射流扩散碰撞火焰动态特性研究

Jet diffusion impinging flames have complicated hot gas flow field and chemical reactions. The investigation on impinging flame dynamics is meaningful to enhance the understanding of complex combustion phenomena, flame developing principles as well as improving combustion and heat transfer efficiency. In this study, a jet diffusion impinging flame will be established in the lab. The real flame structure will be obtained via high speed stereo imaging and 3D reconstruction techniques. Digital image processing methodology is applied to analyse flame dynamics systematically. Moreover, high speed schlieren imaging technique is used to observe the invisible hot gas flow. The relationship between visible flame dynamics and invisible hot gas flow properties is to be revealled.

射流扩散碰撞火焰伴随着复杂的热气体流动和化学反应，针对碰撞火焰动态特性的研究有利于加深对复杂燃烧现象的认识，明晰复杂流场下火焰的发展规律和机理，对于提高燃烧效率和壁面传热效率都有重要意义。本课题将在实验室搭建射流扩散碰撞火焰燃烧实验台，采用具有时空特性的高速三维成像和数字重建技术，对射流扩散碰撞火焰的三维结构进行定量化分析；在获得高速彩色图片的基础上，采用针对燃烧特性的图像处理技术，对碰撞火焰的动态特性进行系统研究；利用高速纹影成像技术，观察不可见热气体的流动状况，探求可见火焰动态发展特性和不可见热气体流动特性之间的内在联系。

课题执行三年来，根据项目任务书，设计和搭建了碰撞燃烧实验台。实验台包括一个自主设计加工的燃烧炉，一个高度可调的固体壁面装置，两台高精度气体流量计和气体燃料气瓶和管路等。根据实验需求，采购并调试了纹影成像系统。该系统包括一个点光源，两面直径为300 mm的抛物面镜，一个刀口调节装置和一台高速摄像机。通过测试，该系统可获得清晰的纹影图片。其次，对碰撞火焰的动态特性进行了一系列的实验测试。以甲烷燃料，获得了不同流动条件下点火过程的高速彩色图片和纹影图片。采用基于火焰颜色识别的图像处理技术，将点火初期的微弱蓝色火焰进行局部增强，从而可以更清晰的观察到火焰在点火过程中的发展变化；采用高速纹影成像，观察了点火过程中热气体的动态特性；利用三维重建和图像处理技术，对甲烷气体点火过程中的火焰三维结构进行了分析；利用分离出的蓝色火焰，获得点火过程中当量比的变化关系，并结合火焰在空间的结构发展，分析了火焰当量比变化的原因。