結(jié)合火焰輻射與互相關(guān)法的燃燒顆粒速度測量方法研究

姜勇俊，楊 斌，＊，何 淵，周 騖，蔡小舒

·測量技術(shù)·

結(jié)合火焰輻射與互相關(guān)法的燃燒顆粒速度測量方法研究

姜勇俊1，2，楊 斌1，2，＊，何 淵1，2，周 騖1，2，蔡小舒1，2

（1.上海理工大學(xué)顆粒與兩相流測量研究所，上海 200093；2.上海理工大學(xué)上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海 200093）

針對高溫燃燒顆粒運動速度在線測量難題，提出了結(jié)合火焰輻射與互相關(guān)法的燃燒顆粒速度測量方法，并設(shè)計了相應(yīng)的測量裝置對平面火焰爐實驗系統(tǒng)中燃燒煤粉顆粒速度進行了測量，布置了上下游2個相距6mm的火焰輻射光強測點，通過對該2測點輻射光強進行互相關(guān)分析計算得到燃燒顆粒運動速度，實驗獲得了變工況下燃燒顆粒運動速度的變化情況，同時將其與數(shù)值模擬結(jié)果對比，相對偏差不超過10%，驗證了該方法可為諸如鍋爐煤粉燃燒、固體火箭發(fā)動機推進劑燃燒等惡劣環(huán)境下燃燒顆粒速度測量提供一種簡單、有效的測量方法。

燃燒診斷；顆粒速度；燃燒顆粒；火焰輻射；互相關(guān)法

0 引 言

顆粒運動速度是氣固兩相流動的重要特征參數(shù)之一，直接關(guān)系到氣固混合、傳熱、反應(yīng)等物理化學(xué)過程［1］。因此，顆粒速度的在線測量對粉體氣相輸運、固體燃料懸浮燃燒等工業(yè)過程的優(yōu)化控制和節(jié)能減排均具有重要意義［2－3］。

目前，對于氣固兩相流顆粒速度測量主要有激光多普勒法（Laser－Doppler Anemometry，LDA）、激光相位多普勒（Laser Phase－Doppler Anemometry，LFDA）、光散射互相關(guān)法、粒子圖像測速法（Particle Image Velocimetry，PIV）以及圖像法等［4－8］。然而這些方法對于諸如鍋爐煤粉燃燒和固體推進劑燃燒等高溫燃燒顆粒速度測量具有一定的限制。例如較強火焰輻射信號會影響顆粒圖像或激光信號的識別和處理；存在速度測量上限；測量系統(tǒng)工作可靠性和穩(wěn)定性受高溫所限制等。對此問題，V.P.Lyagushkin等人［9］于1985年就嘗試?yán)酶邷仡w粒自身輻射對顆粒進行溫度和速度同時測量，其中高溫顆粒速度是通過假設(shè)探測器對高溫顆粒產(chǎn)生的特定波長輻射的脈沖響應(yīng)時間等于高溫顆粒經(jīng)過測量區(qū)的運動時間來計算高溫顆粒的運動速度。然而該高溫顆粒在測量區(qū)內(nèi)的運動時間極短，這就要求探測器的響應(yīng)非常靈敏，否則測量誤差較大。而互相關(guān)測速法通過分析互相關(guān)的上下游2個傳感器信號（如壓力、溫度等）的互相關(guān)特性來實現(xiàn)速度測量的方法，適用于高溫、強輻射和放射性等惡劣環(huán)境［2－3，10－13］。因此，本文提出以高溫燃燒顆粒本身火焰輻射光信號的互相關(guān)分析為原理的燃燒顆粒速度測量方法，通過設(shè)置上下游2個火焰輻射光強測點，監(jiān)測2測點輻射光強信號，并進行互相關(guān)分析來得到燃燒顆粒運動速度，具有適用性強、測量范圍寬、系統(tǒng)簡單可靠、實時在線等優(yōu)點，可應(yīng)用于鍋爐煤粉燃燒顆粒、固體火箭發(fā)動機推進劑燃燒顆粒等惡劣工業(yè)環(huán)境顆粒速度測量。此外，本文還利用平面火焰爐實驗系統(tǒng)對該方法測量的有效性和合理性進行驗證。

1 互相關(guān)法測速原理

燃燒顆?；鹧孑椛湫盘柣ハ嚓P(guān)速度測量方法的原理如圖1所示，在顆粒流動方向上、下游布置間距為L的2個輻射光強測點，探測器所檢測到的光強時序信號f1（t）和f2（t）相似，只是在時間上f1（t）比f2（t）后移了渡越時間τ。

圖1 互相關(guān)測量原理圖Fig.1 Schematic diagram of cross－correlation measurement

對該相似性的評價可以通過互相關(guān)函數(shù)R12（τ）來描述：

假設(shè)u1、u2分別為信號f1（t）、f2（t）的均值，σ21、σ22分別為信號f1（t）、f2（t）的方差。相關(guān)系數(shù)ρ可按下式計算：

上式的離散化形式為：

通過獲得2信號渡越時間τ，便可計算顆粒的運動速度：

2 實驗系統(tǒng)與裝置

燃燒顆粒運動速度測量實驗系統(tǒng)與裝置如圖2所示，主要包括平面火焰爐、精密流量空氣系統(tǒng)、煤粉顆粒給料裝置、輻射光強探測器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（NI PCIE－6351，實驗采樣頻率20kHz）。其中，平面火焰爐采用甲烷（CH4）作為燃料產(chǎn)生高溫燃?xì)?，可以通過調(diào)節(jié)甲烷和空氣的流量改變?nèi)細(xì)鉁囟葪l件；煤粉顆粒儲存于煤粉罐中，由空氣輸運至平面火焰爐中心8mm噴口中，由高溫燃?xì)饧訜狳c燃，實驗中可以通過設(shè)置通入空氣流量改變顆粒濃度和速度；2輻射光強探測器置于平面火焰爐上方3cm處，2測點豎直平面之間形成的區(qū)域為測量區(qū)；同時在火焰爐上方布置石英管以消除外界空氣影響及保護測量元件。

圖2 燃燒煤粉顆粒測速實驗系統(tǒng)Fig.2 Experimental system of burning pulverized coal particle velocity measurement

由于該測量方法測量精度主要受燃燒顆?；鹧孑椛涔鈴娒}動特性、上下游測點距離以及輻射光強探測系統(tǒng)采樣頻率等影響，故測量裝置設(shè)計應(yīng)考慮上述因素，輻射光強脈動特性主要受顆粒濃度影響：對于濃度變化較大的燃燒顆粒群，上下游測量的火焰輻射光強波動較大，由此分析的互相關(guān)系數(shù)更接近1，有利于測量精度的提高；對于兩測點間距與采樣頻率的問題，可根據(jù)Kipphan準(zhǔn)則來確定［14－15］。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1典型信號與數(shù)據(jù)處理過程

煤粉顆粒由空氣輸運至高溫燃?xì)庵悬c燃，產(chǎn)生火焰輻射信號由上下游測點探測記錄。典型工況下（平面火焰爐甲烷流量：3L／min；平面火焰爐空氣流量：2.4L／min；煤粉輸運空氣流量：4L／min）5s時間段中0～2.5s信號如圖3所示。如圖可見，由于測量區(qū)較小，其中煤粉顆粒濃度與燃燒情況時刻發(fā)生改變，由此上下游探測的顆粒火焰輻射信號具有較強脈動特征。其中1.50～1.75s信號局部放大圖如圖4所示，可明顯看出2探測器接收光強信號相似性好，下游信號滯后上游信號。對整個5s時間段以0.25s為分析單元、0.0025s為移動步長進行互相關(guān)分析，得到互相關(guān)系數(shù)曲線如圖5所示，可見對于穩(wěn)定工況，上下游輻射光譜信號相關(guān)性較好，互相關(guān)系數(shù)在0.97附近。由此計算顆粒速度結(jié)果如圖6所示，可見測量結(jié)果較為穩(wěn)定，且平均速度為1.30m／s，這說明該方法對于高溫燃燒顆粒運動速度測量可行。此外，該測量結(jié)果表征的是上下游2個探測器接收的透鏡成像區(qū)域內(nèi)燃燒顆粒的運動綜合效果，由于2探測器間隔6mm，調(diào)節(jié)透鏡成像區(qū)域為煤粉氣流區(qū)，因此測量結(jié)果的空間分辨即為探測器接收的6mm高度煤粉氣流區(qū)。該測量方法的空間分辨力受2探測器間距及透鏡焦距影響。

圖3 典型上下游輻射光強信號Fig.3 Typical signals of upstream and downstream

圖4 典型信號1.50～1.75s時間段光強信號Fig.4 Detailed curve of typical signal during 1.50～1.75s

圖5 互相關(guān)系數(shù)曲線Fig.5 Curve of cross－correlation coefficient

圖6 煤粉顆粒速度處理結(jié)果Fig.6 Measurement results of pulverized coal particle velocity

3.2變工況實驗測量結(jié)果與討論

為了驗證測量方法的有效性，實驗在改變煤粉輸運空氣流量的條件下進行顆粒運動速度測量。煤粉顆粒輸運空氣初始流量為3L／min，在第6s時刻增加到4.5L／min，其他實驗條件與3.1節(jié)一致。實驗獲得的2測點0～10s輻射光強信號如圖7所示，可見0～6s信號強度較為穩(wěn)定，平均值為1.032V。由此可知，氣相輸運空氣流量基本不變，其攜帶煤粉濃度不變，煤粉平均速度較為平穩(wěn)。之后，隨著氣相輸運空氣流量的增加，空氣流速增大，攜帶的煤粉速度增大，同時煤粉濃度也增大，燃燒輻射光強整體上移，7～10s信號平均強度上升至1.072V。此外，隨著氣流速度的增加，湍流流動更為復(fù)雜，煤粉顆粒燃燒輻射信號脈動更為劇烈。對整個實驗過程10s時間段數(shù)據(jù)進行處理，以0.25s為分析單元、0.0025s為移動步長，測量結(jié)果采用30次移動平均，獲得燃燒顆粒運動速度隨時間變化結(jié)果如圖8所示。0～6s時間段實驗工況穩(wěn)定，平均顆粒運動速度為1.08m／s；隨著氣相輸運空氣流量的增加，顆粒運動速度隨之增加，在7s時刻后流量控制器示數(shù)達到基本穩(wěn)定，此時平均顆粒運動速度為1.39m／s。由此可知，該測量方法可以有效測量變工況條件下顆粒運動速度。

圖7 變工況兩測點輻射信號Fig.7 Radiation signals of two detectors under alterative working conditions

圖8 變工況下煤粉顆粒速度Fig.8 Coal particle velocity under variable conditions

3.3實驗工況數(shù)值模擬結(jié)果與分析

為了驗證測量的合理性，采用計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）對平面火焰爐上方流場進行仿真，物理模型計算網(wǎng)格如圖9所示，其中，邊界Inlet1為煤粉空氣進口，Inlet2為高溫空氣進口，Wall為絕熱的石英玻璃管，Outlet為出口端。圖示中框內(nèi)為燃燒顆粒運動速度測量區(qū)。

針對3.1與3.2節(jié)實驗工況，數(shù)值模擬條件采用3種邊界條件，如表1所示。其中，工況1對應(yīng)3.1節(jié)穩(wěn)定工況條件，工況2和3對應(yīng)3.2節(jié)變工況前后條件，甲烷燃燒高溫燃?xì)鉁囟仍O(shè)置為1000K（依據(jù)熱電偶測量結(jié)果）。

圖9 物理模型計算網(wǎng)格Fig.9 Model grid of physical model

表1 邊界條件Table 1 Boundary conditions

3種工況數(shù)值模擬結(jié)果如圖10所示，選擇測量區(qū)（圖示中框內(nèi)區(qū)域）內(nèi)氣流平均速度作為參考值，與相應(yīng)穩(wěn)定時間段實驗測量平均值進行對比，結(jié)果如表2所示。可知實驗測量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相對偏差不超過10%，由此驗證了該方法對高溫燃燒顆粒運動速度測量的合理性。

圖10 速度分布數(shù)值模擬結(jié)果Fig.10 Results of velocity distribution by CFD

表2 實驗測量與數(shù)值模擬結(jié)果對比Table 2 Comparison between experimental measurements and numerical results

4 結(jié) 論

本文得到的結(jié)論如下：

（1）針對高溫燃燒顆粒運動速度在線測量，提出了結(jié)合火焰輻射與互相關(guān)法的燃燒顆粒速度測量方法，該方法具有適用性強、測量范圍寬、系統(tǒng)簡單可靠和實時在線等優(yōu)點，可適用于如鍋爐煤粉燃燒顆粒和固體推進劑燃燒顆粒等惡劣工業(yè)環(huán)境。

（2）通過平面火焰爐煤粉顆粒運動速度測量實驗，獲得了穩(wěn)定工況和變工況下煤粉燃燒顆粒速度測量結(jié)果，驗證了該方法對高溫燃燒顆粒速度測量的可行性并將實驗測量結(jié)果與相同工況下數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，相對偏差不超過10%，由此，驗證了該方法對燃燒顆粒速度測量的合理性。

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Combined flame radiation and cross－correlation method for velocity measurement of burning particles

Jiang Yongjun1，2，Yang Bin1，2，＊，He Yuan1，2，Zhou Wu1，2，Cai Xiaoshu1，2
（1.Institute of Particle and Two－phase Flow Measurement，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2.Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

For online velocity measurement problem of high temperature burning particles，the measurement method which combines flame radiation and cross correlation method is presented，and the measurement device has been designed to measure the velocity of burning pulverized coal particles in the flat flame burner experimental system.The two upstream and downstream measuring points at a distance of 6mm are set to obtain the flame radiation signals of burning particles.The velocity is determined from the cross－correlation analysis of the two signals.Thus，the time evolution of particle velocity under different conditions is obtained.Compared to the results of computational fluid dynamic，the relative deviations have been found to be less than 10%.The result shows that this method can provide a simple and effective method for measuring the burning particle velocity in the harsh environment such as coal combustion in a boiler and propellant combustion in a solid rocket motor.

combustion diagnostic；particle velocity；burning particles；flame radiation；crosscorrelation method

TK31

：A

（編輯：楊 娟）

1672－9897（2016）03－0071－05

10.11729／syltlx20150106

2015－08－11；

2015－09－10

國家自然科學(xué)基金資助項目（51327803，51206112）；上海市科委科研計劃項目（13DZ2260900）；上海高校青年教師培養(yǎng)資助計劃項目（ZZslg15002）

＊通信作者E－mail：yangbin＠usst.edu.cn

Jiang Y J，Yang B，He Y，et al.Combined flame radiation and cross－correlation method for velocity measurement of burning particles.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30（3）：71－75.姜勇俊，楊斌，何淵，等.結(jié)合火焰輻射與互相關(guān)法的燃燒顆粒速度測量方法研究.實驗流體力學(xué)，2016，30（3）：71－75.

姜勇?。?989－），男，浙江江山人，碩士研究生。研究方向：燃燒參數(shù)在線測量方法。通信地址：上海市楊浦區(qū)軍工路516號上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院（200093）。E－mail：jiangyongjun＿usst＠163.com