CN101377307B - 螺旋片形两相掺混和强化燃烧装置 - Google Patents
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Abstract
一种螺旋片形两相掺混和强化燃烧装置，属于两相掺混装置和强化燃烧装置技术领域。适用于气液两相的掺混和类似于爆震管中向下游运动的火焰的强化燃烧，其特征在于：由n个轴向螺旋片均匀分布，其中螺旋片螺距为25mm-300mm，其中n值由螺旋片的总堵塞比和螺旋片宽度共同确定，其中总堵塞比在40％-60％之间。本发明能够克服现有技术的不足，使得气流动能损失小，紊流度分布均匀。
Description
技术领域
本发明的螺旋片形两相掺混和强化燃烧装置，属于两相掺混装置和强化燃烧装置技术领域。
背景技术
两相掺混和强化燃烧装置是广泛应用于工程领域的关键和核心部件，涉及包含两相和多相流动的能源动力、食品饮料、石化制药等工程的生产过程中，例如在能源动力装置中，燃料和氧化剂(空气)如何在有限空间和有限时间内达到均匀的可燃混气一直是业内研究的重点和热点，其机理和特性的研究虽然长久以来已经取得了卓越的成果，但如何在燃烧区内实现高效的强化掺混来改善燃料雾化和蒸发，如何利用分布均匀的紊流度来达到强化燃烧的功能是能源动力装置中燃烧室进一步提高燃烧性能的寻求途径和目标，尤其在当前能源短缺和全球节能减排的热潮中，其意义和工程应用价值是不言而喻；在食品加工、生物制药、石油化工等的生产过程中，两相和多相流动是必备的工艺过程，对于其中的两相和多相掺混过程，进行高效的强化掺混可以缩短工时，减少能源消耗，提高产品质量，同时研究管内强化掺混结构是可以减少混合搅拌罐，简化工艺流程，提高生产效率。
脉冲爆震发动机(pluse detonation engine)是利用脉冲爆震波产生的周期性冲量的非定常推进系统。参考图1所示，典型的脉冲爆震发动机循环包括以下几个基本过程。
1填充隔离气体，防止新的可燃混气进入后与燃烧产物接触过早反应
2填充可燃混气，当可燃混气充满爆震室时进入下一循环
3在爆震室头部位置点火，触发可燃混气反应。
4可燃混气反应产生一系列追赶叠加的压缩波，缓燃开始爆震转变 (Deflagration to Detonation Transition)，爆震波形成并向爆震室尾部传播
5爆震波从爆震室尾部排出，膨胀波进入管内。
6在膨胀波的作用下，燃烧产物排出爆震室。
在实际操作的过程中，如果可燃混气易反应程度不高，填充隔离气体的过程可以省去。
在爆震燃烧中，缓燃转变为爆震的过程对爆震波能否产生，爆震波产生距离长短，爆震频率能否提高，爆震管产生的推力大小至关重要。为了减短ddt过程所需要的时间(距离)，尽早触发爆震，加强管中混气的两相掺混，使爆震管中流场有分布平均，大小适中的紊流度是可行办法。同时，分布平均的紊流度也能起到强化火焰燃烧的作用。
现有产生紊流度的方式一般是在爆震管内加入钝体，气体在流经钝体时，由于流体通道截面积骤减，气体加速形成高速流。在通过钝体后，因钝体后的低压区，贴近钝体的气流回流流动，这时回流区内产生很大的紊流度，可加强两相掺混，但这种形成紊流度的方式对爆震的形成有两个个不利的影响。
1气流动能损失较大。如图2，通过钝体前流动速度接近的气流通过钝体后，一部分加速，一部分减速甚至回流，钝体前后气流速度变化较大，这使得气流动能损失也较大。而高速气流对爆震发动机而言，在提高爆震频率，增加爆震管单位时间内推力等方面有积极作用，所以较大的气流动能损失必然影响PDE性能的提高。
2紊流度分布不均匀。在爆震管中提高紊流度的目的是为了点火前均匀两相流场，点火后撕裂火焰锋面，强化换热，引燃未燃混气，尽快完成ddt过程。如图3，以加入钝体方式形成的紊流度，主要集中在钝体后回流区内，而直流区内紊流强度较低，紊流度不能在管内平均分布，不利于两相掺混。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种使得气流动能损失小，紊流度分布均匀的螺旋片形两相掺混和强化燃烧装置。
一种螺旋片形两相掺混和强化燃烧装置，适用于气液两相的掺混和类似于爆震管中向下游运动的火焰的强化燃烧，其特征在于：由n个轴向螺旋片均匀分布，其中螺旋片螺距为25mm-300mm，其中n值由螺旋片的总堵塞比和螺旋片宽度共同确定，其中总堵塞比在40％-60％之间。
螺旋片尺寸和工作机理
螺旋形片装置可有效的克服以上两个缺陷，下面就对螺旋片装置的尺寸和工作机理做一个介绍。
以内径为29mm的掺混管为例，如图4、5，本装置由5片螺旋片组成，每片螺旋片在轴向上投影所成的圆直径为8.5mm，片长310mm，螺距为100mm，平行放置在管内。螺旋片绕管中心间隔72度排列，螺旋片中心点距管中心点距离为9mm。
螺旋形装置可有效的克服钝体产生紊流度时带来的两个负面影响，在管内得到分布均匀，强度合适的紊流度。紊流度的形成可以理解为是相邻气流间具有速度差引起的，而因为速度的矢量性，它具有方向和大小两个性质，也就是说相邻气流的速度大小或者方向不同时就会产生紊流度。如图6、7、8，气流经过螺旋片装置时，贴近螺旋片的气流会绕螺旋片形成旋流，其他区域气流形成直流。这样直流与旋流，绕不同螺旋片的旋流之间呈不同向流动。以这种方式产生紊流，会有如下的特点。
1、动能损失不大。直流区气流直线向前，速度变化不大，而绕螺旋片旋转的气流始终保持向前的流动方向，速度大小也没有激烈变化，所以气流在通过螺旋片时动能损失不大。
2、紊流度在管内分布较均匀。在安装螺旋片装置的管中，产生的紊流度主要来自于三种区域。
a.旋流撞击螺旋片产生的紊流度。螺旋片的旋转构造使贴近它的气流不断的撞击它形成旋流，这个撞击的过程会使得螺旋片表面附近的流动情况复杂，这个区域有较大的紊流度。
b.直流与旋流之间因速度大小和方向的不同产生的紊流度。
c.绕相邻的螺旋片流动的旋流之间，因流动方向相反产生的紊流度。
相较于只在钝体后产生紊流区域，在爆震管内加入螺旋片可在管内多个区域产生了紊流，分布均匀的紊流度有利于两相掺混和强化火焰燃烧。
可通过增减螺旋片总堵塞比来增减成旋流的气流的总量，以上实例中采用的螺旋片总堵塞比为48％，根据实际情况的不同，该堵塞比可在35％-65％之间。
可通过增减螺旋片的螺距来调节旋流在单位距离里旋转圈数，也改变旋流流动方向，进而改变旋流与直流之间的所成的角度，从而改变紊流度的分布与大小。以上实例中采用的螺距为100mm，根据实际情况不同，螺距可在25mm-300mm之间变化。
附图说明
图1脉冲爆震发动机工作循环图。图中标号名称：1充填隔离气体，2充填可燃混气，3点火，4爆震波的产生与传播，5膨胀波进入爆震室内，6清除废气，A空气，B燃料和空气组成的混合气体，C燃烧产物。
图2钝体后气流速度图。图中标号名称：1直流区气流速度加快，2回流区气流速度减慢。
图3钝体后气流紊流度图。图中标号名称：1直流区紊流度小，2回流区紊流度大。
图4螺旋片装置侧视图。
图5螺旋片装置正视图。
图6螺旋片流线图。图中标号名称：1旋流区，2螺旋片直流区，3中心直流区。
图7安装螺旋片的爆震管流场示意图。图中标号名称：1旋流区，2旋流与旋流间相互作用形成的紊流度，3直流区，4直流区，5直流区，6直流与旋流间相互作用形成的紊流度，7旋流区。
图8安装螺旋片的爆震管纵截面和横截面紊流度分布图。图中标号名称：1爆震管纵截面，2横截面1，3横截面2。
图9三叶片后紊流度图。图中标号名称：1三叶片，2回流区。
图10安装三叶片装置的爆震管。图中标号名称：1点火段，2安装三叶片装置段，3激波反射段，4传感器1，5传感器2。
图11 f＝20hz时安装三叶片装置爆震管压力图。图中标号名称：1传感器1，2传感器2。
图12 f＝33hz时安装三叶片装置爆震管压力图。图中标号名称：1传感器1，2传感器2。
图13安装螺旋片装置爆震管。图中标号名称：1点火段，2安装螺旋片装置段，3激波反射段，4传感器1，5传感器2。
图14f＝20hz时安装螺旋片装置爆震管压力图。图中标号名称：1传感器1，2传感器2。
图15f＝33hz时压力图。图中标号名称：1传感器1，2传感器2。
图16f＝40hz时压力图。图中标号名称：1传感器1，2传感器2。
具体实施方式
安装三叶片装置的爆震管和安装螺旋片装置的爆震管试验结果比较
三叶片装置是比较典型的钝体装置，其产生紊流度的方式，也主要是利用叶片后的回流区生成紊流度，如图9。
保持其他装置不变，在爆震管中，分别安装三叶片装置和螺旋片装置进行比较试验。安装三叶片装置共七片，每两片之间间隔为60mm，该段总长度为360mm(如图10)。以内径为29mm的掺混管为例，如图4、5，本装置由5片螺旋片组成，每片螺旋片在轴向上投影所成的圆直径为8.5mm，片长310mm，顺时针旋转3圈，平行放置在管内。螺旋片绕管中心间隔72度排列，螺旋片中心点距管中心点距离为9mm。安装螺旋片装置段总长度为310mm(如图13)。
脉冲爆震发动机以煤油为燃料，空气为氧化剂，空气在进入PDE前预热，进气温度在常温至200摄氏度之间可调，进气压力在0.01Mpa—0.05Mpa之间可调，试验在20hz，33hz，40hz三种频率下进行，安装三叶片装置的爆震管试验结果如图11—12，安装螺旋片装置PDE如图14—16。两种装置在不同频率下产生的平均压力和峰值压力如表1.
| 频率(hz) | 20 | 33 | 40 |
| 螺旋片装置的峰值压力(Mpa) | 4.92 | 4.57 | 3.51 |
| 三叶片装置的峰值压力(Mpa) | 1.12 | 1.46 | 没有产生爆震 |
| 螺旋片装置的平均压力(Mpa) | 3.91 | 3.7 | 2.31 |
| 三叶片装置的平均压力(Mpa) | 0.7 | 0.81 | 没有产生爆震 |
表1两种PDE峰值压力和平均压力比较
由上面的图表可以看到，安装螺旋片装置的PDE在20hz，30hz，40hz三个频率下都能稳定的产生爆震波，压力均大于同频率下安装三叶片装置的PDE产生的压力。由此可证实，螺旋片装置在两相掺混和强化燃烧方面取得了优于三叶片装置的效果。
Claims (3)
1.一种螺旋片形两相掺混和强化燃烧装置，适用于气液两相的掺混和类似于爆震管中向下游运动的火焰的强化燃烧，其特征在于：由n个轴向螺旋片均匀分布，其中螺旋片螺距为25mm-300mm，其中n值由螺旋片的总堵塞比和螺旋片宽度共同确定，其中总堵塞比在40％-60％之间。
2.根据权利要求1所述的螺旋片形两相掺混和强化燃烧装置，其特征在于：适用于脉冲爆震发动机，安装于脉冲爆震发动机气动阀之后的爆震室内，所示总堵塞比为48％。
3.根据权利要求1或2所述的螺旋片形两相掺混和强化燃烧装置，其特征在于：适用于脉冲爆震发动机，安装于脉冲爆震发动机气动阀之后的爆震室内，所示螺旋片的个数为5。
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