1.一种通过判别火焰流态的定容燃烧装置进行的火焰流态判别方法,其特征在于,所述定容燃烧装置,包括定容燃烧弹缸内压力采集系统和火焰纹影图片采集系统;
所述定容燃烧弹缸内压力采集系统包括球形的定容燃烧弹弹体(1)和压力传感器探针(2);定容燃烧弹弹体(1)上设有若干探针孔,压力传感器探针(2)一端设有信号传输线,另一端插入探针孔并将探针孔密封,且探针末端指向定容燃烧弹内腔的几何中心;压力传感器探针(2)上还一定间距从探针末端向外安装数个压力传感器(3),用于检测压力传感器探针(2)指向方向上不同位置的压力波动数据;检测到的压力波动数据通过所述信号传输线传输到外部电荷放大器,经电荷放大器调理后将压力信号转为电信号进入采集卡与电控单元;经采集卡记录数据后由电控单元控制结束实验;
所述火焰纹影图片采集系统包括由若干反射镜组成的纹影图片拍摄光路,及高速摄影机;
高速摄影机通过纹影图片拍摄光路记录定容燃烧弹弹体内部的火焰传播情况;
所述火焰流态判别方法包括以下步骤:
步骤1:在初始实验条件下,通过所述定容燃烧装置的点火系统点燃燃料产生火焰,利用高速摄像机获得不同时刻下火焰锋面图片;
步骤2:在步骤1进行实验的同时,通过定容燃烧弹缸内压力采集系统,获得实验过程中所安插压力传感器探针的各个方向上不同位置压力传感器在不同时刻采集到的缸内压力数据;
步骤3:将从步骤1与步骤2得到的火焰锋面图片与缸内压力数据进行汇总,并依据压力数据构建三维压力分布面;
步骤4:将不同时刻下的缸内压力数据与火焰锋面图片进行匹配;
所述步骤4包括:
步骤41:将火焰锋面图片的拍摄时刻认定为火焰锋面变化的基准时刻;
步骤42:根据实验装置中加装压力传感器的型号,得到该型号下缸内压力传感器感应到缸内压力产生变化的响应时间;
步骤43:根据压力传感器的响应时间,得到从拍摄到火焰锋面到缸内压力传感器采集到对应数据的延迟时间t1;
步骤44:获得高速摄影机的拍摄频率f1与缸压传感器的测量频率f2;
步骤45:定义对应比例k=f2/f1,k代表在前后两张火焰锋面图片拍摄间隔内压力传感器所采集的缸内压力数据个数;
步骤46:从步骤1获得的不同时刻的火焰锋面图片中,选取火焰锋面出现前的一张图片作为背景图片,并将此时刻定义为点火时刻的始点;
步骤47:从步骤3汇总的数据中提取点火时刻始点各个方向不同位置上的缸内压力数据,并根据所述延迟时间t1,查找得到经过采集延迟后最接近点火时刻始点的缸内压力数据;
步骤48:通过下式获得点火时刻前某一压力传感器探针方向上所有压力数据的均值并以此认定均值 为该方向上点火时刻缸内压力数据;
其中,Pj为点火时刻前各时刻某一压力传感器探针方向上其中一个压力传感器所测的压力数据;N为某一压力传感器探针上安装压力传感器的数量;
步骤49:根据步骤47的查找方式和对应比例k,以点火时刻始点为基准,依次将各张火焰锋面图片与其对应拍摄时刻所测得的缸内压力数据进行匹配,并将匹配结果汇总;
步骤5:计算步骤2得到的各张火焰锋面图片的圆心与各个方向上的半径,并在此基础上将不同时刻的压力传感器探针方向上的火焰半径数据与对应方向上不同时刻不同位置压力传感器所测的缸内压力数据进行再次匹配;
步骤6:在步骤5得到的不同时刻各方向火焰半径的基础上,通过下式,将前后火焰锋面图片数据进行对比,计算得到不同时刻各方向火焰的传播速度:Sn=dru/dt
式中,Sn为是某一方向上的拉伸火焰传播速度;ru为相同方向上某一时刻的火焰半径;
步骤7:计算压力波动的传播速度,绘制三维空间内压力波的变化趋势图;
步骤8:通过缸内压力数据的压力波变化规律与火焰半径数据判定火焰流态。
2.根据权利要求1所述的火焰流态判别方法,其特征在于,所述步骤7之前还包括:调整压力传感器探针位置,使两次的探针位置关于球形容弹内腔中心平面对称,并在完全相同的初始条件下重复试验,测得其对于压力波传播的影响偏差,并以此对所测缸内压力数据进行修正。
3.根据权利要求1所述的火焰流态判别方法,其特征在于,所述步骤7包括:步骤71:选取不同方向压力传感器探针上出现明显压力数据波动,且离火焰中心最远的压力传感器所采集的压力数据,作为相邻拍摄时间间隔的压力数据波动;
步骤72:提取匹配好的不同时刻火焰锋面半径数据与对应测量方向的缸内压力数据,获得在某一相邻拍摄间隔内,不同测量方向上压力数据的变化量ΔPi,i=1,2,…m;其中,i代表燃烧弹弹体上安装的第i个压力传感器探针上压力传感器测得的缸内压力数据,m代表定容燃烧弹弹体内部所安装的压力传感器探针的数量;
步骤73:根据步骤5的数据匹配结果,提取某一相邻拍摄时间间隔内第i个压力传感器探针对应方向下前后火焰锋面半径数据Ri1与Ri2,同时根据所述第i个压力传感器探针上压力传感器分布的间距,得到该方向上压力传感器距离燃烧弹弹体的距离di;
步骤74:通过下方的距离公式求得某一相邻拍摄时间间隔前后的压力传感器到火焰前锋面的距离ri1与ri2,以及火焰前锋面到缸内压力传感器的距离的变化量Δri:其中,D为燃烧弹内腔直径,Rit为某一相邻拍摄时间间隔内第i个压力传感器探针对应方向下前后的火焰锋面半径数据,t=1代表前一个拍摄时刻,t=2代表后一个拍摄时刻;
步骤75:计算某一相邻拍摄间隔内,第i个压力传感器探针对应方向上,目标压力传感器所测缸内压力数据变化量随火焰锋面半径数据变化量的变化率Si,用以表示压力波的在火焰传播过程中的相对速度;
Si=ΔPi/Δri
步骤76:通过对所述相对速度Si数据进行汇总,依据压力传感器探针与压力传感器的分布,建立三维空间的等效压力波的在火焰传播过程中的相对速度变化趋势图。
4.根据权利要求3所述的火焰流态判别方法,其特征在于,所述步骤8包括:步骤81:通过下式得到在整个三维空间中某一相邻拍摄间隔内不同方向上的缸内压力传感器测得的压力波的平均传播速度步骤82:对比整个实验记录的过程,当实验系统点火后首次在M个连续拍摄间隔内在三维空间中不同方向的压力波传播速度都满足 时,视为已摆脱火焰初期点火能量对火焰传播的影响,火焰以类似球形的方式向四周进行变化,此时火焰发展进入层流火焰传播阶段;
步骤83:在火焰已进入层流火焰传播阶段后,当连续M个拍摄间隔内在三维空间中不同方向的压力波传播速度出现不再满足 时的情况时,火焰传播过程中火焰锋面的不稳定现象开始出现,火焰开始进入层流火焰与湍流火焰的过渡阶段;
步骤84:通过步骤83所确定的火焰锋面的不稳定现象开始出现的节点,对此节点后的火焰图片的火焰锋面进行分析,对火焰锋面在层流火焰与湍流火焰过渡阶段出现裂纹,以及胞状结构后火焰锋面图片的火焰胞状结构进行提取;
步骤85:基于得到的火焰锋面图片的火焰胞状结构,使用等价圆面积法与距离公式计算得到各个火焰胞状结构的面积Sn与各条裂纹长度Lm,以及此拍摄时刻火焰锋面的总面积S;
步骤86:当M个连续拍摄间隔内在三维空间中不同方向的压力波传播速度中都存在的情况,且M/2个连续拍摄时刻都出现 或Lm≥Ri时,火焰流态正式进入湍流火焰传播状态;其中,Ri为此时刻下的等效火焰半径。