蜡烛振荡燃烧与相互耦合的研究.pdf
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1、第 卷第 期 年 月 物理实验 ,櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 收稿日期:;修改日期:作者简介:方骏(),男,江苏盐城人,南京师范大学物理科学与技术学院 级本科生 :通信作者:庄伟(),男,江苏徐州人,南京师范大学物理科学与技术学院副教授,博士,研究方向为计算电磁学 :文章编号:()蜡烛振荡燃烧与相互耦合的研究方骏,庄伟(南京师范大学 物理科学与技术学院,江苏 南京 )摘要:当几支蜡烛相互靠近时,由于烛火附近空气流动的状态发生变化,产生涡旋,火焰产生周期性振荡 组振荡器由接近逐渐远离,随着距离的增大,逐步产生同相振荡、反相振荡
2、和振幅死亡通过纹影装置直接验证了涡旋是振荡器火焰产生振荡的原因,通过遍历蜡烛火焰二值图的方式得到了火焰面积与时间的图像,对其进行快速傅里叶变换后得到振荡器的振荡频率,并以此研究振荡器的振荡情况与距离的关系关键词:蜡烛火焰;振荡燃烧;涡旋扩散中图分类号:文献标识码:振荡燃烧(不稳定燃烧)可能降低燃烧效率,影响燃烧装置的性能,甚至缩减燃烧装置的使用寿命在实验中,几支临近的蜡烛燃烧时容易发生振荡燃烧,习惯上将此时的蜡烛视作振荡器 年,等人使用高速摄像技术研究了单组振荡器与组振荡器相互影响的情况在研究组振荡器相互作用时,发现随着距离的改变,组振荡器会发生“同相振荡”与“反相振荡”,他们认为热辐射是组振
3、荡器相互影响的主要原因文献 指出涡旋会影响蜡烛的振荡燃烧 年,等人发现了新的振荡情况,即振幅死亡模式(),且对过渡情况下同相振荡与反相振荡的概率进行了统计 ,等人使用涡旋理论系统解释了组振荡器相互影响的原因,而且使用火焰动力学模拟器(,)模拟了组振荡器耦合的情况,指出了涡旋脱落与卡门涡街的相似性 年,尚军等人研究了不同距离下振荡燃烧出现同步、异步和不相干现象本文整理并且综合了上述研究,再现了燃烧振荡现象的多种模式,通过分析计算火焰投影面积的变化研究振荡频率以及组振荡器的相位差使用涡旋理论解释了振荡燃烧的物理机制,设计了纹影装置并且直接观测了涡旋对振荡燃烧的影响预实验与实验设计实验室保持黑暗、无
4、外部流动气流和空旷的条件,因此可以避免外部环境的干扰实验选用直径和高度分布为 和 的匀质圆柱形石 蜡 蜡 烛使 用 高 速 摄 像 机(,)以 记录图像,在拍摄视频过程中保持机位不变,且只存在实验用蜡烛作为光源使用纹影法直接观测蜡烛周围空气流动的情况纹影装置如图所示图纹影仪装置的实物图纹影装置由点光源、刀片、相机和凹面镜(直径 ,焦距 )组成点光源放置于凹面镜倍焦距处,其发出的光经镜面反射后穿过检测区被摄像机接收成像图为用纹影装置拍摄的单组蜡烛燃烧过程中周围空气流动的情况()涡旋产生()涡旋发展()涡旋夹断火焰()涡旋脱离图用纹影装置拍摄的涡旋与火焰使用纹影装置可以直接观察涡旋对蜡烛火焰的影响
5、,但由于锥形纹影装置的局限性,难以进行定量分析,因此需要研究火焰面积随时间的变化拍摄蜡烛火焰,将彩色图像转化为灰度图像,再将灰度值与设定的阈值比较,得到黑白两色的二值图,如图所示设定阈值时需保证只计算火焰面积遍历得到的二值图,统计白色像素点数即为该方向上火焰投影的面积通过上述方法处理拍摄的视频,可以得到火焰面积与时间的关系图象()原始图像()灰度图()二值图(阈值)()二值图(阈值)()二值图(阈值)()二值图(阈值)图在不同阈值下蜡烛火焰的二值图火焰的空间分布是三维的,但考虑到火焰的对称性,使用火焰投影面积研究火焰振荡的方式被普遍接受单组振荡器振荡的分析单支燃烧的蜡烛产生火焰,空气与火焰间存
6、在温差而产生对流传热,该温差主要发生在火焰附近很薄的流体层内,称为剪切层火焰以及剪切层的密度小于空气,由于密度差形成浮力,气体向上流动由于重力作用下的 不稳定性,剪切层外部气体有向下运动的趋势浮力与 不稳定性共同作用,形成有速度梯度的气体层流,如图()所示随着蜡烛支数的增多,蜡烛火焰逐渐增长,当蜡烛支数达到一定数量时,雷诺数足够大,不稳定性开始起作用蜡烛支数的增多也使得内部的扰动增大,产生涡旋结构此时的蜡烛火焰不再伸长,而逐渐受到涡旋的影响发生摆动涡旋逐步发展,其产生区由火焰上端向下 延 伸,最 终 火 焰 发 生 周 期 性 振 荡,如 图()所示通过纹影装置可以直接观察到涡旋是如何导致火焰
7、振荡的,在典型的个火焰周期性振荡中,第 期方骏,等:蜡烛振荡燃烧与相互耦合的研究在火焰周围产生涡旋,之后涡旋向上运动,使得火焰拉长后被“掐断”被掐断的火焰分为部分,上端的火焰团因燃料很快耗尽而消失,下端的火焰进入下一振荡周期()蜡烛火焰的火焰层、剪切层与空气层()火焰性质随蜡烛支数变化图单组蜡烛火焰性质的分析以上是对涡旋引起蜡烛振荡的说明对于涡旋的演化,由经典公式犇 犇 狋()狌(狌)(狆)犃(犵)狏()描述,其中,狌为速度矢量,为涡度矢量,为局部密度,狆为压强,犵为重力加速度,狏为动力黏度,为环境气体密度涡旋的产生是因为第项巴氏项和第项的重力项假设火焰是由浮力诱导的,涡旋生长过程的周期很短,
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