用于研究外界风速对火焰传播及稳定性影响的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及外界风速对火焰传播及稳定性影响的实验技术领域，具体涉及用于研究外界风速对火焰传播及稳定性影响的装置。
【背景技术】
[0002]火焰的传播特征及其燃烧稳定性一直以来是国内外许多学者的研究热点之一。通过研究可控燃烧的火焰燃烧特性，可以认识火源扩散燃烧的发展条件及其燃烧传播过程，从而进一步推导出失控燃烧状态下的火灾等过程的形成和发展规律，这可为有效地减少火灾给人类社会造成的危害提供必要的理论依据和实验基础。
[0003]相对静止火源燃烧时，火焰经历由层流燃烧到湍流燃烧的过程。在这一过程中火焰前锋面的传播是不规则。众多学者对这一过程进行过研究探讨，并表述出了这一传播特征。目前，对于相对静止火源燃烧火焰的传播特征及稳定性的理论研究已有部分成果，李宇红等(李宇红，祁海鹰，张宏武.甲烷预混燃烧火焰的详细数值模拟[J].工程热物理学报，2002，23 (1):119-122.)对甲烷的预混燃烧火焰进行过数值模拟，得到了燃烧过程中包括CO和NO在内的十种基元组分的浓度分布。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.)进行了 CO和O2在一个长为19.5 cm、内径5 cm的封闭管道中的预混燃烧实验，并在实验过程中对燃烧火焰进行了拍摄，观察到了火焰前锋面的不规则传播，得出了在火焰传播过程中，火焰前锋面从向前弯曲转变为向后形成尖点的结论。M.Matalon等(MatalonM, Metzener P.The propagat1n of premixed flames in closed tubes[J].Journal of Fluid Mechanics, 1997，336:331-350.)在一段封闭管道内进行了预混气体火焰传播的实验研究，实验结果表明在火焰传播过程中，火焰前锋面会形成很多旋涡，而这些旋涡会引起已燃气体的涡旋，最终形成Tulip火焰结构。刘玉英等(刘玉英，MOSTJean-Miche, BAUER Philippe,杨茂林.稀释燃烧的火焰稳定性[J].燃烧科学与技术，2009，15(2):103-108.)通过对氮气稀释的甲烷-空气火焰的研究，讨论了反应物预热温度与稀释率两个因素对火焰稳定性的影响，实验结果表明反应物预热温度对火焰稳定性的影响更为显著，是影响火焰稳定性的主要因素。
[0004]然而，这些研究大多限制于数值模拟或者封闭、半封闭空间内小尺寸实验的火焰燃烧，而没有考虑到外界风速对火焰的传播特征及稳定性的影响。在实际的工况下，火焰燃烧大多是在完全开放的系统下发生的。因此，开展外界风速对火焰的传播特征及稳定性影响的研究更具现实意义。
【发明内容】
[0005]为弥补上述【背景技术】中的不足，本发明提供一种用于研究外界风速对火焰传播及稳定性影响的装置与方法，以帮助研究人员模拟火焰燃烧实际工况，充分认识在外界风速的影响下，火焰由层流燃烧发展为湍流燃烧的条件及其过程，研究分析在不同燃烧功率、不同风量、不同外界风速条件下火焰传播及稳定性特征，以及燃烧主要产物的含量分布特点，从而有效地控制燃烧过程。
[0006]本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
[0007]—种用于研究外界风速对火焰传播及稳定性影响的装置，包括风机、风量调节面板、风速均匀分布面板、实验隧道、风速测量窗口、烟气测量窗口、引风机、支架、本生灯、高度调节台、橡胶管、流量计、阀门、气体钢瓶。其中，实验隧道由支架所支撑，实验隧道入口处依次分别安装着风机、风量调节面板、风速均匀分布面板，实验隧道出口管道与引风机相连。在实验隧道底部中心线上距端口 1/3处开有一个直径为1cm的圆形火焰口供本生灯的火焰伸进实验隧道中，本生灯置于高度调节台上，本生灯的气体入口连接橡胶管，在橡胶管的末端通过流量计与气体钢瓶的出口阀门相连，通过阀门可调节气体流量。
[0008]进一步地，所述的实验隧道是由透明玻璃钢制成的中间为长方体型，两端呈喇叭状的隧道。在距实验隧道端口的3/4处的前、后面和顶部中心线上分别开有直径为1cm的圆形风速测量窗口，供风速仪测量实时风速。距实验隧道端口的4/5处的前、后两面分别开有5个等距排列的边长为5cm的正方形烟气测量窗口，供烟气分析仪的探头伸入，测量燃烧主要产物的含量。
[0009]进一步地，所述的风量调节面板是一个组件，包括手柄、活动调节板、活动调节板中心孔、扇形进风口、固定调节板、扇形出风口和固定调节板中心孔，其中，活动调节板与固定调节板通过活动调节板中心孔和固定调节板中心孔安装在同一轴上的方式组合在一起，且相互紧贴。固定调节板以螺栓相连方式固定在实验隧道入口端法兰处，通过转动活动调节板上的手柄，调节固定调节板与活动调节板间的扇形风口重叠面积，从而控制进风口与出风口的相对开度，进而控制风量的大小。
[0010]进一步地，所述的风速均匀分布面板是在一块隔板上，开设有3行5列圆形通风孔，以保证进入实验隧道的风速分布均匀，其隔板的截面形状为正方形。
[0011]进一步地，所述的本生灯是一个组件，它包括灯架、灯筒、空气调节环、气体入口。
[0012]进一步地，所述装置的基本操作过程是:将橡胶管连接到本生灯的气体入口上，先把空气调节环转为全闭状态；微开气体钢瓶的阀门使可燃气流入本生灯，同时转动空气调节环让少量新鲜空气进入本生灯，然后燃烧点燃本生灯，并依据实验要求，调节阀门和空气调节环使火焰高度达到设定高度；将燃烧着的本生灯放在高度调节台上，并使火焰经圆形火焰口进入实验隧道直管段内，调节高度调节台的高度，使本生灯的火焰最底部与实验隧道的底面在一个水平面上。开启风机，转动手柄，使实验隧道直管段内的风速达到实验设定值，或开启引风机，转动手柄，使实验隧道直管段内的风速达到设定值；启动全部测量仪表，用数码相机记录火焰的外形、用温度计和烟气分析仪记录实验隧道内烟气的温度、02、CO、C02、NO、NOx等的浓度、用风速仪记录烟气的流速、用流量计记录燃气的流量；通过调节阀门和空气调节环并与转动手柄配合，以实现不同燃烧功率、火焰高度、外界风速下的实验工况。在实验完毕后，先把空气调节环关上，再关掉气体钢瓶的阀门，拔出橡胶管。
[0013]其中，所述的风机以法兰连接的方式装在实验隧道入口端管道上，引风机以法兰连接的方式装在实验隧道出口端管道上，实验时可以按需选择是否拆卸。
[0014]其中，所述的橡胶管以活套连接的方式连接于气体入口和气体钢瓶之间。
[0015]其中，所述的风速均匀分布面板焊接在实验隧道入口端喇叭状变径管道的中间截面处，与风量调节面板共同完成对风量的调节，并使风以均匀方式流入实验隧道直管段内。
[0016]实验时，使用风机时需将引风机拆下，而使用引风机时需将风机拆下，风机提供的风速分布截面是呈抛物线形的，引风机提供的风速分布是均匀的，因此可以研究两种不同种类的风速对火焰传播及稳定性的影响。
[0017]实验时，本生灯的火焰大小及高度均可按需调节，燃气与空气的比例可通过调节气体钢瓶的阀门的开度，或者空气调节环的开度来控制。实验装置上设置有多种接口或测量窗口，供相应仪表对各种实验研究条件下的空气流量、风速以及烟气成分等各物理量进行测量。
[0018]本发明与现有实验装置相比，其有益的显著效果如下:
1、本发明实验装置研究成本低，结构简单，操作方便，控制灵活，实验现象易于观察，进行研究所得数据真实可靠。
[0019]2、与传统的火焰实验装置相比，本实验装置可进行外界风速与火源点具有一定相对速度条件下，火焰传播特征及其稳定性实验，为研究火焰结构和燃烧特征，以及分析火焰的传播特征和稳定性提供实验基础。
[0020]
【附图说明】
[0021]图1为本发明用于研究外界风速对火焰传播及稳定性影响的装置结构主视图。
[0022]图2为本发明用于研究外界风速对火焰传播及稳定性影响的装置结构俯视图。
[0023]图3为本生灯的结构示意图。
[0024]图4为风速均匀分布面板的结构图。
[0025]图5a、图5b为风量调节面板的结构图。
[0026]图中:1_风机；2_风量调节面板；3_风速均匀分布面板；4_实验隧道；
5-风速测量窗口 ；6_烟气测量窗口 ；7_引风机；8_支架；9_本生灯；10_高度调节台；11-橡胶管；12_流量计；13_阀门；14_气体钢瓶；15_圆形火焰口 ；16_灯架；17_灯筒；18-空气调节环；19-气体入口 ；20_圆形通风孔；21_隔板；22_手柄；23_活动调节板；24-活动调节板中心孔；25-扇形进风口 ；26_固定调节板；27-扇形出风口 ；28_固定调节板中心孔。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和实施例对发明作进一步的描述:
请参阅图1和图2本发明装置的结构流程图主视图和俯视图所示，一种用于研究外界风速对火焰传播及稳定性影响的装置结构主视图，包括风