运动火源扩散火焰锋面三维结构测量系统技术方案

本实用新型专利技术公开运动火源扩散火焰锋面三维结构测量系统，测量系统包括激光器、片光面透镜、扩散燃烧器、同步控制器、稳压及光照电源、计算机、图像采集卡、图像采集装置、光学系统调节装置、成像光学系统、速度控制系统；成像光学系统包括右侧一次反射镜片、右侧二次反射镜片、遮光板、平面透镜、准直透镜、左侧二次反射镜片和左侧一次反射镜片。本实用新型专利技术能通过速度控制系统调节燃烧器的运动速度，且能调节扩散火焰大小，从而获得运动火源在各种运动速度和燃烧强度下的扩散火焰锋面。本实用新型专利技术还能通过成像光学系统实现在CCD成像元件上同时得到火焰锋面左右两侧面的影像，可以实现非接触式测量，通过图像重构获得高精度火焰锋面的三维结构。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及火焰锋面测量
，特别涉及运动火源扩散火焰锋面三维结构测量系统。
技术介绍
燃料和氧化剂在燃烧之前是分开的火焰形式称为非预混燃烧火焰(non-premixed flame)。非预混燃烧火焰主要是通过燃料与氧化剂之间相互扩散来进行的，因而又称为扩散火焰(diffusion flame)。扩散火焰是自然界和实际应用中较常见的一种火焰形式，如蜡烛的火焰，煤和木材等固体燃料直接燃烧产生的火焰，火箭发动机、航空发动机、燃气轮机和柴油机中的直喷燃油燃烧产生的火焰都属于扩散火焰。其中，液体或固体燃料直接燃烧引起的火灾便上一种现实生活中最常见的、在时间和空间上失去控制的扩散燃烧，也是一种违反人们意愿并对生命、财产、环境和文化遗产等具有破坏性的燃烧。目前，各国研究者对扩散燃烧及其火焰结构研究较广泛，从火焰特征的提取、固态可燃物的热解与着火、火焰蔓延和材料的燃烧、火焰面间断的界面捕捉、特殊火行为(回燃、轰燃、火旋风和扬沸等)、火焰结构的数值模拟、火焰的分形结构特征等方面着手推动着扩散燃烧理论体系的发展。然而，已有的这类研究几乎均是基于这一前提条件，即引起扩散燃烧的火源点是静止的，这与静止火源着火等引起的燃烧情景是吻合的。但在许多实际情况下，也会发生火源仍处于运动状况这类扩散燃烧场景，如高速运动物体(如高速列车、赛车、飞机和航天飞行器等)表面起火引起的燃烧。随着社会发展和各种交通工具增多，运行速度加快，高速运动物体表面起火，即运动火源扩散燃烧产生的火焰更具广泛性、复杂性和多变性。但迄今为止，人们仍未能清晰地认识运行火源扩散火焰结构的本质和规律，也未能产生能够准确表征其火焰锋面结构特性的数学模式。运动火源扩散燃烧引起的火焰结构要比普通受限空间内固定火源预混燃烧产生的火焰结构更为复杂，仅仅依靠已有的经验常识、火焰锋面结构模型等已不足以深入认识这种火焰行为。同时，运动火源下火焰锋面三维结构特性的研究是准确评估这一类型火焰湍流发展态势、着火、熄火等的基础性工作。然而关于高速运动条件下非混燃烧火焰锋面结构的研究，国内外相关的文献甚为鲜见。因此，对运动火源火焰锋面图像的灰度、彩色、空间纹理、几何形状等特征的提取与识别，从而进行全面、深入的研究就显得十分必要。扩散火焰锋面(flame front)通常是向未燃气流中传播的、形状皱褶的化学反应薄层，它是通过以固体辐射的可见光展现出来的，温度较高的区域便可以认为是火焰锋面区域。扩散火焰锋面是一种被高度扭曲的分裂且皱褶的几何表现，在对其进行定量分析时， 传统的欧几里德几何显得无能为力，完全通过数值模拟和理论推导来进行可视化研究还有较大的困难。因而，很有必要通过实验手段来探询运动火源火焰锋面的几何特征及其运动规律。近年来，随着激光、同步和计算机技术的发展，基于光散射原理的全场方法成为测量火焰前锋图像的主要手段。但常规的单镜头CCD或者单镜头高速摄影摄像由于采用的是3单视角拍摄，缺乏三维立体感，只能用于二维火焰前锋特征的分析。为了得到真实的三维火焰前锋特征及运动图像，现有的方法主要有三种(1) 一是采用多个CCD相机，从不同角度拍摄。其不足在于各CCD相机间很难做到同步拍摄，获得的火焰锋面难免会产生纹影和普通照相方法带来的空间积分效果，需要复杂的标定过程才能获得火焰前锋的三维空间几何特征及其运动轨迹。(2) 二是采用激光全息摄像技术。该方法的主要优点是能够直接记录火焰前锋三维内空间的全部流场信息，但现有的全息成像系统非常复杂，且全息胶片中同时会记录下火焰前锋周围空间碳粒子的散射及无用的噪音信号，需进行复杂处理才能对火焰前锋作定性分析，而不能作定量分析。(3)三是采用由20世纪70年代末的固体散斑法发展而来，90年代后期成熟的粒子图像测速(PIV)技术。该方法是通过硬件设备拍摄并测量燃烧湍流场中跟随火焰运动的颗粒(示踪粒子)的速度图像，应用图像处理算法提取示踪粒子速度信息，显示燃烧湍流场的速度矢量分布。由于加入的示踪粒子可能对燃烧湍流场产生干扰，且需进一步图像边界提取，因而用于火焰前锋的三维空间几何形状的获取准确度不高。总之，由于传统的图像获取方法在运行火源扩散火焰锋面三维结构显示方面的局限性，迫切需要对其进行改进。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的上述不足，本技术提供了运动火源扩散火焰锋面三维结构测量系统。本技术可以克服传统火焰锋面结构测量过程中着火火源点无法移动且其运行速度无法控制的缺陷；也可以克服单镜头CCD或者单镜头高速摄影摄像无法获得火焰前锋的三维空间几何特征及其运动轨迹以及跟随性较差等问题。本技术可以通过以下技术方案予以实现。一种运动火源扩散火焰锋面三维结构测量系统，包括激光器、片光面透镜、扩散燃烧器、同步控制器、稳压及光照电源、计算机、图像采集卡、图像采集装置、成像光学系统和速度控制系统，在所述激光器发出的光路中设置能形成一个具有l.(T3. Omm厚度和 12° 20°张角片光束的所述片光面透镜，所述片光面透镜位于所述激光器与扩散燃烧器之间，所述激光器依次通过所述同步控制器、稳压及光照电源与所述计算机连接；在所述扩散燃烧器的火焰和图像采集装置之间设置有将待测火焰左、右两侧图像同时成像于图像采集装置表面的所述成像光学系统；图像采集装置通过图像采集卡与计算机连接，实时接收成像光学系统所形成的左、右两侧火焰锋面图像，扩散燃烧器与所述速度控制系统连接。上述的运动火源扩散火焰锋面三维结构测量系统中，所述图像采集卡同时与用于火焰锋面图像采集频率控制的采集控制装置连接。上述的运动火源扩散火焰锋面三维结构测量系统中，所述成像光学系统包括有右侧一次反射镜片、右侧二次反射镜片、遮光板、平面透镜、准直透镜、左侧二次反射镜片和左侧一次反射镜片，在扩散燃烧器燃烧产生的火焰锋面发出的光路中设置形成左光束和右光束；在左束光路中，依次设置将光束改向的所述左侧一次反射镜片、左侧二次反射镜片；在右束光路中，也依次设置将光束改向的所述右侧一次反射镜片、右侧二次反射镜片；左侧一次反射镜片将光束反射至左侧二次反射镜片，右侧一次反射镜片将光束反射至右侧二次反射镜片，从左侧二次反射镜片和右侧二次反射镜片出来的左、右两束光的相交处，设置一块平面透镜，平面透镜之后设置一块将光束变为平行光的准直透镜，准直透镜与图像采集装置的成像元件同轴，实现在一个成像元件上同时得到火焰锋面左、右两侧的图像。上述的运动火源扩散火焰锋面三维结构测量系统中，在扩散燃烧器燃烧产生的待测火焰和图像采集装置之间设置有用以遮挡未经过改向的光束直接进入平面透镜和准直透镜的一块遮光板。上述的运动火源扩散火焰锋面三维结构测量系统，还包括与成像光学系统相连的光学系统调节装置，用于调节右侧一次反射镜片与垂直面的夹角α、右侧二次反射镜片与垂直面的夹角〃、左侧二次反射镜片与垂直面的夹角r、左侧一次反射镜片与垂直面的夹角β的大小。上述的运动火源扩散火焰锋面三维结构测量系统，所述扩散燃烧器固定于可作直线运动或旋转运行的机械运动装置上，机械运动装置与速度控制系统连接，以调节扩散燃烧器的运动速度，机械运动装置可以是直线运动装置或圆周运动装置中的一种。所述片光面透镜包括柱面镜和球面镜；所述图像采集装置为CXD照相机或者高速摄像仪。利用上述本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．运动火源扩散火焰锋面三维结构测量系统，其特征在于包括激光器、片光面透镜、扩散燃烧器、同步控制器、稳压及光照电源、计算机、图像采集卡、图像采集装置、成像光学系统和速度控制系统，在所述激光器发出的光路中设置能形成一个具有１．０～３．０ｍｍ厚度和１２°～２０°张角片光束的所述片光面透镜，所述片光面透镜位于所述激光器与扩散燃烧器之间，所述激光器依次通过所述同步控制器、稳压及光照电源与所述计算机连接；在所述扩散燃烧器的火焰和图像采集装置之间设置有将待测火焰左、右两侧图像同时成像于图像采集装置表面的所述成像光学系统；图像采集装置通过图像采集卡与计算机连接，扩散燃烧器与所述速度控制系统连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：龙新峰，楼波，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：实用新型
国别省市：81