阅读说明：本技术 一种液体燃料燃烧工况参数测量装置及方法 (Device and method for measuring combustion condition parameters of liquid fuel ) 是由 代华明 张冰倩 朱惠薇 王欣怡 于 2020-04-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种液体燃料燃烧工况参数测量装置及方法,多孔介质燃烧器包括由上至下依次设置的燃料喷射腔、多孔介质气化区、预混观察室、多孔介质防回火区、多孔介质燃烧区、产物收集室以及设置在两侧的隔热的保温层；在液体燃料中通过示踪粒子发生器加入示踪粒子利用PIV测试仪监测示踪粒子的变化,纹影仪用于捕捉液体燃料气化时瞬态图像；高速摄影仪用于拍摄多孔介质燃烧器内液体气化时刻画面和完全燃烧时刻的火焰面。本发明采用纹影仪和PIV技术及时捕捉液体燃料与空气两个气流场混合状态,记录液体燃料气化时刻,同时利用高速摄影仪拍摄火焰面,记录液体燃料完全燃烧时刻,有助于对液体燃料工况极限尤其是气化速率和完全燃烧速率的研究。(The invention discloses a device and a method for measuring combustion condition parameters of liquid fuel, wherein a porous medium combustor comprises a fuel injection cavity, a porous medium gasification region, a premixing observation chamber, a porous medium tempering prevention region, a porous medium combustion region, a product collection chamber and heat insulation layers arranged on two sides, wherein the fuel injection cavity, the porous medium gasification region, the premixing observation chamber, the porous medium tempering prevention region, the porous medium combustion region, the product collection chamber and the heat insulation layers are sequentially arranged from top to bottom; adding trace particles into the liquid fuel through a trace particle generator, monitoring the change of the trace particles by using a PIV (particle image velocimetry) tester, wherein the schlieren instrument is used for capturing transient images during the gasification of the liquid fuel; the high-speed camera is used for shooting a picture of liquid gasification time and a flame surface at complete combustion time in the porous medium combustor. The method adopts the schlieren instrument and the PIV technology to capture the mixing state of the liquid fuel and the air flow field in time, records the gasification time of the liquid fuel, simultaneously utilizes the high-speed camera to shoot the flame surface, records the complete combustion time of the liquid fuel, and is beneficial to the research on the working condition limit of the liquid fuel, particularly the gasification rate and the complete combustion rate.)

一种液体燃料燃烧工况参数测量装置及方法

技术领域

本发明涉及液体燃料燃烧技术领域，具体而言，涉及一种液体燃料燃烧工况参数测量装置及方法。

背景技术

目前对液体燃料燃烧技术进展观察表明，多孔介质燃烧器在工业燃烧增强液体传热应用中，具有很大的发展前景。与传统的明火燃烧器系统相比，多孔介质燃烧器具有燃烧密度高，燃料燃烧完全，一氧化碳和氮氧化物排放低，结构紧凑，热通量相对较高且均匀，可以热循环燃烧特性等优点。此外多孔介质燃烧器由于再生燃烧特性从而可以增强雾滴蒸发，在传统燃烧系统中由于气体热导率很低，并且较少参与辐射，对流换热是主要传热方式；而在多孔介质燃烧中，由于多孔介质内表面积增加，不仅对流换热效果得到改善，还增加了导热换热和辐射换热两种换热方式，保持多孔介质燃烧器内温度趋于均匀，有助于液体燃料在气化区的预热，从而提高燃烧效率。

目前世界约85％的一次能源需求依赖于化石燃料(煤、石油和天然气)，其中石油(约38％)占主导地位，预测估计，这一趋势在未来20年内不会发生实质性变化。随着人类对全球变暖认识提高，为了控制影响环境和健康问题的污染物的排放，从而加强对某些能源使用管制。液体燃料在发电和运输中发挥着重要角色，但是液体燃料的实际燃烧现象是复杂的，其中气化速率决定了传热强度和燃烧强度，若液体燃料燃烧中不及时气化可能会对燃烧效率造成影响，所以想要提高液体燃料气化速率首先要准确地计算出气化速率；其次，液体燃料完全燃烧速率决定了污染物排放量，提高液体燃料的完全燃烧速率可以降低污染物产量。由于液体燃料燃烧的特点,使得传统的燃烧技术对计算液体燃料气化速率方面存在较大困难。

发明内容

本发明的目的是针对上述现状问题，提供了一种系统及方法简单，操作便捷，结构紧凑的多孔介质液体燃烧火焰面测定装置及其方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案，一种液体燃料燃烧工况参数测量装置，包括多孔介质燃烧器、PIV测试仪、纹影仪和高速摄影仪；其中，

所述多孔介质燃烧器包括由上至下依次设置的燃料喷射腔、多孔介质气化区、预混观察室、多孔介质防回火区、多孔介质燃烧区、产物收集室以及设置在两侧的隔热的保温层；

所述PIV测试仪和纹影仪分别设置在所述预混观察室两侧，在液体燃料中通过示踪粒子发生器加入示踪粒子利用所述PIV测试仪监测示踪粒子的变化，纹影仪用于捕捉液体燃料气化时瞬态图像；

所述高速摄影仪用于拍摄多孔介质燃烧器内液体气化时刻画面和完全燃烧时刻火焰面。

进一步，还包括温度监测系统，所述温度监测系统包括分布设置在所述多孔介质燃烧器各个区域内的多个热电偶，多个所述热电偶通过温度采集卡采集所述多孔介质燃烧器内各区域温度用于验证修正液体燃料发生气化时刻和完全燃烧产生火焰面的时刻。

进一步，还包括燃油喷射系统，所述燃油喷射系统包括依次连接的储油罐、示踪粒子发生器和燃油喷射器，燃油从储油罐中流出，由控制阀控制液体，保证每次液体的质量保持均匀，流经示踪粒子发生器与液体流量计通过燃油喷射器喷射到燃料喷射腔内。

进一步，还包括空气进气系统，所述空气进气系统包括依次连接接入多孔介质燃烧器的空气压缩机和可燃气体储存罐、所述可燃气体储存罐连接控制阀后和空气压缩机的管道连接后依次连接常压空气干燥器、控制阀、质量流量计和进气管，所述进气管伸入预混观察室内，经过高能点火器点燃可燃气体，实现燃烧对多孔介质燃烧器进行预热。

进一步，所述多孔介质燃烧器壁面采用石英玻璃材质，多孔介质燃烧器中多孔介质气化区和多孔介质防回火区均采用3～5mm陶瓷小球，多孔介质燃烧区采用10～13mm陶瓷小球，为了更好地拍摄火焰面也可以采用透明材质的耐高温堆积小球。

进一步，所述产物收集室内设有烟气分析仪，所述烟气分析仪分析燃烧产物，记录污染物质量。

本发明还提供一种液体燃料燃烧工况参数测量方法，包括如下步骤：

步骤S1.对多孔介质燃烧器进行预热；

步骤S2.预热完成后，燃油喷射系统向燃料喷射腔内喷射带有示踪粒子的液体燃料；

步骤S3.多孔介质气化区的高速摄影机捕捉液体燃料气化画面，判断液体燃料在多孔介质气化区是否发生气化；

步骤S4.启动高能点火器，燃料在预混观察室内与空气混合，PIV测试仪监测示踪粒子得出示踪粒子瞬态速度发生变化时间段；验-同时找出该时间段纹影仪监测气化画面做验证，缩小液体燃料气化时间范围，得出液体燃料气化面发生时刻，记录在该时刻一定流量的液体燃料在此流速下完成完全气化所用时间，，计算气化速率，判断该气化速率是否高效；

步骤S5.液体燃料气化后与空气充分混合后经过多孔介质防回火区到达多孔介质燃烧区，在此区域燃烧时高速摄影仪捕捉火焰面，通过各个方位的摄影仪捕捉画面，通过各方位高速摄影仪捕捉到火焰面时刻取出产生火焰面时间段，抵消火焰传播不均匀导致的不合理；

步骤S6.通过液体燃料完全燃烧时理论上温度和热电偶采集温度对比找出该液体燃料完全燃烧时间段，，进一步缩小范围修正完全燃烧时产生火焰面时刻，如果二者误差较大则可以通过调整多孔介质燃烧区内耐高温小球孔径大小提高液体燃料完全燃烧速率；

步骤S7.最后通过烟气分析仪分析燃烧产物，记录污染物质量。

进一步，所述步骤S1中，打开可燃气体储存罐通入一定量可燃气体和空气混合，打开高能点火器点燃可燃气体，实现燃烧对多孔介质燃烧器进行预热，可燃气体燃烧完全后停止通入空气。

进一步，所述步骤S4中，PIV测试仪监测示踪粒子可计算出示踪粒子的瞬态速度，得出示踪粒子瞬态速度发生变化时间段，同时找出该时间段纹影仪监测气化画面做验证，对应观察所有纹影仪监测的画面，得出完全发生气化时对应的画面发生的时刻，缩小液体燃料气化时间范围，得出液体燃料气化面发生时刻，计算出当前温度下液体燃料完全气化速率，找出气化面发生时刻对应区域内热电偶采集到的温度，与液体燃料当前温度范围内理论气化速率做对比，判断该气化速率是否高效。

进一步，所述步骤S6中，根据对应液体燃料完全燃烧时对应的理论温度范围找到多孔介质燃烧区内热电偶检测到该温度范围发生的时间段范围，如通过高速摄像头捕捉到火焰面的时间段与通过热电偶监测温度对应的时间段差异较大，通过调整多孔介质燃烧区内耐高温小球孔径大小调整燃烧器结构提高液体燃料完全燃烧效率，如差异较小，取重叠时间段进一步缩小范围修正火焰面产生时刻。

与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：

1、采用从上往下燃烧的多孔介质燃烧方式，充分利用液体在重力作用下往下流的特性，实现高浓度燃气与空气的预混合，拓宽贫燃极限，在多孔介质燃烧区内温度分布更均匀。

2、利用可燃气体对多孔介质燃烧器提前预热，可以提高液体燃料在多孔介质气化区的气化效率。

3、在液体燃料中加入示踪粒子，利用PIV技术捕捉液体的气化火焰面和纹影仪监测的画面做对比，修正液体气化速率。

4、通过多个高速摄影仪拍摄画面，确定各个火焰平均位置来确定火焰面传播位置，抵消火焰传播不均匀导致的不合理性，同时结合热电偶采集的温度，火焰面位置，使得计算出的工况极限包括气化速率更加精确，有助于判断气化速率对液体燃料的燃烧影响，由此通过控制液体燃料流速达到最佳气化速率，提高燃烧效率。

5、该设计有助于对不同液体燃料燃烧时火焰稳定性的研究，从而计算出该状态下的工况极限，利用调整多孔介质内部结构提高液体燃料气化速率和完全燃烧效率，也对防止燃烧时火焰脱火回火控制提供了一种方法。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图中：1-计算机，2-温度采集卡，3-高速摄影仪，4-纹影仪，5-高能点火器，6-烟气分析仪，7-保温层，8-热电偶，9-燃料喷射腔，10-燃油喷射器，11-液体流量计，12-多孔介质气化区，13-预混观察室，14-进气管，15-质量流量计，16-多孔介质防回火区，17-多孔介质燃烧区，18-产物收集室，19-示踪粒子发生器，20-控制阀，21-数据采集仪，22-PIV测试仪，23-常压空气干燥器，24-储油罐，25-可燃气体储存罐，26-空气压缩机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

如图1所示，本申请提供一种液体燃料燃烧工况参数测量装置，包括多孔介质燃烧器、PIV测试仪22、纹影仪4和高速摄影仪3；其中，

多孔介质燃烧器包括由上至下依次设置的燃料喷射腔9、多孔介质气化区12、预混观察室13、多孔介质防回火区16、多孔介质燃烧区17、产物收集室18以及设置在两侧的隔热的保温层7；

PIV测试仪22和纹影仪4分别设置在所述预混观察室13两侧，在液体燃料中通过示踪粒子发生器19加入示踪粒子利用所述PIV测试仪22监测示踪粒子的变化，纹影仪4用于捕捉液体燃料气化时瞬态图像；

高速摄影仪3用于拍摄多孔介质燃烧器内液体气化时刻画面和完全燃烧时刻火焰面。

在上述实施例中，高速摄影仪3布置在多孔介质气化区12和多孔介质燃烧区17两个部位，四周可根据情况布置4～8个，确保拍摄到各个方位的画面，在高速摄影仪3镜头加上滤片。利用高速摄影仪3拍摄多孔介质燃烧器内液体气化的画面，在预混观察室13旁设置纹影仪4以及在液体中加入示踪粒子利用PIV测试仪22监测气流混合状态，纹影仪4拍摄液体燃料发生气化的画面。产物收集室18还设有烟气分析仪6，对燃烧产物的成分进行分析，记录污染物质量。

进一步优选的实施例中，还包括温度监测系统，所述温度监测系统包括分布设置在所述多孔介质燃烧器各个区域内的多个热电偶8，多个所述热电偶8通过温度采集卡2采集所述多孔介质燃烧器内各区域温度用于验证修正液体燃料发生气化时刻和完全燃烧产生火焰面的时刻。

在上述实施例中，热电偶8可分别监测到多孔介质燃烧器中各区域对应的不同时刻的温度值，与PIV测试仪22和绘影仪配合使用，为PIV测试仪22和绘影仪提供温度和时刻相互验证,PIV为粒子成像测速。上述实施例中，PIV测试仪22、绘影仪、热电偶和温度采集卡2以及高速摄影仪3均将数据和画面传输至计算机1中进行处理，PIV测试仪22连接数据采集仪21。

进一步优选的实施例中，还包括燃油喷射系统，所述燃油喷射系统包括依次连接的储油罐24、示踪粒子发生器19和燃油喷射器10，燃油从储油罐24中流出，由控制阀20控制液体，保证每次液体的质量保持均匀，流经示踪粒子发生器19与液体流量计11通过燃油喷射器10喷射到燃料喷射腔9内。

在上述实施例中，燃油喷射器10选用针阀型喷射器；示踪粒子发生器19中的示踪粒子采用3-5微米的Al₂O₃粒子，PIV测试仪22通过测量上述示踪粒子在已知很短时间间隔内的位移来间接地测量流场的瞬态速度分布，示踪粒子的运动能够真实地反映流场的运动状态具备了单点测量技术的精度和分辨率，又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像，可在同一时刻记录下整个流场的有关信息，并且可分别给出平均速度、脉动速度及应变率等，同时它还是一种非接触式的测量方法。

进一步优选的实施例中，还包括空气进气系统，所述空气进气系统包括依次连接接入多孔介质燃烧器的空气压缩机26和可燃气体储存罐25、所述可燃气体储存罐25连接控制阀20后和空气压缩机26的管道连接后依次连接常压空气干燥器23、控制阀20、质量流量计15和进气管14，所述进气管14伸入预混观察室13内，经过高能点火器5点燃可燃气体，实现燃烧对多孔介质燃烧器进行预热。

在上述实施例中，空气压缩机26分别在预热燃烧器阶段和液体燃料燃烧阶段提供氧气，经过控制阀20保证每次相同质量的空气喷入预混观察室13；在通入液体燃料前首先打开可燃气体储存罐25通入可燃气体，实现燃烧对多孔介质燃烧器进行预热。在给液体燃料燃烧阶段供气时，关闭可燃气体储存罐25。

进一步优选的实施例中，多孔介质燃烧器系统包括多孔介质燃烧器壁面采用石英玻璃材质；多孔介质气化区12采用耐高温陶瓷小球，多孔介质防回火区16采用3～5mm陶瓷小球，多孔介质燃烧区17采用耐高温陶瓷小球，为了更好地拍摄火焰面也可以采用透明材质的耐高温堆积小球。

本实施例中的多孔介质气化区12内堆积小球根据气化效果选择合适直径的小球，若气化效果好可以选择孔径较大的小球，减小液体燃料流动阻力，提高流速，若气化效果较差可以选择直径较小的小球，以实现充分预热。

为了更好的实现上述发明的目的，本发明还提供了一种使用上述测量装置的基于多孔介质燃烧器的液体燃料火焰面测定方法，包括以下步骤：

步骤S1.对多孔介质燃烧器进行预热，打开可燃气体储存罐25通入一定量可燃气体和空气混合，打开高能点火器5点燃可燃气体，实现燃烧对多孔介质燃烧器进行预热，可燃气体燃烧完全后停止通入空气；

步骤S2.预热完成后，燃油喷射系统向燃料喷射腔9内喷射带有示踪粒子的液体燃料；

步骤S3.多孔介质气化区12的高速摄影机捕捉液体燃料气化画面，判断液体燃料在多孔介质气化区12是否发生气化；

步骤S4.启动高能点火器5，燃料在预混观察室13内与空气混合，PIV测试仪22监测示踪粒子得出示踪粒子瞬态速度发生变化时间段；同时找出该时间段纹影仪4监测气化画面做验证，缩小液体燃料气化时间范围，得出液体燃料气化面发生时刻，记录在该时刻一定流量的液体燃料在此流速下完成完全气化所用时间，计算气化速率，判断该气化速率是否高效；

在上述步骤中，PIV测试仪22监测示踪粒子可计算出示踪粒子的瞬态速度，得出示踪粒子瞬态速度发生变化时间段，则找出该时间段纹影仪4监测气化画面做验证，对应观察所有纹影仪4监测的画面，得出完全发生气化时对应的画面发生的时刻，缩小液体燃料气化时间范围，得出液体燃料气化面发生时刻，记录在该时刻一定流量的液体燃料在此流速下完成完全气化所用时间，计算出气化速率，判断该气化速率是否高效。

在上述步骤中，PIV测试仪监测示踪粒子可计算出失踪粒子的瞬态速度，得出失踪粒子瞬态速度发生变化时间段，同时找出该时间段纹影仪监测气化画面做验证，对应观察所有纹影仪监测的画面，得出完全发生气化时对应的画面发生的时刻，缩小液体燃料气化时间范围，得出液体燃料气化面发生时刻，记录在该时刻一定流量的液体燃料在此流速下完成完全气化所用时间，计算出当前温度下液体燃料完全气化速率，找出气化面发生时刻对应区域内热电偶采集到的温度，与液体燃料当前温度范围内理论气化速率做对比，判断该气化速率是否高效。

步骤S5.液体燃料气化后与空气充分混合后经过多孔介质防回火区16到达多孔介质燃烧区17，在此区域燃烧时高速摄影仪3捕捉火焰面，通过各个方位的摄影仪捕捉画面，通过各方位高速摄影仪捕捉到火焰面时刻取出产生火焰面时间段，抵消火焰传播不均匀导致的不合理；

步骤S6.通过液体燃料完全燃烧时理论上温度和热电偶8采集温度对比找出该液体燃料完全燃烧时间段，，进一步缩小范围修正完全燃烧时产生火焰面的时刻，如果二者误差较大则可以通过调整多孔介质燃烧区17内耐高温小球孔径大小提高液体燃料完全燃烧速率；

在上述步骤中，根据对应液体燃料完全燃烧时对应的理论温度范围找到多孔介质燃烧区内热电偶检测到该温度范围发生的时间段范围，，如通过高速摄像头捕捉到火焰面的时间段与通过热电偶监测温度对应的时间段差异较大，通过调整多孔介质燃烧区内耐高温小球孔径大小调整燃烧器结构提高液体燃料完全燃烧效率，如差异较小，取重叠时间段进一步缩小范围修正火焰面产生时刻。步骤S7.最后通过烟气分析仪6分析燃烧产物，记录污染物质量。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。