專利名稱：一種運(yùn)動火源火焰鋒面結(jié)構(gòu)的可視化測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及火焰鋒面測量裝置，屬實(shí)驗設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種運(yùn)動速度可調(diào)的運(yùn)動火源火焰鋒面結(jié)構(gòu)的可視化測量裝置及方法。
背景技術(shù)：
火焰鋒面(flame front)也稱作火焰前鋒，亦稱“火焰波前”、“火焰前沿”或“火焰波”。指在已點(diǎn)燃的可燃混合氣中，將燃燒產(chǎn)物與未燃混合氣相互隔開的薄層，是燃燒場中最關(guān)鍵的部分。為了深入了解火焰鋒面對放熱率、污染物生成和火焰穩(wěn)定性等的影響，需要研究其幾何特征以及運(yùn)動動態(tài)行為，這也是探索描述湍流火焰的必要方法。在研究火焰鋒面的幾何特征及其運(yùn)動動態(tài)行為的方法中，有火焰實(shí)驗、數(shù)值模擬和理論分析三大類。火焰鋒面的幾何特征及其運(yùn)動規(guī)律非常復(fù)雜、影響因素也較多，目前完全通過數(shù)值模擬和理論推導(dǎo)來進(jìn)行可視化研究還有一定的困難。因而，通過實(shí)驗的手段——火焰可視化實(shí)驗來探詢火焰鋒面的幾何特征及其運(yùn)動規(guī)律就顯得十分必要。近年來，國內(nèi)外對火焰鋒面相關(guān)科學(xué)問題的實(shí)驗研究開展了許多工作，曹紅加等人在《燃燒科學(xué)與技術(shù)》雜志的2010年第16卷第1期“聲波對V形預(yù)混火焰鋒面皺褶的影響”一文中對聲波擾動下V形預(yù)混火焰的鋒面皺褶進(jìn)行了動態(tài)分析，建立了聲波擾動V形預(yù)混火焰的實(shí)驗臺，通過精細(xì)熱電偶探測火焰鋒面皺褶的變化，測量了不同聲波擾動頻率下的V形預(yù)混火焰的鋒面皺褶。楊宏敏等人在《燃燒科學(xué)與技術(shù)》雜志的2002年第8卷第1 期“湍流預(yù)混對沖火焰結(jié)構(gòu)及熄火特性試驗研究” 一文中利用激光層析技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)對對沖方式下湍流預(yù)混火焰的結(jié)構(gòu)及熄火特性進(jìn)行了試驗研究，采用PIV方法測量了冷態(tài)對沖面附近的速度場，獲得了速度應(yīng)變率作為衡量流場對鋒面燃燒影響的參數(shù)。還有人提出了采用甲烷-空氣混合物，在半封閉的管道內(nèi)進(jìn)行過爆炸實(shí)驗，得到爆炸過程中火焰位置、形狀和產(chǎn)生的超壓值。何學(xué)超等人在《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報》雜志的2009年第39卷第4期“管道內(nèi)甲烷-空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘膶?shí)驗與數(shù)值模擬研究”一文中利用高速攝影攝像等手段，對封閉管道內(nèi)甲烷-空氣預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑ミ^程中的火焰結(jié)構(gòu)、傳播速度以及壓力特性進(jìn)行了實(shí)驗研究，并結(jié)合修正的EBU-Arrhenius混合反應(yīng)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬。從目前的已有的研究情況來看，這些火焰鋒面的實(shí)驗研究幾乎均是基于以下2個前提條件，即(1)火焰燃燒及發(fā)展過程中的火源點(diǎn)相對于外界著火空間是靜止不動的，這與靜止火源著火等引起的燃燒情景是吻合的；但在某些實(shí)際情況下，也有可能發(fā)生火源仍處于運(yùn)動狀況這類燃燒場景，如高速列車表面著火初期，司機(jī)會在不知情或列車無法立刻停止的情況下，著火列車?yán)^續(xù)向前行駛，這類情況下的火源就是處于運(yùn)動狀態(tài)的；( 火焰鋒面的實(shí)驗主要集中在受控燃燒或正常重力(加速度a = Ig = 9. 8m/s2)和微重力[a = (0 l)g]環(huán)境下，但是，燃燒過程也可能發(fā)生在加速度a > Ig的體積力場中，如高速旋轉(zhuǎn)的物體表面著火或處于加速工況下飛行物表面的著火。盡管許多學(xué)者認(rèn)同火焰鋒面的多種存在形式，并一致認(rèn)為湍流誘發(fā)火焰鋒面褶皺，增大了火焰鋒面的面積，強(qiáng)化了燃燒過程，體積力對皺折鋒面預(yù)混火焰的總體特征和鋒面結(jié)構(gòu)都有影響，并且體積力在層流和湍流火焰中產(chǎn)生不同的效應(yīng)。但對非正常重力下的實(shí)驗觀測還很少。對體積力影響火焰鋒面結(jié)構(gòu)的完整分析，應(yīng)該不僅包括加速度a = (0 l)g的范圍，也應(yīng)包括加速度a >重力加速度g的范圍。然而，對大體積力場中火焰鋒面結(jié)構(gòu)的研究報道卻不多見。另外，火源移動速度的不同對火焰鋒面結(jié)構(gòu)及其形態(tài)變化的影響的研究還未涉及。這是由于目前的火焰試驗裝置在測量火焰鋒面結(jié)構(gòu)時存在以下不足(1)體積力場無法作大范圍調(diào)節(jié)，不能從實(shí)驗角度來測量加速度變化對火焰鋒面結(jié)構(gòu)及其形態(tài)變化的影響；( 火源點(diǎn)運(yùn)行速度的大小對火焰鋒面結(jié)構(gòu)及其著火空間內(nèi)溫度場的變化影響很大，但實(shí)驗裝置無法實(shí)現(xiàn)火源點(diǎn)的移動，并對其運(yùn)行速度進(jìn)行控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、合理的運(yùn)動火源火焰鋒面結(jié)構(gòu)的可視化測量裝置，該裝置可解決現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)現(xiàn)裝置的體積力場中的加速度a無法作大范圍調(diào)節(jié)和實(shí)驗裝置內(nèi)著火火源點(diǎn)無法移動且其運(yùn)行速度無法控制的缺陷。為達(dá)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案一種運(yùn)動火源火焰鋒面結(jié)構(gòu)的可視化測量裝置，包括控制電腦、燃燒器、轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)、圖像采集裝置、轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置和支撐座，所述燃燒器連接在轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)上，轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)設(shè)置于支撐座上；所述轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置置于支撐座內(nèi)， 且通過轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)連接；所述轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置、圖像采集裝置分別與控制電腦連接；圖像采集裝置與轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)連接，且與燃燒器的位置對應(yīng)設(shè)置。燃燒器中的燃料可以是氣體燃料、固體燃料或液體燃料中的一種，調(diào)節(jié)固體燃燒器中燃料的重量或液體燃燒器中噴嘴的開度可控制所產(chǎn)生火焰的大小。所述圖像采集裝置包括CXD照相機(jī)、高速攝像儀、脈沖激光器和同步控制器，所述 C⑶照相機(jī)連接在轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)上，高速攝像儀、脈沖激光器、同步控制器設(shè)置于外部的工作臺上；CCD照相機(jī)的鏡頭、高速攝像儀的攝像頭、脈沖激光器分別與燃燒器的位置對應(yīng)設(shè)置； 所述脈沖激光器與同步控制器連接，同步控制器、CCD照相機(jī)、高速攝像儀分別與控制電腦連接。其中，CCD照相機(jī)隨燃燒器同步轉(zhuǎn)動來采集其火焰鋒面結(jié)構(gòu)圖像，高速攝像儀為相對于固定支撐座靜止、相對于燃燒器轉(zhuǎn)動來采集其火焰鋒面結(jié)構(gòu)瞬間變化圖像，即火焰鋒面結(jié)構(gòu)的靜態(tài)圖像由CCD照相機(jī)獲取，火焰鋒面結(jié)構(gòu)瞬間變化圖像由高速攝像儀獲取。脈沖激光器用于提高獲取的火焰鋒面結(jié)構(gòu)瞬間變化圖像的清晰度。所述高速攝像儀為兩個，分別與燃燒器的位置對應(yīng)設(shè)置。所述轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)盤體、相機(jī)支座和轉(zhuǎn)軸支座，所述相機(jī)支座、轉(zhuǎn)軸支座均設(shè)置于轉(zhuǎn)盤體的中心位置，且相機(jī)支座連接在轉(zhuǎn)盤體的上表面，轉(zhuǎn)軸支座連接在轉(zhuǎn)盤體的下表面；相機(jī)支座與圖像采集裝置中的CXD照相機(jī)連接，轉(zhuǎn)軸支座與轉(zhuǎn)軸連接。CXD照相機(jī)固定于圓形轉(zhuǎn)盤體的中心且其鏡頭正對著燃燒器燃燒時產(chǎn)生的火焰。作為優(yōu)選，燃燒器通過螺栓緊固于轉(zhuǎn)盤體上。作為優(yōu)選，所述轉(zhuǎn)盤體是一種實(shí)心面板結(jié)構(gòu)的鋼板，以防止轉(zhuǎn)盤體在高速旋轉(zhuǎn)時， 轉(zhuǎn)盤體下部空氣向上軸向流動，而產(chǎn)生對火焰鋒面結(jié)構(gòu)有附加影響的軸向空氣流場。
所述轉(zhuǎn)盤體的下表面設(shè)有若干個徑向加強(qiáng)肋架和周向加強(qiáng)肋架，所述徑向加強(qiáng)肋架沿轉(zhuǎn)盤體的徑向設(shè)置，且各徑向加強(qiáng)肋架均勻分布；所述周向加強(qiáng)肋架連接在相鄰的兩個徑向加強(qiáng)肋架之間。所述轉(zhuǎn)軸支座上設(shè)有轉(zhuǎn)軸安裝孔，所述轉(zhuǎn)軸的上端與轉(zhuǎn)軸安裝孔配合連接，其下端與支撐座連接；所述相機(jī)支座上設(shè)有相機(jī)定位孔，所述圖像采集裝置中的CCD照相機(jī)與相機(jī)定位孔配合連接。所述轉(zhuǎn)盤體為圓形，其外徑為800mm 2000mm。所述轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置包括相互連接的變頻控制器和變頻電動機(jī)，所述變頻控制器與控制電腦連接，所述變頻電動機(jī)通過聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)軸連接。轉(zhuǎn)盤體的轉(zhuǎn)速是通過調(diào)節(jié)變頻電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來達(dá)到的，變頻電動機(jī)通過變頻控制器與控制電腦相連。調(diào)節(jié)變頻電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，可使轉(zhuǎn)盤體及固定于轉(zhuǎn)盤體表面上的燃燒器的轉(zhuǎn)速在0 3000轉(zhuǎn)/min之間調(diào)節(jié)。所述支撐座包括依次連接的上固定框架、立柱架、下固定框架，所述立柱架為若干個，所述盤體機(jī)構(gòu)設(shè)置于上固定框架上，所述轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置置于各立柱架圍成的框體內(nèi)；所述轉(zhuǎn)軸穿過上固定框架與所述轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置連接。其中，立柱架優(yōu)選為4根。由上述裝置實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動火源火焰鋒面結(jié)構(gòu)的可視化測量方法控制電腦、圖像采集裝置、轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置分別上電，同時點(diǎn)燃燃燒器，使其產(chǎn)生火焰；控制電腦控制變頻控制器啟動變頻電動機(jī)，變頻電動機(jī)帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸帶動轉(zhuǎn)盤體、燃燒器、CCD照相機(jī)同步轉(zhuǎn)動；同時，控制電腦向同步控制器發(fā)送信號，通過同步控制器控制脈沖激光器啟動，脈沖激光器發(fā)光并照亮被測的火焰；燃燒器在轉(zhuǎn)動的同時，火焰相對CCD照相機(jī)靜止，火焰相對高速攝像儀轉(zhuǎn)動，CCD照相機(jī)實(shí)時采集火焰鋒面結(jié)構(gòu)的靜態(tài)圖像，高速攝像儀實(shí)時采集火焰鋒面結(jié)構(gòu)瞬間變化圖像；CCD照相機(jī)以及高速攝像儀采集到的圖像發(fā)送至控制電腦，以供控制電腦進(jìn)行后續(xù)處理；在測量過程中，通過控制電腦調(diào)節(jié)變頻控制器的輸出頻率，從而調(diào)節(jié)變頻電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤、燃燒器的轉(zhuǎn)速，以測量不同速度下火焰鋒面結(jié)構(gòu)的圖像信息，以供后續(xù)實(shí)驗使用。采用本發(fā)明，可對燃燒器產(chǎn)生的火焰進(jìn)行非接觸、瞬時、動態(tài)、全過程地直接測量， 它采用時間間隔很短的脈沖激光器照亮所需要測量的火焰鋒面及其周圍的流場，利用CCD 照相機(jī)或高速攝像儀將所照明的火焰鋒面結(jié)構(gòu)記錄下來，利用控制電腦進(jìn)行后續(xù)的圖象處理得到火焰鋒面結(jié)構(gòu)及其周圍速度場的數(shù)字信息，提高數(shù)據(jù)處理過程的速度與精度，可以用來研究運(yùn)動火源火焰鋒面結(jié)構(gòu)及其物理形態(tài)變化的瞬態(tài)過程，真正實(shí)現(xiàn)火焰鋒面結(jié)構(gòu)顯示測量的可視化和實(shí)時化。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果1、本發(fā)明能通過變頻電動機(jī)調(diào)節(jié)燃燒器的轉(zhuǎn)速和控制燃燒器產(chǎn)生火焰的大小，產(chǎn)生火源在各種運(yùn)動速度和燃燒強(qiáng)度下的火焰鋒面，適用范圍廣，而且裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作靈活方便。2、本發(fā)明輔以CCD照相機(jī)、高速攝像儀、脈沖激光器等各種測試儀器和儀表，可以對火焰鋒面結(jié)構(gòu)進(jìn)行高精度測量，為研究運(yùn)動火源火焰鋒面結(jié)構(gòu)的幾何特征及其運(yùn)動動態(tài)提供實(shí)驗基礎(chǔ)。3、本發(fā)明可對燃燒器的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而可呈現(xiàn)火源在各種運(yùn)動速度ν下的火焰鋒面結(jié)構(gòu)；同時，可通過燃燒器轉(zhuǎn)速的控制，對燃燒器產(chǎn)生的火焰所受的體積力場(具體由離心加速度體現(xiàn))作大范圍調(diào)節(jié)，離心加速度a的調(diào)節(jié)范圍在(0 2500) g之間，從而可呈現(xiàn)在正常重力(加速度a = Ig = 9. 8m/s2)和超重力(加速度a > lg)環(huán)境下的火焰鋒面結(jié)構(gòu)；輔以各種測試儀器和儀表，可以從實(shí)驗角度，就體積力場和火源點(diǎn)運(yùn)行速度對火焰鋒面結(jié)構(gòu)及其形態(tài)變化的影響進(jìn)行測量和研究。4、由于在利用本發(fā)明的實(shí)驗裝置對運(yùn)動火源火焰鋒面結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量的過程中沒有儀器探頭等擾動火焰鋒面及其周圍的流場，脈沖激光器產(chǎn)生的光束通過待測火焰鋒面后并不對其造成干擾，從而避免由此產(chǎn)生的測量誤差。


圖1是本發(fā)明裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1所示轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)的頂部視角立體示意圖。圖3是圖1所示轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)的底部視角立體示意圖。圖4是圖1所示支撐座的立體示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例1圖1 圖4示出了本實(shí)施例的具體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，本運(yùn)動火源火焰鋒面結(jié)構(gòu)的可視化測量裝置，包括控制電腦1、燃燒器6、轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)7、圖像采集裝置、轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置和支撐座12，所述燃燒器6連接在轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)7上，轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)7設(shè)置于支撐座12上；所述轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置置于支撐座12內(nèi)，且通過轉(zhuǎn)軸9與轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)7連接；所述轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置、圖像采集裝置分別與控制電腦1連接；圖像采集裝置與轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)7連接，且與燃燒器6的位置對應(yīng)設(shè)置。試驗前，根據(jù)燃燒產(chǎn)生火焰5的燃料種類，選擇固體燃料器或液體燃料器中的一種，并將其通過螺栓固定在轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)7的轉(zhuǎn)盤體17上，調(diào)節(jié)固體燃燒器6中燃料的重量或液體燃燒器6中噴嘴的開度可控制所產(chǎn)生火焰5的大小。試驗中燃燒產(chǎn)生的火焰鋒面結(jié)構(gòu)圖像通過圖像采集裝置獲取。為獲取運(yùn)行點(diǎn)火源產(chǎn)生的火焰鋒面結(jié)構(gòu)圖像，圖像采集裝置包括一套隨燃燒器6 同步轉(zhuǎn)動的CXD照相機(jī)2，CXD照相機(jī)2采用螺栓固定于轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)7的相機(jī)支座15上，通過相機(jī)定位孔16使其鏡頭正對著燃燒器6燃燒時產(chǎn)生的火焰5。CCD照相機(jī)2同時與控制電腦1連接，將采集的火焰鋒面結(jié)構(gòu)圖像輸入控制電腦1中存儲。為獲取火焰鋒面結(jié)構(gòu)瞬間變化圖像，圖像采集裝置還包括一套相對于支撐座12 靜止的高速攝像儀3、高速攝像儀4、脈沖激光器8和同步控制器13，其中，脈沖激光器8為提高獲取的火焰鋒面結(jié)構(gòu)瞬間變化圖像的清晰度而設(shè)置的；高速攝像儀3、高速攝像儀4、 脈沖激光器8、同步控制器13設(shè)置于外部的工作臺上；CXD照相機(jī)2的鏡頭、高速攝像儀3、 高速攝像儀4的攝像頭、脈沖激光器8分別與燃燒器6的位置對應(yīng)設(shè)置；所述脈沖激光器8 與同步控制器13連接，同步控制器13、高速攝像儀3、高速攝像儀4分別與控制電腦1連接。
脈沖激光器8發(fā)出的激光束經(jīng)過一種圓柱透鏡形成具有一定厚度和張角的片光源，通過光路引入到被測的火焰鋒面上，圖像采集系統(tǒng)工作時，通過控制電腦1內(nèi)的軟件來控制和協(xié)調(diào)各組成部件間的工作。其中，CCD照相機(jī)2隨燃燒器6同步轉(zhuǎn)動來采集其火焰鋒面結(jié)構(gòu)圖像，高速攝像儀 3、高速攝像儀4為相對于固定支撐座12靜止、相對于燃燒器6轉(zhuǎn)動來采集其火焰鋒面結(jié)構(gòu)瞬間變化圖像，即火焰鋒面結(jié)構(gòu)的靜態(tài)圖像由CCD照相機(jī)2獲取，火焰鋒面結(jié)構(gòu)瞬間變化圖像由高速攝像儀3、高速攝像儀4獲取。脈沖激光器8用于提高獲取的火焰鋒面結(jié)構(gòu)瞬間變化圖像的清晰度。所述高速攝像儀3、高速攝像儀4為兩個，分別與燃燒器6的位置對應(yīng)設(shè)置。如圖2所示，所述轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)7包括轉(zhuǎn)盤體17、相機(jī)支座15和轉(zhuǎn)軸支座21，所述相機(jī)支座15、轉(zhuǎn)軸支座21均設(shè)置于轉(zhuǎn)盤體17的中心位置，且相機(jī)支座15連接在轉(zhuǎn)盤體17的上表面，轉(zhuǎn)軸支座21連接在轉(zhuǎn)盤體17的下表面；相機(jī)支座15與圖像采集裝置中的CXD照相機(jī)2連接，轉(zhuǎn)軸支座21與轉(zhuǎn)軸9連接。相機(jī)支座15、轉(zhuǎn)軸支座21與轉(zhuǎn)盤體17焊接。CXD照相機(jī)2固定于圓形轉(zhuǎn)盤體17的中心且其鏡頭正對著燃燒器6燃燒時產(chǎn)生的火焰5。燃燒器6通過螺栓緊固于轉(zhuǎn)盤體17上。所述轉(zhuǎn)盤體17為圓形。所述轉(zhuǎn)盤體17是一種實(shí)心面板結(jié)構(gòu)的鋼板，以防止轉(zhuǎn)盤體17在高速旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)盤體17下部空氣向上軸向流動，而產(chǎn)生對火焰鋒面結(jié)構(gòu)有附加影響的軸向空氣流場。轉(zhuǎn)盤體17為12mm厚的鋼板，外徑為1200mm，其作用是防止圓形轉(zhuǎn)盤體17在高速旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)盤體17下部空氣向上軸向流動，而產(chǎn)生對火焰鋒面結(jié)構(gòu)有附加影響的軸向空氣流場。如圖3所示，所述轉(zhuǎn)盤體17的下表面設(shè)有若干個徑向加強(qiáng)肋架18和周向加強(qiáng)肋架19，所述徑向加強(qiáng)肋架18沿轉(zhuǎn)盤體17的徑向設(shè)置，且各徑向加強(qiáng)肋架18均勻分布；所述周向加強(qiáng)肋架19連接在相鄰的兩個徑向加強(qiáng)肋架18之間。徑向加強(qiáng)肋架18和周向加強(qiáng)肋架19焊接在轉(zhuǎn)盤體17的下表面。所述轉(zhuǎn)軸支座21上設(shè)有轉(zhuǎn)軸安裝孔20，所述轉(zhuǎn)軸9的上端與轉(zhuǎn)軸安裝孔20配合連接，其下端與支撐座12連接；所述相機(jī)支座15上設(shè)有相機(jī)定位孔16，所述圖像采集裝置中的CXD照相機(jī)2與相機(jī)定位孔16配合連接。所述轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置包括相互連接的變頻控制器14和變頻電動機(jī)11，所述變頻控制器14與控制電腦1連接，所述變頻電動機(jī)11通過聯(lián)軸器10與轉(zhuǎn)軸9連接。轉(zhuǎn)盤體17的轉(zhuǎn)速是通過調(diào)節(jié)變頻電動機(jī)11的轉(zhuǎn)速來達(dá)到的，變頻電動機(jī)11通過變頻控制器14與控制電腦1相連。調(diào)節(jié)變頻電動機(jī)11的轉(zhuǎn)速，可使轉(zhuǎn)盤體17及固定于轉(zhuǎn)盤體17表面上的燃燒器6的轉(zhuǎn)速在0 3000轉(zhuǎn)/min之間調(diào)節(jié)。變頻電動機(jī)11的轉(zhuǎn)速是通過調(diào)整變頻控制器14的輸出頻率來實(shí)現(xiàn)。工作時，通過控制電腦1來控制變頻控制器14的輸出頻率。因此，通過調(diào)節(jié)變頻電動機(jī)11的轉(zhuǎn)速，來實(shí)現(xiàn)對燃燒器6產(chǎn)生的火焰5所受的離心加速度作大范圍調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍在(0 2500)g之間。試驗時，通過調(diào)節(jié)控制變頻控制器 14的輸出頻率，可使火焰5所受的離心加速度在(0 2500) g范圍內(nèi)變化，用來呈現(xiàn)在各種
8體積力場下的火焰鋒面結(jié)構(gòu)。如圖4所示，所述支撐座12包括依次連接的上固定框架22、立柱架23、下固定框架24，所述立柱架23為若干個，所述盤體機(jī)構(gòu)設(shè)置于上固定框架22上，所述轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置置于各立柱架23圍成的框體內(nèi)；所述轉(zhuǎn)軸9穿過上固定框架22與所述轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置連接。 其中，立柱架23為4根。其中，上固定框架22用來對轉(zhuǎn)軸9進(jìn)行豎向定位，下固定框架24 通過地角螺栓與地面連接，以防止實(shí)驗過程中產(chǎn)生過大的振動。安裝過程中，應(yīng)確保轉(zhuǎn)盤體 17的盤面保持水平。由上述裝置實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動火源火焰鋒面結(jié)構(gòu)的可視化測量方法控制電腦1、圖像采集裝置、轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置分別上電，同時點(diǎn)燃燃燒器6，使其產(chǎn)生火焰5 ；控制電腦1控制變頻控制器14啟動變頻電動機(jī)11，變頻電動機(jī)11帶動轉(zhuǎn)軸9轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸9帶動轉(zhuǎn)盤體17、燃燒器6、CXD照相機(jī)2同步轉(zhuǎn)動；同時，控制電腦1向同步控制器13發(fā)送信號，通過同步控制器13控制脈沖激光器8啟動，脈沖激光器8發(fā)光并照亮被測的火焰5 ；燃燒器6在轉(zhuǎn)動的同時，火焰5相對CXD照相機(jī)2靜止，火焰5相對高速攝像儀3、高速攝像儀4轉(zhuǎn)動，CXD照相機(jī)2實(shí)時采集火焰鋒面結(jié)構(gòu)的靜態(tài)圖像，高速攝像儀3、高速攝像儀4實(shí)時采集火焰鋒面結(jié)構(gòu)瞬間變化圖像；CCD照相機(jī)2以及高速攝像儀3、高速攝像儀4采集到的圖像發(fā)送至控制電腦1，以供控制電腦1進(jìn)行后續(xù)處理；在測量過程中，通過控制電腦1調(diào)節(jié)變頻控制器 14的輸出頻率，從而調(diào)節(jié)變頻電動機(jī)11的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變轉(zhuǎn)軸9的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤、燃燒器 6的轉(zhuǎn)速，以測量不同速度下火焰鋒面結(jié)構(gòu)的圖像信息，以供后續(xù)實(shí)驗使用。為檢測火源點(diǎn)運(yùn)動速度對固體燃料燃燒產(chǎn)生的火焰鋒面結(jié)構(gòu)的影響，其試驗過程首先安排好分工，實(shí)驗人員分別到位準(zhǔn)備實(shí)驗。檢查本裝置的各部件是否運(yùn)行正常；調(diào)節(jié)燃燒器6中燃料的重量，點(diǎn)燃燃料，達(dá)到設(shè)定好的火焰5大??；本次實(shí)驗是為了測量火源點(diǎn)運(yùn)動速度對燃料燃燒產(chǎn)生的火焰鋒面結(jié)構(gòu)的影響，先測量火源點(diǎn)不運(yùn)動時的火焰鋒面結(jié)構(gòu)圖像；火焰5高度設(shè)定為0. 20m,固定火源位置，位于轉(zhuǎn)盤體17的邊緣；按操作規(guī)范啟動 CCD照相機(jī)2、高速攝像儀3、高速攝像儀4等圖像采集裝置，啟動控制電腦1開始火焰鋒面結(jié)構(gòu)圖像的數(shù)據(jù)采集；燃燒器6中加入配好的燃料，待本裝置運(yùn)行穩(wěn)定后開始點(diǎn)火；實(shí)驗人員記錄好5 Smin燃燒時間內(nèi)的各類實(shí)驗數(shù)據(jù)；這組實(shí)驗結(jié)束，火熄滅，保存好所得的實(shí)驗數(shù)據(jù)，整理實(shí)驗場地和實(shí)驗設(shè)施，清理干凈燃燒器6中的剩余燃料，將本裝置的各部件恢復(fù)到初始狀態(tài)，再進(jìn)行下一組實(shí)驗。利用變頻控制器14分別調(diào)節(jié)變頻電動機(jī)11的轉(zhuǎn)速為100 轉(zhuǎn) /min、300 轉(zhuǎn) /min、500 轉(zhuǎn) /min、1000 轉(zhuǎn) /min、1500 轉(zhuǎn) /min、2000 轉(zhuǎn) /min、2500 轉(zhuǎn) /min、 3000轉(zhuǎn)/min，其它設(shè)置不變，按上述所述分別進(jìn)行幾組實(shí)驗，將所得的實(shí)驗數(shù)據(jù)比較分析火源點(diǎn)運(yùn)動速度對火焰鋒面結(jié)構(gòu)的影響。實(shí)施例2本實(shí)施例除下述特征外其他結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1 轉(zhuǎn)盤體的外徑為800mm。所述燃燒器的燃料為液體燃料。為檢測火焰所受的體積力場不同時對液體燃料燃燒產(chǎn)生的火焰鋒面結(jié)構(gòu)的影響， 其試驗過程按照實(shí)施例1所述的做好實(shí)驗前準(zhǔn)備，將燃燒器換成液體燃料的燃燒器，調(diào)節(jié)燃燒器中噴嘴的開度控制所產(chǎn)生火焰的高度為0. 15m。本次實(shí)驗呈現(xiàn)不同體積力場下的火焰結(jié)構(gòu)圖像，利用變頻控制器分別調(diào)節(jié)變頻電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，使火焰所受的體積力場，即所受的離心加速度 a 為 2g、10g、20g、50g、100g、200g、500g、1000g、1500g、2500g。按操作規(guī)范啟動各種圖像采集裝置和控制電腦分別記錄下燃燒時間為3 4min內(nèi)的火焰鋒面結(jié)構(gòu)圖像。 將所得的實(shí)驗數(shù)據(jù)比較分析火焰所受的體積力場不同時對液體燃料燃燒產(chǎn)生的火焰鋒面結(jié)構(gòu)的影響。實(shí)施例3本實(shí)施例除下述特征外其他結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1 轉(zhuǎn)盤體的外徑為1000mm。上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種運(yùn)動火源火焰鋒面結(jié)構(gòu)的可視化測量裝置，其特征在于包括控制電腦、燃燒器、轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)、圖像采集裝置、轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置和支撐座，所述燃燒器連接在轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)上，轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)設(shè)置于支撐座上；所述轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置置于支撐座內(nèi)，且通過轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)連接；所述轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置、圖像采集裝置分別與控制電腦連接；圖像采集裝置與轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)連接，且與燃燒器的位置對應(yīng)設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運(yùn)動火源火焰鋒面結(jié)構(gòu)的可視化測量裝置，其特征在于所述圖像采集裝置包括CCD照相機(jī)、高速攝像儀、脈沖激光器和同步控制器，所述CCD照相機(jī)連接在轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)上，高速攝像儀、脈沖激光器、同步控制器設(shè)置于外部的工作臺上；C⑶照相機(jī)的鏡頭、高速攝像儀的攝像頭、脈沖激光器分別與燃燒器的位置對應(yīng)設(shè)置；所述脈沖激光器與同步控制器連接，同步控制器、CCD照相機(jī)、高速攝像儀分別與控制電腦連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的運(yùn)動火源火焰鋒面結(jié)構(gòu)的可視化測量裝置，其特征在于所述高速攝像儀為兩個，分別與燃燒器的位置對應(yīng)設(shè)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的運(yùn)動火源火焰鋒面結(jié)構(gòu)的可視化測量裝置，其特征在于所述轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)盤體、相機(jī)支座和轉(zhuǎn)軸支座，所述相機(jī)支座、轉(zhuǎn)軸支座均設(shè)置于轉(zhuǎn)盤體的中心位置，且相機(jī)支座連接在轉(zhuǎn)盤體的上表面，轉(zhuǎn)軸支座連接在轉(zhuǎn)盤體的下表面；相機(jī)支座與圖像采集裝置中的CXD照相機(jī)連接，轉(zhuǎn)軸支座與轉(zhuǎn)軸連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的運(yùn)動火源火焰鋒面結(jié)構(gòu)的可視化測量裝置，其特征在于所述轉(zhuǎn)盤體的下表面設(shè)有若干個徑向加強(qiáng)肋架和周向加強(qiáng)肋架，所述徑向加強(qiáng)肋架沿轉(zhuǎn)盤體的徑向設(shè)置，且各徑向加強(qiáng)肋架均勻分布；所述周向加強(qiáng)肋架連接在相鄰的兩個徑向加強(qiáng)肋架之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的運(yùn)動火源火焰鋒面結(jié)構(gòu)的可視化測量裝置，其特征在于所述轉(zhuǎn)軸支座上設(shè)有轉(zhuǎn)軸安裝孔，所述轉(zhuǎn)軸的上端與轉(zhuǎn)軸安裝孔配合連接，其下端與支撐座連接；所述相機(jī)支座上設(shè)有相機(jī)定位孔，所述圖像采集裝置中的CCD照相機(jī)與相機(jī)定位孔配合連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的運(yùn)動火源火焰鋒面結(jié)構(gòu)的可視化測量裝置，其特征在于所述轉(zhuǎn)盤體為圓形，其外徑為800 2000mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的運(yùn)動火源火焰鋒面結(jié)構(gòu)的可視化測量裝置，其特征在于所述轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置包括相互連接的變頻控制器和變頻電動機(jī)，所述變頻控制器與控制電腦連接，所述變頻電動機(jī)通過聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)軸連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運(yùn)動火源火焰鋒面結(jié)構(gòu)的可視化測量裝置，其特征在于所述支撐座包括依次連接的上固定框架、立柱架、下固定框架，所述立柱架為若干個，所述盤體機(jī)構(gòu)設(shè)置于上固定框架上，所述轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置置于各立柱架圍成的框體內(nèi)；所述轉(zhuǎn)軸穿過上固定框架與所述轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置連接。
10.由權(quán)利要求8所述裝置實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動火源火焰鋒面結(jié)構(gòu)的可視化測量方法，其特征在于控制電腦、圖像采集裝置、轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置分別上電，同時點(diǎn)燃燃燒器，使其產(chǎn)生火焰； 控制電腦控制變頻控制器啟動變頻電動機(jī)，變頻電動機(jī)帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸帶動轉(zhuǎn)盤體、燃燒器、CCD照相機(jī)同步轉(zhuǎn)動；同時，控制電腦向同步控制器發(fā)送信號，通過同步控制器控制脈沖激光器啟動，脈沖激光器發(fā)光并照亮被測的火焰；燃燒器在轉(zhuǎn)動的同時，火焰相對CCD 照相機(jī)靜止，火焰相對高速攝像儀轉(zhuǎn)動，CCD照相機(jī)實(shí)時采集火焰鋒面結(jié)構(gòu)的靜態(tài)圖像，高速攝像儀實(shí)時采集火焰鋒面結(jié)構(gòu)瞬間變化圖像；CCD照相機(jī)以及高速攝像儀采集到的圖像發(fā)送至控制電腦，以供控制電腦進(jìn)行后續(xù)處理；在測量過程中，通過控制電腦調(diào)節(jié)變頻控制器的輸出頻率，從而調(diào)節(jié)變頻電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤、燃燒器的轉(zhuǎn)速，以測量不同速度下火焰鋒面結(jié)構(gòu)的圖像信息，以供后續(xù)實(shí)驗使用。
全文摘要
本發(fā)明提供一種運(yùn)動火源火焰鋒面結(jié)構(gòu)的可視化測量裝置，包括控制電腦、燃燒器、轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)、圖像采集裝置、轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置和支撐座，所述燃燒器連接在轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)上，轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)設(shè)置于支撐座上；所述轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置置于支撐座內(nèi)，且通過轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)連接；所述轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置、圖像采集裝置分別與控制電腦連接；圖像采集裝置與轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)連接，且與燃燒器的位置對應(yīng)設(shè)置。本發(fā)明還提供了一種由上述裝置實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動火源火焰鋒面結(jié)構(gòu)的可視化測量方法。本發(fā)明能通過變頻電動機(jī)調(diào)節(jié)燃燒器的轉(zhuǎn)速和控制燃燒器產(chǎn)生火焰的大小，產(chǎn)生火源在各種運(yùn)動速度和燃燒強(qiáng)度下的火焰鋒面，適用范圍廣，而且裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作靈活方便。
文檔編號G01B11/24GK102175174SQ201110025399
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月24日
發(fā)明者樓波, 龍新峰 申請人:華南理工大學(xué)