流动显示作业.docx

纹影技术原理及应用问题：燃烧火焰的结构观测方法：纹影法燃烧过程非常复杂，直到今日，仍然有大批的科学家研究燃烧过程。在研究中发现，燃烧物浓度，可燃比等等均对燃烧有着巨大的影响，如何实现着火，火焰稳定依旧没有研究透彻。在整个研究中，实验观测非常重要，它不仅让我们发现新问题，也指导了理论的发展，同时为验证理论提供了可能。相关文献调研纹影技术在燃烧测量的应用主要集中在火焰锋面的显示等方面．通过火焰锋面位置的光线受到火焰锋面的密度剧变的影响，由盖斯定律可知，光线会在火焰锋面位置产生较大的偏折，使用切割光阑切割光线，使得透过火焰锋面的光照强度发生明显变化，观察拍摄到纹影图像，就可以记录下冷的反应物和热的燃烧产物之间的界面，从而提供了一条探测火焰锋面的传播和冷的反应物与热的燃烧产物之问的混合及混合气团的燃烧的途径。纹影图像显示的结果用来分析在不同工作条件下燃烧器内的复杂的流场结构，如紊流区的特征，剪切漩涡的产生、脱落和发展过程等；也可以用来为确定在哪些区域需要进行定量的速度测量提供依据。但是普通的光源并不能在火焰的观察测量中用来作为纹影光源，因为火焰的自发光会影响到光照强度的量化。因此，使用纹影技术观察测量火焰一般要使用激光光源，最好选用与火焰光谱区别较大的氩离子激光器或铜蒸汽激光器等做纹影光源。同因为火焰的结构特性变化极快，在观察测量火焰时，纹影技术常常结合高速摄像系统一起使用，从而能够观察火焰的瞬态变化。在国内，东南大学张欣刚博士【1】将纹影技术使用在燃气轮机燃烧室预混燃烧自激不稳定性的研究上。实验使用高速摄像纹影系统记录了由于燃烧自激振荡产生的火焰运动，如图2-1所示，试验验证了燃烧产生自激振荡时，压力振动的频率和热释放的频率是一致的，证实了瑞利判据中压力振动频率和热释放率的频率相同的假设。图2-1 脉动火焰纹影图杨艺等【2】使用纹影技术获得了瓦斯爆炸的纹影图，并根据纹影图案对瓦斯爆炸哦分形特征进行了研究。陈元迪等【3】采用纹影摄影技术和高速摄影法结合观察分析了氢气和空气预混合燃料在定容燃烧室内的火花点火燃烧过程，揭示了预混合氢气燃料在定容燃烧室内燃烧时火焰初期紊流产生的机理，以及由开始的层流状火焰发展到湍流状火焰的过程。如图2-2所示：图2-2 氢气燃烧纹影照片安新亮等【4】应用高速纹影法对汽油机燃烧过程进行研究，使用纹影结果来分析空燃比和负荷对汽油机火焰传播速度及火焰形态的影响。王冬等【5】使用纹影显示的方法研究超高声速燃烧室中气泡雾化对超燃性能的促进作用。陈东梁【6】利用高速纹影摄像等技术探讨了密闭管道内不同当量比的甲烷／空气预混气体火焰的传播特征已经产生的Tulip火焰结构，如图2-3所示：图2-3 甲烷含量8％(左)和10％时火焰传播高速纹影照片西安交大黄佐华等【7】使用纹影技术研究总结了在不同压力和温度情况下，各种气体的预混火焰的燃烧特性。如图2-4所示：图2-4 化学当量比为1时各种温度压力下的火焰纹影图像在国外，纹影技术也在各种燃烧火焰的观察测量中得到广泛应用，前期，karlovitz等【8】大量使用纹影技术来观察层流和湍流火焰结构，对揭示湍流火焰的内部漩涡形态等的研究起了极大的促进作用。JhonPareja等【9】研结合使用ParticleImageVelocimetry(PIV)技术和纹影技术综合观察本生灯火焰，精确的测量了氢气和空气预混火焰的燃烧速度，其层流火焰纹影图像如图2-5所示：图2-5 化学当量比为1(左)和0.6(右)的氢气空气预混火焰纹影照片国外纹影技术的应用不仅是观察火焰的形态结构，而且还是通过纹影技术开始进行定量的火焰测量，并发展起来了干涉纹影技术、彩色纹影技术、背景纹影技术等多种更适合进行定量分析的纹影技术，同时，纹影技术也和滤波反投影技术结合起来，开始实行测量场的三维重建，以获得更为全面精确的数据。如使用干涉纹影和传统纹影技术对对称火焰三维温度场进行测量分析已经得到实现【10】。图2-6至图2-8为彩色纹影技术测量火焰温度试验图。图2-6 彩色纹影技术火焰温度场测量装置图2-7 火焰直摄照片片(左)和彩色纹影照片图2-8 用彩色纹影技术的火焰温度场重建结果然而大量使用透镜和切割光阑的纹影技术在火焰的三维重建应用中存在着固有的缺陷，因为这些设备不可能大量复制，使得同时获得多个方向的投影变得极为困难，这也是目前的纹影技术一般也只用在轴对称的火焰温度场测量试验中的原因。纹影法原理及设计原理图3-1 双透镜纹影仪的原理图图3-2 定量示意图如图3-2，若经过测试段(x，y)处的入射光线，因受干扰偏转角；在经过透镜L2时虽然仍成像于记录平面内的Aˊ点，但在刀口延伸方向上与未扰动光线相比，产生了a的位移。光线偏转角很小，而透镜焦距又远大于其半径，则可得以下各式:物距和像距之间的关系前式变为所以：由此可得：