CN105651809A - 一种高速气流条件下颗粒着火燃烧实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种高速气流条件下颗粒着火燃烧实验装置，包括：开窗试验系统、管路供应系统、测量和控制系统；该装置将固体颗粒固定于高温高速燃气中，通过稳流段和实验时序的设计，使颗粒在近似一维均匀高温气流中安全燃烧，采用耐1000度以上高温、透明、且能透过颗粒燃烧特征光谱的石英玻璃作为开窗试验段观察窗的材料，通过窗口来观测颗粒着火燃烧过程，从而研究颗粒在高速气流中着火与燃烧机理，提升对含颗粒富燃料推进剂固冲发动机内部燃烧过程的认识。

Description

一种高速气流条件下颗粒着火燃烧实验装置

技术领域

本发明涉及燃烧实验装置领域，尤其涉及一种高速气流条件下颗粒着火燃烧实验装置。

背景技术

含金属颗粒富燃料推进剂固冲发动机的燃气发生器中由于缺氧和低温，颗粒不可能充分地实现着火燃烧，含有大量颗粒的富燃燃气在补燃室内与进气道冲压进入的空气高速掺混完成二次燃烧。受一次燃气喷射方式和冲压空气进气方式的影响，颗粒往往处于强迫对流作用下。在强迫对流作用下，颗粒周围形成速度梯度很大的附面层，颗粒周围的燃烧流场也偏离相对静止气氛下球对称结构，这些都与静态气氛下颗粒的着火燃烧过程有很大不同。研究颗粒在高速气流条件下的着火燃烧过程，揭示其内在机理和控制方式，将为进一步研究含颗粒富燃料推进剂固冲发动机的高效能量转化奠定基础，具有重要的学术意义和工程应用价值，但是，国内外针对该过程的试验研究未见公开发表。究其原因，该项实验研究有几个难点，首先高温高速组分浓度、速度以及温度可控可调节的稳定高温燃气的产生存在一定技术困难，其次是将固体颗粒固定于高温高速燃气中具有一定技术难度，最后是高温高速气流下颗粒着火燃烧过程很难观测。目前针对金属颗粒着火燃烧过程的试验研究主要有平面火焰炉、高压燃烧器、激光点火、激波管、电炉、热天平等方式，都集中在相对静止气氛下，通过测量颗粒在不同环境下着火燃烧过程的粒径变化、温度变化、特征光谱变化，研究颗粒的着火燃烧规律。

发明内容

针对现有技术中的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种可以将固体颗粒固定于高温高速燃气中，并通过窗口来观测颗粒着火燃烧过程的试验装置，从而研究颗粒在高速气流中着火与燃烧机理，提升对含颗粒富燃料推进剂固冲发动机内部燃烧过程的认识。

为解决上述技术问题，本发明“一种高速气流条件下颗粒着火燃烧实验装置”，包括：

开窗试验系统、管路供应系统、测量和控制系统；所述开窗试验系统包括燃气发生器、稳流段、开窗试验段、颗粒固定装置、喷管；所述燃气发生器、稳流段、开窗试验段、喷管依次密封连接；所述颗粒固定装置安装在开窗试验段内部；所述燃气发生器和稳流段壁面均为双层设计，其外层上布置数个冷却水进水孔、出水孔，及压力测点；稳流段壁面外层上还布置有温度测点；所述开窗试验段部分安装有透明观察窗，观察窗内壁面上下两侧布置数个冷却孔；所述管路供应系统主要包括推进剂供应系统、增压吹除气体供应系统及冷却水供应系统；所述推进剂供应系统包括氧化剂和燃料两条通路，每路包含一个气动阀，所述气动阀受测量和控制系统控制；所述推进剂供应系统的出口与燃气发生器入口密封连接；所述冷却水供应系统出口与所述冷却水进水口密封连接；所述增压吹除气体供应系统的出口与观察窗的冷却孔密封连接；所述测量和控制系统包括热电偶、压力传感器、高速摄影仪、红外测温仪、光电倍增管、数据采集处理系统，计算机；所述热电偶的一端与温度测点密封连接，另一端连接数据采集处理系统；压力传感器一端与压力测点密封连接,另一端连接数据采集处理系统；高速摄影仪、红外测温仪、光电倍增管置于观察窗外，其中高速摄影仪直接与计算机相连，红外测温仪、光电倍增管经数据采集系统连接计算机。

优选的，所述颗粒固定装置由两根条形金属棒与金属底架组成，其中一根金属棒水平放置，方向与开窗试验系统的中轴线平行，一端插入颗粒预先打好的孔中，一端与金属底架固定连接；另一根金属棒垂直地面放置，一端插入颗粒预先打好的另一个孔中，一端与金属底架固定连接；所述金属棒和金属底架可以耐1000摄氏度以上高温；所述固定装置是可拆卸的。

优选的，所述观察窗的材料选择耐1000度以上高温、透明、且能透过颗粒燃烧特征光谱的石英玻璃；

优选的，对实验时序进行设计：先通入氧气，再通入燃料，然后用点火器点燃混合气体，使燃气发生器开始工作，利用燃气发生器产生的高温燃气加热颗粒，颗粒加热一段时间后，关掉燃气发生器的燃料和氧气，再另外通入氧气来点燃颗粒；用来点燃颗粒的氧气的含量是可以调节的。

根据实验工况需要，实验前调整好空气的压力、氧气和燃料的质量流率以及开窗试验段的喷管喉径，使开窗试验段的气流速度、温度、氧气质量分数和压力等参数达到设计实验值，然后将实验用颗粒通过耐高温合金支架固定于开窗试验段内，最后将整个实验装置各个部件进行安装密封。当各项准备工作完成后，实验过程由计算机按程序控制：向燃气发生器先后通入适当比例的氧气和燃料，利用火花塞点火，使燃气发生器产生稳定的高温燃气，高温燃气经过稳流段后，形成近似一维均匀高温气流，高温气流流经开窗试验段，加热事先固定好的金属颗粒，然后关闭燃料通道，继续通入氧气，点燃金属颗粒。利用热电偶、压力传感器测量开窗试验段内部流场参数(温度、压力等)，利用高速摄影仪、红外测温仪、光电倍增管测量颗粒着火燃烧过程参数变化，即可完成单个毫米级或厘米级金属颗粒在高速气流下着火燃烧过程试验研究。

在上述高速气流条件下颗粒着火燃烧实验装置中，颗粒由两根垂直放置的耐高温金属棒及金属底架固定，可以确保在高速气流当中颗粒不会发生移动，便于观察和测量；并且该固定装置的迎风面积很小，对高速高温气流的扰动和颗粒燃烧过程的扰动可以忽略不计。

在上述高速气流条件下颗粒着火燃烧实验装置中，通过稳流段设计，使得从燃烧发生器中产生的高温气体，流经稳流段后，形成近似一维均匀高温气流，可以减少紊流、涡流等对流场的影响，便于燃烧机理的研究。

在上述高速气流条件下颗粒着火燃烧实验装置中，为避免试验设备被烧坏,在燃气发生器和稳流段两部分的壁面上布置数个冷却水孔，由冷却水供应系统提供冷却水实现冷却。通过该水冷设计，解决了高温气流下实验装置的热防护问题，实现了实验装置在实验时序内安全稳定工作。

在上述高速气流条件下颗粒着火燃烧实验装置中，观察窗内壁面四周开有数个冷却孔，用氮气(安全性高，对流场氧气浓度影响小)对石英观察窗进行冷却吹除，一方面可以降低观察窗的温度，防止观察窗在高温下发生破裂，一方面可以避免燃烧产物附着在观察窗壁面上，影响观测。

在上述高速气流条件下颗粒着火燃烧实验装置中，由于观察窗选用耐高温的材料，加之冷却孔的吹除冷却作用，所以在试验过程中，观察窗不会发生破裂，保证试验的顺利进行；并且由于观察窗选用透明材料，因此通过在观察窗的外部设置高速摄影仪、红外测温仪，可以直接拍摄燃烧过程的颗粒和火焰的形态变化，测量颗粒的温度变化；再者观察窗选用的材料还能透过颗粒燃烧特征光谱，所以通过在观察窗外设置光电倍增管等测量设备，可以测量燃烧过程中特定波长光谱的变化；因此本发明解决了高温高压环境下燃烧过程的观测问题，实现了对高温高压环境下颗粒燃烧过程可见光波段的高速摄影、红外波段的温度测量以及颗粒燃烧特征光谱波段的燃烧诊断。

在上述高速气流条件下颗粒着火燃烧实验装置中，通过控制氧气减压器和氮气减压器来控制氧气和燃料供应过程的压降，从而控制燃气发生器入口处氧化剂和燃料的流量，进而可以控制燃气发生器内部气体组分浓度、速度以及温度，获得可控可调节的稳定高温燃气。

实验过程中，颗粒加热的时间控制需要考虑两个方面的因素。一方面，如果颗粒加热的时间过长，其温度将超过实验设备的热防护能力，会造成设备损坏，另一方面，如果颗粒加热的时间过短，则不能将颗粒加热到着火所需要的温度，无法点燃颗粒。为解决上述问题，本发明对实验时序进行了设计，先通入氧气，后通入燃料，混合点燃后加热颗粒至一定温度，然后关闭燃料通道，再通入一定含量的氧气来点燃颗粒，既可以避免产生过高的温度，烧坏试验设备，又可以确保颗粒着火燃烧；并且通过加热时间的不同，可以控制颗粒着火燃烧过程的初始温度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中实验装置结构示意图；

图2为本发明中开窗试验段结构示意图；

图3为本发明中颗粒支撑结构示意图；

图4为本实施例中试验时序以及试验段环境工况示意图；

图5为本实施例中热电偶测量的开窗试验段的气相静温值；

图6为本实施例中压力传感器测量的开窗试验段的静压；

图7为本实施例中通过图像处理后硼颗粒前驻点和后尾部端点截面上火焰峰位置随时间的变化关系示意图。

具体实施方案

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例中利用一种高速气流条件下颗粒着火燃烧实验装置研究了高速气流条件下硼颗粒的着火燃烧特性，实验装置的用途不局限于硼颗粒。

该实验装置包括：管路供应系统、开窗试验系统、测量和控制系统。

所述管路供应系统主要包括推进剂供应系统、增压吹除气体供应系统及冷却水供应系统三部分。

所述推进剂供应系统包括空气供应系统、氧气供应系统和燃料供应系统。

所述空气供应系统为高压空气气罐1，系统最大供气压力12MPa，最大流量10kg/s。

所述氧气供应系统包括氧气气罐2、手阀3、过滤器4、氧气减压器5、涡轮流量计6、气动阀7和混合腔8。氧气由氧气气罐2流经手阀3、过滤器4进入氧气减压器5，减压器的操纵气为空气，减压器后依次连接涡轮流量计6、气动阀7，最后氧气进入混合腔8，与空气混合完毕后，进入开窗试验段燃气发生器9头部。本实施例所用氧气供应系统，系统最大供气压力12MPa，最大流量2kg/s。

所述燃料供应系统包括氮气气罐10、过滤器11、减压器12、手阀13、燃料贮箱14、压力表15、涡轮流量计16、气动截止阀17。所述燃料供应系统采用氮气增压，氮气从氮气气罐10中出来后经过过滤器11、减压器12和手阀13到达燃料贮箱14，为燃料增压，之后燃料经过压力表15、流经涡轮流量计16到达气动阀17，随后进入开窗试验段燃气发生器9头部。本实施例所用燃料供应系统，系统最大供应压力8MPa，最大流量1kg/s。

所述增压吹除气体供应系统包括氮气气罐10和供应管路，系统最大供应压力10MPa，最大流量1kg/s。

所述冷却水供应系统包括冷却水贮箱18和高压空气气罐1，系统最大供应压力5MPa，最大流量2kg/s。

所述开窗试验系统包括燃气发生器9、稳流段19、开窗试验段20、颗粒固定装置21、喷管25。燃气发生器9、稳流段19、开窗试验段20、喷管25之间由法兰盘44连接，燃气发生器9顶端安装有电火花点火装置26，燃气发生器9四周设置冷却水进水孔27及出水口孔28，燃气发生器9的燃烧室侧壁上布置有压力测点29。氧气和酒精在燃气发生器9内燃烧，产生高温、高压富燃燃气，高温燃气通过燃气发生器喷嘴34进入稳流段19形成近似一维均匀高温气流，然后进入开窗试验段20，加热并点燃硼颗粒40。稳流段19内部为方形腔体，周围壁面布置有数个冷却水进水孔30及出水孔31、温度测点32及压力测点33。为了便于观测金属颗粒燃烧火焰结构和采集金属颗粒燃烧光谱变化，开窗试验段20的侧壁和顶部上开有透明石英观察窗35，观察窗35与开窗试验段20的主体之间采用耐高温石棉垫片密封，观察窗内壁面的上下两侧开有数个氮气冷却孔36，用氮气对石英观察窗35进行吹除冷却。

本实施例中观察窗所用的耐高温石英玻璃工作波段为200-3200nm，硼颗粒着火燃烧过程的重要中间产物BO2的特征光谱为546±4nm，可透过所选用的石英玻璃，并该石英玻璃也不会对红外测温仪(测温波段1000-1100nm)的测温产生影响。

所述开窗试验段中安装有可拆卸的颗粒固定装置21，如图3所示，颗粒固定装置21由不锈钢底架37和两根耐高温钨钼合金棒38、39焊接而成，其中一根水平放置，一根垂直地面放置。为了固定硼颗粒40，预先将硼颗粒沿半径方向打两个圆柱形的孔，这两个孔的对称轴相互垂直，孔的长度略小于颗粒半径，孔直径略大于金属棒直径，将两根钨钼合金棒38、39分别插入这两个孔，使颗粒固定，可确保其能在不同工况的气流中固定不动。

在实施例中，试验所用硼颗粒直径为5mm-20mm，为了模拟固冲发动机补燃室内硼颗粒周围的高速掺混条件，开窗试验段横截面设计为120mm×120mm的方形，是硼颗粒直径的6-24倍，基本能够排除试验段附面层的影响，硼颗粒距燃气发生器喷嘴34出口间的距离为540mm，基本能使硼颗粒在近似一维的均匀气流中点火、燃烧。

所述测量和控制系统包括高速摄影仪22、红外测温仪23、光电倍增管24、窄带滤光片43、压力传感器41、热电偶42、数据采集系统46。利用热电偶、压力传感器测量开窗试验段内部流场参数(温度和压力)，利用高速相机拍摄燃烧过程的颗粒和火焰的形态变化，红外测温仪测量颗粒的温度变化，光电倍增管测量燃烧过程中特定波长光谱的变化。

本实施例中高速摄影仪采用PhotronFASTCAM-ultimaAPX高速数字摄影仪，摄像头采用高灵敏度CMOS非增强型图像传感器，最高拍摄速度可达120,000f/s(单位：帧/秒)，两帧间隔时间8.3微秒，最小快门时间1/120,000s。红外测温仪采用Modline5R红外测温仪红外接收器采用5R-1810型镜头，工作波段1.0-1.1微米，响应时间小于10毫秒，测温范围为1273-3273K(单位：开尔文)，测量精度0.5％读数+2K，在25℃时为满量程的±0.1％。采用PMTH-S1-CR131侧窗型光电倍增管配合相应波段的窄带滤光片，依据其信号强度辨识金属颗粒的着火燃烧过程，其工作波长范围为185-900nm，峰值响应波长400±30nm，峰值阴极灵敏度74mA/W(单位：毫安/瓦特)。

在实施例中，试验段的气流速度和压力等参数的调节通过调整上游气体质量流率和设计试验段的喷管直径实现。在点火燃烧时间的辨识时，由于燃料燃烧光谱以及背景光中可见光谱对BO₂检测器的干扰，在实验之前对试验段的温度、气流速度、压力、光谱特征进行测试和标定，BO₂的特征光谱强度应等于测量到的特征光谱强度减去燃料和氧气燃烧的光谱强度，以及背景光的光谱强度。

试验时序以及试验段环境工况如图4所示，2-8秒通入氧气，4-8秒通入酒精，酒精与氧气混合燃烧，加热硼颗粒，第8秒时该氧气和酒精通道关闭，8-38秒再通入给定流量的氧气用来点燃硼颗粒(如图4中t-test段所示)。

图5给出了上述工况下热电偶测量所得的开窗试验段的气相静温值，需要说明的是，由于开窗试验段中心位置的气流速度较大、温度相对更高，在试验过程中热电偶很容易损耗，因此，本实施例仅测得了试验段近壁面附近的气相静温，颗粒所处的位置的气流温度应该更高。

研究燃烧机理时，要尽量使得试验过程中开窗试验段的压力恒定不变，才可以在研究过程中排除压力对实验的影响，确保试验的可重复性。本实施例中，如图6所示，在t-test段利用压力传感器测得的开窗试验段的静压在实验过程中基本维持在0.1MPa左右，没有明显的波动，说明本试验方法可以保证试验过程中压力恒定。

表1给出了四个不同Re(Re是雷诺数，是惯性力与粘性力之比的一种度量，用来表征气流和颗粒相对速度的大小)条件下颗粒燃烧时部分关键参数的测量值。Tp_max为颗粒温度最大值，单位为开尔文(用K表示)，I_max表示最大光谱强度值，t₁为试验阶段从初始时刻(图4中t_test的起始时刻)至颗粒最高温时刻时间。(克/秒，g/s)为氧气的质量流率。

表1部分试验结果

图7给出了通过图像处理后得到的试验中硼颗粒前驻点和后尾部端点截面上火焰峰位置随时间的变化关系。图中横坐标为时间，纵坐标表示火焰峰位置，所谓火焰峰位置是指火焰峰相对硼颗粒初始状态中心位置的距离，图7中火焰峰位置是通过图像处理提取颗粒周围灰度值得到的。为考查气相中间产物BO₂的火焰结构，图7中也给出了添加BO₂滤光片后的硼颗粒前驻点火焰峰位置随时间的变化。

由图7可见，硼颗粒的燃烧火焰峰经历了先迅速增加，然后逐渐减小的过程。在整个t-test的试验时间段(8－38秒)中，硼颗粒前驻点的火焰峰位置较后尾部端点截面上的火焰峰位置始终较小，说明在气流带动作用下，硼颗粒的燃烧火焰整体后移。另外，从图中还可以发现，添加BO₂滤光片后所得的火焰区仍离颗粒表面一定距离，这也说明BO₂的剧烈反应区主要位于气相反应中。

因此从本实施例给出的测量结果可以看出，本实验装置可以测量与燃烧机理研究紧密相关的参数，可为研究颗粒在高速气流条件下的着火燃烧过程的内在机理和控制方式提供可行的试验手段。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种高速气流条件下颗粒着火燃烧实验装置，包括：开窗试验系统、管路供应系统、测量和控制系统；所述开窗试验系统包括燃气发生器、稳流段、开窗试验段、颗粒固定装置、喷管；所述燃气发生器、稳流段、开窗试验段、喷管依次密封连接；所述颗粒固定装置安装在开窗试验段内部；所述燃气发生器和稳流段壁面均为双层设计，其外层上布置数个冷却水进水孔、出水孔，及压力测点；稳流段壁面外层上还布置有温度测点；所述开窗试验段部分安装有透明观察窗，观察窗内壁面上下两侧布置数个冷却孔；所述管路供应系统主要包括推进剂供应系统、增压吹除气体供应系统及冷却水供应系统；所述推进剂供应系统包括氧化剂和燃料两条通路，每路包含一个气动阀，所述气动阀受测量和控制系统控制；所述推进剂供应系统的出口与燃气发生器入口密封连接；所述冷却水供应系统出口与所述冷却水进水口密封连接；所述增压吹除气体供应系统的出口与观察窗的冷却孔密封连接；所述测量和控制系统包括热电偶、压力传感器、高速摄影仪、红外测温仪、光电倍增管、数据采集处理系统，计算机；所述热电偶的一端与温度测点密封连接，另一端连接数据采集处理系统；压力传感器一端与压力测点密封连接，另一端连接数据采集处理系统；高速摄影仪、红外测温仪、光电倍增管置于观察窗外，其中高速摄影仪直接与计算机相连，红外测温仪、光电倍增管经数据采集系统连接计算机。

2.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述颗粒固定装置由两根条形金属棒与金属底架组成，其中一根金属棒水平放置，方向与开窗试验系统的中轴线平行，一端插入颗粒预先打好的孔中，一端与金属底架固定连接；另一根金属棒垂直地面放置，一端插入颗粒预先打好的另一个孔中，一端与金属底架固定连接；所述金属棒和金属底架可以耐1000摄氏度以上高温；所述固定装置是可拆卸的。

3.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述观察窗的材料选择耐1000度以上高温、透明、且能透过颗粒燃烧特征光谱的石英玻璃。

4.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，对实验时序进行设计：先通入氧气，再通入燃料，然后用点火器点燃混合气体，使燃气发生器开始工作，利用燃气发生器产生的高温燃气加热颗粒，颗粒加热一段时间后，关掉燃气发生器的燃料和氧气，再另外通入氧气点燃颗粒。