基于的狭长受限空间油气爆炸中间基团浓度分布(2)
激光器发出的脉冲激光脉宽约为10 ns,脉冲频率为10 Hz,宽约为4 cm;而ICCD 拍摄的频率为1 Hz;不同于稳态燃烧,在本文所构建的长1 m的管道腔体中,爆炸火焰的传播是动态的,其传播速度可达10 m/s,油气浓度1.8%时的传播过程持续约200 ms;但受实验条件限制,激光所穿过的玻璃窗宽度仅为6 cm。由此可见,要想准确捕捉到爆炸火焰中的OH 基,需要在火焰锋面经过玻璃窗的时间段内(约8~12 ms),恰好使脉宽10 ns 的脉冲激光出现一个脉冲,穿过火焰区,并使ICCD 在激光出现的10 ns内拍摄一张图像。另外,激光器发出的前20个脉冲由于能量不稳定,故不能被使用。在开展实验时,点火器的点火时刻直接影响火焰传播过程,激光器的开启时刻直接影响脉冲激光是否能穿过火焰区,ICCD 的开启时刻直接影响对OH 基荧光特征的抓拍,因此必须设计精确到毫秒量级的时序控制系统控制上述三者,从而实现爆炸流场中OH 基的准确测量。高速相机的拍摄帧频很高,可拍摄火焰传播的连续图像,但也需要时序控制系统控制,以实现拍摄时刻的同步。
表2 重复性试验油气浓度值Table 2 Oil gas concentrations of the repeatability test序号1 2 3 4 5体积分数/%1.8 1.81 1.81 1.79 1.8
为了在爆炸流场的OH 基测量中实现激光器发出激光、点火器点火、ICCD拍摄的时序控制,同时为了在点火器控制信号为短路信号的情况下实现远程启动,进行了油气点火与PLIF 测量的同步触发控制研究,本文自行设计了一套时序参数控制系统,如图2所示。
该系统包含两台数字延时触发器DG535 和数显计数器DH48J,其中一号DG535 作为主控仪器,控制激光器、ICCD 和二号DG535 的触发,二号DG535 控制高速相机和DH48J 的触发,DH48J 延时后将接收到的电压信号转换为短路信号触发点火器。时序控制系统原理如图3所示。具体控制过程如下:
(1)实验开展前,先用高速相机(拍摄频率为2000 Hz)记录从点火头放电到火焰传播至OH 基拍摄位置所经历的时间t1。
图2 时序控制系统Fig.2 Timing control system
(2)利用一号DG535 时序控制器实现ICCD 相机(约1 Hz)和染料激光器(10 Hz)的同步,使激光器的出光时刻就是ICCD 相机的拍摄时刻。手动触发一号DG535 发出信号,并同步将触发信号传递给二号DG535,在一号DG535 的控制下延时t2后同时启动激光器和ICCD相机,此时暂时令t2=t1。
(3)二号DG535接收到触发信号后,经延时t3后同时输出脉冲控制信号到高速相机和DH48J,高速相机(2000 Hz)开始工作,脉冲信号频率设定与脉冲激光频率相同。通过调整t3,保证ICCD 和高速相机同步拍摄,方法是将ICCD 与高速相机(2000 Hz)同时拍摄千分秒表,通过对比二者拍摄出的秒表读数差异调整延迟时间t3。
(4)DH48J接收到触发信号后,经设定的延迟时间t4后触发点火器点火。详细来讲,DH48J 有两个作用,一是计数延时,记录来自二号DG535 的低电平脉冲信号数量,二是将脉冲信号转换为短路信号,远程控制点火器的开关,当记录的脉冲数量达到设定值时,DH48J的输出端闭合,实现远程控制点火器点火。t4的值设定为计数20 个脉冲的时间,目的是避免拍摄到前20 个脉冲激光所经过的火焰图像。
(5)鉴于点火器响应以及可能出现的电路对信号传递的延迟,根据高速相机(2000 Hz)的拍摄结果,对比火焰出现时刻与最近一个激光脉冲出现时刻的差异,据此调整ICCD 相机与激光器的延迟启动时间t2,使火焰出现、脉冲激光出现、ICCD 相机拍摄、高速相机拍摄同步,最终捕捉到OH 在282.522 nm激光作用下的荧光信号。
图3 时序控制原理Fig.3 Principle of the time control
2 实验结果
2.1 着火爆炸初期OH的变化规律
利用平面激光诱导荧光技术(PLIF),测量了动态燃烧场中OH 基的变化规律。经过多次试验,发现油气爆炸实验具有较好的重复性,火焰传播的规律较一致。图4 是1.8%油气浓度下四次重复试验得到的点火后12 ms 时的火焰图像,均呈现为指形火焰、有明显的内外焰分区,且火焰位置一致。因此可以认为,不同重复实验的火焰结构、火焰位置均具有较高的相似性。
图4 重复实验拍摄的12 ms时的火焰图像Fig.4 Flame images taken in repeated experiments at 12 ms
图5 着火初期不同时刻火焰中OH基的分布及火焰图像Fig.5 Distribution of OH radical in flame and flame images at different times in the initial period of deflagration
本文测量OH 基时,通过时序控制子系统调整点火器不同的点火时刻,获得了火焰传播至不同位置的OH 基分布图,如图5 所示,该图是点火后的爆燃初期,火焰由弱到强的动态发展过程中OH 基的分布情况,上下两侧的深红色条状结构表示管道壁面。
文章来源:《爆炸与冲击》 网址: http://www.bzycjzz.cn/qikandaodu/2021/0411/801.html
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