在動力實驗中開展燃燒特性測試的實驗教學(xué)

齊 放, 胡洋洋, 周 旋, 許滄粟

(浙江大學(xué) 動力機(jī)械與車輛工程研究所, 浙江 杭州 310027)

實驗教學(xué)研究

在動力實驗中開展燃燒特性測試的實驗教學(xué)

齊 放, 胡洋洋, 周 旋, 許滄粟

(浙江大學(xué) 動力機(jī)械與車輛工程研究所, 浙江 杭州 310027)

結(jié)合動力工程專業(yè)本科生實驗教學(xué)中現(xiàn)有的臺架實驗只能進(jìn)行產(chǎn)品發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、常規(guī)排放物的測試實驗教學(xué),缺少對燃料及代用燃料在發(fā)動機(jī)中燃用時的基本燃燒特性參數(shù)測試的實驗裝置與設(shè)備，開發(fā)了高速紋影法記錄定容燃燒彈內(nèi)球形膨脹火焰的測試系統(tǒng),研究其層流火焰燃燒速度等特性參數(shù)。用乙醇開展了實驗教學(xué),獲得其基本層流火焰特性參數(shù),極大地激發(fā)了學(xué)生對燃燒研究的興趣。

動力實驗； 層流燃燒； 定容燃燒彈

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,各國對能源的需求不斷增加,同時,化石燃料作為當(dāng)今最重要的能源,面臨著儲量枯竭與環(huán)境污染等問題。開發(fā)利用可再生的清潔能源是解決這些問題的最佳途徑之一。內(nèi)燃機(jī)可使用的代用燃料包括天然氣[1]、合成氣[2]以及部分生物質(zhì)燃料[3-4]等,其中,作為可再生能源的生物質(zhì)燃料是研究的重點。生物質(zhì)燃料成分復(fù)雜,主要有乙醇、丙酮、丁酮、乙酸乙酯、乙醚等成分[5],這些成分是現(xiàn)有產(chǎn)品發(fā)動機(jī)中很少應(yīng)用的。本文結(jié)合我校動力工程專業(yè)發(fā)動機(jī)動力性實驗教學(xué)的局限性,探討在本科生實驗教學(xué)中開展燃燒特性測試的實驗教學(xué)。

1 現(xiàn)有動力性實驗教學(xué)設(shè)備

我校動力工程專業(yè)本科生實驗教學(xué)中發(fā)動機(jī)臺架實驗設(shè)備如圖1所示[6],主要由測試發(fā)動機(jī)、測功機(jī)以及排放特性測試等設(shè)備組成。在上述發(fā)動機(jī)臺架上,能進(jìn)行發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放特性的測試。燃油消耗率是發(fā)動機(jī)研究中最為關(guān)注的一個參數(shù),因為燃油消耗率是發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性的直觀表現(xiàn)。在一次實驗教學(xué)中測得的某產(chǎn)品發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性如圖2所示，碳煙排放特性如圖3所示。

圖1 實驗臺架示意圖

圖2 某成品發(fā)動機(jī)全負(fù)荷下的油耗曲線

圖3 某成品發(fā)動機(jī)全負(fù)荷下的顆料排放曲線

從實驗裝置及實驗結(jié)果分析可知,現(xiàn)有的動力性測試設(shè)備,只能用于成品發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放特性的測試。代用燃料在傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)臺架設(shè)備上實驗只能進(jìn)行與汽(柴)油在動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放特性的對比實驗,很難觀察到代用燃料的基本燃燒特性,以及燃燒特性對發(fā)動機(jī)整機(jī)性能影響的機(jī)理。因此,我們開展了層流燃燒特性參數(shù)測量的實驗教學(xué)。

2 層流燃燒特性測試實驗裝置與方法

2.1 實驗裝置

實驗裝置主要由可視化溫控定容燃燒彈(簡稱容彈)、電極點火系統(tǒng)、點火能量測量系統(tǒng)、實驗時序控制系統(tǒng)、高速紋影成像系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。實驗系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 高速紋影法測量容彈內(nèi)球形膨脹火焰的層流燃燒特性的實驗裝置簡圖

實驗用容彈的外形為最大輪廓尺寸200 mm×200 mm× 200 mm的類正方體。容彈各表面預(yù)留有φ105 mm的透明視窗及點火電極固定塊的安裝孔,透明視窗采用透射性較強(qiáng)的石英玻璃,可用于高速紋影系統(tǒng)的測量[7]。

實驗教學(xué)中用乙醇進(jìn)行實驗,實驗容彈內(nèi)混合氣初始壓力為0.1 MPa,初始溫度通過加熱器及溫控系統(tǒng)設(shè)定為363 K (1 K)。為減小實驗誤差,實驗室環(huán)境溫度要求保持298 K,同時,環(huán)境濕度為56%。

2.2 火焰圖像與火焰前鋒

火焰擴(kuò)展過程前鋒面亮度很高,不能直接采用高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝。本實驗采用的紋影成像技術(shù)依據(jù)光在流場中的折射率梯度與氣流密度成正比的原理,測量容彈內(nèi)部火焰擴(kuò)展過程的密度梯度分布[8],圖5為實驗中拍攝的火焰擴(kuò)展圖像。

2.3 圖像處理與半徑提取

火焰半徑的檢測是本實驗數(shù)據(jù)分析的關(guān)鍵之一。

圖5 實驗中拍攝的火焰圖像

半徑檢測的準(zhǔn)確性直接影響火焰速度的計算,進(jìn)而影響的燃燒速度、馬克斯坦長度等參數(shù)的分析準(zhǔn)確性。

由于燃燒過程的火焰形狀不完全為標(biāo)準(zhǔn)球形,采用對火焰面進(jìn)行圓擬合的半徑提取方法效果欠佳。本文采用基于灰度梯度的夾逼測量法[9],通過旋轉(zhuǎn)火焰邊界灰度圖消除電極絲影響,再根據(jù)所確定圓心的橫縱2個方向分別檢測圖像的灰度梯度最大值像素點,作為圓弧所在位置。如圖6夾逼測量法示意圖可以看到,程序檢測的效果可以獲得上下左右4個方向的火焰半徑值,分別為R_UP、R_DOWN、R_RIGHT、R_LEFT,為消除檢測誤差,對上述半徑相加后取平均值(R_AVERAGE)作為火焰的紋影半徑,即rsch。

圖6 夾逼測量法示意圖

在數(shù)據(jù)處理過程中為表述清晰、方便,本文采用當(dāng)量比0.7條件下的數(shù)據(jù)單獨(dú)進(jìn)行列圖配合說明。

層流燃燒速度計算過程中,通常只需處理火焰半徑值適中的一段數(shù)據(jù),本文為說明數(shù)據(jù)段選擇的合理性,對點火開始直至火焰半徑大于視窗的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理,圖7為當(dāng)量比0.7的乙醇空氣混合氣的火焰擴(kuò)展過程火焰半徑變化。

圖7 火焰擴(kuò)展過程火焰半徑變化圖

2.4 拉伸層流火焰速度

拉伸火焰速度Sn的定義即火焰半徑的變化率,如以下公式所示:

(1)

式中,ru即未燃?xì)饷婊鹧媲颁h半徑(以下簡稱火焰半徑)。

拉伸火焰速度Sn隨火焰半徑的變化如圖8所示:

圖8 火焰擴(kuò)展過程火焰速度隨火焰半徑變化圖

結(jié)合圖7、圖8可以看出,火焰發(fā)展初期火焰速度較大,該階段為點火能量支持的火焰發(fā)展階段,也可稱為火核發(fā)展階段。隨著點火能量的消耗火焰速度下降很快,假如點火能量過小,則火焰速度下降直至火核淬熄；當(dāng)點火能量大于混合氣最小點火能量時,火焰速度下降至一個拐點后不斷上升,該階段開始由化學(xué)反應(yīng)支持火焰發(fā)展,最小點火能對應(yīng)的拐點位置半徑即所謂臨界火焰半徑[10],并且點火能量越大,拐點對應(yīng)的火焰速度越大,即火焰更早地進(jìn)入火焰發(fā)展階段。

2.5 火焰拉伸率

火焰拉伸率的定義為火焰面微小單元的對數(shù)對時間的導(dǎo)數(shù),對與球形火焰而言,火焰拉伸率α可根據(jù)以下公式計算:

圖9為火焰拉伸率α與火焰半徑的關(guān)系圖。圖中可以看到隨著火焰半徑不斷變大,火焰拉伸率α不斷減小,且火焰初期拉伸率減小很快。結(jié)合圖5,不難理解導(dǎo)致這一情況的原因是初期火焰速度很大而火焰半徑很小,而后期火焰速度相對穩(wěn)定,其拉伸率主要受火焰半徑增大的影響。

圖9 火焰拉伸率α與火焰半徑ru變化關(guān)系圖

2.6 拉伸層流火焰速度

由于容彈法實驗在燃燒過程中受到點火能量與容彈彈體的限制,燃燒初期與末期的火焰速度不符合“等壓燃燒”條件。在對火焰速度Sn隨火焰拉伸率α變化圖進(jìn)行線性擬合時只選用圖中的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒段,圖10為火焰拉伸率與火焰速度的變化關(guān)系圖。根據(jù)研究,準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒段可根據(jù)容彈內(nèi)腔形狀等參數(shù)確定[11-12]。本實驗采用火焰半徑大于10 mm,即火焰半徑對應(yīng)于容彈總體積1.6% 的半徑區(qū)間范圍作為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒段,即火焰半徑10～19 mm左右的火焰段。

圖10 火焰拉伸率α與火焰速度Sn變化關(guān)系圖

3 結(jié)語

通過發(fā)動機(jī)臺架實驗與燃料燃燒特性實驗相結(jié)合教學(xué),使學(xué)生在實驗過程中對燃料燃燒特性和燃料在發(fā)動機(jī)上的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性有一個全面的認(rèn)識。在燃燒特性實驗中了解層流燃燒的影響因素,探索燃料燃燒對發(fā)動機(jī)性能的影響,培養(yǎng)學(xué)生探究問題、分析問題和解決問題的能力。

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Experimental teaching of carrying out combustion characteristics test in dynamic experiments

Qi Fang, Hu Yangyang, Zhou Xuan, Xu Cangsu

(Institute of Power Machinery and Vehicular Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

In previous experimental teaching for the students, whose major is power engineering, the existing test bench is only confined to conduct experimental teaching of engine performance, fuel economy, conventional emissions test. Because of lack experiment setup for fundamental combustion characteristic of fuels, which are used in internal combustion engine or as alternative fuels, a system which aims at studying fuels’ laminar burning velocity was developed. The main procedure includes recording the propagation of the spherical expanding flame in the combustion chamber by high-speed camera and data progressing. In present teaching experiment, ethanol is taken as an example to obtain its key laminar flame parameters.

dynamic experiment； laminar combustion； constant volume chamber

10.16791/j.cnki.sjg.2017.03.041

2016-09-28 修改日期：2016-10-28

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2013CB228106)；浙江省科技廳公益項目(2016C31102)

齊放( 1958—),男,浙江杭州,碩士,高級實驗師,主要研究方向為實驗室管理及發(fā)動機(jī)與車輛檢測技術(shù)

E-mail：qf58@163.com

許滄粟( 1963—),男,浙江杭州,博士,副教授,主要研究方向為柴油機(jī)噴霧和燃料燃燒特性.

E-mail：xcs0929@163.com

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1002-4956(2017)3-0161-04