CN104568367A - 一种基于piv 技术测量燃气燃烧器炉内冷态流场的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于PIV技术测量燃气燃烧器炉内冷态流场的试验装置，包括加热炉冷态模型、气路***、示踪粒子播散装置和PIV测试***；本发明基于PIV技术测量燃气燃烧器炉内冷态流场的试验装置通过集成加热炉冷态模型、气路***、示踪粒子播散装置及PIV成像及图像处理器，既避免了传统接触式测量手段对实际流动的扰动，又避免了单点测量无法实现对流场大面积测量的缺点，能够精确、迅速地测定燃烧室内燃气燃烧器产生的气流运动特性。通过图像处理器对PIV测量的烟雾示踪粒子原始图像进行自相关和时均化处理，得到时平均速度矢量图，从而分析流场分布。

Description

一种基于PIV 技术测量燃气燃烧器炉内冷态流场的试验装置

技术领域

本发明涉及一种基于PIV 技术的试验装置，具体涉及一种基于PIV 技术测量燃气燃烧器炉内冷态流场的试验装置。

背景技术

PIV（粒子图像测速）技术是一种非接触流场测量技术，通过对流场图像的互相关分析获取流速信息，能够进行平面二维流场、空间三维流场的高分辨率和高精度的测试。作为研究各种复杂流场的基本手段，PIV技术已经广泛应用于水动力实验、空气动力实验的流场测量中。从定常到非定常、低速到高速、单相到多相，在同一时刻记录整个平面的有关定量信息，从而获得流动的瞬时速度场、脉动速度场和涡量场等。

加热炉是石油化工、冶金等工业中常用的加热设备，其炉内流场的分布直接关系到炉内火焰形貌、温度分布。好的流速分布使炉内火焰刚劲有力、不发飘、不舔管，不好的流速分布则相反。因此，炉内流场本质上决定了加热炉能否长周期安全稳定运转。炉***流与混合特性还影响着燃料燃烧与污染物的形成，湍流涡结构对火焰特性和燃烧效率有较大影响。尽管与热态试验存在一定差距，但冷态试验仍在一定程度上揭示了火嘴射流流动、炉内湍流，及其可能对燃烧和污染物形成产生的影响。冷态试验可以在现场进行，也可以通过相似模化在实验室采用先进技术实施。

冷态模型试验要保证模型和原型燃烧器产生的流场相似，这样模型试验观察到的流场分布才能对原型燃烧器的调节和改进具有指导意义。考虑到流场的“自模性”，即当流场的雷诺数Re处在小于某一特定值（称为“第一临界雷诺数”）的层流区域或大于某一特定值（称为“第二临界雷诺数”）的湍流区时，不同Re状态下的流动彼此相似，这两个区域分别称为第一自模化区和第二自模化区。因此只要保证模型和原型的Re处在同一自模化区，Re的大小不同也能保证流场相似。

在第二自模化区内，以Δp/ρω ²表示的欧拉准数Eu与雷诺准数Re无关，即

虽然，国内外对工业炉流场的研究较多，取得了一定成果，但是目前的研究仍有局限：

1）传统的接触式单点测量方法，如：毕托管、五孔探针及热线风速仪等。这些方法只能进行单点测量，且接触流场会对实际流动产生干扰。此外，当流场内流动速度变化较大或有漩涡出现时，传统的测量方法很难实现对流场的准确测量。

2）激光多普勒测速（LDV）技术。虽然LDV是一种高精度、快响应的非接触测量手段，但其仍是单点测试技术，无法像PIV技术那样获得瞬态速度全场信息。

3）计算流体力学数值模拟方法。随着计算机性能的提升和计算流体力学的发展，数值模拟越来越多的应用在流场分析和新型产品的设计上。然而，数值模拟结果建立在各种简化条件和假设模型基础上，计算结果的可靠性和准确性一直受到质疑。

尽管PIV技术已经广泛应用，但国内却鲜有用PIV技术测量加热炉燃气燃烧器冷态流场的报道，且考虑到燃气燃烧器及炉膛的结构特点，无法完全借鉴其它领域的PIV测量装置。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，基于PIV技术建立了燃气燃烧器炉内冷态流场测量装置，该装置配备空压机、流量计、控制阀、缓冲罐、燃烧器、透明燃烧室等设备，以及由脉冲激光器、跨帧CCD相机、烟雾发生器等组成的PIV测试***。该测量装置既能避免接触式测量手段对实际流动的扰动，又能实现对目标区域的二维流场的瞬时速度进行测量。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于PIV 技术测量燃气燃烧器炉内冷态流场的试验装置，包括加热炉冷态模型、气路***、示踪粒子播散装置和PIV测试***；

所述加热炉冷态模型包括燃烧器、透明燃烧室和排烟管，所述燃烧器的一端与透明燃烧室连接，透明燃烧室的上部与排烟管连接； 

所述气路***包括空压机、燃气管和空气管，燃气管和空气管的一端均与燃烧器的另一端连接，燃气管和空气管的另一端均与空压机连接，并且燃气管和空气管上均设有第一控制阀和流量计；

所述示踪粒子播散装置包括烟雾发生器、缓冲罐，所述缓冲罐的进料口分别与烟雾发生器和空压机连接，其出料口与燃气管和空气管连接，缓冲罐与空压机之间以及缓冲罐与燃气管和空气管之间均设有第二控制阀；

所述PIV测试***包括脉冲激光器、跨帧CCD相机、同步控制器和主控制器，

主控制器控制脉冲激光器、同步控制器和跨帧CCD相机工作，同步控制器控制脉冲激光器和跨帧CCD相机的同步工作；脉冲激光器发出的片光源通过燃烧器的轴心面，跨帧CCD相机的轴线垂直于该平面并将采集到的图像输出至主控制器，主控制器对接收到的图像进行处理。 

烟雾发生器产生的烟雾示踪粒子具有较好的流动跟随性和光学散射性，作为本发明气相场的示踪粒子较适合。为得到连续均匀的示踪粒子，烟雾发生器产生的烟雾粒子在缓冲罐与载气混合均匀后，根据需要可通入空气管或燃气管。缓冲罐载气由空压机供给，由控制阀控制流量。

所述空气管由一次风管和二次风管组成，所述缓冲罐的出料口与一次风管连接；用来测量现有技术中含有一次风和二次风燃烧器的炉内冷态流场。

所述燃烧器的轴心面与燃烧室的中心面重合；测量时，保证两束片光照射在同一测量平面，使片光能够在足够远距离实现远场重合良好的效果。

所述燃烧器为扩散式燃烧器。

所述第一控制阀和第二控制阀均为球阀或闸阀。

所述流量计为玻璃转子流量计。

所述透明燃烧室为长方体，使得脉冲激光器发出的片光源通过燃烧器的轴心面时，跨帧CCD相机更容易拍摄到所需的图像。

所述燃气管、空气管、一次风管和二次风管均采用伸缩通风软管。

本发明基于PIV技术测量燃气燃烧器炉内冷态流场的试验装置通过集成加热炉冷态模型、气路***、示踪粒子播散装置及PIV成像及图像处理器，既避免了传统接触式测量手段对实际流动的扰动，又避免了单点测量无法实现对流场大面积测量的缺点，能够精确、迅速地测定燃烧室内燃气燃烧器产生的气流运动特性。通过图像处理器对PIV测量的烟雾示踪粒子原始图像进行自相关和时均化处理，得到时平均速度矢量图，从而分析流场分布。

附图说明

图1为本发明实施例1的试验装置结构示意图；

图2为本发明实施例2的试验装置结构示意图；

图3为本发明实施例2的燃烧器结构示意图；

图4为本发明实施例2第二自模化区欧拉准数与雷诺准数的关系示意图；

图5为本发明实施例2工况1条件下时均速度云图；

图6为本发明实施例2工况2条件下时均速度云图。

其中：1-流量计，2-燃烧器，3-第一控制阀，4--燃气管，5-空压机，6-第二控制阀，7-烟雾发生器， 8-缓冲罐， 9-空气管， 10-烟雾示踪粒子，11-跨帧CCD相机， 12-透明燃烧室，13-排烟管，14-片光源， 15-脉冲激光器， 16-主控制器，17-同步控制器，18-一次风管，19-二次风管，20-燃气喷枪。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

本发明采用的燃烧器为现有的，如可以是扩散式燃烧器，现有技术中普遍采用两种燃烧器，一种是不带一次风和二次风的燃烧器，另一种是包含一次风和二次风的燃烧器，本发明通过实施例1和实施例2对这两种燃烧器分别阐述。

实施例1

按照本发明设计的试验装置，以某在役空气分级燃气燃烧器为原型，以1：4（模型：原型）比例用有机玻璃加工成模型燃烧器，搭建测量模型燃烧器在长方体燃烧室内形成速度场的具体试验装置。本实施例依据用等温介质模拟非等温过程的原则来设计，主要研究不同喷嘴结构对流场形状的影响。

参见图1，本实施例的试验装置，包括加热炉冷态模型、气路***、示踪粒子播散装置和PIV测试***。所述加热炉冷态模型包括燃烧器2、透明燃烧室12和排烟管13，燃烧器2的一端与透明燃烧室12连接，透明燃烧室12的上部与排烟管13连接。上述透明燃烧室为长方体，长方体的尺寸为500 × 500 × 790 mm。上述气路***包括空压机5、燃气管4和空气管9，燃气管4和空气管9的一端均与燃烧器2的另一端连接，燃气管4和空气管9的另一端均与空压机5连接，并且燃气管4和空气管9上均设有第一控制阀3和流量计1。上述示踪粒子播散装置包括烟雾发生器7、缓冲罐8，所述缓冲罐8的进料口分别与烟雾发生器7和空压机5连接，其出料口与燃气管4和空气管9连接，缓冲罐8与空压机5之间以及缓冲罐8与燃气管4和空气管9之间均设有第二控制阀6。上述PIV测试***包括脉冲激光器15、跨帧CCD相机11、同步控制器17和主控制器16，主控制器16控制脉冲激光器15、同步控制器17和跨帧CCD相机11工作，同步控制器17控制脉冲激光器15和跨帧CCD相机11的同步工作；脉冲激光器15发出的片光源14通过燃烧器2的轴心面，跨帧CCD相机11的轴线垂直于该平面并将采集到的图像输出至主控制器16，主控制器16对接收到的图像进行处理，对烟雾示踪粒子10的原始图像进行自相关和时均化处理，得到时平均速度矢量图，从而分析流场分布。

上述燃烧器的轴心面与燃烧室的中心面重合。

上述第一控制阀和第二控制阀均为球阀或闸阀。

上述流量计为玻璃转子流量计。

上述燃气管、空气管、一次风管和二次风管均采用伸缩通风软管。

实施例2

参见图2，本实施例中的装置与实施例1中的基本相同，唯一不同的是采用二次风管19、一次风管18代替实施例1中的空气管，缓冲罐8的出料口与一次风管18连接。该试验装置中，其燃烧器结构参见图3，二次风管19、一次风管18和燃气管4同轴嵌套并且与燃气喷枪20同轴设计，尺寸分别为Φ160 × 7.5 mm、Φ100 × 7.5 mm、Φ20 × 3 mm。透明燃烧室长方体部分的尺寸为500 × 500 × 790 mm。

现场原型燃烧器二次风管、一次风管和燃气喷枪内的雷诺数Re分别为1.64 × 10⁴、2.42 × 10⁴、4.21 × 10⁴。一般而言，典型炉膛进入第二自模化区的入口Re不小于10⁴即可。显然，燃烧器原型产生的流场处在第二自模化区。由于模型燃气体积流量仅为总流量4.2%，因此燃气对燃烧器整体流动状态的影响可以忽略。本实施例对模型装置一次风和二次风的欧拉准数Eu与雷诺准数Re的关系进行了测定，结果如图4所示。由图4可知，本实施例的工况处在第二自模化区。

本发明所述的主控制器可以采用计算机和现有的软件来实现。本发明所述的PIV测试***也可以采用现有的PIV***来实现，PIV测试***中的主控制器相当于PIV***中带有Dynamic Studio软件的计算机。

以下对本发明采用安装有Dynamic Studio软件（Dantec公司PIV装置配套软件）的计算机的具体试验过程详述如下：

将PIV***中的跨帧CCD相机、计算机、同步控制器、双谐振脉冲激光器按照PIV***的要求连接好。把跨帧CCD相机盖盖上，打开双谐振脉冲激光器，调节激光强弱，使两束片光的亮度相近，调整片光到燃烧器的轴心面，并使片光能够在足够远距离实现远场重合良好的效果，以保证两束片光照射在同一测量平面。在片光平面中放入标定板，关闭激光，打开相机盖，摘掉相机滤光镜，并使相机正对标定板。运行Dynamic Studio软件，新建一个Database切换到采集模式，在“Free Run”模式下调焦，使相机尽可能清楚的拍摄到标定板上的圆斑；选择单帧拍摄模式，采集5张图像，单击Acquire按钮采集图像，此时用自然光拍摄，激光器设为内触发。切换到Acquire Data菜单栏，将图像存储为标定数据，在所得图片上单击右键，选择Measure Scale Factor，分别拖动图像中的A和B到两个圆斑的圆心处，选择Absolute Distance，输入A到B的距离，完成试验尺寸标定。把跨帧CCD相机移动至正对正对燃烧器轴线，调整到所需的高度。

PIV的测试原理用公式表示为：

式中，v _x 和v _y 是示踪粒子沿x和y方向的瞬时速度，Δt为测量的双曝光时间间隔。

Dynamic Studio软件将所得的图像分成许多很小的区域（称为查询区），使用自相关或互相关统计技术求解查询区内示踪粒子的位移，设定脉冲时间间隔，即可求得粒子的速度矢量。本实施例中，跨帧CCD相机像素为1344 × 1024 pixel，设置查询区大小为32 × 32 pixel，而拍摄图像区域的实际尺寸是52 × 30 mm，所以查询区在竖直方向的高度Δh为：

双曝光时间间隔选取的原则就是要求在两脉冲时间间隔的位移应不大于1/4的查询区，即：

式中，U _max为测量区内速度估计的最大值，本实施例中最大估算流速为6 m/s，因此双曝光时间间隔不能大于39 μs，本实施例中设置为20 μs。

开启空压机，待空压机启动稳定后，调整燃气管上的球阀或闸阀使燃气风达到17.7 m³/h的流量，调整一次风管和二次风管上的球阀或闸阀使一次风达到70.4 m³/h的流量，二次风达到155.5 m³/h的流量。开启烟雾发生器，使其处在预热状态。5 min后，将烟雾通入缓冲罐，把缓冲罐与燃气管和空气管之间设置的球阀或闸阀开至最大，烟雾管道***一次风管。

设置拍摄频率2 Hz，每次拍摄150幅图像对，采用Double Frame模式，激光拍摄，在CCD相机前加装滤镜，单击Acquire开始采集，同时将缓冲罐与空压机之间的球阀或闸阀迅速打开。根据图像质量调节缓冲罐与空压机之间的球阀或闸阀的开度和激光强度，直至获得合格的图像。

通过软件Dynamic Studio的Adaptive Correlation和Moving Average Validation功能进行计算，得到瞬时速度矢量图，然后经过Average Filter对所有图像进行时均化处理，得到时均速度矢量图。表1中实施例2的工况1和工况2的时均速度矢量图见图5和图6。由图5和图6可以清晰地看出不同喷嘴结构下的流场分布，由此可见，本发明可以很好地完成对燃烧器流场的测量。

Claims (8)

1.一种基于PIV 技术测量燃气燃烧器炉内冷态流场的试验装置，其特征在于包括加热炉冷态模型、气路***、示踪粒子播散装置和PIV测试***；

所述加热炉冷态模型包括燃烧器、透明燃烧室和排烟管，所述燃烧器的一端与透明燃烧室连接，透明燃烧室的上部与排烟管连接； 

所述气路***包括空压机、燃气管和空气管，燃气管和空气管的一端均与燃烧器的另一端连接，燃气管和空气管的另一端均与空压机连接，并且燃气管和空气管上均设有第一控制阀和流量计；

所述示踪粒子播散装置包括烟雾发生器、缓冲罐，所述缓冲罐的进料口分别与烟雾发生器和空压机连接，其出料口与燃气管和空气管连接，缓冲罐与空压机之间以及缓冲罐与燃气管和空气管之间均设有第二控制阀；

所述PIV测试***包括脉冲激光器、跨帧CCD相机、同步控制器和主控制器，

主控制器控制脉冲激光器、同步控制器和跨帧CCD相机工作，同步控制器控制脉冲激光器和跨帧CCD相机的同步工作；脉冲激光器发出的片光源通过燃烧器的轴心面，跨帧CCD相机的轴线垂直于该平面并将采集到的图像输出至主控制器，主控制器对接收到的图像进行处理。 

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于所述空气管由一次风管和二次风管组成，所述缓冲罐的出料口与一次风管连接。

3.根据权利要求1或2所述的试验装置，其特征在于所述燃烧器的轴心面与燃烧室的中心面重合。

4.根据权利要求1或2所述的试验装置，其特征在于所述燃烧器为扩散式燃烧器。

5.根据权利要求1或2所述的试验装置，其特征在于所述第一控制阀和第二控制阀均为球阀或闸阀。

6.根据权利要求1或2所述的试验装置，其特征在于所述流量计为玻璃转子流量计。

7.根据权利要求1或2所述的试验装置，其特征在于所述透明燃烧室为长方体。

8.根据权利要求1或2所述的试验装置，其特征在于所述燃气管、空气管、一次风管和二次风管均采用伸缩通风软管。