甲烷和空气层流扩散火焰测量

背景

       涡旋与火焰的相互作用在许多实际燃烧应用中起到关键作用。这种相互作用形成了理解在浮力主导下自然摆动的扩散火焰的基础。由于浮力引起的流动不稳定性,这些火焰表现出自然摆动,这导致了强烈旋涡运动的形成,漩涡运动随后与火焰的燃烧区域相互作用。在正常重力条件下,火焰具有明确定义的振荡频率,其与燃烧器直径D的平方根成反比,并且良好的近似可写为f»1.5 /D½,其中D以米为单位给出。更好地理解摆动的火焰行为有望改善目前对湍流燃烧系统的理解,因为可以使用更广泛的局部条件来表征在湍流火焰中更占优势的火焰-流动相互作用。

       自然发生的摆动火焰难以通过实验研究,因为即使摆动频率被很好地定义,也存在循环到循环的变化。这些变化导致空间和时间平均,导致分辨率的损失,因为通常不可能在单个循环期间记录整个火焰中的局部实验测量值。然而,已经发现,通过在接近自然振荡频率的频率下声学地迫使燃料流动,可以产生重复性非常好的时变扩散火焰。这种火焰可以通过重复的相位平均测量来表征。

       在过去的几年中,已经报道了在国家标准与技术研究所(NIST)最初开发的用于稳定层流火焰研究的改进燃烧器上关于声学强制摆动火焰的大量研究。已经报道的相分辨测量包括OH,CO和多环芳烃的激光诱导荧光成像,火焰发光度,烟灰散射,消光,使用激光诱导白炽(LII)的烟灰场表征,沿着火焰线的温度测量使用时间分辨的细丝高温测定,红外可调谐二极管激光测量一氧化碳,并表征火焰内的局部烟灰形态。

 

测量初衷

       尽管NIST燃烧器上的时变火焰的实验表征非常广泛,但数据集的主要限制是到目前为止还没有相应的速度场或甚至初始流动条件的实验测量。为了满足这种需要,PIV测量是在复制的燃烧器上进行的,这里显示了这种测量的一些结果。更多信息可以在本应用笔记末尾提供的参考资料中找到。

 

 

实验装置和方法

整个流场的速度数据

结果:火焰可视化

       PIV系统用作成像工具,捕获待研究的10个阶段的发光火焰。在镜头前使用Schott BG-12滤光片来过滤火焰辐射。动画显示火焰成像的结果,用于实时观测在其周期内的强摆动情况。

数据采集

示踪粒子

-1.5mm的Al2O3

-双示踪粒子:燃料和并流

-用来控制示踪粒子密度的旁路

测量区域

-垂直直径的平面(中心平面)

-40mm2的观测区

-燃烧器垂直移动以测量两个火焰等级,相距35mm

定时

-由可变脉冲发生器控制的相位触发(10ms间隔)

-激光脉冲之间0.6ms的延迟

-以5Hz的频率获取相位锁定记录

每个相位下采样

-4个采样脉冲(脉冲串),外部触发

-每个脉冲采集18个样本(共72个样本)

互相关

-64×64像素解调区域(全场)

-32×32像素解调区域(出口流形)

-50%重叠

图1.轴对称CH4空气扩散火焰PIV测量的实验装置,这些火焰被声学激励并锁相到以10Hz工作的函数发生器的正弦输出。

燃烧器

燃料管

-161mm长,首尾相连

-直径11.1mm

-在共流环上方延伸4 mm,在气室中延伸6 mm

-无流动条件

共流环

-直径101mm

-100mm高

-流动条件

-玻璃珠,细筛网,25.4mm厚的陶瓷,具有1.5mm2的蜂窝状格子

集气室

-直径152.5mm,32mm高

隔膜

-1mm厚

扬声器

-标准8英尺

火焰特征

燃料

-甲烷,引入气室

-固定流率:0.452L/min

-平均冷流速度:77.7mm/s

并流

-空气,房屋供应

-固定流量:38L/min

-平均速度:79mm/s

激发

-数字频率发生器的信号

-10Hz正弦波

-幅度设定产生:

  0.75V(弱扰动情况)

  1.50V(强烈扰动的情况)

  相当于扬声器的峰峰值

相位锁定

函数发生器输出触发,数字变量延迟脉冲发生器,PIV处理器

PIV系统结构

光源

- 两个200 mJ Nd3 +:ag激光(双腔配置,带光束组合光学)

- 脉冲频率:15 Hz,8 ns

- 光发射:绿色,l = 532nm

- 片材成形光学系统1mm厚

录制设备

-互相关CCD相机

-1008×1018像素的分辨率

-带通滤波器,波长为532nm±15nm

-支持双帧模式

 光敏像素(图像捕捉)

 存储像素(第一张图像在1m内传输)

PIV处理器

-基于硬件

-使用FFT算法执行图像之间的互相关

 执行在线图像捕获和处理

-同步模块

  控制激光和相机的定时

  检查激光器Q开关激活信号的重合外    部触发,相位锁定

软件

-用于控制PIV处理器和测量的用户界面

-数据库管理

-结果的可视化

-原始矢量图的后处理

>验证>过滤

>推导>统计

图2 沿着燃烧器中心线的中等摆动幅度火焰的相位平均PIV结果的速度大小和流线图。

图3.沿着燃烧器中心线的强烈摆动幅度火焰的相位平均PIV结果的速度大小和流线图

出口速度状态

图4.燃烧器出口附近的速度曲线(z»0.3 mm):上面是在中等摆动幅度条件下;下面是在强烈的摆动幅度条件下

图5.从燃烧管出口处集成的相平均PIV曲线计算的整体出口速度

(注意,质量流量控制器的出口整体速度为0.0777 m / s)

结论

       使用PIV进行了声学强制甲烷-空气扩散火焰中心平面速度场的锁相测量。这些测量结果补充了此处考虑的两种火焰情况记录的其他锁相信息的现有数据库。结果证明了旋涡结构对这些火焰的动力学和拓扑结构的重要性。

 

参考文献

Papadopoulos, G., Bryant, R. A., Pitts, W. M., "Flow Characterization of Flickering Methane/Air Diffusion Flames using PIV," 5th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, Thessaloniki, Greece, Sept. 23-28, 200

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