液体燃料蒸发管道连接的第 一点调压器。
[0006] 所述的液体燃料蒸发管道倾斜放置，与水平面夹角为10-20°，从外到内依次由保 温陶瓷管、石英玻璃管、镍铬电加热丝组成，其中镍铬电加热丝采用螺旋线缠绕方式并采用 前密后疏的布置方式。
[0007] 所述的冷态空气加热系统包括依次连接的稳压立式储气罐、浮子流量计以及冷态 空气加热管道，其中稳压立式储气罐与外部空气相通，冷态空气加热管道与本生灯燃烧器 相连，冷态空气加热管道还连接有第二电调压器。
[0008] 所述的冷态空气加热管道从内到外依次为加热铜管中、石英玻璃管、保温陶瓷管； 所述的浮子流量器空气流量为OL/h?600L/h ;所述的第二电调压器调压范围为0?250V。
[0009] 所述的本生灯燃烧器出口为螺旋可替换结构，出口内径为5mm?15mm，不同出口 直径间隔1mm。。
[0010] 所述的火焰图像采集与处理装置包括高速摄像机以及与高速摄像机相连的计算 机8。
[0011] 所述的注射泵流量可控，最大燃烧流量为500ml/h。
[0012] 本发明还提供了一种液体燃料气相本生灯层流火焰传播速度测量装置的测量方 法，包括以下步骤： 1) 打开注射泵，设定燃料流量； 2) 打开液体燃料蒸发管道电源，选择第一电调压器电压，调节液体燃料蒸发管道内的 压力； 3) 打开空气稳压立式储气灌，利用浮子流量计选择空气流量； 4) 打开冷态空气加热管道电源，选择第二电调压器电压，调节冷态空气加热管道内的 压力； 5) 使用电火花点火器点火，在本生灯出口形成稳定的层流火焰锋面； 6) 利用电子显示器读出本生灯层流火焰温度，使其温度稳定，打开高速相机捕获如图4 所示的本生灯出口层流火焰锋面； 7) 对本生灯火焰图像进行包括图像剪裁、灰度化、灰度拉伸、边缘提取、二值化、确定锥 角、计算角度的批量处理；所述数字图像处理程序采用分段线性灰度变换（GST)处理技术 对火焰图像进行灰度处理式中/卜^〇为输入图像的像素值，客为输出图像的像素 值；[si] 8) 根据公Ssn = υπ X sin#计算在该条件下的层流火焰传播速度，式中?表示锥形火 焰面上法向火焰传播速度,υη燃气出口速度，θη表示火焰面顶角。
[0013] 本发明有益效果在于： 1、本发明提供的装置简易、便于操作、成本低廉，有助于不同液体燃料燃烧特性的基础 对比，支撑喷雾燃烧系统的燃料快速选取。
[0014] 2、采用高速度的数字相机，连续拍摄火焰锥面，根据当前混合气速度，运用火焰图 像余弦定理方法计算液体燃料气相本生灯层流火焰传播速度，该方法是基于火焰传播速度 的定义直接给出的方法，简单有效。
[0015] 3、通过改变输入参数，测量液体燃料的贫油点火、熄火极限。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为本发明的工作流程示意图。
[0017] 图2为本发明提供的装置结构示意图。
[0018] 图3为可变管口内径本生灯结构图。
[0019] 图4为采用分段线性灰度变换（GST)技术灰度图像处理图。 图5为Robert算子边缘化分析图。
[0020] 图6为内锥角计算图。
[0021] 图7为不同温度、当量比层流火焰传播速度变化曲线。
[0022] 图8为贫油点火、熄火极限随液体燃料流量变化曲线。
[0023] 图9为贫油点火、熄火极限随混气温度变化曲线。
【具体实施方式】
[0024] 下面以航空煤油为测量对象，结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0025] 本发明提供的装置如图1所示，包括本生灯燃烧器5,本生灯燃烧器5分别连接有 测温显示器6、冷态空气加热系统和液体燃料蒸发系统，其中液体燃料蒸发系统通过橡皮管 道2与注射泵1相连，冷态空气加热系统与外部空气相通；本生灯燃烧器5旁装有火焰图像 采集与处理装置。
[0026] 所述的冷态空气加热系统液体燃料蒸发管道3以及与液体燃料蒸发管道3连接的 第一点调压器4。
[0027] 所述的液体燃料蒸发管道3倾斜放置，与水平面夹角为10-20°。液体燃料蒸发管 道3从外到内依次由保温陶瓷管、石英玻璃管、镍铬电加热丝组成，其中镍铬电加热丝采用 螺旋线缠绕方式并采用前密后疏的布置方式。
[0028] 所述的冷态空气加热系统包括依次连接的稳压立式储气罐12、浮子流量计11以 及冷态空气加热管道10,其中稳压立式储气罐12与外部空气相通，冷态空气加热管道10与 本生灯燃烧器5相连，冷态空气加热管道10还连接有第二电调压器9。
[0029] 所述的冷态空气加热管道10从内到外依次为加热铜管中、石英玻璃管、保温陶瓷 管；所述的浮子流量器空气流量为〇L/h?600L/h ;所述的第二电调压器调压范围为0? 250V。
[0030] 所述的本生灯燃烧器5的结构如图3所示，包括固定底座13,固定底座13上安装 有具有内螺纹的本生灯登座14,下部具有外螺纹的本生灯灯管15通过螺纹与本生灯登座 14连接。本生灯出口为螺旋可替换结构，出口内径为5mm?15mm。
[0031] 所述的火焰图像采集与处理装置包括高速摄像机7以及与高速摄像机7相连的计 算机8。
[0032] 所述的注射泵1流量可控，最大燃烧流量为500ml/h。
[0033] 本发明工作过程如图1所示，具体包括以下步骤实现： (1)打开注射泵，并将燃料流量设定在70ml/h。
[0034] (2)打开液体燃料蒸发管道电源，调节电调压器电压为120V。
[0035] (3)打开空气稳压储气灌，将空气流量调至520L/h。
[0036] (4)打开空气加热管道电源，调节电压器电压为150V。
[0037] (5)使用电火花点火器点火，在本生灯出口形成稳定的层流火焰锋面。
[0038] (6)热电偶电子显示器温度稳定在290°C，打开高速相机捕获本生灯出口层流火焰 锋面。
[0039] (7)如图4、图5、图6所示，对本生灯火焰图像进行包括图像剪裁、灰度化、灰度拉 伸、边缘提取、二值化、确定锥角、计算角度的批量处理，其中图4为采用分段线性灰度变换 (GST)技术灰度图像处理图。图5为Robert算子边缘化分析图。图6为内锥角计算图。
[0040] (8)根据公Ssn = Ua X ，计算出航空煤油在该条件下的层流火焰传播速度 0. 88m/s，式中表示锥形火焰面上法向火焰传播速度，Un燃气出口速度,0n表示火焰面顶 角； (9) 调节空气流量410L/h?740L/h，如图7所示，获得不同当量比层流火焰传播速度 的变化曲线； (10) 调节电调压器，使得混气温度在230°C?290°C范围内变化，在同一温度下调节空 气流量在410L/h?740L/h范围内变化，如图7所示，获得不同温度下层流火焰传播速度随 当量比的变化曲线； (11) 调节燃油流量在l〇ml/h?70ml/h内变化，获得如图8所示的贫油点火、熄火极限 随液体燃料流量变化曲线； (12) 燃油流量在65ml/h时，调节电调压器获得混气温度在230°C?290°C范围内变化， 获得如图9所示，贫油点火、熄火极限随混气温度变化曲线。
[0041] 本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于 本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这 些改进也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种液体燃料气相本生灯层流火焰传播速度测量装置，其特征在于：包括本生灯燃 烧器（5)，本生灯燃烧器（5)分别连接有测温显示器（6)、冷态空气加热系统和液体燃料蒸 发系统，其中液体燃料蒸发系统通过橡皮管道（2)与注射泵（1)相连，冷态空气加热系统与 外部空气相通；本生灯燃烧器（5)旁装有火焰图像采集与处理装置。
2. 根据权利要求1所述的液体燃料气相本生灯层流火焰传播速度测量装置，其特征在 于：所述的冷态空气加热系统液体燃料蒸发管道（3)以及与液体燃料蒸发管道（3)连接的 第一点调压器（4)。
3. 根据权利要求2所述的液体燃料气相本生灯层流火焰传播速度测量装置，其特征在 于：所述的液体燃料蒸发管道（3)倾斜放置，与水平面夹角为10-20°，所述的液体燃料蒸 发管道（3)从外到内依次由保温陶瓷管、石英玻璃管、镍铬电加热丝组成，其中镍铬电加热 丝采用螺旋线缠绕方式并采用前密后疏的布置方式。
4. 根据权利要求1所述的液体燃料气相本生灯层流火焰传播速度测量装置，其特征 在于：所述的冷态空气加热系统包括依次连接的稳压立式储气罐（12)、浮子流量计（11)以 及冷态空气加热管道（10)，其中稳压立式储气罐（12)与外部空气相通，冷态空气加热管道 (10)与本生灯燃烧器5相连，冷态空气加热管道（10)还连接有第二电调压器9。
5. 根据权利要求4所述的液体燃料气相本生灯层流火焰传播速度测量装置，其特征在 于：所述的冷态空气加热管道（10)从内到外依次为加热铜管中、石英玻璃管、保温陶瓷管； 所述的浮子流量器空气流量为〇L/h?600L/h ;所述的第二电调压器调压范围为0?250V。
6. 根据权利要求1所述的液体燃料气相本生灯层流火焰传播速度测量装置，其特征在 于：所述的本生灯燃烧器（5)出口为螺旋可替换结构，出口内径为5mm?15mm。
7. 根据权利要求1所述的液体燃料气相本生灯层流火焰传播速度测量装置，其特征在 于：所述的火焰图像采集与处理装置包括高速摄像机（7)以及与高速摄像机（7)相连的计 算机8。
8. 根据权利要求1所述的液体燃料气相本生灯层流火焰传播速度测量装置，其特征在 于：所述的注射泵（1)流量可控，最大燃烧流量为500ml/h。
9. 一种以上任意一项权利要求所述的液体燃料气相本生灯层流火焰传播速度测量装 置的测量方法，其特征在于包括以下步骤： 1) 打开注射泵，设定燃料流量； 2) 打开液体燃料蒸发管道电源，选择第一电调压器电压，调节液体燃料蒸发管道内的 压力； 3) 打开空气稳压立式储气灌，利用浮子流量计选择空气流量； 4) 打开冷态空气加热管道电源，选择第二电调压器电压，调节冷态空气加热管道内的 压力； 5) 使用电火花点火器点火，在本生灯出口形成稳定的层流火焰锋面； 6) 利用电子显示器读出本生灯层流火焰温度，使其温度稳定，打开高速相机捕获如图4 所示的本生灯出口层流火焰锋面； 7) 对本生灯火焰图像进行包括图像剪裁、灰度化、灰度拉伸、边缘提取、二值化、确定锥 角、计算角度的批量处理； 8)根据公SSn = Un X sin#计算在该条件下的层流火焰传播速度，式中Sn表示锥形火 焰面上法向火焰传播速度,Un燃气出口速度，θη表示火焰面顶角。
10.根据权利要求9所述的液体燃料气相本生灯层流火焰传播速度测量装置的测量方 法，其特征在于包括以下步骤： 1) 通过调节空气流量，获得不同当量比层流火焰传播速度的变化曲线； 2) 通过调节电调压器，改变混气温度，再在同一温度下调节空气流量，获得不同温度下 层流火焰传播速度随当量比的变化曲线； 3) 通过调节燃油流量，获得熄火极限随液体燃料流量变化曲线； 4) 通过调节电调压器，改变混气温度，获得贫油点火、熄火极限随混气温度变化曲线； 5) 根据以上步骤得到的曲线图，得到测量液体燃料的贫油点火、熄火极限。
【文档编号】G01N31/12GK104062394SQ201410233209
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年5月29日 优先权日:2014年5月29日
【发明者】金仁瀚, 刘勇, 李鹏飞, 朱冬清, 王锁芳 申请人:南京航空航天大学