直線運動火源擴散火焰結構特征的試驗研究

龍新峰，邱 平，樓 波，丁 利

(華南理工大學a.化學與化工學院;b.電力學院，廣東 廣州510640)

0 引言

運動火源是指著火期間，火源點處于運動狀態，如運行中的高速列車、賽車、飛機和航天飛行器等外部著火情形，此時，火源與周圍空氣處于相對運動狀態，與火源靜止而周圍空氣運動相比，由于火源本身的高速運動會引起周圍空氣的湍動，此項湍動與火源燃燒引起的湍動疊加，使火焰結構變得更加復雜。當火源點與周圍空氣處于相對靜止狀態時，例如運動車輛內部等受限空間著火情形，此時火焰的蔓延不會引起周圍空氣的附加湍動，因此不屬于運動火源。

自1928年，Burke和Schuman提出燃料和氧化劑在當量混合處附近發生反應，是擴散火焰的本質特征之后，國內外學者對固定火源擴散火焰結構特征[1-3］、火焰面[4-7］等進行了大量研究。近年來，人們開始針對體積力場(離心力、向心力或大加速度)對運動中的火焰結構特征的影響進行了研究。早期較有代表性的工作如文獻[8-9］，通過從中部旋轉一個封閉長管，在管中產生一個離心力場，來測量管中的預混氣體的火焰傳播速度。文獻[10］研究了在盤形燃燒室帶動燃氣旋轉產生的離心力場中，火焰的傳播與熄火過程。文獻[11］使用彎曲管道模擬離心力場，研究了在彎曲管道中的預混火焰穩定性。文獻[12］利用半圓彎曲管道模擬了±104g的加速度場，研究了大加速度對后臺階預混火焰的火焰傳播和吹熄邊界的影響。文獻[13］考察了離心力場下V型火焰穩定器的火焰穩定性。文獻[14-15］對在燃燒室中附加均勻大加速度場的層流擴散火焰和層流預混火焰燃燒過程進行了模擬。文獻[16］分別對離心式雙旋流器空氣霧化噴嘴單頭部擴散射流火焰，在直段空腔和彎曲空腔橫向射流中的傳播特性進行了試驗，比較分析了彎曲空腔中離心力對擴散射流火焰的影響。通過對比不難發現:已有的工作中，研究對象——火源點是在封閉空間內預混燃燒，同周圍空氣無相對運動(火源點不動，僅火焰面在運動)，這與運動火源燃燒完全不同。

實際上，運動火源擴散燃燒引起的火焰結構，要比普通受限空間內固定火源預混燃燒產生的火焰結構更為復雜。以往人們在對待運動火源燃燒情形時，常常利用相對運動，即假設火源靜止，而通過外加一種與火源速度相同的風速來處理。然而，文獻[17-18］對運動火源燃燒進行數值模擬時發現:火源運動引起的火焰結構特征與同一外界風速引起的火焰面結構特征不一樣。由于這種現象似乎與“相對運動概念相?！?，于是本文制作了一個簡單的風洞試驗臺，采用數字攝像系統對風洞中直線運動蠟燭火源的擴散燃燒過程進行拍攝，探究直線運動火源擴散火焰結構的靜態特征(外形特征，如燃燒高度)和動態特征(邊緣變化、面積變化、形體變化等)，及其與絕對靜止擴散火焰結構的內在物理本質區別。

1 風洞試驗設置與工況

1.1 風洞試驗裝置

試驗裝置如圖1所示，風洞內裝有燃燒蠟燭與運動軌道，蠟燭由遙控小車帶動并控制，透過風洞玻璃，在某一定點利用數字攝像系統記錄蠟燭燃燒火焰在風洞中某一時刻的狀態。試驗過程中，相機始終處于風洞正前方1.5 m的位置。通過調節風扇的轉速來控制風洞中空氣的流動速度，風洞中空氣的流速由風速儀測得。小車在風洞中帶動蠟燭向右做勻速直線運動，試驗中觀察蠟燭火焰的形態和偏移狀態。

圖1 風洞試驗裝置

1.2 試驗工況

燃燒試驗分為如圖2所示的3種工況。絕對靜止是指蠟燭靜止，風扇無轉動的情形;相對靜止是當風扇的風速一定時，小車帶動蠟燭在風洞中以與風速相同的速度作勻速直線運動;相對運動是指蠟燭運動速度vv不等于風扇轉動引起的外界風速vw的燃燒情形。

圖2 燃燒試驗工況

2 靜態特征分析

2.1 外形特征

從試驗過程中拍攝到的多組不同風速vw及不同車速vv時，燃燒火焰的圖像可直觀地獲得火焰外形特征。假設火焰偏轉方向與豎直方向的夾角定義為偏轉角α，圖3、圖4分別為車速為vv=0 m/s和風速為vw=0 m/s時的火焰圖像，從圖3可以看出:點火后火焰隨風速的增加，焰心到焰尖的火焰寬度變化劇烈，偏轉角的變化量△α在vw=0～0.4 m/s時變化較快，由0°到45°，但隨著風速的再次增加，△α改變量較小，基本呈α=45°。由圖4可見:當外界風速vw=0 m/s時，火焰形狀隨車速的增加，焰心到焰尖的火焰寬度變化緩慢。另外，當vv＜0.66 m/s時，偏轉角的變化量△α的變化趨勢與上一燃燒工況類似。但當vv＞0.66 m/s后，兩燃燒工況會呈現出較大的差異，此時，△α改變量較大，偏轉角α由45°到90°，當vv=1.03 m/s時，偏轉角α接近90°，此后不再變化。對比該兩種燃燒工況可見:盡管兩工況下的相對速度(vv-vw)相等，但所產生的火焰形體卻完全不同。

圖3 vv=0 m/s時，火焰外形隨風速的變化

圖4 vw=0 m/s時，火焰外形隨車速的變化

為進一步了解相對速度對火焰形體的影響，測試了車速和風速都不為0 m/s的情況，結果如圖5～圖7所示。

由圖5～圖7可以看出:點火后的燃燒初始，由于相對速度的存在，火焰有偏轉。隨著相對速度(vv-vw)逐漸減小，火焰偏轉角α漸漸減小，當vv≈vw時，火焰處于相對垂直的狀態，但是相對速度并不完全等于0 m/s，車速與風速的速度差為0.02～0.09 m/s?？梢婏L速與車速對火焰的影響存在差異，但差異不大。

圖5 vw=0.55 m/s時，火焰隨車速的變化

圖6 vw=1.00 m/s時，火焰隨車速的變化

圖7 vw=1.45 m/s時，火焰隨車速的變化

2.2 燃燒高度

移動火源在運動的過程中，由于受到風洞內外界流場的影響，火焰會產生偏轉，同時，火焰的高度也會跟著相應的變化，根據試驗數據以速度為縱坐標，高度為橫坐標用Excel制圖，如圖8所示。從高度變化曲線可以看出:在風速為0 m/s或者車速為0 m/s時，火焰的高度隨著相對速度的增加而減小。當風速不為0 m/s時，火焰高度隨車速呈先增大后減小的趨勢。這是由于相對運動而產生相對速度的原因，當相對速度(vv-vw)減小時，火焰高度逐漸增大;當相對速度(vv-vw)增大時，火焰高度逐漸減小。但火焰高度的最高點并不是在相對速度(vv-vw)=0處。

3 動態特征分析

動態特征包括閃爍頻率、邊緣變化、面積變化、形體變化、閃動規律、分層變化、整體移動等，本文首先提取火焰面(火焰邊緣)，再進行火焰面積計算，實現從火焰面積變化的角度來分析流場對火焰面的影響。

圖8 不同速度下火焰高度變化曲線

3.1 火焰邊緣的提取

火焰圖像包含了豐富的燃燒信息，因此，運用圖像處理技術對其進行圖像信息分離、提取是非常有效的手段。其中，邊緣檢測是一種重要的圖像預處理方法，其主要目的是為了找出強度的非連續性，抑制細節和噪聲并保存邊緣定位精度，以獲得最為準確的面積值。經典的邊緣檢測是梯度算子邊緣檢測技術，主要包括Robert、Sobel、Prewitt、Canny、LOG算子等。經過比較，本文的火焰面邊緣檢測采用一階Robert算子，并進行面積計算。

一階Robert算子是利用局部差分算子尋找邊緣，其圖像梯度算子Gr定義為

其中，f(x，y)是點(x，y)處的像素值。Robert算子是2×2算子，其算子為

將圖3～圖7所示不同車速和風速下的圖像先經過Photoshop處理，再在Matlab環境下采用上述一階Robert算子，就可獲得清晰的擴散火焰邊緣圖像，如圖9所示。

圖9 不同速度下圖像的邊緣變化情況

3.2 火焰面面積變化

根據以上獲得的邊緣檢測圖像，利用Matlab編程可以很快獲得圖像的面積值，以車速為橫坐標，面積為縱坐標，在同一坐標系下對以上4組數據畫圖，結果如圖10所示。

由圖10可以看出:vv=0 m/s，vw=0 m/s時，圖像面積隨著風速或者車速的增加而減小，因為相對速度(vv-vw)逐漸增大，風洞內火焰附近的流場擾動增加，使流場帶走了大部分熱量，火焰面減小使圖像面積變小。vw=1.00 m/s和vw=1.45 m/s時，從圖10可以看出圖像的面積是先增大后減小的，這是因為相對運動而產生相對速度的關系，當相對速度(vv-vw)減小時，風洞內火焰附近流場的擾動減小，火焰燃燒迅速，面積增大;當相對速度(vv-vw)≈0 m/s時，面積達到最大值，但此時(vv-vw)≠0 m/s;此后相對速度(vv-vw)又開始增大，使火焰附近的流場擾動增加，火焰燃燒產生的大部分熱量被流動的流場帶走，使火焰面減小，圖像面積也開始減小。

圖10 不同速度下的面積曲線

4 相對靜止與絕對靜止下火焰形狀的對比

本文中，火焰的絕對靜止是指以風洞為參照物火焰處于靜止不動狀態，即vw=vv=0 m/s。火焰的相對靜止是指當以風洞為參照物時火焰處于運動狀態，但以火焰自身為參照時，火焰處于靜止狀態，即vw=vv≠0 m/s。圖11為絕對靜止與相對靜止狀態對比圖，其中，a、b為火焰絕對靜止;c、d、e為火焰相對靜止時的外形。

圖11 絕對靜止與相對靜止狀態對比圖

從圖11中可以看出:絕對靜止(vv=vw=0 m/s)時，火焰在豎直方向上燃燒，無偏轉，燃燒穩定。相對靜止(vv=vw≠0 m/s)時，火焰有偏轉，并且隨著相對靜止時速度的增大，偏轉角也隨之增大。

為探討這一原因，通過fluent軟件對絕對靜止和相對靜止的流場進行數值模擬，得到速度場的形態分布，如圖12所示。從圖12可以看出:火焰處于絕對靜止狀態和相對靜止狀態是不同的?；鹧嫣幱诮^對靜止時是完全擴散燃燒，不受外界流場的影響，只有自身燃燒時產生的速度場?；鹧嫣幱谙鄬o止時，風洞中的流場是風扇轉動產生的流場與火焰自身運動產生的流場的疊加，在火焰燃燒附近的流場如圖12b所示，疊加后的速度場是向右偏移的，與相對靜止狀態不同。所以不能用絕對靜止代替相對靜止去研究。

5 結論

本文采用數字攝像系統對風洞中做直線運動的移動火源燃燒過程進行了研究，對火源靜態特征和動態特征進行了分析，對火源相對靜止和絕對靜止狀態進行了比較。研究結果認為:移動火源與靜止火源燃燒存在差異，不能利用相對運動的概念來分析移動火源的燃燒。結論如下:

圖12 絕對靜止與相對靜止狀態的速度場模擬

(1)火源自身運動(vw=0 m/s)產生的火焰形態特征不同于火源受外界(vv=0 m/s)流場影響產生的火焰形態特征。

(2)火焰處于絕對靜止(vv=vw=0 m/s)與相對靜止(vv=vw≠0 m/s)時，火焰的靜態和動態特征都不相同。絕對靜止時火焰周圍只有自身燃燒產生的流場，相對靜止時是風速流場和自身運動流場的疊加，周圍流場湍動嚴重，火焰變化劇烈。

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