龍新峰，邱 平，樓 波，丁 利

(華南理工大學(xué)a.化學(xué)與化工學(xué)院;b.電力學(xué)院，廣東 廣州510640)

0 引言

運(yùn)動(dòng)火源是指著火期間，火源點(diǎn)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如運(yùn)行中的高速列車、賽車、飛機(jī)和航天飛行器等外部著火情形，此時(shí)，火源與周圍空氣處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，與火源靜止而周圍空氣運(yùn)動(dòng)相比，由于火源本身的高速運(yùn)動(dòng)會(huì)引起周圍空氣的湍動(dòng)，此項(xiàng)湍動(dòng)與火源燃燒引起的湍動(dòng)疊加，使火焰結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。當(dāng)火源點(diǎn)與周圍空氣處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，例如運(yùn)動(dòng)車輛內(nèi)部等受限空間著火情形，此時(shí)火焰的蔓延不會(huì)引起周圍空氣的附加湍動(dòng)，因此不屬于運(yùn)動(dòng)火源。

自1928年，Burke和Schuman提出燃料和氧化劑在當(dāng)量混合處附近發(fā)生反應(yīng)，是擴(kuò)散火焰的本質(zhì)特征之后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)固定火源擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)特征[1-3］、火焰面[4-7］等進(jìn)行了大量研究。近年來(lái)，人們開始針對(duì)體積力場(chǎng)(離心力、向心力或大加速度)對(duì)運(yùn)動(dòng)中的火焰結(jié)構(gòu)特征的影響進(jìn)行了研究。早期較有代表性的工作如文獻(xiàn)[8-9］，通過從中部旋轉(zhuǎn)一個(gè)封閉長(zhǎng)管，在管中產(chǎn)生一個(gè)離心力場(chǎng)，來(lái)測(cè)量管中的預(yù)混氣體的火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｎ墨I(xiàn)[10］研究了在盤形燃燒室?guī)?dòng)燃?xì)庑D(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力場(chǎng)中，火焰的傳播與熄火過程。文獻(xiàn)[11］使用彎曲管道模擬離心力場(chǎng)，研究了在彎曲管道中的預(yù)混火焰穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[12］利用半圓彎曲管道模擬了±104g的加速度場(chǎng)，研究了大加速度對(duì)后臺(tái)階預(yù)混火焰的火焰?zhèn)鞑ズ痛迪ㄟ吔绲挠绊?。文獻(xiàn)[13］考察了離心力場(chǎng)下V型火焰穩(wěn)定器的火焰穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[14-15］對(duì)在燃燒室中附加均勻大加速度場(chǎng)的層流擴(kuò)散火焰和層流預(yù)混火焰燃燒過程進(jìn)行了模擬。文獻(xiàn)[16］分別對(duì)離心式雙旋流器空氣霧化噴嘴單頭部擴(kuò)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(jìn)行了試驗(yàn)，比較分析了彎曲空腔中離心力對(duì)擴(kuò)散射流火焰的影響。通過對(duì)比不難發(fā)現(xiàn):已有的工作中，研究對(duì)象——火源點(diǎn)是在封閉空間內(nèi)預(yù)混燃燒，同周圍空氣無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)(火源點(diǎn)不動(dòng)，僅火焰面在運(yùn)動(dòng))，這與運(yùn)動(dòng)火源燃燒完全不同。

實(shí)際上，運(yùn)動(dòng)火源擴(kuò)散燃燒引起的火焰結(jié)構(gòu)，要比普通受限空間內(nèi)固定火源預(yù)混燃燒產(chǎn)生的火焰結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。以往人們?cè)趯?duì)待運(yùn)動(dòng)火源燃燒情形時(shí)，常常利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即假設(shè)火源靜止，而通過外加一種與火源速度相同的風(fēng)速來(lái)處理。然而，文獻(xiàn)[17-18］對(duì)運(yùn)動(dòng)火源燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)發(fā)現(xiàn):火源運(yùn)動(dòng)引起的火焰結(jié)構(gòu)特征與同一外界風(fēng)速引起的火焰面結(jié)構(gòu)特征不一樣。由于這種現(xiàn)象似乎與“相對(duì)運(yùn)動(dòng)概念相?！?，于是本文制作了一個(gè)簡(jiǎn)單的風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)，采用數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)對(duì)風(fēng)洞中直線運(yùn)動(dòng)蠟燭火源的擴(kuò)散燃燒過程進(jìn)行拍攝，探究直線運(yùn)動(dòng)火源擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特征(外形特征，如燃燒高度)和動(dòng)態(tài)特征(邊緣變化、面積變化、形體變化等)，及其與絕對(duì)靜止擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)的內(nèi)在物理本質(zhì)區(qū)別。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)置與工況

1.1 風(fēng)洞試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，風(fēng)洞內(nèi)裝有燃燒蠟燭與運(yùn)動(dòng)軌道，蠟燭由遙控小車帶動(dòng)并控制，透過風(fēng)洞玻璃，在某一定點(diǎn)利用數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)記錄蠟燭燃燒火焰在風(fēng)洞中某一時(shí)刻的狀態(tài)。試驗(yàn)過程中，相機(jī)始終處于風(fēng)洞正前方1.5 m的位置。通過調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速來(lái)控制風(fēng)洞中空氣的流動(dòng)速度，風(fēng)洞中空氣的流速由風(fēng)速儀測(cè)得。小車在風(fēng)洞中帶動(dòng)蠟燭向右做勻速直線運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)中觀察蠟燭火焰的形態(tài)和偏移狀態(tài)。

圖1 風(fēng)洞試驗(yàn)裝置

1.2 試驗(yàn)工況

燃燒試驗(yàn)分為如圖2所示的3種工況。絕對(duì)靜止是指蠟燭靜止，風(fēng)扇無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)的情形;相對(duì)靜止是當(dāng)風(fēng)扇的風(fēng)速一定時(shí)，小車帶動(dòng)蠟燭在風(fēng)洞中以與風(fēng)速相同的速度作勻速直線運(yùn)動(dòng);相對(duì)運(yùn)動(dòng)是指蠟燭運(yùn)動(dòng)速度vv不等于風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)引起的外界風(fēng)速vw的燃燒情形。

圖2 燃燒試驗(yàn)工況

2 靜態(tài)特征分析

2.1 外形特征

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

圖3 vv=0 m/s時(shí)，火焰外形隨風(fēng)速的變化

圖4 vw=0 m/s時(shí)，火焰外形隨車速的變化

為進(jìn)一步了解相對(duì)速度對(duì)火焰形體的影響，測(cè)試了車速和風(fēng)速都不為0 m/s的情況，結(jié)果如圖5～圖7所示。

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

圖5 vw=0.55 m/s時(shí)，火焰隨車速的變化

圖6 vw=1.00 m/s時(shí)，火焰隨車速的變化

圖7 vw=1.45 m/s時(shí)，火焰隨車速的變化

2.2 燃燒高度

移動(dòng)火源在運(yùn)動(dòng)的過程中，由于受到風(fēng)洞內(nèi)外界流場(chǎng)的影響，火焰會(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，同時(shí)，火焰的高度也會(huì)跟著相應(yīng)的變化，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以速度為縱坐標(biāo)，高度為橫坐標(biāo)用Excel制圖，如圖8所示。從高度變化曲線可以看出:在風(fēng)速為0 m/s或者車速為0 m/s時(shí)，火焰的高度隨著相對(duì)速度的增加而減小。當(dāng)風(fēng)速不為0 m/s時(shí)，火焰高度隨車速呈先增大后減小的趨勢(shì)。這是由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生相對(duì)速度的原因，當(dāng)相對(duì)速度(vv-vw)減小時(shí)，火焰高度逐漸增大;當(dāng)相對(duì)速度(vv-vw)增大時(shí)，火焰高度逐漸減小。但火焰高度的最高點(diǎn)并不是在相對(duì)速度(vv-vw)=0處。

3 動(dòng)態(tài)特征分析

動(dòng)態(tài)特征包括閃爍頻率、邊緣變化、面積變化、形體變化、閃動(dòng)規(guī)律、分層變化、整體移動(dòng)等，本文首先提取火焰面(火焰邊緣)，再進(jìn)行火焰面積計(jì)算，實(shí)現(xiàn)從火焰面積變化的角度來(lái)分析流場(chǎng)對(duì)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(yùn)用圖像處理技術(shù)對(duì)其進(jìn)行圖像信息分離、提取是非常有效的手段。其中，邊緣檢測(cè)是一種重要的圖像預(yù)處理方法，其主要目的是為了找出強(qiáng)度的非連續(xù)性，抑制細(xì)節(jié)和噪聲并保存邊緣定位精度，以獲得最為準(zhǔn)確的面積值。經(jīng)典的邊緣檢測(cè)是梯度算子邊緣檢測(cè)技術(shù)，主要包括Robert、Sobel、Prewitt、Canny、LOG算子等。經(jīng)過比較，本文的火焰面邊緣檢測(cè)采用一階Robert算子，并進(jìn)行面積計(jì)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(diǎn)(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(fēng)速下的圖像先經(jīng)過Photoshop處理，再在Matlab環(huán)境下采用上述一階Robert算子，就可獲得清晰的擴(kuò)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(jù)以上獲得的邊緣檢測(cè)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(biāo)，面積為縱坐標(biāo)，在同一坐標(biāo)系下對(duì)以上4組數(shù)據(jù)畫圖，結(jié)果如圖10所示。

由圖10可以看出:vv=0 m/s，vw=0 m/s時(shí)，圖像面積隨著風(fēng)速或者車速的增加而減小，因?yàn)橄鄬?duì)速度(vv-vw)逐漸增大，風(fēng)洞內(nèi)火焰附近的流場(chǎng)擾動(dòng)增加，使流場(chǎng)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(shí)，從圖10可以看出圖像的面積是先增大后減小的，這是因?yàn)橄鄬?duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生相對(duì)速度的關(guān)系，當(dāng)相對(duì)速度(vv-vw)減小時(shí)，風(fēng)洞內(nèi)火焰附近流場(chǎng)的擾動(dòng)減小，火焰燃燒迅速，面積增大;當(dāng)相對(duì)速度(vv-vw)≈0 m/s時(shí)，面積達(dá)到最大值，但此時(shí)(vv-vw)≠0 m/s;此后相對(duì)速度(vv-vw)又開始增大，使火焰附近的流場(chǎng)擾動(dòng)增加，火焰燃燒產(chǎn)生的大部分熱量被流動(dòng)的流場(chǎng)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(duì)靜止與絕對(duì)靜止下火焰形狀的對(duì)比

本文中，火焰的絕對(duì)靜止是指以風(fēng)洞為參照物火焰處于靜止不動(dòng)狀態(tài)，即vw=vv=0 m/s?；鹧娴南鄬?duì)靜止是指當(dāng)以風(fēng)洞為參照物時(shí)火焰處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但以火焰自身為參照時(shí)，火焰處于靜止?fàn)顟B(tài)，即vw=vv≠0 m/s。圖11為絕對(duì)靜止與相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)對(duì)比圖，其中，a、b為火焰絕對(duì)靜止;c、d、e為火焰相對(duì)靜止時(shí)的外形。

圖11 絕對(duì)靜止與相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)對(duì)比圖

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

為探討這一原因，通過fluent軟件對(duì)絕對(duì)靜止和相對(duì)靜止的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到速度場(chǎng)的形態(tài)分布，如圖12所示。從圖12可以看出:火焰處于絕對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)和相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)是不同的?；鹧嫣幱诮^對(duì)靜止時(shí)是完全擴(kuò)散燃燒，不受外界流場(chǎng)的影響，只有自身燃燒時(shí)產(chǎn)生的速度場(chǎng)?；鹧嫣幱谙鄬?duì)靜止時(shí)，風(fēng)洞中的流場(chǎng)是風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的流場(chǎng)與火焰自身運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的流場(chǎng)的疊加，在火焰燃燒附近的流場(chǎng)如圖12b所示，疊加后的速度場(chǎng)是向右偏移的，與相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)不同。所以不能用絕對(duì)靜止代替相對(duì)靜止去研究。

5 結(jié)論

本文采用數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)對(duì)風(fēng)洞中做直線運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)火源燃燒過程進(jìn)行了研究，對(duì)火源靜態(tài)特征和動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行了分析，對(duì)火源相對(duì)靜止和絕對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行了比較。研究結(jié)果認(rèn)為:移動(dòng)火源與靜止火源燃燒存在差異，不能利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)的概念來(lái)分析移動(dòng)火源的燃燒。結(jié)論如下:

圖12 絕對(duì)靜止與相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)的速度場(chǎng)模擬

(1)火源自身運(yùn)動(dòng)(vw=0 m/s)產(chǎn)生的火焰形態(tài)特征不同于火源受外界(vv=0 m/s)流場(chǎng)影響產(chǎn)生的火焰形態(tài)特征。

(2)火焰處于絕對(duì)靜止(vv=vw=0 m/s)與相對(duì)靜止(vv=vw≠0 m/s)時(shí)，火焰的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特征都不相同。絕對(duì)靜止時(shí)火焰周圍只有自身燃燒產(chǎn)生的流場(chǎng)，相對(duì)靜止時(shí)是風(fēng)速流場(chǎng)和自身運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)的疊加，周圍流場(chǎng)湍動(dòng)嚴(yán)重，火焰變化劇烈。

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