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        結(jié)合火焰輻射與互相關(guān)法的燃燒顆粒速度測(cè)量方法研究

        2016-07-05 12:52:58姜勇俊蔡小舒
        實(shí)驗(yàn)流體力學(xué) 2016年3期
        關(guān)鍵詞:煤粉火焰測(cè)點(diǎn)

        姜勇俊,楊 斌,*,何 淵,周 騖,蔡小舒

        ·測(cè)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(cè)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(cè)量研究所,上海 200093;2.上海理工大學(xué)上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200093)

        針對(duì)高溫燃燒顆粒運(yùn)動(dòng)速度在線測(cè)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(cè)量方法,并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測(cè)量裝置對(duì)平面火焰爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中燃燒煤粉顆粒速度進(jìn)行了測(cè)量,布置了上下游2個(gè)相距6mm的火焰輻射光強(qiáng)測(cè)點(diǎn),通過(guò)對(duì)該2測(cè)點(diǎn)輻射光強(qiáng)進(jìn)行互相關(guān)分析計(jì)算得到燃燒顆粒運(yùn)動(dòng)速度,實(shí)驗(yàn)獲得了變工況下燃燒顆粒運(yùn)動(dòng)速度的變化情況,同時(shí)將其與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比,相對(duì)偏差不超過(guò)10%,驗(yàn)證了該方法可為諸如鍋爐煤粉燃燒、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑燃燒等惡劣環(huán)境下燃燒顆粒速度測(cè)量提供一種簡(jiǎn)單、有效的測(cè)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(yùn)動(dòng)速度是氣固兩相流動(dòng)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(guò)程[1]。因此,顆粒速度的在線測(cè)量對(duì)粉體氣相輸運(yùn)、固體燃料懸浮燃燒等工業(yè)過(guò)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(duì)于氣固兩相流顆粒速度測(cè)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(cè)速法(Particle Image Velocimetry,PIV)以及圖像法等[4-8]。然而這些方法對(duì)于諸如鍋爐煤粉燃燒和固體推進(jìn)劑燃燒等高溫燃燒顆粒速度測(cè)量具有一定的限制。例如較強(qiáng)火焰輻射信號(hào)會(huì)影響顆粒圖像或激光信號(hào)的識(shí)別和處理;存在速度測(cè)量上限;測(cè)量系統(tǒng)工作可靠性和穩(wěn)定性受高溫所限制等。對(duì)此問(wèn)題,V.P.Lyagushkin等人[9]于1985年就嘗試?yán)酶邷仡w粒自身輻射對(duì)顆粒進(jìn)行溫度和速度同時(shí)測(cè)量,其中高溫顆粒速度是通過(guò)假設(shè)探測(cè)器對(duì)高溫顆粒產(chǎn)生的特定波長(zhǎng)輻射的脈沖響應(yīng)時(shí)間等于高溫顆粒經(jīng)過(guò)測(cè)量區(qū)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間來(lái)計(jì)算高溫顆粒的運(yùn)動(dòng)速度。然而該高溫顆粒在測(cè)量區(qū)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間極短,這就要求探測(cè)器的響應(yīng)非常靈敏,否則測(cè)量誤差較大。而互相關(guān)測(cè)速法通過(guò)分析互相關(guān)的上下游2個(gè)傳感器信號(hào)(如壓力、溫度等)的互相關(guān)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)速度測(cè)量的方法,適用于高溫、強(qiáng)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(hào)的互相關(guān)分析為原理的燃燒顆粒速度測(cè)量方法,通過(guò)設(shè)置上下游2個(gè)火焰輻射光強(qiáng)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)2測(cè)點(diǎn)輻射光強(qiáng)信號(hào),并進(jìn)行互相關(guān)分析來(lái)得到燃燒顆粒運(yùn)動(dòng)速度,具有適用性強(qiáng)、測(cè)量范圍寬、系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠、實(shí)時(shí)在線等優(yōu)點(diǎn),可應(yīng)用于鍋爐煤粉燃燒顆粒、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑燃燒顆粒等惡劣工業(yè)環(huán)境顆粒速度測(cè)量。此外,本文還利用平面火焰爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)該方法測(cè)量的有效性和合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

        1 互相關(guān)法測(cè)速原理

        燃燒顆?;鹧孑椛湫盘?hào)互相關(guān)速度測(cè)量方法的原理如圖1所示,在顆粒流動(dòng)方向上、下游布置間距為L(zhǎng)的2個(gè)輻射光強(qiáng)測(cè)點(diǎn),探測(cè)器所檢測(cè)到的光強(qiáng)時(shí)序信號(hào)f1(t)和f2(t)相似,只是在時(shí)間上f1(t)比f(wàn)2(t)后移了渡越時(shí)間τ。

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

        對(duì)該相似性的評(píng)價(jià)可以通過(guò)互相關(guān)函數(shù)R12(τ)來(lái)描述:

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

        上式的離散化形式為:

        通過(guò)獲得2信號(hào)渡越時(shí)間τ,便可計(jì)算顆粒的運(yùn)動(dòng)速度:

        2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與裝置

        燃燒顆粒運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)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(qiáng)探測(cè)器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(NI PCIE-6351,實(shí)驗(yàn)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(guò)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(chǔ)存于煤粉罐中,由空氣輸運(yùn)至平面火焰爐中心8mm噴口中,由高溫燃?xì)饧訜狳c(diǎn)燃,實(shí)驗(yàn)中可以通過(guò)設(shè)置通入空氣流量改變顆粒濃度和速度;2輻射光強(qiáng)探測(cè)器置于平面火焰爐上方3cm處,2測(cè)點(diǎn)豎直平面之間形成的區(qū)域?yàn)闇y(cè)量區(qū);同時(shí)在火焰爐上方布置石英管以消除外界空氣影響及保護(hù)測(cè)量元件。

        圖2 燃燒煤粉顆粒測(cè)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Experimental system of burning pulverized coal particle velocity measurement

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

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        3.1典型信號(hào)與數(shù)據(jù)處理過(guò)程

        煤粉顆粒由空氣輸運(yùn)至高溫燃?xì)庵悬c(diǎn)燃,產(chǎn)生火焰輻射信號(hào)由上下游測(cè)點(diǎn)探測(cè)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(yùn)空氣流量:4L/min)5s時(shí)間段中0~2.5s信號(hào)如圖3所示。如圖可見(jiàn),由于測(cè)量區(qū)較小,其中煤粉顆粒濃度與燃燒情況時(shí)刻發(fā)生改變,由此上下游探測(cè)的顆?;鹧孑椛湫盘?hào)具有較強(qiáng)脈動(dòng)特征。其中1.50~1.75s信號(hào)局部放大圖如圖4所示,可明顯看出2探測(cè)器接收光強(qiáng)信號(hào)相似性好,下游信號(hào)滯后上游信號(hào)。對(duì)整個(gè)5s時(shí)間段以0.25s為分析單元、0.0025s為移動(dòng)步長(zhǎng)進(jìn)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(jiàn)對(duì)于穩(wěn)定工況,上下游輻射光譜信號(hào)相關(guān)性較好,互相關(guān)系數(shù)在0.97附近。由此計(jì)算顆粒速度結(jié)果如圖6所示,可見(jiàn)測(cè)量結(jié)果較為穩(wěn)定,且平均速度為1.30m/s,這說(shuō)明該方法對(duì)于高溫燃燒顆粒運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量可行。此外,該測(cè)量結(jié)果表征的是上下游2個(gè)探測(cè)器接收的透鏡成像區(qū)域內(nèi)燃燒顆粒的運(yùn)動(dòng)綜合效果,由于2探測(cè)器間隔6mm,調(diào)節(jié)透鏡成像區(qū)域?yàn)槊悍蹥饬鲄^(qū),因此測(cè)量結(jié)果的空間分辨即為探測(cè)器接收的6mm高度煤粉氣流區(qū)。該測(cè)量方法的空間分辨力受2探測(cè)器間距及透鏡焦距影響。

        圖3 典型上下游輻射光強(qiáng)信號(hào)Fig.3 Typical signals of upstream and downstream

        圖4 典型信號(hào)1.50~1.75s時(shí)間段光強(qiáng)信號(hào)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(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與討論

        為了驗(yàn)證測(cè)量方法的有效性,實(shí)驗(yàn)在改變煤粉輸運(yùn)空氣流量的條件下進(jìn)行顆粒運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量。煤粉顆粒輸運(yùn)空氣初始流量為3L/min,在第6s時(shí)刻增加到4.5L/min,其他實(shí)驗(yàn)條件與3.1節(jié)一致。實(shí)驗(yàn)獲得的2測(cè)點(diǎn)0~10s輻射光強(qiáng)信號(hào)如圖7所示,可見(jiàn)0~6s信號(hào)強(qiáng)度較為穩(wěn)定,平均值為1.032V。由此可知,氣相輸運(yùn)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(yùn)空氣流量的增加,空氣流速增大,攜帶的煤粉速度增大,同時(shí)煤粉濃度也增大,燃燒輻射光強(qiáng)整體上移,7~10s信號(hào)平均強(qiáng)度上升至1.072V。此外,隨著氣流速度的增加,湍流流動(dòng)更為復(fù)雜,煤粉顆粒燃燒輻射信號(hào)脈動(dòng)更為劇烈。對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程10s時(shí)間段數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,以0.25s為分析單元、0.0025s為移動(dòng)步長(zhǎng),測(cè)量結(jié)果采用30次移動(dòng)平均,獲得燃燒顆粒運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化結(jié)果如圖8所示。0~6s時(shí)間段實(shí)驗(yàn)工況穩(wěn)定,平均顆粒運(yùn)動(dòng)速度為1.08m/s;隨著氣相輸運(yùn)空氣流量的增加,顆粒運(yùn)動(dòng)速度隨之增加,在7s時(shí)刻后流量控制器示數(shù)達(dá)到基本穩(wěn)定,此時(shí)平均顆粒運(yùn)動(dòng)速度為1.39m/s。由此可知,該測(cè)量方法可以有效測(cè)量變工況條件下顆粒運(yùn)動(dòng)速度。

        圖7 變工況兩測(cè)點(diǎn)輻射信號(hào)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(shí)驗(yàn)工況數(shù)值模擬結(jié)果與分析

        為了驗(yàn)證測(cè)量的合理性,采用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)對(duì)平面火焰爐上方流場(chǎng)進(jìn)行仿真,物理模型計(jì)算網(wǎng)格如圖9所示,其中,邊界Inlet1為煤粉空氣進(jìn)口,Inlet2為高溫空氣進(jìn)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(yùn)動(dòng)速度測(cè)量區(qū)。

        針對(duì)3.1與3.2節(jié)實(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)3.1節(jié)穩(wěn)定工況條件,工況2和3對(duì)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(cè)量結(jié)果)。

        圖9 物理模型計(jì)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(cè)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(shí)間段實(shí)驗(yàn)測(cè)量平均值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表2所示。可知實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相對(duì)偏差不超過(guò)10%,由此驗(yàn)證了該方法對(duì)高溫燃燒顆粒運(yùn)動(dòng)速度測(cè)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(shí)驗(yàn)測(cè)量與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)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(duì)高溫燃燒顆粒運(yùn)動(dòng)速度在線測(cè)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(cè)量方法,該方法具有適用性強(qiáng)、測(cè)量范圍寬、系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠和實(shí)時(shí)在線等優(yōu)點(diǎn),可適用于如鍋爐煤粉燃燒顆粒和固體推進(jìn)劑燃燒顆粒等惡劣工業(yè)環(huán)境。

        (2)通過(guò)平面火焰爐煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量實(shí)驗(yàn),獲得了穩(wěn)定工況和變工況下煤粉燃燒顆粒速度測(cè)量結(jié)果,驗(yàn)證了該方法對(duì)高溫燃燒顆粒速度測(cè)量的可行性并將實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與相同工況下數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,相對(duì)偏差不超過(guò)10%,由此,驗(yàn)證了該方法對(duì)燃燒顆粒速度測(cè)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51327803,51206112);上海市科委科研計(jì)劃項(xiàng)目(13DZ2260900);上海高校青年教師培養(yǎng)資助計(jì)劃項(xiàng)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(cè)量方法研究.實(shí)驗(yàn)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(cè)量方法。通信地址:上海市楊浦區(qū)軍工路516號(hào)上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院(200093)。E-mail:jiangyongjun_usst@163.com

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