CN102323390A - 定容预混燃烧测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种定容预混燃烧测试装置，该测试装置包括：内腔体，用于进行预混燃烧，在所述内腔体的腔壁上开设有排出燃烧压力的连通孔；外腔体，其位于所述内腔体外部，用于支撑所述内腔体并吸纳自所述连通孔排出的燃烧压力，在所述外腔体的腔壁上开设有进排气口；安装在内外腔体上用于连接内外腔体的固定件；安装在内外腔体上用于观察预混燃烧的观察窗；以及安装在所述外腔体并延伸到所述内腔体内部的点火电极。与传统的定容燃烧测试装置相比，在使用本发明提供的测试装置进行预混燃烧的时候，预混气体在内腔体中燃烧时所产生的燃烧压力，可以通过所述多个连通孔迅速地被释放至外腔体中，提高了燃烧装置安全性。同时通过相应的设置，还可以稳定可控的湍流燃烧。

Description

定容预混燃烧测试装置

技术领域

本发明涉及一种燃烧测试装置，尤其涉及一种定容预混燃烧的测试装置。

背景技术

燃料(如氢气、甲烷、乙炔、汽油等)是社会发展的基石，是人类生产和生活中最重要的能量来源。了解各种燃料的预混燃烧特性对于如何更好地应用或控制燃烧至关重要。例如，在全面掌握燃料燃烧特性的基础上，控制和优化燃烧过程，可以提高内燃机动力性、燃料经济性，并控制污染物的排放。在上述预混燃料特性的研究中，初始时刻的化学当量比、初始压力、初始温度、混合气成分和湍流参数对燃烧过程的影响规律是研究的重点。

目前，在对预混燃烧过程的研究中，定容燃烧测试装置起到了重要的作用。研究人员通常使用定容燃烧测试装置研究燃料本身的燃烧特性，特别是可以使用高速数据采集系统和高速摄影机等仪器设备获取燃料燃烧的相关数据、图像等信息，以此来分析研究燃料在不同初始条件下的预混燃烧特性。但是，定容燃烧测试装置还存在很多亟待改进的技术问题。例如，在预混燃烧过程中，定容燃烧测试装置内部的压力会逐渐升高，从而改变了燃烧的初始条件；此外，燃烧放热后使定容装置内产生较高的压力，如果该燃烧压力在燃烧过程中无法及时得以释放，会给定容燃烧测试装置的安全性带来一定的影响。因此，如何能实现在封闭系统中剥离燃烧压力的影响成为了预混燃烧研究中的一个难点。

此外，湍流燃烧是自然界中燃料燃烧的主要形式，如何能够产生稳定可控的湍流燃烧环境是研究燃料的燃烧特性的重点。以往的定容燃烧装置主要以层流燃烧为主，个别湍流燃烧装置虽然能产生湍流，但湍流强度以及尺度都无法实现稳定控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种定容预混燃烧测试装置，其可以释放装置内的燃烧压力，不但可以有效地减小由燃烧压力对燃烧特性所带来的影响，还可以提高预混燃烧测试装置的安全性。

本发明提供了一种定容预混燃烧测试装置，该装置包括：

内腔体，用于进行预混燃烧，在该内腔体的腔壁上开设有排出燃烧压力的连通孔；

外腔体，其位于所述内腔体外部，用于支撑所述内腔体并吸纳自所述连通孔排出的燃烧压力，在所述外腔体的腔壁上开设有进排气口；

安装在内外腔体上用于连接内外腔体的固定件；

安装在内外腔体上用于观察预混燃烧的观察窗；以及

安装在所述外腔体并延伸到所述内腔体内部的点火电极。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：该定容预混燃烧测试装置具有内腔体和外腔体双层结构，且该内腔体和外腔体通过多个连通孔相连通。这样设计的预混燃烧的测试装置，利用内外腔结构，控制燃烧在内腔完成，火焰不传播到外腔，外腔体仅用于泄压，即，将预混气体在内腔体中燃烧时所产生的燃烧压力通过所述多个连通孔迅速地被释放至外腔体中，从而控制了燃烧终了的压力，保证了定容预混燃烧测试装置自身的安全性。

此外，本发明的燃烧测试装置还具有连接湍流营造系统的预留口，即不但可以组织层流燃烧，而且可以组织稳定可控的湍流燃烧，因此可以用于全面研究燃料的预混燃烧特性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为根据本发明一个优选实施例的定容预混燃烧测试装置的结构示意图；

图2为根据本发明一个优选实施例的用于测试湍流燃烧的定容预混燃烧测试装置的结构示意图；以及

图3为使用图2示出的燃烧测试装置的预混燃烧测试系统示意图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

首先，请参考图1，对本发明一个优选实施例的定容预混燃烧测试装置的结构进行具体说明。

具体地，所述定容预混燃烧测试装置(下文中简称为燃烧测试装置)包括内腔体1、外腔体2以及连通孔3。在本实施例中，所述内腔体1为球型腔体，该球型腔体的直径为100mm。由于球型腔体内部为全方位对称结构，因此可以消除腔体结构对火焰传播速度和火焰结构的影响。在其它的实施例中，内腔体还可以采取其它形式的对称结构，如柱型或正多面体腔体。

所述外腔体2位于内腔体1之外，与所述内腔体1形成双层腔体结构。所述外腔体2的作用如下：一是用来支撑位于其内部的所述内腔体1(例如通过固定螺栓)，二是用来吸收内腔体1中所释放的燃烧压力。在本实施例中，所述外腔体2为与内腔体1同心的球型腔体，该球型腔体的直径为300mm。在其它实施例中，该外腔体2可以是椭圆型或正多面体腔体。

在所述内腔体1的腔壁上存在多个连通孔3，用于连通所述内腔体1和外腔体2的内部空间。在本实施例中，所述连通孔3的数量为24个，均匀分布在内腔体1的腔壁上，所述连通孔3为圆形的小孔，其直径为2mm。在预混气体燃烧的过程中，内腔体1中的燃烧压力可以通过所述连通孔3释放到所述外腔体2中，从而保证内腔体1中的预混燃烧可以在近似恒压的环境下进行，减小由于燃烧压力的变化对内腔体中观测到的火焰传播速度和火焰结构的影响。内腔体1内的可燃气体在完全燃烧之后，由于连通孔3的淬熄作用，火焰将不再传播到外腔体2中，从而控制了燃烧终了的压力，提高了装置的安全性。

上述内腔体1的形状以及尺寸，是基于经验公式对火焰传播速度和火焰结构进行估算后得到的。外腔体2的形状以及尺寸，是所需经验公式对压力传递大小及速度等进行估算得到的。连通孔3的形状、尺寸、数量以及分布，是根据不同燃料的淬熄特性确定的。在其它实施例中，根据研究条件的要求，内腔体1、外腔体2以及连通孔3的设计还存在其它形式，例如，内外腔体的直径可以更大或更小，连通孔的数量可以更多或者更少，在此不再一一赘述。

为了在所述燃烧测试装置的内腔体1中实现预混湍流燃烧，可以从所述燃烧测试装置外部引入预混湍流气体。具体地，在外腔体2上设置有湍流营造系统预留口14，当需要在内腔体1中实现湍流燃烧时，只需利用外部的湍流营造系统产生预混湍流气体，然后通过所述湍流营造系统预留口14，将该预混湍流气体传输至所述内腔体1中，在所述内腔体1中产生湍流环境。在本实施例中，所述湍流营造系统为运动活塞4(如图2所示)，该运动活塞4通过活塞运动向外腔体充气或从外腔体抽气(按照图2中箭头40所示的方向)，使内腔体和外腔体之间产生压差，预混气体通过所述连通孔3在所述内腔体与外腔体之间的压差作用下，在内腔体和外腔体之间进行交变的射流流动(按照图2中箭头30所示的方向)，从而在所述内腔体1内生成稳定的湍流环境。

通过改变运动活塞4的运动行程或者运动频率，改变内外腔体的压差的变化幅度和变化频率，从而改变内腔体1内的湍流尺度和强度。另外，可以通过调整连通孔3的有效流通截面积，来改变内腔体1内的湍流尺度。

此外，所述燃烧测试装置中还设置有观测视窗、光学通路视窗、进气管、排气管、传感器、点火电极以及热线探头等。

其中，所述观测视窗密封地嵌在所述内腔体1和外腔体2的腔壁上，位于同一直线上，用于观察内腔体1中预混燃烧的过程。所述光学通路视窗不但与所述内腔体1和外腔体2密封连接，而且位于同一直线上，形成通路，便于将光线引入所述燃烧测试装置内部，为预混燃烧火焰的成像提供必要条件。设置在这些视窗和装置内、外腔体之间的密封装置可保证测试装置的绝对密封，以使得燃烧测试装置中各种初始压力和初始温度可以达到试验要求。

在本发明的一个实施例中，燃烧测试装置的设计压力为3MPa。在燃烧测试装置外腔体的上下左右四个观察面上通过固定螺栓和密封垫片各固定了1块厚度为40mm，直径为80mm的石英玻璃作为对燃烧测试装置中燃烧过程的光学通路或观测视窗。在燃烧测试装置内腔体的对应端面上通过固定螺栓和密封垫片各固定了1块厚20mm，直径60mm的石英玻璃作为光学通路或观测视窗。密封垫片的作用是保证燃烧测试装置在高温条件下工作时无漏气现象产生，同时减轻燃烧产生的振动对石英窗造成的冲击，防止石英玻璃破碎。

燃烧测试装置还包括进气管和排气管，其中，进气管用于向定容测试装置内充入预混气体；排气管用于释放燃烧后的残余废气，以免影响以后的预混燃烧。

燃烧测试装置还包括各种状态参数采集单元，例如传感器，包括温度传感器以及压力传感器(可分为内腔压力传感器和外腔压力传感器)，用于测量并传递所述燃烧测试装置中温度和压力的相关状态参数。所述燃烧测试装置还可以包括热线探头，其可以安装在外腔体上并延伸到内腔体上，用于测量并传递所述燃烧测试装置中湍流强度的相关状态参数。

此外，燃烧测试装置还包括点火电极，其可以安装在外腔体上并延伸到内腔体的内部，以便在点火控制单元的信号控制下适时地将预混气体点燃。上述燃烧测试装置的组成部分均为本领域技术人员的公知内容，在此不再逐一进行说明。

请参考图3，图3为使用图2示出的燃烧测试装置的预混燃烧测试系统示意图，下面将结合预混测试燃烧系统，对本发明所提出的燃烧测试装置的工作过程进行具体说明。

首先，通过分压定律，确定待燃烧的目标气体中各气体组分所需的量值；然后，分别打开耐高温耐高压开关阀6，将各气体组分按照确定的量值注入至所述燃烧测试装置中。待所述测试装置内的气体达到稳定后，通过同步信号控制单元8启动点火控制单元9对所述内腔体中的预混可燃气体实施点火，同时启动图像记录单元10和参数测量仪12对燃烧过程中的图像以及各项参数进行采集，以获得目标气体的层流燃烧特性。所述图像采集单元10优选为高速摄影机，用于记录预混燃烧过程的图像，所述点火控制单元9用于激励位于内腔体1中心的点火电极，对所述燃烧测试装置内的预混气体进行点火，触发预混燃烧。

当预混燃烧触发后，在内腔体1中心处先形成火核，并且该火核向四周进行传播。在传播过程中，内腔体1中的燃烧压力可以通过位于腔壁上的连通孔3快速地释放到外腔体2中。由于所述燃烧测试装置为双腔体结构，且所述预混燃烧是在内腔体1中进行的，连通孔3的存在可以使该燃烧压力快速得以释放，从而有效地保证了所述燃烧测试装置的安全性能。

如果要实现预混湍流燃烧，则需预先标定出运动活塞4的运动速度以及运动行程与湍流强度及尺度的对应关系。在进行目标气体预混湍流燃烧的研究时，根据目标湍流强度及尺度，控制运动活塞4的运动速度以及运动行程，从而在所述内腔体中形成预期的湍流环境。然后，通过同步信号控制单元8启动点火控制单元9对所述内腔体中的预混可燃气体实施点火，同时启动图像记录单元10和参数测量仪12对燃烧过程中的图像以及各项参数进行采集，以获得目标气体在设定湍流条件下的湍流燃烧特性。

特别地，在所述燃烧测试装置中形成目标环境的过程中，会出现预混气体泄漏的情况，例如推拉运动活塞4的时候，从而导致了所述燃烧测试装置内的压力发生变化。为了保证燃烧过程可以在恒压状态下进行，将所述燃烧测试装置与稳压单元相连接，通过该稳压单元使所述燃烧测试装置内的压力得以保持稳定。在本实施例中，所述稳压单元可以为一稳压气源13，当所述燃烧测试装置内的压力低于初始压力时，则向内腔体1中补充预混气体，直至所述燃烧测试装置内的压力等于初始压力。在其它实施例中，所述稳压单元还可以为容积补偿腔，通过调节该容积补偿腔与所述燃烧测试装置相连通的空间的大小，达到使所述燃烧测试装置保持恒压的目的。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其它单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。

Claims (10)

1.一种定容预混燃烧测试装置，包括：

内腔体，用于组织预混燃烧，在该内腔体的腔壁上开设有排出燃烧压力的连通孔；

外腔体，其位于所述内腔体外部，用于支撑所述内腔体并吸纳自所述连通孔排出的燃烧压力，在所述外腔体的腔壁上开设有进排气口；

安装在内外腔体上用于连接内外腔体的固定件；

安装在内外腔体上用于观察预混燃烧的观察窗；以及

安装在所述外腔体并延伸到所述内腔体内部的点火电极。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述内腔体为球型、柱型或正多面体腔体。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，具有多个所述连通孔，并且所述多个连通孔均匀分布在所述内腔体的腔壁上。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述连通孔的截面积可以根据所需湍流尺度进行调整。

5.根据权利要求1所述的装置，还包括：

湍流营造系统，用于在所述内腔体中产生湍流环境。

6.根据权利要求5所述的装置，其中：

所述测试装置的外腔体上还设置有连接外部湍流营造系统的预留口。

7.根据权利要求5或6所述的装置，其中：

所述湍流营造系统为运动活塞，该运动活塞通过活塞运动向外腔体充气或从外腔体抽气，使内腔体和外腔体之间产生压差，从而使所述连通孔处产生交变的气体流动，诱发内腔体内生成湍流。

8.根据权利要求7所述的装置，其中：所述运动活塞的运动行程或者运动频率可以根据所需湍流尺度或者强度进行调整。

9.根据权利要求1所述的装置，还包括：

稳压单元，通过该稳压单元使所述内腔体保持恒压的状态。

10.根据权利要求9所述的装置，其中：

所述稳压单元为所述装置的容积补偿腔，或者是用于向所述装置内补充预混气体的稳压气源。

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