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基于分形几何的超声速燃烧火焰形态表征方法研究

程柳维 仲峰泉 杜蒙蒙 顾洪斌 张新宇

程柳维, 仲峰泉, 杜蒙蒙, 等. 基于分形几何的超声速燃烧火焰形态表征方法研究[J]. 实验流体力学, 2019, 33(1): 97-102. doi: 10.11729/syltlx20180084
引用本文: 程柳维, 仲峰泉, 杜蒙蒙, 等. 基于分形几何的超声速燃烧火焰形态表征方法研究[J]. 实验流体力学, 2019, 33(1): 97-102. doi: 10.11729/syltlx20180084
Cheng Liuwei, Zhong Fengquan, Du Mengmeng, et al. Study of characterization methods of supersonic combustion flame based on fractal geometry[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2019, 33(1): 97-102. doi: 10.11729/syltlx20180084
Citation: Cheng Liuwei, Zhong Fengquan, Du Mengmeng, et al. Study of characterization methods of supersonic combustion flame based on fractal geometry[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2019, 33(1): 97-102. doi: 10.11729/syltlx20180084

基于分形几何的超声速燃烧火焰形态表征方法研究

doi: 10.11729/syltlx20180084
基金项目: 

国家自然科学基金重大研究计划培育项目 91441102

详细信息
    作者简介:

    程柳维(1991-), 男, 河南洛阳人, 博士, 工程师。研究方向:吸气式高超声速推进技术。通信地址:河南省洛阳市西工区解放路166号(471009)。E-mail:chengliuwei@sina.com

    通讯作者:

    仲峰泉, E-mail: fzhong@imech.ac.cn

  • 中图分类号: V231.2

Study of characterization methods of supersonic combustion flame based on fractal geometry

  • 摘要: 分形几何是图像学发展的新兴学科。通过分形几何,可以研究不规则图形,揭示图形的自相似特性,并且给出图形自相似性的定量数据。本文将分形几何用于分析超声速气流中的火焰形态,定量分析了不同当量比与燃料组分摩尔比条件下火焰分形维数的变化规律,研究了湍流火焰传播速度和火焰边界分形维数之间的对应关系。通过高速摄影获得的火焰CH*自发光瞬态图像,记录了马赫数2.5超声速气流中不同燃料的火焰形态,验证了超声速火焰边界具有自相似性。实验结果表明,超声速燃烧湍流火焰锋面边界的分形维数随当量比的增大近似线性增大,随着燃料中氢含量的增加而增大。
  • 图  1  超声速燃烧实验台及其结构示意图(单位:mm)

    Figure  1.  Supersonic combustion test facility and its structure diagram (unit: mm)

    图  2  计盒数法示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of box counting

    图  3  稳定燃烧时乙烯瞬态火焰边界

    Figure  3.  Transient flame boundary of ethylene during steady combustion

    图  4  乙烯火焰边界分形维数计算结果与拟合曲线

    Figure  4.  Calculation results and fitting curves of fractal dimension of ethylene flame boundary

    图  5  分形维数随时间的变化

    Figure  5.  The change of fractal dimension with time

    图  6  不同当量比条件下乙烯瞬态火焰分布

    Figure  6.  Transient flame distribution of ethylene at different equivalent ratios

    图  7  不同当量比下燃烧室压力分布

    Figure  7.  Pressure distribution of combustor at different equivalent ratios

    图  8  不同当量比下燃烧室平均马赫数分布

    Figure  8.  Average Mach number distribution of combustor at different equivalent ratios

    图  9  乙烯火焰边界分形维数随当量比的变化

    Figure  9.  Variation of fractal dimension of ethylene flame boundary with equivalent ratio

    图  10  不同当量比燃料B和C火焰瞬时形态

    Figure  10.  Instantaneous form of fuel B and C at different equivalent ratios

    图  11  不同当量比下燃烧室的压力分布

    Figure  11.  Pressure distribution of combustor at different equivalent ratios

    图  12  不同当量比燃料B和C火焰边界分形维数及其拟合曲线

    Figure  12.  Fractal dimension of flame boundary of fuel B and C at different equivalent ratios and their fitting curves

    表  1  燃料的组分及摩尔比例(单位:%)

    Table  1.   Composition and molar ratio of fuel (unit: %)

    编号 H2 C2H4
    A 100
    B 20 80
    C 50 50
    下载: 导出CSV

    表  2  计盒数法计算结果

    Table  2.   Calculation results of box counting method

    盒子边长S(p) 1 2 4 8 16 32 64 128 256
    盒子数N 4640 2562 978 366 129 46 18 8 2
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-05-29
  • 修回日期:  2018-07-17
  • 刊出日期:  2019-02-25

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    《实验流体力学》编辑部

    2021年8月13日