烟火药燃烧火焰流场的PIV应用研究

薛 锐 ，许厚谦 ，吴 伟 ，李 燕 ，朱晨光

（1. 南京理工大学能源与动力工程学院，江苏 南京，210094；2. 南京工程学院能源与动力工程学院，江苏 南京，211167；3. 南京理工大学化工学院，江苏 南京，210094）

烟火药是应用范围较广的复合型含能材料，其特点是通过烟火药的燃烧，产生热、光、烟、声等特种烟火效应，进而研制出各种烟火产品。目前，对于烟火药的燃烧过程研究主要是采用理论分析和数值模拟的方法，遵循化学反应的质量守恒定律和能量守恒与转化定律[1-3]，对燃烧机理的研究均是建立在某些假设和推论的基础上，因此燃烧机理尚不明了[4]。随着科学仪器性能的提高、分析与测试方法的不断进步，利用外场实测的手段进行机理研究也日臻成熟。

PIV（Particle Image Velocimetry）测试技术广泛应用于包括燃烧在内的各种流场的测量中[5-9]，但对于含有大量高温燃烧质点[10]的烟火药火焰流场的研究与分析则很少涉及。

本研究尝试将PIV应用于烟火药火焰流场的测定中，针对烟火药燃烧的特殊性，对实验及数据的采集、分析与处理等相关问题进行分析与讨论，确定了PIV用于烟火药燃烧流场测试的实验方案和技术参数，并在大量实验数据的基础上，获得了轴线上以及轴线上不同Y剖面上的速度分布，得到流场的速度。

1 实验及方法

1.1 实验方法及实验装置

本实验测量的是含有大量高温燃烧质点的速度场，将烟火药药柱置于普通香燃烧产生的烟雾中，烟火药燃烧喷射火焰带动烟流动，产生速度矢量流场，采用PIV系统获取烟火药的燃烧流场图。所用的实验装置示意图如图1所示。

图1 PIV燃烧实验二维系统图Fig.1 Schematic illustration of PIV combustion testing system

上述实验系统由成像子系统（脉冲激光器、光臂、片光源）、图像拍摄子系统 （CCD相机、滤光片、图像采集板、同步器）、实验辅助系统（远程遥控系统、标定系统及其底座）、处理软件（提供采集、分析、处理和显示PIV结果、Tecplot流场显示软件、MATLAB软件等）构成。该实验系统的控制由同步器进行控制，为实验过程获取图像提供准确的控制和激活信号，确保它们同步进行。利用INSIGHT 3GTM软件与Tecplot和MATLAB软件进行图形显示与分析。

1.2 实验条件的选择

激光器采用美国NewWave公司生产的双钕:钇铝石榴石激光器，在激光功率的选择上，可以选择低档（120 mJ/脉冲）、中档（175 mJ/脉冲）、高档（200 mJ/脉冲）3种不同功率，根据米氏散射效应[11]与示踪粒子的匹配关系，选择了高档（200mJ/脉冲）的激光能量，频率15Hz，可以充分利用激光器的能量，提高信噪比。片光源透镜组中，球面镜焦距分别为：500mm，1 000mm；柱面镜焦距：-15mm，-25mm。

图像拍摄子系统采用PowerView™ Plus 4MP 2K×2K像素自/互相关数字CCD相机，具有高信噪比，12位输出，采样速率为15帧/s，CCD激光防护阵列，50mm/F1.8透镜。曝光时间设置为10μs。烟火药燃烧剧烈，发光强度很大，为了屏蔽烟火药的强光反射与干扰，采用中心波长为532nm、带宽为5nm的窄带滤波片。

1.3 示踪粒子的选择

在PIV测定中，示踪粒子的选择一般从3方面来考虑：粒子的流动跟随性、粒子成像的可见性、粒子散布均匀度和浓度要求，可以选择的示踪粒子通常是Al2O3、TiO2、ZrO2和MgO等。由于本实验的被测对象为烟火药的燃烧火焰，宜采用烟雾或者油雾粒子作为示踪粒子[12]，烟火药在其间进行燃烧，燃烧产生的粒子会带动烟产生流场效应，尤其是具有较大几何尺寸高温燃烧质点，将产生明显的带动作用，从而间接地表示出烟火药燃烧过程中高温燃烧质点群的速度场。因此，本研究采用普通香燃烧产生的烟粒子作为示踪粒子。

2 结果与讨论

经过对烟火药药柱的PIV测试，获得了具有高温粒子在燃烧过程中形成的速度场，图2所示为燃烧某时刻实验捕捉到的粒子流场图像，这些数据包含了火焰内部燃烧粒子的各种信息，其中粉色为燃烧粒子的示踪流场，灰色为燃烧产生的烟雾颗粒场。

图2 烟火药火焰中高温燃烧质点的流场Fig.2 Flow fields of high temperature combustion particles of pyrotechnics flame

利用INSIGHT 3GTM软件与MATLAB对图2进行了过滤和插值两个步骤的数据处理，燃烧的流动方向很容易判断出来，因此通过设定两个速度分量的阈值，过滤掉那些与主流方向偏差较大的点，然后对这些数据点进行插值处理，一般来讲，重复几次这样的步骤就可以完全满足测量的要求。

图3所示为根据图2利用上述软件模拟生成的粒子速度场分布图。图3中不同的颜色代表了在燃烧过程中各区域流场高温燃烧质点形成的速度场。

图3 高温燃烧质点瞬态速度场分布图Fig.3 Instantaneous velocity distribution of high temperature combustion particles

图4～5分别表示高温燃烧质点在轴向和纵向形成的速度流场分布。从图4可以看出，高温燃烧质点在轴向速度存在少量的偏离主流的坏点，它会影响到整个速度场的测试，在后续的研究过程中，需要剔除这些坏点，而其余燃烧粒子在燃烧过程中有一个良好的统计平均值。图4和图5能够清楚地表达出在各时间段高温燃烧质点的速度分布，与图2实验现象一致。

图4 高温燃烧质点轴向速度分布示意图Fig.4 Axial velocity distribution of high temperature combustion particles

图6表征了高温燃烧质点横向的速度梯度，即沿x轴方向单位时间内，某一高温燃烧质点的速度变化量。图7表征了高温燃烧质点纵向的速度梯度，比较轴向，纵向速度的变化量相对而言比较平稳，在火焰初始端速度变化不是很大，在火焰中端速度变化量逐步加大，在火焰上端速度变化量又逐步减小，与图2测试结果吻合。

图5 高温燃烧质点纵向速度分布示意图Fig.5 Longitudinal velocity distribution of high temperature combustion particles

图6 高温燃烧质点轴向速度梯度Fig.6 Axial velocity gradient of high temperature combustion particles

图7 高温燃烧质点纵向速度梯度Fig.7 Longitudinal velocity gradient of high temperature combustion particle

3 结论

本文利用 PIV对烟火药燃烧火焰进行了实验测量，讨论了在使用PIV对烟火药这类燃烧温度高、发光强度大的快速燃烧体系进行测量时，选择示踪粒子、滤光片、激光器能量以及曝光时间等的重要性与原则。本研究创造性地将燃香产生的烟雾粒子作为示踪粒子，在实验基础上，利用MATLAB对该实验过程进行了研究与分析，很好地展示出了烟火药燃烧高温燃烧质点的流场，所得结果与实验数据吻合，为烟火药燃烧的PIV测试及燃烧过程的模拟奠定了基础。

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