薛 銳 ，許厚謙 ，吳 偉 ，李 燕 ，朱晨光

（1. 南京理工大學能源與動力工程學院，江蘇 南京，210094；2. 南京工程學院能源與動力工程學院，江蘇 南京，211167；3. 南京理工大學化工學院，江蘇 南京，210094）

煙火藥是應用范圍較廣的復合型含能材料，其特點是通過煙火藥的燃燒，產(chǎn)生熱、光、煙、聲等特種煙火效應，進而研制出各種煙火產(chǎn)品。目前，對于煙火藥的燃燒過程研究主要是采用理論分析和數(shù)值模擬的方法，遵循化學反應的質量守恒定律和能量守恒與轉化定律[1-3]，對燃燒機理的研究均是建立在某些假設和推論的基礎上，因此燃燒機理尚不明了[4]。隨著科學儀器性能的提高、分析與測試方法的不斷進步，利用外場實測的手段進行機理研究也日臻成熟。

PIV（Particle Image Velocimetry）測試技術廣泛應用于包括燃燒在內(nèi)的各種流場的測量中[5-9]，但對于含有大量高溫燃燒質點[10]的煙火藥火焰流場的研究與分析則很少涉及。

本研究嘗試將PIV應用于煙火藥火焰流場的測定中，針對煙火藥燃燒的特殊性，對實驗及數(shù)據(jù)的采集、分析與處理等相關問題進行分析與討論，確定了PIV用于煙火藥燃燒流場測試的實驗方案和技術參數(shù)，并在大量實驗數(shù)據(jù)的基礎上，獲得了軸線上以及軸線上不同Y剖面上的速度分布，得到流場的速度。

1 實驗及方法

1.1 實驗方法及實驗裝置

本實驗測量的是含有大量高溫燃燒質點的速度場，將煙火藥藥柱置于普通香燃燒產(chǎn)生的煙霧中，煙火藥燃燒噴射火焰帶動煙流動，產(chǎn)生速度矢量流場，采用PIV系統(tǒng)獲取煙火藥的燃燒流場圖。所用的實驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 PIV燃燒實驗二維系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic illustration of PIV combustion testing system

上述實驗系統(tǒng)由成像子系統(tǒng)（脈沖激光器、光臂、片光源）、圖像拍攝子系統(tǒng) （CCD相機、濾光片、圖像采集板、同步器）、實驗輔助系統(tǒng)（遠程遙控系統(tǒng)、標定系統(tǒng)及其底座）、處理軟件（提供采集、分析、處理和顯示PIV結果、Tecplot流場顯示軟件、MATLAB軟件等）構成。該實驗系統(tǒng)的控制由同步器進行控制，為實驗過程獲取圖像提供準確的控制和激活信號，確保它們同步進行。利用INSIGHT 3GTM軟件與Tecplot和MATLAB軟件進行圖形顯示與分析。

1.2 實驗條件的選擇

激光器采用美國NewWave公司生產(chǎn)的雙釹:釔鋁石榴石激光器，在激光功率的選擇上，可以選擇低檔（120 mJ/脈沖）、中檔（175 mJ/脈沖）、高檔（200 mJ/脈沖）3種不同功率，根據(jù)米氏散射效應[11]與示蹤粒子的匹配關系，選擇了高檔（200mJ/脈沖）的激光能量，頻率15Hz，可以充分利用激光器的能量，提高信噪比。片光源透鏡組中，球面鏡焦距分別為：500mm，1 000mm；柱面鏡焦距：-15mm，-25mm。

圖像拍攝子系統(tǒng)采用PowerView? Plus 4MP 2K×2K像素自/互相關數(shù)字CCD相機，具有高信噪比，12位輸出，采樣速率為15幀/s，CCD激光防護陣列，50mm/F1.8透鏡。曝光時間設置為10μs。煙火藥燃燒劇烈，發(fā)光強度很大，為了屏蔽煙火藥的強光反射與干擾，采用中心波長為532nm、帶寬為5nm的窄帶濾波片。

1.3 示蹤粒子的選擇

在PIV測定中，示蹤粒子的選擇一般從3方面來考慮：粒子的流動跟隨性、粒子成像的可見性、粒子散布均勻度和濃度要求，可以選擇的示蹤粒子通常是Al2O3、TiO2、ZrO2和MgO等。由于本實驗的被測對象為煙火藥的燃燒火焰，宜采用煙霧或者油霧粒子作為示蹤粒子[12]，煙火藥在其間進行燃燒，燃燒產(chǎn)生的粒子會帶動煙產(chǎn)生流場效應，尤其是具有較大幾何尺寸高溫燃燒質點，將產(chǎn)生明顯的帶動作用，從而間接地表示出煙火藥燃燒過程中高溫燃燒質點群的速度場。因此，本研究采用普通香燃燒產(chǎn)生的煙粒子作為示蹤粒子。

2 結果與討論

經(jīng)過對煙火藥藥柱的PIV測試，獲得了具有高溫粒子在燃燒過程中形成的速度場，圖2所示為燃燒某時刻實驗捕捉到的粒子流場圖像，這些數(shù)據(jù)包含了火焰內(nèi)部燃燒粒子的各種信息，其中粉色為燃燒粒子的示蹤流場，灰色為燃燒產(chǎn)生的煙霧顆粒場。

圖2 煙火藥火焰中高溫燃燒質點的流場Fig.2 Flow fields of high temperature combustion particles of pyrotechnics flame

利用INSIGHT 3GTM軟件與MATLAB對圖2進行了過濾和插值兩個步驟的數(shù)據(jù)處理，燃燒的流動方向很容易判斷出來，因此通過設定兩個速度分量的閾值，過濾掉那些與主流方向偏差較大的點，然后對這些數(shù)據(jù)點進行插值處理，一般來講，重復幾次這樣的步驟就可以完全滿足測量的要求。

圖3所示為根據(jù)圖2利用上述軟件模擬生成的粒子速度場分布圖。圖3中不同的顏色代表了在燃燒過程中各區(qū)域流場高溫燃燒質點形成的速度場。

圖3 高溫燃燒質點瞬態(tài)速度場分布圖Fig.3 Instantaneous velocity distribution of high temperature combustion particles

圖4～5分別表示高溫燃燒質點在軸向和縱向形成的速度流場分布。從圖4可以看出，高溫燃燒質點在軸向速度存在少量的偏離主流的壞點，它會影響到整個速度場的測試，在后續(xù)的研究過程中，需要剔除這些壞點，而其余燃燒粒子在燃燒過程中有一個良好的統(tǒng)計平均值。圖4和圖5能夠清楚地表達出在各時間段高溫燃燒質點的速度分布，與圖2實驗現(xiàn)象一致。

圖4 高溫燃燒質點軸向速度分布示意圖Fig.4 Axial velocity distribution of high temperature combustion particles

圖6表征了高溫燃燒質點橫向的速度梯度，即沿x軸方向單位時間內(nèi)，某一高溫燃燒質點的速度變化量。圖7表征了高溫燃燒質點縱向的速度梯度，比較軸向，縱向速度的變化量相對而言比較平穩(wěn)，在火焰初始端速度變化不是很大，在火焰中端速度變化量逐步加大，在火焰上端速度變化量又逐步減小，與圖2測試結果吻合。

圖5 高溫燃燒質點縱向速度分布示意圖Fig.5 Longitudinal velocity distribution of high temperature combustion particles

圖6 高溫燃燒質點軸向速度梯度Fig.6 Axial velocity gradient of high temperature combustion particles

圖7 高溫燃燒質點縱向速度梯度Fig.7 Longitudinal velocity gradient of high temperature combustion particle

3 結論

本文利用 PIV對煙火藥燃燒火焰進行了實驗測量，討論了在使用PIV對煙火藥這類燃燒溫度高、發(fā)光強度大的快速燃燒體系進行測量時，選擇示蹤粒子、濾光片、激光器能量以及曝光時間等的重要性與原則。本研究創(chuàng)造性地將燃香產(chǎn)生的煙霧粒子作為示蹤粒子，在實驗基礎上，利用MATLAB對該實驗過程進行了研究與分析，很好地展示出了煙火藥燃燒高溫燃燒質點的流場，所得結果與實驗數(shù)據(jù)吻合，為煙火藥燃燒的PIV測試及燃燒過程的模擬奠定了基礎。

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