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高速攝像機在科研試驗中有著廣泛的用途，燃燒就是最典型的高速應(yīng)用之一。我們今天想要為大家分享一些拍攝燃燒室點火的靜態(tài)試驗經(jīng)驗。

先進航空發(fā)動機普遍采用環(huán)形燃燒室結(jié)構(gòu)

多個單管燃燒室

該類型的燃燒室的主要特征如下：燃燒室由若干個單管燃燒室組成，每個單管燃燒室由一個管形的火焰筒及其外圍單獨的外殼組成，沿發(fā)動機圓周均勻地分布，各個單管燃燒室之間用傳焰管(聯(lián)焰管)聯(lián)通，傳播火焰和均衡壓力。

環(huán)管形燃燒室

燃燒室的內(nèi)、外殼體構(gòu)成環(huán)形氣流通道，若干個管式火焰筒，沿圓周均勻安裝在環(huán)形氣流通道里，相鄰火焰筒燃燒區(qū)之間用傳焰管聯(lián)接。

環(huán)形燃燒室

燃燒室的內(nèi)、外殼體構(gòu)成環(huán)形通道，通道內(nèi)安裝一個由內(nèi)、外壁構(gòu)成的環(huán)形火焰筒，因而燃燒是在環(huán)形的燃燒區(qū)和摻混區(qū)進行的。

直接對全尺度工業(yè)級燃燒室進行點火實驗研究面臨著測量困難和費用高昂等問題, 發(fā)展實驗室尺度的燃燒室模型, 在盡可能保留真實燃燒系統(tǒng)流場特性的同時方便光學(xué)診斷, 成為了研究環(huán)形燃燒室點火機理的有效途徑。實驗室模型從單頭部燃燒室、多頭部直線排列燃燒室模型、多頭部旋流噴嘴組成的扇區(qū)燃燒室, 逐漸發(fā)展為現(xiàn)在十分關(guān)注的環(huán)形燃燒室。

單頭部燃燒室實驗裝置相對簡單, 光學(xué)測量便利, 實驗參數(shù)也較易實現(xiàn), 但是缺失了多個頭部火焰干涉狀態(tài)下的火焰?zhèn)鞑ヌ卣鳌Ｖ本€排列的多頭部燃燒室模型可以用于研究火焰干涉和頭部間聯(lián)焰機理, 但不能反應(yīng)環(huán)形燃燒室真實幾何曲率作用下的火焰?zhèn)鞑ヌ匦浴６囝^部扇形燃燒室可以在一定程度上反應(yīng)燃燒室的曲率特征, 但是受限于兩側(cè)壁面效應(yīng), 無法準確反映環(huán)形燃燒室的整個流場特征和周向火焰?zhèn)鞑サ暮涎孢^程。目前, 國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展了一些較為成熟的環(huán)形燃燒室模型。

環(huán)形燃燒室點火和火焰?zhèn)鞑ヌ匦允艿皆S多因素的影響, 不同點火模式、預(yù)混和非預(yù)混條件下點火特性、點火可靠性、燃燒穩(wěn)定性及噴霧燃燒等問題的研究已經(jīng)取得一定進展。例如先通氣后點火(FFSL, Fuel First, Spark Later)模式下, 周向點火過程包含拱形火焰面的傳播, 而先點火后通氣(SFFL, Spark First, Fuel Later)模式下, 噴嘴間火焰?zhèn)鞑コ尸F(xiàn)"鋸齒形"模式；對于不同燃料的噴霧燃燒, 由于霧化特性不同, 周向點火時間存在一定差異。為了系統(tǒng)地研究環(huán)形燃燒室點火過程, 實驗中通常會考慮當(dāng)量比、點火模式、熱功率、流速、噴嘴間距等因素。

圖中所示是點火連焰現(xiàn)象。

燃燒室周向點火過程一般分為3個階段：（1）初始火核的形成；（2）火核擴張發(fā)展，在點火針附近噴嘴處形成單個穩(wěn)定的旋流火焰；（3）火焰沿周向傳播，依次點燃全部噴嘴后穩(wěn)定燃燒。

因此如果只希望定性觀察，其實所需的拍攝速度不高。甚至于和我們生活中使用的燃氣灶類似，1,000FPS足以捕捉過程全程，不需要使用太高的幀率。同時使用Phantom高速攝像機獨具的EDR功能，可以提高動態(tài)范圍的功能。在過去的文章中我們介紹過這一功能，EDR可以主動地降低一部分即將過飽和的像素阱的積累水平，從而不僅能一定程度上控制高亮度區(qū)域的亮度，阻止過曝。也可以讓低亮度區(qū)域使用更合適的曝光參數(shù)，保留更多的細節(jié)。這項功能可以降低點火或燃燒時突然變化的亮度影響，讓點火的拍攝更加簡單。

但如果在此基礎(chǔ)上，想要關(guān)注更加細節(jié)的內(nèi)容，如湍流、爆燃等。就需要了解其流場環(huán)境，拍攝有效的素材留作分析依據(jù)。旋流噴嘴能夠穩(wěn)定火焰并且拓寬燃燒室工作范圍, 但是旋流引入的切向速度分量會影響火焰?zhèn)鞑ミ^程的對稱性。劍橋大學(xué)的環(huán)形燃燒室模型中布置了12個旋流方向俯視為逆時針的旋流噴嘴。周向排列的旋流噴嘴會在燃燒室外壁面附近形成逆時針的周向速度分量, 而在燃燒室內(nèi)壁面附近形成順時針的周向速度分量。

圖中S表示噴嘴間距。在這樣的流場結(jié)構(gòu)影響下, 周向火焰?zhèn)鞑ミ^程會出現(xiàn)不對稱性

圖為劍橋大學(xué)環(huán)形燃燒室模型的周向火焰?zhèn)鞑ミ^程的俯視圖

在航空發(fā)動機燃燒室設(shè)計中普遍采用SFFL點火模式, 該點火模式易受流動的影響, 且由于點火和火焰?zhèn)鞑ミ^程均為湍流火焰, 由此帶來的周向點火過程比FFSL模式具有更大的不確定性。通過高速攝像這種非接觸測量能夠更好地記錄過程細節(jié)，方便后續(xù)的研究。

引用文檔：王高峰, 夏一帆, 葉沉然, 等. 環(huán)形燃燒室周向點火機理基礎(chǔ)研究進展. 實驗流體力學(xué), 2019, 33(1): 14-28.

http://html.rhhz.net/SYLTLX/html/2019-1-14.htm#outline_anchor_67

適合此類試驗的Phantom機型

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