本发明专利技术公开了一种贴壁射流速度场和浓度场的同步测量装置，由煤粉炉模化装置、氧敏涂层壁面、高速CCD摄像机、PIV相机、高强度激励光源、脉冲激光片光源、均混室、同步控制器和计算机组成。通过使用PIV相机拍摄贴壁射流中PIV粒子在主气流中流动轨迹，由高速CCD摄像机拍摄氧敏涂层壁面随射流中氧浓度变化的显色规律，通过控制器调控两者之间的隔帧工作模式，实现贴壁射流与主气流相互作用过程中速度场和浓度场的同步测量。本发明专利技术在气气相互作用过程中实现了同步测量，既获得了贴壁射流的湍动流动特性，也获得了射流气中特定成分的组份输运特性，有助于全面了解射流气体的对流运动和扩散过程，可以为喷嘴的优化设计和操作参数的选择提供参考。
【技术实现步骤摘要】
一种贴壁射流速度场和浓度场的同步测量装置与方法
本专利技术属于多相流动参数测量
，具体地涉及一种贴壁射流速度场和浓度场的同步测量方法与装置。
技术介绍
对冲燃烧锅炉常采用空气分级燃烧方式控制NOx排放，但分级燃烧会产生强腐蚀性气体，极易破坏水冷壁表面的氧化铁保护膜，从而导致水冷壁出现严重的高温腐蚀。目前，引入贴壁射流形成气膜，阻挡腐蚀性气体对壁面的作用，是解决对冲燃烧锅炉水冷壁高温腐蚀问题最有效的方法。然而，如何组织贴壁射流防止高温腐蚀却是锅炉安全运行遇到的一个新问题，亟待解决。贴壁射流形成的阻挡气膜需满足以下几个基本条件：(1)足够的气膜覆盖率：这是气膜发挥功能的前提条件，只有覆盖整个腐蚀区域，气膜才有可能阻滞炉内旋流场；(2)贴壁气膜氧浓度不低于2％：当近壁面气氛氧浓度大于2％时，腐蚀性气体浓度足够小而不易发生高温腐蚀，这是气膜发挥防腐功能的必要条件；(3)射流气比率不高于5％：过大的射流气量会削弱了空气分级燃烧的作用，而且容易干扰炉内流动，进而影响炉内燃烧行为；(4)在特定区域成膜：负荷和燃料变化需进行空气动力场的调整，这会引起腐蚀性气氛场的改变，易腐蚀区域也相应转移，射流操作参数的相应调整要求气膜跟随腐蚀区域移动。由此可见，气膜内部速度场和浓度场是贴壁射流有效成膜的重要指标，获取这些信息对于贴壁射流操作参数的调整极其重要。然而，常规的测量方法只能单独测量气体的速度场。对于气体浓度，主要有两种测量方法：A.在流场中布置取样测点，通过探针抽取样品进行化学分析、气相色谱分析等获得测点浓度值；B.在流场外部设置激光或超声发射器，通过穿过气体的反馈信号波谱比对分析、声波速度衰减后反演获得浓度值。方法A属于接触式测量，取样探针易干扰流场，测量误差大，而方法B虽属于非接触式测量，但反馈信号包含了激光或声波遍历行程的信息，测得的浓度值是二维线性平均值。同时，这两种方法一般仅局限于单点测量，虽有基于网格离散化的多点测量系统，但也难以精确展现面域浓度信息。由此可知，传统的测量方法无法满足同步测量速度场和浓度场的要求。因此，本专利技术就是在这样的背景之下提出的一种能够同步测量贴壁射流速度场和浓度场的方法与装置。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术针对贴壁射流与旋流、主流相互作用时，难以准确获得射流在主流中的速度场，以及贴壁射流在主流的扩散过程中，无法实时获得氧气组份的浓度场等问题，提供了一种贴壁射流浓度场和速度场的同步测量装置与方法。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术提供一种贴壁射流速度场和浓度场的同步测量装置，包括煤粉炉模化装置、氧敏涂层壁面、高速CCD摄像机、PIV相机、高强度激励光源、脉冲激光片光源、均混室、同步控制器和计算机，其中：所述的煤粉炉模化装置由前视窗、左侧板和右视窗组成凹字形部件，所述氧敏涂层壁面与所述凹字形部件共同组成四面封闭的装置本体，所述装置本体底部为主流气体入口，顶部为气体出口，左侧板在近氧敏涂层壁面处开设有射流喷口，并同一标高处还开设有旋流喷口；所述脉冲激光片光源架设于气流出口上面，方向朝下，可自由旋转，使片光源平行或垂直于氧敏涂层壁面，可沿平行或垂直于氧敏涂层壁面方向自由移动，呈现流场切片的速度场信息；所述高强度激励光源放置于煤粉炉模化装置外侧、氧敏涂层壁面的正对面，高强度激励光源向内透过前视窗照射，可覆盖整个氧敏涂层壁面；所述的均混室置于煤粉炉模化装置外面，用于均匀混合氧气、氮气和PIV示踪粒子，混合后的气固两相流通过射流喷口进入煤粉炉模化装置内；所述的混气室置于煤粉炉模化装置外面，用于均匀混合氮气和一氧化碳，混合后的气流通过旋流喷口和主流入口进入煤粉炉模化装置内；所述的高速CCD摄像机设置于煤粉炉模化装置外侧、氧敏涂层壁面的正对面，相机镜头对准氧敏涂层壁面，拍摄的照片传输至计算机处理；所述的PIV相机设置于煤粉炉模化装置外侧，当片光源与氧敏涂层壁面平行时，PIV相机布置于前视窗的正对面，当片光源与氧敏涂层壁面垂直时，PIV相机布置于右视窗的正对面，拍摄的照片传输至计算机处理；所述的同步控制器分别与脉冲激光片光源、高强度激励光源、高速CCD摄像机、PIV相机和计算机相连，其作用是使高速CCD摄像机和PIV相机轮流工作，同时使脉冲激光片光源和PIV相机、高强度激励光源和高速CCD摄像机同时工作；所述的计算机与高速CCD摄像机、PIV相机和控制器相连，用于存储来自高速CCD摄像机和PIV相机的数据，并进行图像处理，获得切面速度场和壁面浓度场。在一种实施方式中，所述右视窗和左侧板在开口侧的板边缘处开设有凹槽，凹槽内壁面粘有密封垫子，所述氧敏涂层壁面通过插入凹槽后与凹字形部件共同组成四面封闭的装置本体。优选地，所述前视窗和右视窗由高纯度透明有机玻璃板制成，左侧板由橡胶板制成。具体地，所述的氧敏涂层壁面由矩形PVC板制成，一侧表面为平面或有规则的凸面，其形状为半圆形、正三角形或矩形中的任意一种，凸面侧底层喷涂白漆，在上面均匀覆盖基质材料，通过物理吸附法将探针分子材料按一定比例负载在基质材料上。更具体地，当凸面为半圆形时，其直径D＝1/50～1/30W，当凸面为正三角形时，其边长L＝1/50～1/30W，当凸面为矩形时，其底面X＝1/50～1/30W，高H＝1/3～1/2X，其中，W为氧敏涂层壁面的宽度。优选地，所述的基质材料的主要成分是高分子基体中的含硅聚合物、含氟高分子、玻璃态高分子；所述的探针分子材料为多环芳烃类有机化合物中的芘类、十环烯类和苝类。本专利技术同时提出了一种贴壁射流速度场和浓度场的同步测量方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在基质材料上负载一定比例的探针分子材料，喷涂于表面具有一定凸起形状的白色壁面上，制备成氧敏涂层壁面；(2)将氧气、氮气和PIV示踪粒子在均混室按比例均匀混合，通过射流喷口横向流过氧敏涂层壁面，同时将一氧化碳和氮气在混气室按比例均匀混合，通过旋流喷口和主流入口引入煤粉炉模化装置内，与贴壁射流相互作用；(3)采用高强度激励光源照射氧敏涂层壁面，激发探针分子发出荧光，发光强度与表面氧浓度成反比，采用高速CCD摄像机记录激发出的光强度，根据Stern-Volmer公式，通过图像分析，获得在不同氧浓度、探针分子种类、负载比例条件下氧敏涂层壁面表层的显色规律；(4)搭建以氧敏涂层壁面作为射流成膜壁面的煤粉炉模化装置，上方气流出口处布置脉冲激光片光源，在氧敏涂层壁面的正面架设高速CCD摄像机和PIV相机，斜向正上方设置激励光源，同步控制器触发片光源和激励光源隔帧工作，并与高速CCD摄像机和PIV相机同步工作，分别捕捉由片光源照射的切面速度场和激励光源照射的壁面图像，经图像处理后获得切面的速度场和壁面的浓度场。其中，所述的基质材料的主要成分是高分子基体中的含硅聚合物、含氟高分子、玻璃态高分子；所述的探针分子材料为多环芳烃类有机化合物中的芘类、十环烯类和苝类。有益效果：与常规的测量方法与装置相比，本专利技术具有如下的特色及优点：(1)本专利技术在气气相互作用过程中实现了对贴壁射流速度场和浓度场的同步测量，既获得了贴壁射流的湍动流动特性，也获得了射流气中特定成分的组份输运特性，有助于全面了解射流气体的对流运动和扩散过程，可以为喷嘴的优化设计和操作参数的选择提供参考；(2)常规的气本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种贴壁射流速度场和浓度场的同步测量装置，其特征在于，包括煤粉炉模化装置、氧敏涂层壁面、高速CCD摄像机、PIV相机、高强度激励光源、脉冲激光片光源、均混室、同步控制器和计算机，其中：所述的煤粉炉模化装置由左侧板、前视窗和右视窗依次相连组成凹字形部件，所述氧敏涂层壁面与所述凹字形部件共同组成四面封闭的装置本体，所述装置本体底部为主流气体入口，顶部为气体出口，左侧板在近氧敏涂层壁面处开设有射流喷口，并同一标高处还开设有旋流喷口；所述脉冲激光片光源架设于气流出口上面，方向朝下，可自由旋转，使片光源平行或垂直于氧敏涂层壁面，可沿平行或垂直于氧敏涂层壁面方向自由移动，呈现流场切片的速度场信息；所述高强度激励光源放置于煤粉炉模化装置外侧、氧敏涂层壁面的正对面，高强度激励光源向内透过前视窗照射，可覆盖整个氧敏涂层壁面；所述的均混室置于煤粉炉模化装置外面，用于均匀混合氧气、氮气和PIV示踪粒子，混合后的气固两相流通过射流喷口进入煤粉炉模化装置内；所述的混气室置于煤粉炉模化装置外面，用于均匀混合氮气和一氧化碳，混合后的气流通过旋流喷口和主流入口进入煤粉炉模化装置内；所述的高速CCD摄像机设置于煤粉炉模化装置外侧、氧敏涂层壁面的正对面，相机镜头对准氧敏涂层壁面，拍摄的照片传输至计算机处理；所述的PIV相机设置于煤粉炉模化装置外侧，当片光源与氧敏涂层壁面平行时，PIV相机布置于前视窗的正对面，当片光源与氧敏涂层壁面垂直时，PIV相机布置于右视窗的正对面，拍摄的照片传输至计算机处理；所述的同步控制器分别与脉冲激光片光源、高强度激励光源、高速CCD摄像机、PIV相机和计算机相连，其作用是使高速CCD摄像机和PIV相机轮流工作，同时使脉冲激光片光源和PIV相机、高强度激励光源和高速CCD摄像机同时工作；所述的计算机与高速CCD摄像机、PIV相机和控制器相连，用于存储来自CCD相机和PIV相机的数据，并进行图像处理，获得切面速度场和壁面浓度场。...
【技术特征摘要】
1.一种贴壁射流速度场和浓度场的同步测量装置，其特征在于，包括煤粉炉模化装置、氧敏涂层壁面、高速CCD摄像机、PIV相机、高强度激励光源、脉冲激光片光源、均混室、混气室、同步控制器和计算机，其中：所述的煤粉炉模化装置由左侧板、前视窗和右视窗依次相连组成凹字形部件，所述氧敏涂层壁面与所述凹字形部件共同组成四面封闭的装置本体，所述装置本体底部为主流气体入口，顶部为气体出口，左侧板在近氧敏涂层壁面处开设有射流喷口，并同一标高处还开设有旋流喷口；所述脉冲激光片光源架设于气流出口上面，方向朝下，可自由旋转，使片光源平行或垂直于氧敏涂层壁面，可沿平行或垂直于氧敏涂层壁面方向自由移动，呈现流场切片的速度场信息；所述高强度激励光源放置于煤粉炉模化装置外侧、氧敏涂层壁面的正对面，高强度激励光源向内透过前视窗照射，可覆盖整个氧敏涂层壁面；所述的均混室置于煤粉炉模化装置外面，用于均匀混合氧气、氮气和PIV示踪粒子，混合后的气固两相流通过射流喷口进入煤粉炉模化装置内；所述的混气室置于煤粉炉模化装置外面，用于均匀混合氮气和一氧化碳，混合后的气流通过旋流喷口和主流入口进入煤粉炉模化装置内；所述的高速CCD摄像机设置于煤粉炉模化装置外侧、氧敏涂层壁面的正对面，相机镜头对准氧敏涂层壁面，拍摄的照片传输至计算机处理；所述的PIV相机设置于煤粉炉模化装置外侧，当片光源与氧敏涂层壁面平行时，PIV相机布置于前视窗的正对面，当片光源与氧敏涂层壁面垂直时，PIV相机布置于右视窗的正对面，拍摄的照片传输至计算机处理；所述的同步控制器分别与脉冲激光片光源、高强度激励光源、高速CCD摄像机、PIV相机和计算机相连，其作用是使高速CCD摄像机和PIV相机轮流工作，同时使脉冲激光片光源和PIV相机、高强度激励光源和高速CCD摄像机同时工作；所述的计算机与高速CCD摄像机、PIV相机和控制器相连，用于存储来自CCD相机和PIV相机的数据，并进行图像处理，获得切面速度场和壁面浓度场。2.根据权利要求1所述的贴壁射流速度场和浓度场的同步测量装置，其特征在于，所述右视窗和左侧板在开口侧的板边缘处开设有凹槽，凹槽内壁面粘有密封垫子，所述氧敏涂层壁面通过插入凹槽后与凹字形部件共同组成四面封闭的装置本体。3.根据权利要求1所述的贴壁射流速度场和浓度场的同步测量装置，其特征在于，所述前视窗和右视窗由高纯度透明有机玻璃板制成...
【专利技术属性】
技术研发人员：张勇，钟文琪，孙文静，金保昇，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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