流動顯示作業(yè)

1、董文杰 SA13013004 流動顯示作業(yè)紋影技術(shù)原理及應(yīng)用(一) 問題：燃燒火焰的結(jié)構(gòu)觀測方法：紋影法燃燒過程非常復(fù)雜，直到今日，仍然有大批的科學(xué)家研究燃燒過程。在研究中發(fā)現(xiàn)，燃燒物濃度，可燃比等等均對燃燒有著巨大的影響，如何實(shí)現(xiàn)著火，火焰穩(wěn)定依舊沒有研究透徹。在整個研究中，實(shí)驗(yàn)觀測非常重要，它不僅讓我們發(fā)現(xiàn)新問題，也指導(dǎo)了理論的發(fā)展，同時為驗(yàn)證理論提供了可能。(二) 相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研紋影技術(shù)在燃燒測量的應(yīng)用主要集中在火焰鋒面的顯示等方面通過火焰鋒面位置的光線受到火焰鋒面的密度劇變的影響，由蓋斯定律可知，光線會在火焰鋒面位置產(chǎn)生較大的偏折，使用切割光闌切割光線，使得透過火焰鋒面的光照強(qiáng)度發(fā)生明顯

2、變化，觀察拍攝到紋影圖像，就可以記錄下冷的反應(yīng)物和熱的燃燒產(chǎn)物之間的界面，從而提供了一條探測火焰鋒面的傳播和冷的反應(yīng)物與熱的燃燒產(chǎn)物之問的混合及混合氣團(tuán)的燃燒的途徑。紋影圖像顯示的結(jié)果用來分析在不同工作條件下燃燒器內(nèi)的復(fù)雜的流場結(jié)構(gòu)，如紊流區(qū)的特征，剪切漩渦的產(chǎn)生、脫落和發(fā)展過程等；也可以用來為確定在哪些區(qū)域需要進(jìn)行定量的速度測量提供依據(jù)。但是普通的光源并不能在火焰的觀察測量中用來作為紋影光源，因?yàn)榛鹧娴淖园l(fā)光會影響到光照強(qiáng)度的量化。因此，使用紋影技術(shù)觀察測量火焰一般要使用激光光源，最好選用與火焰光譜區(qū)別較大的氬離子激光器或銅蒸汽激光器等做紋影光源。同因?yàn)榛鹧娴慕Y(jié)構(gòu)特性變化極快，在觀察測量火焰

3、時，紋影技術(shù)常常結(jié)合高速攝像系統(tǒng)一起使用，從而能夠觀察火焰的瞬態(tài)變化。在國內(nèi)，東南大學(xué)張欣剛博士【1】將紋影技術(shù)使用在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室預(yù)混燃燒自激不穩(wěn)定性的研究上。實(shí)驗(yàn)使用高速攝像紋影系統(tǒng)記錄了由于燃燒自激振蕩產(chǎn)生的火焰運(yùn)動，如圖2-1所示，試驗(yàn)驗(yàn)證了燃燒產(chǎn)生自激振蕩時，壓力振動的頻率和熱釋放的頻率是一致的，證實(shí)了瑞利判據(jù)中壓力振動頻率和熱釋放率的頻率相同的假設(shè)。圖2-1 脈動火焰紋影圖楊藝等【2】使用紋影技術(shù)獲得了瓦斯爆炸的紋影圖，并根據(jù)紋影圖案對瓦斯爆炸哦分形特征進(jìn)行了研究。陳元迪等【3】采用紋影攝影技術(shù)和高速攝影法結(jié)合觀察分析了氫氣和空氣預(yù)混合燃料在定容燃燒室內(nèi)的火花點(diǎn)火燃燒過程，揭示了預(yù)

4、混合氫氣燃料在定容燃燒室內(nèi)燃燒時火焰初期紊流產(chǎn)生的機(jī)理，以及由開始的層流狀火焰發(fā)展到湍流狀火焰的過程。如圖2-2所示：圖2-2 氫氣燃燒紋影照片安新亮等【4】應(yīng)用高速紋影法對汽油機(jī)燃燒過程進(jìn)行研究，使用紋影結(jié)果來分析空燃比和負(fù)荷對汽油機(jī)火焰?zhèn)鞑ニ俣燃盎鹧嫘螒B(tài)的影響。王冬等【5】使用紋影顯示的方法研究超高聲速燃燒室中氣泡霧化對超燃性能的促進(jìn)作用。陳東梁【6】利用高速紋影攝像等技術(shù)探討了密閉管道內(nèi)不同當(dāng)量比的甲烷空氣預(yù)混氣體火焰的傳播特征已經(jīng)產(chǎn)生的Tulip火焰結(jié)構(gòu)，如圖2-3所示：圖2-3 甲烷含量8(左)和10時火焰?zhèn)鞑ジ咚偌y影照片西安交大黃佐華等【7】使用紋影技術(shù)研究總結(jié)了在不同壓力和溫度情

5、況下，各種氣體的預(yù)混火焰的燃燒特性。如圖2-4所示：圖2-4 化學(xué)當(dāng)量比為1時各種溫度壓力下的火焰紋影圖像在國外，紋影技術(shù)也在各種燃燒火焰的觀察測量中得到廣泛應(yīng)用，前期，karlovitz等【8】大量使用紋影技術(shù)來觀察層流和湍流火焰結(jié)構(gòu)，對揭示湍流火焰的內(nèi)部漩渦形態(tài)等的研究起了極大的促進(jìn)作用。Jhon Pareja等【9】研結(jié)合使用Particle Image Velocimetry(PIV)技術(shù)和紋影技術(shù)綜合觀察本生燈火焰，精確的測量了氫氣和空氣預(yù)混火焰的燃燒速度，其層流火焰紋影圖像如圖2-5所示：圖2-5 化學(xué)當(dāng)量比為1(左)和0.6(右)的氫氣空氣預(yù)混火焰紋影照片國外紋影技術(shù)的應(yīng)用不僅是

6、觀察火焰的形態(tài)結(jié)構(gòu)，而且還是通過紋影技術(shù)開始進(jìn)行定量的火焰測量，并發(fā)展起來了干涉紋影技術(shù)、彩色紋影技術(shù)、背景紋影技術(shù)等多種更適合進(jìn)行定量分析的紋影技術(shù)，同時，紋影技術(shù)也和濾波反投影技術(shù)結(jié)合起來，開始實(shí)行測量場的三維重建，以獲得更為全面精確的數(shù)據(jù)。如使用干涉紋影和傳統(tǒng)紋影技術(shù)對對稱火焰三維溫度場進(jìn)行測量分析已經(jīng)得到實(shí)現(xiàn)【10】。圖2-6至圖2-8為彩色紋影技術(shù)測量火焰溫度試驗(yàn)圖。圖2-6 彩色紋影技術(shù)火焰溫度場測量裝置圖2-7 火焰直攝照片片(左)和彩色紋影照片圖2-8 用彩色紋影技術(shù)的火焰溫度場重建結(jié)果然而大量使用透鏡和切割光闌的紋影技術(shù)在火焰的三維重建應(yīng)用中存在著固有的缺陷，因?yàn)檫@些設(shè)備不可

7、能大量復(fù)制，使得同時獲得多個方向的投影變得極為困難，這也是目前的紋影技術(shù)一般也只用在軸對稱的火焰溫度場測量試驗(yàn)中的原因。(三) 紋影法原理及設(shè)計1) 原理圖3-1 雙透鏡紋影儀的原理圖y 圖3-2 定量示意圖如圖3-2，若經(jīng)過測試段(x，y)處的入射光線，因受干擾偏轉(zhuǎn)角；在經(jīng)過透鏡L2時雖然仍成像于記錄平面內(nèi)的A點(diǎn)，但在刀口延伸方向上與未擾動光線相比，產(chǎn)生了a的位移。光線偏轉(zhuǎn)角很小，而透鏡焦距又遠(yuǎn)大于其半徑，則可得以下各式: 物距和像距之間的關(guān)系前式變?yōu)樗裕河纱丝傻茫赫?fù)號表示刀口的位置經(jīng)過測試段中每一點(diǎn)的光線均來自光源的所有部分，在刀口處形成光源像，不均勻的折射率造成在刀口被遮擋的大小不等

8、，從而在觀察屏上各測試點(diǎn)的像有明暗不同。通常，光源是矩形，設(shè)高度為as，寬度為bs，以as×bs表示。若測試段無干擾，透鏡L2右焦點(diǎn)處的光源像，如下圖3-3所示，尺寸為 a0×b0。圖3-3像尺寸(a0×b0)與光源尺寸(as×bs)有關(guān)系： 上式中，f1和f2是透鏡L1和L2焦距。若光線被干擾，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從（x, y)點(diǎn)來的光線，在刀口處的 （光源子像）上移a。則記錄平面內(nèi)A點(diǎn)的照度將按比例增加為：若將光強(qiáng)的相對變化稱為對比度，并用Rc表示，可按下式計算：可見，紋影儀是通過檢測光線通過受擾動氣流產(chǎn)生的角偏轉(zhuǎn)來顯示氣流折射率場的。其檢測偏轉(zhuǎn)角的數(shù)量級為1

9、0-6到10-3弧度。圖3-2中刀口僅檢測y方向的偏轉(zhuǎn)角。如果要檢測x方向的偏轉(zhuǎn)角，那么刀口必須旋轉(zhuǎn)90。將偏轉(zhuǎn)角與折射率的關(guān)系代入上式，可以得到：或減小ak可提高對比度，因此光源通常為長條形，高度方向與待測梯度方向垂直。對二維場，折射率導(dǎo)數(shù)沿光線傳播方向是常數(shù)，則上式變成：或?qū)τ诙S密度場：或?qū)τ诙S溫度場或2) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計實(shí)用光路布置如圖3-4圖3-4 實(shí)用光路布置實(shí)驗(yàn)中，我們將燃燒火焰放置在實(shí)驗(yàn)測試段，使用CCD攝像機(jī)記錄光強(qiáng)。(四) 實(shí)驗(yàn)分析方法首先，從紋影圖中可以直接觀察火焰的形態(tài)結(jié)構(gòu)。在火焰面上溫度最高，溫度梯度最大，此時反映在紋影圖上為該處最亮或最暗。其次，CCD攝像機(jī)記錄的光強(qiáng)精

10、度較高時，我們可以定量計算流場的折射率，進(jìn)而計算密度場和溫度場。(五) 文獻(xiàn)1 張欣剛?cè)細(xì)廨啓C(jī)燃燒室預(yù)混燃燒自激不穩(wěn)定性的研究【D】東南大學(xué)博士論文，2007：35362 楊藝，何學(xué)秋，劉建章，王從銀瓦斯爆燃火焰內(nèi)部流場分形特性研究【J】爆炸與沖擊，2004，24(1)：30363 陳元迪，池田大志，三輪惠用光學(xué)紋影攝影術(shù)觀察分析定容燃燒室內(nèi)氫燃料的燃燒過程【J】內(nèi)燃機(jī)學(xué)報，2001，19(5)：429-4324 安新亮，何旭，王麗雯，王建聽?wèi)?yīng)用高速紋影法對汽油機(jī)燃燒過程的研究【J】。內(nèi)燃機(jī)學(xué)報，2007，28(2)：1-55 王冬，俞剛煤油射流在超聲速燃燒室中的實(shí)驗(yàn)研究【J】實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2

11、005，19(2)：11-13.6 陳東梁，孫金華，劉義，馬曄風(fēng)，韓學(xué)斌甲烷空氣預(yù)混氣體火焰的傳播特征【J】 爆炸與沖擊，2008，28(5)：3853907 Gong J，Jin C，Huang ZH，et a1Study on Laminar Burning Characteristics of Premixed High-Octane Fuel-Air Mixtures at Elevated Pressures and TemperaturesJEnergy and Fuels，2010，24：965-9728 Karlovitz B，Denniston DW，Knapschaefer DH，et a1Studies on Turbulent flamesC/Fourth Symposium on CombustionProceedings of the Combustion InstituteCambridge，Massachusetts，19539 Pareja J，Burbano HJ，Ogami Y，et a1Measurements of the laminar burning velocity of hydrogen-air premixed flamesJInternational Journal of Hydrogen Energy，20