CN105891616A - 一种研究带电颗粒与火焰相互作用的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种研究带电颗粒与火焰相互作用的实验装置，能够定量测量单个带电颗粒在火焰作用下的荷质比变化，为研究火焰电离特性以及电化水雾灭火机理提供了简单易行的实验方法和实验装置，成本低而且精度高。包括由高到低依次布置的带电颗粒发生器、前端荷质比测量通道、带有中心通道的模型火焰系统、后端荷质比测量通道；所述带电颗粒发生器产生的带电颗粒在所述模型火焰系统产生的火焰上方经中心通道自由滴落穿过火焰区，通过所述前端荷质比测量通道和后端荷质比测量通道分别测量带电颗粒穿过火焰前后的荷质比，从而获得在火焰作用下带电颗粒荷质比的定量变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种研究带电颗粒与火焰相互作用的实验装置，尤其适用于测量带电液滴穿过火焰后的荷质比变化量，属于燃烧与灭火技术领域。
背景技术
带电细水雾在航空、航天、舰船等重要场所的防火中有重要的应用前景。带电液滴与火焰的相互作用包含了很多复杂的物理过程和化学过程，如液滴在火焰区内的运动、变形、蒸发、电荷交换、化学反应等细节过程。理清带电液滴与火焰相互作用的主要机制和控制因素，对于认识荷电细水雾灭火机理，提高荷电细水雾灭火效果，促进带电细水雾灭火技术的实用化具有重要意义。
火焰反应区发生的电离效应是火焰的重要特征。火焰中的化学离子对火焰的控制与诊断来讲至关重要，具有很高的研究价值和应用潜力。随着燃烧反应理论、燃烧数值模拟方法以及燃烧诊断技术的不断进步，人们火焰的电离特性认识与利用得到较大的发展与创新。通过外加电场实施影响是目前基于火焰离子的主要燃烧控制方式。从电荷来源来讲，这是一种无源的被动控制途径，外加电场力是其唯一的作用手段，国内外的相关研究都主要集中于此。通过特殊载体向火焰中添加外来离子(或电子)来影响与控制火焰是一种有源的主动控制途径，目前国内外在这方面的研究相对不足，除了在某些具有特殊用途的领域，如磁流体发电、物质成分的光谱检测等，而这些应用中，燃烧过程本身以及燃烧反应的控制并不是其研究的主要目标。相对于被动控制，利用载体添加外来离子源对火焰的控制手段就更为丰富。载体的选择与特性、离子源的物质属性与物理化学性质、载体注入火焰的方式等等，组合形式丰富多样，还可以根据不同的需求与目的实施精准定制与优化，因此，基于带电颗粒与火焰的相互作用的研究，除了在灭火领域的应用外，还存在着更多的可能途径、更强的作用潜力和更大的发展空间。
现有关于火焰特性测量的研究，大多集中在火焰锋面的形状、温度以及光强等方面，如申请号为“200710109770.X”，名称为“火焰检测装置和火焰检测方法”的专利中，就提出通过对火焰区域的红外图像进行实时成像及模式识别来检测火焰；如在申请号为“201510163989.2”，名称为“火焰检测系统”的专利中，提出通过对火焰发出的光进行检测来检测火焰的火焰检测系统。同样，相关研究人员就带电颗粒荷质比测量也提出了很多的方法，如申请号为201310359398.3，名称为“一种易拆装荷电雾滴荷质比实时测量装置”的专利就是基于法拉第筒法测量雾滴的荷质比；申请号为201420831496.2，名称为“一种静电喷头雾滴荷质比检测装置”的专利中则利用网状目标法来研究荷质比。可以看出，已有的装置大部分都单方面涉及火焰特性或者带电颗粒荷质比，对于二者结合，特别是研究带电液滴与火焰之间的相互作用的实验装置，还没有公开的报道。
发明内容
本发明提出一种研究带电颗粒与火焰相互作用的实验装置，能够定量测量单个液滴在火焰作用下的荷质比变化，为研究火焰电离特性以及电化水雾灭火机理提供了简单易行的实验方法和实验装置，成本低而且精度高。
本发明的技术方案是：
1.一种研究带电颗粒与火焰相互作用的实验装置，其特征在于，包括：由高到低依次布置的带电颗粒发生器、前端荷质比测量通道、带有中心通道的模型火焰系统、后端荷质比测量通道；所述带电颗粒发生器产生的带电颗粒在所述模型火焰系统产生的火焰上方经中心通道自由滴落穿过火焰区，通过所述前端荷质比测量通道和后端荷质比测量通道分别测量带电颗粒穿过火焰前后的荷质比，从而获得在火焰作用下带电颗粒荷质比的定量变化。
2.所述带电颗粒发生器出口中心轴线、前端荷质比测量通道中心轴线、后端荷质比测量通道中心轴线在竖直方向上与所述模型火焰系统的中心通道按照一定的同轴度设置。
3.所述带电颗粒发生器为带电液滴发生器，包括可以调节流量的注射泵、与注射泵连接的可更换不同直径的毛细喷嘴、以及产生电场强度可调的静电场装置，所述静电场基于静电感应原理，将经过注射泵挤压由毛细喷嘴形成的液滴感应为满足实验条件的带电液滴。
4.所述产生电场强度可调的静电场的装置包括圆环电极以及与圆环电极连接的直流高压电源，所述圆环电极的中心轴线与所述模型火焰系统的中心通道相重合；所述毛细喷嘴竖直设置于圆环电极的中心轴线上。
5.所述前端/后端荷质比测量通道包括提供水平方向匀强电场的平板电极、用以记录带电颗粒运动轨迹的装置；所述平板电极的竖直中心轴线与所述模型火焰系统的中心通道相重合。
6.所述记录带电颗粒运动轨迹的装置包括高速相机和光源组成的高速摄影装置；所述高速相机与光源保持垂直，且处于同一水平高度，使光源产生光束垂直进入高速相机镜头。
7.所述模型火焰系统包括燃料贮存室、燃料调节器和点火器，所述燃料贮存室为圆筒状，其竖直中心轴线上具有中心通道，所述中心通道水平截面面积不超过火焰水平投影面积的10％。
8.所述带电颗粒发生器、前端荷质比测量通道、带有中心通道的模型火焰系统、后端荷质比测量通道之间的垂直距离根据实验的需要可以进行调节。
9.所述实验装置还包括计算机，所述计算机分别连接带电颗粒发生器、模型火焰系统和前端/后端荷质比测量通道，用于控制带电颗粒的产生、火焰稳定以及测量数据的采集和处理。
10.所述计算机分别连接带电液滴发生器的注射泵、模型火焰系统的燃料调节器以及前端/后端荷质比测量通道的高速相机。
本发明的技术效果：
本发明提出的一种研究带电颗粒与火焰相互作用的实验装置，能够定量测量单个带电颗粒在火焰作用下的荷质比变化，为研究火焰电离特性以及电化水雾灭火机理提供了简单易行的实验方法和实验装置，成本低而且精度高。
基于本发明的实验装置，可以开展不同条件组合下的带电颗粒与火焰相互作用实验，从而获得丰富的可信的实验数据。所述的带电颗粒的物质形态可以是液态或者固态或者液固两相形态，颗粒物质可以是单质，也可以是混合物；实验中优选带电颗粒为带电水滴，可以改变带电水滴的液滴滴落条件，如液滴大小、液滴带电量多少、液滴带电极性、液滴的滴速、初始滴落高度等等；还可以使用不同的液体单质或是液体溶剂；可以采用不同的火焰类型和火焰强度，等等。丰富多样的实验组合将为揭示带电液滴与火焰相互作用机理提供充分的、紧密关联的实验数据，对于相关研究将有很大的应用价值。
本发明提出的实验装置是一个扩展性很强的实验平台，能够同时引入其他测量仪器，如火焰温度、浓度等特征的光学观测设备，可极大延伸实验的内容和应用价值。
附图说明
图1为本发明的研究带电颗粒与火焰相互作用的实验装置实施例结构示意图。
附图标记列示如下：1-带电颗粒发生器，2-前端荷质比测量通道，3-模型火焰系统，4-后端荷质比测量通道，11-直流高压电源，12-注射泵，13-毛细喷嘴，14-环形电极，21-前端平板电极，22-前端高速相机，23-前端光源，41-后端平板电极，42-后端高速相机，43-后端光源，31-燃料贮存室，32-燃料调节器，33-点火器,34-火焰模型，35-中心通道。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例做进一步的详细说明。
如图1所示，为本发明的研究带电颗粒与火焰相互作用的实验装置实施例结构示意图。一种研究带电颗粒与火焰相互作用的实验装置，包括：由高到低依次布置的带电颗粒发生器1、前端荷质比测量通道2、带有中心通道的模型火焰系统3、后端荷质比测量通道4；其中带电颗粒发生器优选为带电液滴发生器，包括可以调节流量的注射泵12、与注射泵连接的可更换不同直径的毛细喷嘴13、以及产生电场强度可调的静电场的装置，所述产生电场强度可调的静电场的装置包括圆环电极14以及与圆环电极连接的直流高压电源11，所述静电场基于静电感应原理，将经过注射泵挤压由毛细喷嘴形成的液滴感应为满足实验条件的带电液滴；带电液滴发生器产生的带电液滴在模型火焰系统产生的火焰上方经中心通道自由滴落穿过火焰区，通过前端荷质比测量通道和后端荷质比测量通道分别测量带电液滴穿过火焰前后的荷质比，从而获得在火焰作用下带电液滴荷质比的定量变化。前端荷质比测量通道2包括提供水平方向匀强电场的前端平板电极21、用以记录带电颗粒运动轨迹的装置；所述记录带电颗粒运动轨迹的装置包括高速相机22和光源23组成的高速摄影装置；后端荷质比测量通道4包括提供水平方向匀强电场的后端端平板电极41、以及记录带电颗粒运动轨迹的高速相机42和光源43；所述高速相机22、42与光源23、43保持垂直，且处于同一水平高度，保证光源产生光束垂直进入高速相机镜头。
本发明的实验装置中，带电颗粒发生器出口中心轴线、前端荷质比测量通道通道中心轴线、后端荷质比测量通道通道中心轴线在竖直方向上与所述模型火焰系统的中心通道按照一定的同轴度要求设置。本实施例中，带电液滴发生器出口处圆环电极的中心轴线与所述模型火焰系统的中心通道相重合；所述毛细喷嘴竖直设置于圆环电极的中心轴线上；前端荷质比测量通道2的平板电极21和后端荷质比测量通道4的平板电极41的竖直中心轴线与所述模型火焰系统的中心通道相重合。本实施例的模型火焰系统3为环形气体火炬，包括燃料贮存室31、燃料调节器32和点火器33，其中火焰模型34为圆筒状，其竖直中心轴线上具有中心通道35，所述中心通道水平截面面积不超过火焰水平投影面积的10％。
另外，本发明的实验装置中，带电颗粒发生器、前端荷质比测量通道、模型火焰系统、后端荷质比测量通道之间的垂直距离根据实验需要可以进行调节，但是不能破坏四者中心轴线之间的同轴度。
所述实验装置还包括计算机，所述计算机分别连接带电颗粒发生器、模型火焰系统和前端/后端荷质比测量通道，用于控制带电颗粒的产生、火焰稳定以及测量数据的采集和处理；具体的，本实施例中，所述计算机分别连接带电液滴发生器的注射泵、模型火焰系统的燃料调节器以及前端/后端荷质比测量通道的高速相机。
下面以带电水滴穿过正庚烷圆盘火焰为例，对整个实验过程加以说明。
带电液滴发生器选用直径为0.6mm的毛细喷嘴，注射泵流量为4ml/min，环电极半径为5cm，毛细喷嘴端部与环电极之间的距离为2.5cm；水经由注射泵挤压，流经一定尺寸的毛细喷嘴喷出形成水滴，然后通过与直流高压电源相连的环形电极产生的静电场，即成为带电水滴；直径为2.525mm、荷电量为+2.016nC；
随后带电水滴首先进入前端荷质比测量通道的平板电极21形成的匀强电场中，利用高速相机22拍摄记录获得带电水滴在匀强电场中的偏转轨迹(水平方向为匀加速直线运动)，通过偏转轨迹计算出带电水滴在匀强电场力作用下的加速度分量，从而获得带电水滴的荷质比Q1；
然后带电水滴在模型火焰系统产生的火焰上方经中心通道自由滴落穿过火焰区，带有中心通道的环形气体火炬34如图1中所示，燃料贮存室为圆筒状，内径25mm，壁厚为2mm，高为10mm，其竖直中心轴线上具有中心通道35，中心通道内径为5mm，圆筒内加入正庚烷的体积为不超过3mL，能够产生稳定的扩散火焰；
水滴离开火焰区后，再通过后端荷质比测量通道，采用同样的方法测量出带电水滴穿透火焰后的荷质比Q2；
两者的差值ΔQ＝(Q1-Q2)即为带电水滴通过环形气体火炬产生的火焰后荷质比的变化量。
应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。
Claims (10)
1.一种研究带电颗粒与火焰相互作用的实验装置，其特征在于，包括：由高到低依次布置的带电颗粒发生器、前端荷质比测量通道、带有中心通道的模型火焰系统、后端荷质比测量通道；所述带电颗粒发生器产生的带电颗粒在所述模型火焰系统产生的火焰上方经中心通道自由滴落穿过火焰区，通过所述前端荷质比测量通道和后端荷质比测量通道分别测量带电颗粒穿过火焰前后的荷质比，从而获得在火焰作用下带电颗粒荷质比的定量变化。
2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述带电颗粒发生器出口中心轴线、前端荷质比测量通道通道中心轴线、后端荷质比测量通道通道中心轴线在竖直方向上与所述模型火焰系统的中心通道按照一定的同轴度要求设置。
3.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述带电颗粒发生器为带电液滴发生器，包括可以调节流量的注射泵、与注射泵连接的可更换不同直径的毛细喷嘴、以及产生电场强度可调的静电场的装置，所述静电场基于静电感应原理，将经过注射泵挤压由毛细喷嘴形成的液滴感应为满足实验条件的带电液滴。
4.根据权利要求3所述的实验装置，其特征在于，所述产生电场强度可调的静电场的装置包括圆环电极以及与圆环电极连接的直流高压电源，所述圆环电极的中心轴线与所述模型火焰系统的中心通道相重合；所述毛细喷嘴竖直设置于圆环电极的中心轴线上。
5.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述前端/后端荷质比测量通道包括提供水平方向匀强电场的平板电极、用以记录带电颗粒运动轨迹的装置；所述平板电极的竖直中心轴线与所述模型火焰系统的中心通道相重合。
6.根据权利要求5所述的实验装置，其特征在于，所述记录带电颗粒运动轨迹的装置包括高速相机和光源组成的高速摄影装置；所述高速相机与光源保持垂直，且处于同一水平高度，使光源产生光束垂直进入高速相机镜头。
7.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述模型火焰系统包括燃料贮存室、燃料调节器和点火器，所述燃料贮存室为圆筒状，其竖直中心轴线上具有中心通道，所述中心通道面积不超过火焰水平投影面积的10％。
8.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述带电颗粒发生器、前端荷质比测量通道、模型火焰系统、后端荷质比测量通道之间的垂直距离根据实验需要可以进行调节。
9.根据权利要求1至8之一所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括计算机，所述计算机分别连接带电颗粒发生器、模型火焰系统和前端/后端荷质比测量通道，用于控制带电颗粒的产生、火焰稳定以及测量数据的采集和处理。
10.根据权利要求9所述的实验装置，其特征在于，所述计算机分别连接带电液滴发生器的注射泵、模型火焰系统的燃料调节器以及前端/后端荷质比测量通道的高速相机。
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