【摘 要】
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对于流场温度分布的定量测量是空气动力学、流体力学以及燃烧学等领域研究过程中关键的一步。对可燃气体火焰的外部流场的研究有助于深入了解层流预混燃烧的特性,进一步提高燃烧的效率。背景纹影技术将纹影技术与粒子示踪图像处理技术相结合,通过计算流场折射引起的背景像素位移量来求取观测区域的光线折射率分布,从而获得流场温度分布的定量信息,弥补了传统纹影技术在流场观测时的不足。该项技术具备系统搭建便利、调试维护方便
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对于流场温度分布的定量测量是空气动力学、流体力学以及燃烧学等领域研究过程中关键的一步。对可燃气体火焰的外部流场的研究有助于深入了解层流预混燃烧的特性,进一步提高燃烧的效率。背景纹影技术将纹影技术与粒子示踪图像处理技术相结合,通过计算流场折射引起的背景像素位移量来求取观测区域的光线折射率分布,从而获得流场温度分布的定量信息,弥补了传统纹影技术在流场观测时的不足。该项技术具备系统搭建便利、调试维护方便、适应性强、观测范围大等优势,是一种应用于透明介质的非接触式定量测量的流动显示技术。本文利用背景纹影系统针对火焰上方的自然热对流场进行分析与重建,主要研究内容如下:在系统搭建方面,通过改良现有的背景纹影显示装置的结构,大幅提高背景显示组件的亮度,避免火焰的可见光干扰。通过试验确定背景图案的绘制类型以及排布方式,选用彩色交替排列的斜条纹实现对竖直向上运动的自然热对流场的覆盖率达到90%以上。通过灵敏度试验,确定系统各部分的参数设定。在算法研究方面,以彩色纹影技术为启发,借助计算机图像处理技术实现对背景纹影图像进行色彩分离,通过数值方法对同组图像分离出的数据进行求解,以获得更加丰富的图像信息。利用互相关算法计算背景纹影图像对应像素点的位移矢量值,通过快速傅里叶变换提高计算效率。分析比较了迭代重建法以及Radon逆变换这两种重建技术在背景纹影技术,最终选取了Radon逆变换。在实验研究方面,搭建安全可靠的背景纹影实验平台对丁烷火焰上方的自然热对流场进行图像采集,利用有限元仿真技术模拟了不同空燃比的火焰温度,结果显示空燃比在0.80—1.00范围,火焰温度呈上升趋势;空燃比在1.10—1.50范围,火焰温度呈下降趋势。对比分析了背景纹影技术与薄膜铂热电阻对流场的测量结果,借助红外线热成像仪验证了薄膜铂热电阻会对流场造成干扰。利用背景纹影技术的定量分析层流预混火焰上方流场,可知空燃比在可知空燃比在0.80—0.95范围,流场的形态由混乱逐渐变得稳定,因为混合气体流量较大,最高温度点不能稳定在流场下部中心区域。空燃比1.00—1.30范围,流场形态逐渐稳定,随着空燃比的增大流场的凹凸数量由三次变为一次,最高温度点出现在流场底部的中间部位。空燃比在1.40—1.50范围,流场逐渐变为两股平行且竖直的稳定层流流场,最高温度点出现在流场最下方两侧部位。
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