《建筑环境与能源应用工程专业综合实验》 教案 3-47火焰传播速度的方法及仪器、系统

火焰传播速度的方法及仪器、系统静力法1）管子法静力法中最直观的方法是常用的管子法，如REF_Ref18038\h图1所示。测量时，用电影摄影机拍摄下火焰面移动的照片，依据胶片走动的速度和影与实物的转换比例，可算出可见火焰传播速度Sv。在这种情况下，底片上留下的是倾斜的迹印，根据倾斜角可以确定任何瞬间的火焰传播速度Sn。图1用静力法（管子法）测量Sn1—玻璃管；2—阀门；3—火花点火器；4—装有惰性气体的容器由于燃烧时气流的紊动，焰面通常不是一个垂直于管子轴线的平面，而是一个曲面。设F为火焰表面积，f为管子截面积，可得 Svf=SnSv>Sn管径越大，紊动越强烈，焰面弯曲度越大，Sv与Sn的差值也越大。2）皂泡法将已知成分的可燃均匀混合气注入皂泡中，点燃中心部分的可燃均匀混合气，形成的火焰面能自由传播（气体可自由膨胀），在不同时间间隔出现半径不同的球状火焰面。用光学方法测量皂泡起始半径和膨胀后的半径，以及相应焰面之间的时间间隔。即可计算出火焰传播速度Sn。这种方法的缺点是肥皂液蒸发对混合气湿度的影响。某些碳氢燃料对皂泡膜的渗透性、皂泡球状焰面的曲率变化以及湍流脉动等因素，都会给测量结果带来误差。另一种类似的方法是球形炸弹法。球弹中可燃混合气点燃后火焰扩散时其内部压力逐步升高，根据记录的压力变化和球状焰面的尺寸，可算得火焰传播速度。动力法1）本生火焰法本生火焰由内锥和外锥两层焰面组成，内锥面由燃气与预先混合的空气进行燃烧反应而形成的，静止的内锥焰面说明了内锥表面上各点的Sn（指向锥体内部）与该点气流的法向分速度vn是平衡的。因此，测出vn，即可得到Sn，如REF_Ref18397\h图2所示。内锥面上每一点的速度存在以下关系 Sn=vcosφ式中S——某点的法向火焰传播速度，cm/s；v——该点的气流速度，cm/s；vn——该点气流速度的法向分速度，cm/sφ——气流速度与焰面法线之间的夹角，°。实际上内焰并非是一个几何正维体，焰面各点上的Sn也并不相等。但为了得到比较简单的计算公式，可假定焰面上Sn值不变，内焰为几何正维体，这样便可测得层流火焰传播速度的平均值、且具有足够的准确性。当混合气出流稳定时，按连续方程有 ρ0F0vm式中F0——燃烧器出口截面积，m²vm——燃气-空气混合物在燃烧器出口处的平均流速，m/sSn——平均层流火焰传播速度，cm/sFf——火焰的内锥表面积，m²设内锥为一底半径为r、高度为h的正锥体，通过测量得到气体流量L和火焰内锥高度h，层流火焰传播速度Sn Sn=Lg+式中Lg——燃气流量，m³/sLa——空气流量，m³/s测量系统如REF_Ref18430\h图3所示，燃气与空气分别经过气体流量计进入燃烧管，根据燃气与空气的流量以及燃气的理论空气量可以算出一次空气系数α。可调节空气阀或燃气阀得到不同的α值。图2本生火焰示意图图3火焰高度测量系统图1—内锥面；2—外锥面1—燃气阀；2—气体流量计；3—燃烧管；4—空气阀；5—测高仪；6—成分分析仪或热量计2）平面火焰法如REF_Ref19256\h图4所示，Powling燃烧器和Mache-Hebra喷嘴可提供平面和盘状火焰，此类火焰的面积比较容易精确测量。可燃均匀混合气进入直径较大的圆管、通过装在管口的多孔板或蜂窝格及整流网等形成出口平面处速度的均匀分布。点燃混合气，即可在管口下游一定位置形成一平面火焰。管口四周用惰性气体将火焰包围，用以限定火焰面的大小。只要准确测得火焰平面的面积和混合气流量，即可求得层流火焰传播速度（Sn=Lmix/Ff）。此法的优点是火焰的发光区、浓度梯度最大处等都重叠在同一平面上，因而用不同方法测量结果是一致的。气流速度（即火焰传播速度）也可用颗粒示踪法或激光测速法测量。此法的缺点是：（1）为得到真正的平板火焰，蜂窝状的整流网必须装在离火焰很近的地方，距火焰只有8~15mm，整流网可以达到200℃，并且把气流也加热，因此造成一定的误差。（2）从稳定的平板火焰的施利尔摄影照片上可以看出，烧嘴的出口处流线有轻微的偏斜，如不加以校正，也会引起误差。图4Powling燃烧器燃烧原理图这种方法只适于测量5~9cm/s范围内的火焰传播速度，可用来测量和研究接近着火浓度极限的可燃混合物的火焰传播速度。如果用此法测量较高的火焰传播速度，还需要再加一个多孔板来稳定火焰。这会使测试条件复杂化，并引入一系列误差。其他方法1）颗粒示踪法测量火焰传播速度的关键在于准确地测量可燃混合气体流速与火焰的形状。可以采用施利尔摄影法辅助颗粒示踪进行测量。颗粒示踪法就是在可燃混合气中掺入既能闪光、又不会引起化学反应的细小物质颗粒，并连续加以频闪照射。对频闪照射的粒子进行拍摄，据此确定气流的流线谱。根据示踪间歇的距离和频闪速度，计算出颗粒在气流中的运动速度。示踪颗粒运动是与气体质点运动同步的，颗粒速度即代表该处气流速度。用摄影方法来确定火焰锥顶半角值（火焰形状），如施利尔摄影法。一般说来，任何使光线在一个较小面积上发生不规则偏射的因素都可以称为施利尔。这种因素可能是由于厚度的改变，也可能是因为密度的变化。施利尔摄影法还可以用简单的实验来说明。在点光源与屏幕之间放置一块质量不均匀的玻璃片、这样在屏幕上就会出现一些亮度不同的区域（亮区与暗区）。应当指出，只有暗区才处于从点光源到不均匀体之间所连的直线上，而亮区却受到其他区域中偏射过来的光线的照射，所以很难在亮区和产生亮区的不均匀体之间建立联系。典型的施利尔摄影系统如图5所示。将强度很大的点光源1聚集到一个狭缝2上，狭缝位于透镜3的焦平面中。透镜3'与3之间为平行光。需要研究的火焰位于3'与3的平行光中。在透镜3的集平面中，安置刀口5、刀口的平面与狭缝的像平行。沿着K方向移动刀口。由于衍射等现象的关系，当刀口穿过光焦点（弥散圆）时，光线不是一瞬间就消失，而是沿着整个图形逐渐地并且均匀地变暗，最后消失。当火焰存在不均匀性时，光线的一部分会偏斜，在刀口上面通过，并在屏幕7上形成一个不均匀的像。用这种方法看到的是沿着刀口边缘方向走的光线，为了把整个不均匀区的情况都记录下来，需要将刀口转90°。图5施利尔摄影系统图1—点光源；2—狭缝；3—透镜；4——火焰（施利尔）；5—刀口；6—透镜；7—屏幕透镜的质量要求很高，必须是消色差的，否则必须利用单色光作光源。施利尔摄影比一般摄影的优点是：曝光时间短（通常可以用10-³s的速度拍照）、所以用它可拍到一般摄影不能拍到的瞬时火焰照片。用施利尔摄影法确定火焰前沿面较为实际。从燃烧管流出的气流速度场比较复杂，测速较麻烦且会引起各种误差。如果在燃烧管的出口加一个渐缩燃烧管头部，就能得到均匀的出口气流速度场。在这种条件下，只需测一个速度值。另外，火焰维边缘是一条直线，用摄影法可以很容易测出火焰锥顶半角值、进而求得火焰传播速度S。该方法过于复杂，不适于作为经常使用的S测量方法。但该法证实了S为一物理常数。2）激光测速法激光测速的基本原理和操作方法详见本书第3.5.4章节。③根据成分计算法。在没有条件直接测量燃气的火焰传播速度时、也可以通过燃气成分分析，先测出燃气中各成分的体积分数×，然后根据各单一成分的火焰传播速度，再算出混合燃气的火焰传播速度。 Sn=Sn，式中S