基于多紫外相机的旋流火焰三维锋面层析重建

doi:10.7527/S1000-6893.2022.28331

流体力学与飞行力学

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

基于多紫外相机的旋流火焰三维锋面层析重建

倪浩伟¹, 刘国炎¹, 周毅¹, 张彪¹, 柳伟杰², 许传龙¹()

^1.东南大学能源与环境学院大型发电装备安全运行与智能测控国家工程研究中心，南京 210096
^2.中国航空发动机研究院基础与应用研究中心，北京 101304

收稿日期:2022-11-29 修回日期:2022-12-24 接受日期:2023-01-10 出版日期:2023-09-25 发布日期:2023-02-01
通讯作者: 许传龙 E-mail:chuanlongxu@seu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(51976038);江苏省自然科学基金(BK20201279)

3D front tomographic reconstruction of swirl flame by ultraviolet multi-camera imaging

Haowei NI¹, Guoyan LIU¹, Yi ZHOU¹, Biao ZHANG¹, Weijie LIU², Chuanlong XU¹()

^1.National Engineering Research Center of Power Generation Control and Safety，School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，China
^2.Basic & Applied Research Center，Aero Engine Academy of China，Beijing 101304，China

Received:2022-11-29 Revised:2022-12-24 Accepted:2023-01-10 Online:2023-09-25 Published:2023-02-01
Contact: Chuanlong XU E-mail:chuanlongxu@seu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(51976038);Natural Science Foundation of Jiangsu Province(BK20201279)

摘要/Abstract

摘要：

旋流火焰锋面可表征火焰宏观结构和燃烧稳定性，其瞬态三维结构测量对旋流燃烧机理研究和旋流燃烧器优化设计具有重要意义。提出一种基于多紫外相机成像的测量方法，构建了基于多紫外相机阵列的化学发光层析成像（Computed Tomography of Chemiluminescence， CTC）系统，实现了低成本、高准确度的旋流火焰瞬态锋面化学发光信息获取；发展了基于预识别技术的联合代数重建算法（Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique， SART），通过光线追踪识别零强度体素，从而减少计算量和重建伪影。开展了数值模拟研究，以验证重建算法的准确性和抗噪性。最后搭建了甲烷-空气预混旋流燃烧实验台，开展了基于多紫外相机的化学发光成像系统标定和低旋流火焰锋面特性实验研究。结果表明，旋流火焰锋面反投影重建精度达到0.97以上，同时计算量减小了59.6%；稳定燃烧工况下，低旋流火焰在喷嘴出口处扩张，锋面呈现涡旋状的碗形结构；随着当量比的增大，火焰推举高度略有上升，火焰体积逐渐增大，燃烧稳定性增强。

关键词: 紫外成像, 旋流火焰, 锋面结构, 层析重建, 化学发光

Abstract:

The front of swirl flame can be used to characterize the flame macrostructure and combustion stability， making its transient 3D structure measurement extremely important for research on the swirl combustion mechanism and swirl burner optimization. A measuring approach for the transient 3D front of swirl flame by ultraviolet multi-camera imaging is proposed. In order to acquire transient chemiluminescence information at a low cost with high precision， a Computed Tomography of Chemiluminescence （CTC） system based on ultraviolet multi-camera array is built. Additionally， the Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique （SART） is improved using a pre-recognition method for non-intensity voxels identification by ray tracing， resulting in less computational load and reconstruction artifacts. Numerical simulation experiments are executed to confirm the accuracy and noise immunity of the reconstruction algorithm. A methane-air premixed swirl combustion experimental rig is built finally， and the calibration of the ultraviolet multi-camera imaging system and low-swirl flame front experiments are carried out. The results show that the accuracy of the inverse projection exceeds 0.97 while the calculation is reduced by 59.6%. The low swirl flame expands at the nozzle exit under stable combustion conditions and displays a vortex bowl-shaped structure. In addition， the flame pushing height rises slightly as the equivalent ratio grows， and the flame volume gradually increases as well， which enhances combustion stability.

Key words: ultraviolet imaging, swirl flame, front structure, tomographic reconstruction, chemiluminescence

中图分类号:

倪浩伟, 刘国炎, 周毅, 张彪, 柳伟杰, 许传龙. 基于多紫外相机的旋流火焰三维锋面层析重建[J]. 航空学报, 2023, 44(18): 128331.

Haowei NI, Guoyan LIU, Yi ZHOU, Biao ZHANG, Weijie LIU, Chuanlong XU. 3D front tomographic reconstruction of swirl flame by ultraviolet multi-camera imaging[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(18): 128331.

图/表 22

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

表 1

图 6

图 7

图 8

表 2

图 9

表 3

CTC系统参数标定结果

参数	相机1	相机2	相机3
校准矩阵Q	$0.998 5 0.056 4 0.016 5 - 2.823 0 - 0.047 4 0.998 1 0.012 0 1.542 5 - 0.014 8 - 0.040 1 0.999 1 - 0.144 5 0001$
内参矩阵M₁	$6 652.5 0 1 036.4 0 6 652.6 1 029.7 001$	$6 633.8 0 1 067.4 0 6 633.5 1 040.0 001$	$6 525.0 0 1 027.0 0 6 525.1 1 024.0 001$
径向畸变D	$- 0.50 6.42 - 23.59$	$- 0.40 - 0.75 - 44.46$	$- 0.37 - 0.73 - 11.56$
旋转矩阵R	$100010001$	$0.747 8 0.002 7 - 0.663 9 - 0.007 1 1.000 0 - 0.004 0 0.663 9 0.007 7 0.747 8$	$0.774 4 0.002 1 - 0.632 7 - 0.005 3 1.000 0 - 0.003 1 0.632 7 0.005 7 0.774 4$
位移矩阵T	$000 T$	$220.29 3.94 88.05 T$	$214.86 1.58 73.45 T$
相对角度θ		41°36′	39°15′

表 3

图 10

图 11

图 12

图 13

表 4

图 14

表 5

实验工况

工况	Φ	$V C H 4$ /（L·min^-1）	$V A i r$ /（L·min^-1）	$t e x p$ / $μ$ s
1	0.47	8.6	175	200
2	0.51	9.4	175	200
3	0.55	10.1	175	200
4	0.59	10.9	175	200

表 5

图 15

图 16

图 17

参考文献 31

1	HUANG Y， YANG V. Dynamics and stability of lean-premixed swirl-stabilized combustion［J］. Progress in Energy and Combustion Science， 2009， 35（4）： 293-364.
2	李军，栗智宇，李志刚，等. 燃烧室和涡轮相互作用下高压涡轮级气热性能研究进展［J］. 航空学报， 2021， 42（3）： 024111.
	LI J， LI Z Y， LI Z G， et al. Aerothermal performance of high pressure turbine stage with combustor-turbine interactions： Review［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2021， 42（3）： 024111 （in Chinese）.
3	LIU W J， XUE R R， ZHANG L， et al. Nonlinear response of a premixed low-swirl flame to acoustic excitation with large amplitude［J］. Combustion and Flame， 2022， 235： 111733.
4	O’CONNOR J， ACHARYA V， LIEUWEN T. Transverse combustion instabilities： Acoustic， fluid mechanic， and flame processes［J］. Progress in Energy and Combustion Science， 2015， 49： 1-39.
5	刘泽宇，张弛，韩啸，等. 分层比对分开分层旋流预混火焰结构的影响［J］. 航空学报， 2018， 39（3）： 121692.
	LIU Z Y， ZHANG C， HAN X， et al. Effects of stratification ratio on structure of separated stratified premixed swirl flame［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2018， 39（3）： 121692 （in Chinese）.
6	WANG J H， ZHANG M， HUANG Z H， et al. Measurement of the instantaneous flame front structure of syngas turbulent premixed flames at high pressure［J］. Combustion and Flame， 2013， 160（11）： 2434-2441.
7	KHEIRKHAH S， GÜLDER Ö L. Turbulent premixed combustion in V-shaped flames： Characteristics of flame front［J］. Physics of Fluids， 2013， 25（5）： 055107.
8	HIRANO T. Generation of flame front turbulence［J］. Combustion Science and Technology， 2000， 158（1）： 35-51.
9	TAAMALLAH S， SHANBHOGUE S J， GHONIEM A F. Turbulent flame stabilization modes in premixed swirl combustion： Physical mechanism and Karlovitz number-based criterion［J］. Combustion and Flame， 2016， 166： 19-33.
10	TIAN Y， ZENG X J， YANG S H， et al. Experimental study on the effect of equivalence ratio and injector position on flow structure and flame development in the scramjet combustor［J］. Aerospace Science and Technology， 2018， 82/83： 9-19.
11	WORTH N A， DAWSON J R. Cinematographic OH-PLIF measurements of two interacting turbulent premixed flames with and without acoustic forcing［J］. Combustion and Flame， 2012， 159（3）： 1109-1126.
12	ALDÉN M， BOOD J， LI Z S， et al. Visualization and understanding of combustion processes using spatially and temporally resolved laser diagnostic techniques［J］. Proceedings of the Combustion Institute， 2011， 33（1）： 69-97.
13	HAN D， SATIJA A， GORE J P， et al. Experimental study of CO₂ diluted， piloted， turbulent CH₄/air premixed flames using high-repetition-rate OH PLIF［J］. Combustion and Flame， 2018， 193： 145-156.
14	NYGREN J， HULT J， RICHTER M， et al. Three-dimensional laser induced fluorescence of fuel distributions in an HCCI engine［J］. Proceedings of the Combustion Institute， 2002， 29（1）： 679-685.
15	MILLER V A， TROUTMAN V A， HANSON R K. Near-kHz 3D tracer-based LIF imaging of a co-flow jet using toluene［J］. Measurement Science and Technology， 2014， 25（7）： 075403.
16	XU W J， CARTER C D， HAMMACK S， et al. Analysis of 3D combustion measurements using CH-based tomographic VLIF （volumetric laser induced fluorescence）［J］. Combustion and Flame， 2017， 182： 179-189.
17	MA L， LEI Q C， IKEDA J， et al. Single-shot 3D flame diagnostic based on volumetric laser induced fluorescence （VLIF）［J］. Proceedings of the Combustion Institute， 2017， 36（3）： 4575-4583.
18	ANIKIN N B， SUNTZ R， BOCKHORN H. Tomographic reconstruction of 2D-OH^∗-chemiluminescence distributions in turbulent diffusion flames［J］. Applied Physics B： Lasers and Optics， 2012， 107（3）： 591-602.
19	GOVENDER D， LIU H C， PENG F， et al. Tomographic reconstruction of an azimuthally forced flame in an annular chamber［J］. Proceedings of the Combustion Institute， 2023，39（1）：1367-1375.
20	GRAUER S J， MOHRI K， YU T， et al. Volumetric emission tomography for combustion processes［J］. Progress in Energy and Combustion Science， 2023， 94： 101024.
21	MOHRI K， GÖRS S， SCHÖLER J， et al. Instantaneous 3D imaging of highly turbulent flames using computed tomography of chemiluminescence［J］. Applied Optics， 2017， 56（26）： 7385-7395.
22	KANG M W， LI X S， MA L. Three-dimensional flame measurements using fiber-based endoscopes［J］. Proceedings of the Combustion Institute， 2015， 35（3）： 3821-3828.
23	HUANG J Q， LIU H C， CAI W W. Online in situ prediction of 3-D flame evolution from its history 2-D projections via deep learning［J］. Journal of Fluid Mechanics， 2019， 875.
24	KOJIMA J， IKEDA Y， NAKAJIMA T. Basic aspects of OH（A）， CH（A）， and C₂（d） chemiluminescence in the reaction zone of laminar methane-air premixed flames［J］. Combustion and Flame， 2005， 140（1/2）： 34-45.
25	HARDALUPAS Y， ORAIN M. Local measurements of the time-dependent heat release rate and equivalence ratio using chemiluminescent emission from a flame［J］. Combustion and Flame， 2004， 139（3）： 188-207.
26	GORDON R， BENDER R， HERMAN G T. Algebraic reconstruction techniques （ART） for three-dimensional electron microscopy and X-ray photography［J］. Journal of Theoretical Biology， 1970， 29（3）： 471-481.
27	RAYMUND T D， AUSTEN J R， FRANKE S J， et al. Application of computerized tomography to the investigation of ionospheric structures［J］. Radio Science， 1990， 25（5）： 771-789.
28	ANDERSEN A H， KAK A C. Simultaneous algebraic reconstruction technique （SART）： A superior implementation of the ART algorithm［J］. Ultrasonic Imaging， 1984， 6（1）： 81-94.
29	JOHNSON M R， LITTLEJOHN D， NAZEER W A， et al. A comparison of the flowfields and emissions of high-swirl injectors and low-swirl injectors for lean premixed gas turbines［J］. Proceedings of the Combustion Institute， 2005， 30（2）： 2867-2874.
30	ZHANG Z Y. A flexible new technique for camera calibration［J］. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence， 2000， 22（11）： 1330-1334.
31	WANG H Y， SHI Y F， ZHU X J， et al. 3-D reconstruction of bubble flow field based on the method of multivision by rough-precise location algebraic reconstruction technique［J］. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2022， 71： 102811.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	数值
传感器尺寸	2 in
分辨率（宽×高）	2 048 pixel × 2 048 pixel
像素尺寸	11 μm×11 μm
最大帧速率	24 Hz
量子效率@308 nm	50%
曝光时间	20 μs ~ 10 s
颜色	单色
动态范围	16 bit

z/mm	无噪声	10%噪声	20%噪声
8.8	0.993 9	0.990 8	0.983 7
15.6	0.990 9	0.990 0	0.987 1
22.4	0.993 8	0.993 4	0.992 2
29.2	0.954 5	0.954 5	0.950 4
36.0	0.939 1	0.938 8	0.936 6
42.8	0.904 4	0.904 4	0.900 0

相机编号	平均相对误差/%	相关系数
1	6.92	0.992 4
2	9.14	0.985 3
3	8.70	0.972 6
4	9.01	0.976 5
5	9.99	0.977 1
6	8.18	0.989 8
7	7.26	0.985 8
8	7.38	0.992 7

[1]	周德卿张文博郭超刘显为符江锋. 基于失效物理的航空燃齿泵滑动轴承全工况寿命预测与敏感度量化[J]. 航空学报, 0, (): 1-0.
[2]	李非, 李凡, 杨小龙, 张锦成, 李佩波, 汪洪波, 孙明波. 超声速凹腔燃烧室中液体煤油射流混合过程数值模拟[J]. 航空学报, 2025, 46(19): 531337-531337.
[3]	李飞温志勋罗磊岳珠峰刘智名. 镍基单晶飞秒激光制造气膜孔疲劳断裂行为[J]. 航空学报, 0, (): 1-0.
[4]	张煜寒马宁付磊刘若阳张明董旭李真宇孙大坤孙晓峰. 一种斜切口进气道对压气机性能影响的实验研究-飞行器飞发匹配技术专栏[J]. 航空学报, 0, (): 1-0.
[5]	黄忆莎, 王晓宇, 秦蕾, 张光宇, 程荣辉, 孙晓峰. 多喷嘴燃烧室三维热声不稳定性分析[J]. 航空学报, 2025, 46(18): 131843-131843.
[6]	王栋欢金海万东凯王军肖洪. 基于性能数字孪生的航空发动机性能衰退实时监测与评估方法[J]. 航空学报, 0, (): 1-0.
[7]	刘茜胡殿印王怡王荣桥陈高翔孔维瀚. 航空发动机结构可靠性设计：研究现状及展望-强度所60周年专刊[J]. 航空学报, 0, (): 1-0.
[8]	李六南屈骁张燕峰卢新根朱俊强. 端区边界层扭曲对高负荷涡轮二次流的影响[J]. 航空学报, 0, (): 1-0.
[9]	李富霖, 陈敏, 唐海龙, 张纪元, 周越, 马静. 考虑环境指标的变循环发动机控制规律设计[J]. 航空学报, 2025, 46(16): 231624-231624.
[10]	郭嘉杰, 陶志, 宋立明, 李军. 考虑椭圆孔组合偏转的冷却布局多维高效优化[J]. 航空学报, 2025, 46(16): 131584-131584.
[11]	李瑞宇, 蔡明, 欧阳波, 高丽敏, 刘波, 刘宝杰. 典型高负荷大弯角压气机叶型的标准叶栅试验[J]. 航空学报, 2025, 46(16): 131651-131651.
[12]	赵磊, 李杰, 许晶莹. 低压涡轮性能试验方法对效率测量精度的影响[J]. 航空学报, 2025, 46(15): 131142-131142.
[13]	束浩诚, 孔晓治, 龚文彬, 刘高文, 林阿强. 盘腔旋流和旋转雷诺数对涡轮轮缘封严的影响机理[J]. 航空学报, 2025, 46(15): 131530-131530.
[14]	王承熙, 周莉, 孙啸林, 张晓博, 王占学. 基于神经网络的S弯喷管-涡扇发动机多维度仿真[J]. 航空学报, 2025, 46(15): 130791-130791.
[15]	丁海鹏, 吕郑, 田轲, 叶涛, 陈匡世, 徐惊雷. 三维并联涡轮基组合循环排气系统设计与性能分析[J]. 航空学报, 2025, 46(15): 131104-131104.

基于多紫外相机的旋流火焰三维锋面层析重建

3D front tomographic reconstruction of swirl flame by ultraviolet multi-camera imaging

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 22

参考文献 31

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价