《建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)綜合實驗》 教案 3-47火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊姆椒皟x器、系統(tǒng)

火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊姆椒皟x器、系統(tǒng)靜力法1）管子法靜力法中最直觀的方法是常用的管子法，如REF_Ref18038\h圖1所示。測量時，用電影攝影機拍攝下火焰面移動的照片，依據(jù)膠片走動的速度和影與實物的轉(zhuǎn)換比例，可算出可見火焰?zhèn)鞑ニ俣萐v。在這種情況下，底片上留下的是傾斜的跡印，根據(jù)傾斜角可以確定任何瞬間的火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n。圖1用靜力法（管子法）測量Sn1—玻璃管；2—閥門；3—火花點火器；4—裝有惰性氣體的容器由于燃燒時氣流的紊動，焰面通常不是一個垂直于管子軸線的平面，而是一個曲面。設F為火焰表面積，f為管子截面積，可得 Svf=SnSv>Sn管徑越大，紊動越強烈，焰面彎曲度越大，Sv與Sn的差值也越大。2）皂泡法將已知成分的可燃均勻混合氣注入皂泡中，點燃中心部分的可燃均勻混合氣，形成的火焰面能自由傳播（氣體可自由膨脹），在不同時間間隔出現(xiàn)半徑不同的球狀火焰面。用光學方法測量皂泡起始半徑和膨脹后的半徑，以及相應焰面之間的時間間隔。即可計算出火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n。這種方法的缺點是肥皂液蒸發(fā)對混合氣濕度的影響。某些碳氫燃料對皂泡膜的滲透性、皂泡球狀焰面的曲率變化以及湍流脈動等因素，都會給測量結(jié)果帶來誤差。另一種類似的方法是球形炸彈法。球彈中可燃混合氣點燃后火焰擴散時其內(nèi)部壓力逐步升高，根據(jù)記錄的壓力變化和球狀焰面的尺寸，可算得火焰?zhèn)鞑ニ俣?。動力?）本生火焰法本生火焰由內(nèi)錐和外錐兩層焰面組成，內(nèi)錐面由燃氣與預先混合的空氣進行燃燒反應而形成的，靜止的內(nèi)錐焰面說明了內(nèi)錐表面上各點的Sn（指向錐體內(nèi)部）與該點氣流的法向分速度vn是平衡的。因此，測出vn，即可得到Sn，如REF_Ref18397\h圖2所示。內(nèi)錐面上每一點的速度存在以下關系 Sn=vcosφ式中S——某點的法向火焰?zhèn)鞑ニ俣?，cm/s；v——該點的氣流速度，cm/s；vn——該點氣流速度的法向分速度，cm/sφ——氣流速度與焰面法線之間的夾角，°。實際上內(nèi)焰并非是一個幾何正維體，焰面各點上的Sn也并不相等。但為了得到比較簡單的計算公式，可假定焰面上Sn值不變，內(nèi)焰為幾何正維體，這樣便可測得層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊钠骄?、且具有足夠的準確性。當混合氣出流穩(wěn)定時，按連續(xù)方程有 ρ0F0vm式中F0——燃燒器出口截面積，m2vm——燃氣-空氣混合物在燃燒器出口處的平均流速，m/sSn——平均層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，cm/sFf——火焰的內(nèi)錐表面積，m2設內(nèi)錐為一底半徑為r、高度為h的正錐體，通過測量得到氣體流量L和火焰內(nèi)錐高度h，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n Sn=Lg+式中Lg——燃氣流量，m3/sLa——空氣流量，m3/s測量系統(tǒng)如REF_Ref18430\h圖3所示，燃氣與空氣分別經(jīng)過氣體流量計進入燃燒管，根據(jù)燃氣與空氣的流量以及燃氣的理論空氣量可以算出一次空氣系數(shù)α?？烧{(diào)節(jié)空氣閥或燃氣閥得到不同的α值。圖2本生火焰示意圖圖3火焰高度測量系統(tǒng)圖1—內(nèi)錐面；2—外錐面1—燃氣閥；2—氣體流量計；3—燃燒管；4—空氣閥；5—測高儀；6—成分分析儀或熱量計2）平面火焰法如REF_Ref19256\h圖4所示，Powling燃燒器和Mache-Hebra噴嘴可提供平面和盤狀火焰，此類火焰的面積比較容易精確測量?？扇季鶆蚧旌蠚膺M入直徑較大的圓管、通過裝在管口的多孔板或蜂窩格及整流網(wǎng)等形成出口平面處速度的均勻分布。點燃混合氣，即可在管口下游一定位置形成一平面火焰。管口四周用惰性氣體將火焰包圍，用以限定火焰面的大小。只要準確測得火焰平面的面積和混合氣流量，即可求得層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋⊿n=Lmix/Ff）。此法的優(yōu)點是火焰的發(fā)光區(qū)、濃度梯度最大處等都重疊在同一平面上，因而用不同方法測量結(jié)果是一致的。氣流速度（即火焰?zhèn)鞑ニ俣龋┮部捎妙w粒示蹤法或激光測速法測量。此法的缺點是：（1）為得到真正的平板火焰，蜂窩狀的整流網(wǎng)必須裝在離火焰很近的地方，距火焰只有8~15mm，整流網(wǎng)可以達到200℃，并且把氣流也加熱，因此造成一定的誤差。（2）從穩(wěn)定的平板火焰的施利爾攝影照片上可以看出，燒嘴的出口處流線有輕微的偏斜，如不加以校正，也會引起誤差。圖4Powling燃燒器燃燒原理圖這種方法只適于測量5~9cm/s范圍內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，可用來測量和研究接近著火濃度極限的可燃混合物的火焰?zhèn)鞑ニ俣?。如果用此法測量較高的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋€需要再加一個多孔板來穩(wěn)定火焰。這會使測試條件復雜化，并引入一系列誤差。其他方法1）顆粒示蹤法測量火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊年P鍵在于準確地測量可燃混合氣體流速與火焰的形狀?？梢圆捎檬├麪枖z影法輔助顆粒示蹤進行測量。顆粒示蹤法就是在可燃混合氣中摻入既能閃光、又不會引起化學反應的細小物質(zhì)顆粒，并連續(xù)加以頻閃照射。對頻閃照射的粒子進行拍攝，據(jù)此確定氣流的流線譜。根據(jù)示蹤間歇的距離和頻閃速度，計算出顆粒在氣流中的運動速度。示蹤顆粒運動是與氣體質(zhì)點運動同步的，顆粒速度即代表該處氣流速度。用攝影方法來確定火焰錐頂半角值（火焰形狀），如施利爾攝影法。一般說來，任何使光線在一個較小面積上發(fā)生不規(guī)則偏射的因素都可以稱為施利爾。這種因素可能是由于厚度的改變，也可能是因為密度的變化。施利爾攝影法還可以用簡單的實驗來說明。在點光源與屏幕之間放置一塊質(zhì)量不均勻的玻璃片、這樣在屏幕上就會出現(xiàn)一些亮度不同的區(qū)域（亮區(qū)與暗區(qū)）。應當指出，只有暗區(qū)才處于從點光源到不均勻體之間所連的直線上，而亮區(qū)卻受到其他區(qū)域中偏射過來的光線的照射，所以很難在亮區(qū)和產(chǎn)生亮區(qū)的不均勻體之間建立聯(lián)系。典型的施利爾攝影系統(tǒng)如圖5所示。將強度很大的點光源1聚集到一個狹縫2上，狹縫位于透鏡3的焦平面中。透鏡3'與3之間為平行光。需要研究的火焰位于3'與3的平行光中。在透鏡3的集平面中，安置刀口5、刀口的平面與狹縫的像平行。沿著K方向移動刀口。由于衍射等現(xiàn)象的關系，當?shù)犊诖┻^光焦點（彌散圓）時，光線不是一瞬間就消失，而是沿著整個圖形逐漸地并且均勻地變暗，最后消失。當火焰存在不均勻性時，光線的一部分會偏斜，在刀口上面通過，并在屏幕7上形成一個不均勻的像。用這種方法看到的是沿著刀口邊緣方向走的光線，為了把整個不均勻區(qū)的情況都記錄下來，需要將刀口轉(zhuǎn)90°。圖5施利爾攝影系統(tǒng)圖1—點光源；2—狹縫；3—透鏡；4——火焰（施利爾）；5—刀口；6—透鏡；7—屏幕透鏡的質(zhì)量要求很高，必須是消色差的，否則必須利用單色光作光源。施利爾攝影比一般攝影的優(yōu)點是：曝光時間短（通?？梢杂?0-3s的速度拍照）、所以用它可拍到一般攝影不能拍到的瞬時火焰照片。用施利爾攝影法確定火焰前沿面較為實際。從燃燒管流出的氣流速度場比較復雜，測速較麻煩且會引起各種誤差。如果在燃燒管的出口加一個漸縮燃燒管頭部，就能得到均勻的出口氣流速度場。在這種條件下，只需測一個速度值。另外，火焰維邊緣是一條直線，用攝影法可以很容易測出火焰錐頂半角值、進而求得火焰?zhèn)鞑ニ俣萐。該方法過于復雜，不適于作為經(jīng)常使用的S測量方法。但該法證實了S為一物理常數(shù)。2）激光測速法激光測速的基本原理和操作方法詳見本書第3.5.4章節(jié)。③根據(jù)成分計算法。在沒有條件直接測量燃氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r、也可以通過燃氣成分分析，先測出燃氣中各成分的體積分數(shù)×，然后根據(jù)各單一成分的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，再算出混合燃氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?Sn=Sn，式中S