CN107202812A - 一种声悬浮多液滴蒸发与燃烧实验装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种声悬浮多液滴蒸发与燃烧实验装置及其方法，涉及内燃机燃烧检测技术领域，本发明装置包括声悬浮装置，与所述声悬浮装置相连接的蒸发燃烧室(1)，声悬浮控制系统以及通过导线与所述蒸发燃烧室(1)连接的控制单元(2)；所述声悬浮装置包括变频器(7)和反射器(13)；所述声悬浮控制系统包括信号发生器(8)、功率放大器(10)和功率计(12)。本发明能够实现对多个微小液滴在无变形情况下的蒸发与燃烧特性的实验研究。

Description

一种声悬浮多液滴蒸发与燃烧实验装置及其方法
技术领域
本发明涉及内燃机燃烧检测技术领域，特别是涉及一种声悬浮多液滴蒸发与燃烧实验装置及其方法。
背景技术
影响内燃机中液体燃料燃烧的因素主要有液体燃料的破碎、蒸发以及与空气的混合等。其中，液滴燃烧是最关键的一环。液滴燃烧是伴随着传热、传质、气体流动等复杂物理化学过程。当燃料液滴经过加热后，在其表面先蒸发产生蒸汽，蒸汽向四周扩散并与周围的空气混合，然后开始燃烧,即液滴的燃烧通常是以蒸汽状态进行的。液滴燃烧常常是扩散燃烧，燃烧速度快，蒸发速度慢，蒸发速度决定了燃烧速度，从而影响内燃机的性能。因此，准确把握液滴蒸发过程和燃烧过程，对于加快液体燃料的燃烧、改善燃烧环境、提高燃烧效率，从而节约能源，减少环境污染，都具有十分重要的意义。
目前，针对液滴蒸发与燃烧的实验装置基本都存在两大严重缺陷：首先，液滴蒸发与燃烧装置都是针对单液滴的，没有针对多液滴的装置；其次，大多数蒸发与燃烧装置都是将液滴悬挂于一个热电偶丝上，但是热电偶丝的焊接点会影响液滴的形状，并且在蒸发过程中存在局部热点，造成受热不均匀。
发明内容
本发明解决了现有技术无法研究微小自由形状多液滴的蒸发与燃烧特性的问题，提供了一种声悬浮多液滴蒸发与燃烧实验装置及其方法。
本发明的装置包括包括蒸发与燃烧室、声悬浮装置、声悬浮控制系统、控制单元，所述蒸发与燃烧室包括蒸发燃烧室壳体、不锈钢加热棒、温度传感器A和温度传感器B，所述蒸发燃烧室壳体为圆筒状，多根所述不锈钢加热棒在所述蒸发与燃烧室内、沿底部均匀布置，所述温度传感器A和温度传感器B设于蒸发燃烧室壳体侧壁呈对称布置，所述蒸发与燃烧室两侧中各开有一个观察窗；所述声悬浮装置包括变频器、反射器和变频器与反射器对齐工具，所述变频器为圆柱状，设于所述蒸发与燃烧室顶部并与蒸发与燃烧室同轴，变频器的下端伸入蒸发燃烧室壳体内，所述变频器与反射器对齐工具设于变频器上端；所述反射器设于变频器的正下方；所述声悬浮控制系统包括信号发生器、功率放大器和功率计，所述信号发生器通过导线依次连接功率放大器、功率计和反射器；所述控制单元通过导线分别与不锈钢加热棒、计算机、温度传感器A和温度传感器B连接。。
本发明还包括支架，所述支架设于蒸发与燃烧室底部，用于支撑整个蒸发装置。
本发明还包括图像采集装置和计算机；所述图像采集装置包括光源、高速摄像机和信号同步控制器；所述高速摄像机和光源分别正对蒸发与燃烧室两侧的观察窗；所述信号同步控制器位于控制单元内，所述高速摄像机通过导线与所述信号同步控制器连接；所述计算机与所述控制单元通过导线连接。
所述观察窗内部嵌有的透明光学材料为光学石英玻璃，所述观察窗与所述光学石英玻璃之间采用增强柔性垫密封。
所述蒸发与燃烧室的圆柱状壳体选用耐高温的304不锈钢材料，外表面喷涂保温材料。
所述蒸发与燃烧室的圆柱状壳体顶部安装声悬浮变频器，底部安装声悬浮反射器，变频器和反射器共同作用悬挂液滴。
所述装置各部件之间均采用螺纹连接，以保证在高温高压下工作时部件的稳定性。
本发明的方法为，首先，调整变频器与反射器对齐工具使变频器和反射器完全正对，打开信号发生器、功率放大器和功率计，产生适宜强度的声波；然后，将液滴悬挂于变频器和反射器之间的轴线上；之后，设定目标温度，利用所述不锈钢加热棒对所述蒸发定容弹体进行加热，并通过所述温度传感器测量所述蒸发定容弹体内部的温度，通过导线将测量的温度数据传送到位于所述控制单元内的温度控制仪，所述温度控制仪根据传送的温度数据控制所述不锈钢加热棒的加热功率；最后，调整所述高速摄像机的工作位置和光源的位置后，开始进行拍摄，记录整个蒸发燃烧过程中的数据，通过对图像和数据进行处理，得到蒸发燃烧过程中液滴尺寸随时间的变化曲线。
悬浮于所述声悬浮变频器与反射器之间的轴线上的微小液滴为4-6颗液滴。
本发明采用上述技术方案，具有以下优点：
首先，本发明采用声悬浮装置与燃烧室结合的方式，可以同时悬挂多个微小液滴，解决了当前无法实现对多液滴蒸发与燃烧特性的研究的难题；
其次，本发明采用声悬浮装置代替原有热电偶丝悬挂液滴的方式，将液滴悬挂于空中，不与任何物体接触，解决了热电偶丝的焊接点影响液滴的形状、在蒸发过程中存在局部热点，造成受热不均匀的难题，实现了真正意义上的自由液滴；
最后，本发明在蒸发与燃烧室内均匀布置加热棒的方式，可以迅速对蒸发与燃烧室进行加热，且加热均匀。
附图说明
图1为本发明的一种声悬浮多液滴蒸发与燃烧装置结构示意图。
图中：1—蒸发与燃烧室；2—控制单元；3—高速摄像机；4—温度传感器；5—计算机；6—变频器；7—变频器与反射器对齐工具；8—信号发生器；9—小液滴；10—温度传感器；11—功率放大器；12—光源；13—功率计；14—反射器；15—加热棒。
具体实施方式
以下结合实施例及附图，对本发明的一种声悬浮多液滴蒸发与燃烧装置作进一步的描述：
本发明的一种声悬浮多液滴蒸发与燃烧装置包括声悬浮装置、蒸发与燃烧室1、声悬浮控制系统、控制单元2。所述声悬浮装置包括变频器6、反射器14和变频器与反射器对齐工具7；所述蒸发与燃烧室包括蒸发燃烧室本体1、多根均匀布置不锈钢加热棒15、观察窗和温度传感器4和10；所述声悬浮控制系统包括信号发生器8、功率放大器11和功率计13；所述控制单元通过导线分别与所述声悬浮装置、所述蒸发与燃烧室1连接。
本发明的一种实施例中，所述不锈钢加热棒15均布在所述蒸发与燃烧室1内部，采用螺纹连接方式与所述蒸发与燃烧室1底部相连，采用蒸发与燃烧室1内部均布加热棒的方式，可以迅速加热且加热均匀。
本发明的一种实施例中，所述蒸发与燃烧室1两个侧面中各开有一个观察窗；一个用于安放高速摄像机3，一个用于安置光源12.
本发明的一种声悬浮多液滴蒸发与燃烧装置的工作流程为：首先，设定一个目标温度，利用所述不锈钢加热棒15对所述蒸发与燃烧室1进行加热，并通过所述温度传感器测量所述蒸发与燃烧室1内部的温度，通过导线将测量的温度数据传送到所述控制单元2，所述控制单元2内的温度控制仪根据传送的温度数据控制所述不锈钢加热棒15的加热功率；然后，利用声悬浮控制系统产生声波，调节变频器与反射器对齐工具7使变频器6与反射器14对齐，将微量注射泵产生的微小液滴9悬挂于声悬浮变频器6与反射器14之间，逐一悬挂液滴，一般悬挂4-6颗液滴为好；采用所述光源12对背部进行照射，以使高速摄像机拍摄的图片亮度高一些，记录整个液滴蒸发与燃烧过程中的数据，通过对图像和数据进行处理，得到蒸发燃烧过程中液滴直径随时间的变化曲线(液滴直径平方比)。
以上对本发明所提供的一种声悬浮多液滴蒸发与燃烧装置进行了详细介绍，本文中采用具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有修改、改进之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种声悬浮多液滴蒸发与燃烧实验装置，其特征在于，包括蒸发与燃烧室(1)、声悬浮装置、声悬浮控制系统、控制单元(2)，所述蒸发与燃烧室(1)包括蒸发燃烧室壳体、不锈钢加热棒(15)、温度传感器A(4)和温度传感器B(10)，所述蒸发燃烧室壳体为圆筒状，多根所述不锈钢加热棒(14)在所述蒸发与燃烧室(1)内、沿底部均匀布置，所述温度传感器A(4)和温度传感器B(10)设于蒸发燃烧室壳体侧壁呈对称布置，所述蒸发与燃烧室(1)两侧中各开有一个观察窗，且相隔180度，所述观察窗口内嵌有透明光学材料密封连接；所述声悬浮装置包括变频器(6)、反射器(14)和变频器与反射器对齐工具(7)，所述变频器(6)为圆柱状，设于所述蒸发与燃烧室(1)顶部并与蒸发与燃烧室(1)同轴，变频器(6)的下端伸入蒸发燃烧室壳体内，所述变频器与反射器对齐工具(7)设于变频器(6)上端；所述反射器(14)设于变频器(6)的正下方；所述声悬浮控制系统包括信号发生器(8)、功率放大器(11)和功率计(13)，所述信号发生器(8)通过导线依次连接功率放大器(11)、功率计(13)和反射器(14)；所述控制单元(2)通过导线分别与不锈钢加热棒(14)、计算机(5)、温度传感器A(4)和温度传感器B(10)连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括图像采集装置和计算机(5)；所述图像采集装置包括光源(12)、高速摄像机(3)和信号同步控制器；所述高速摄像机(3)和光源(12)分别正对蒸发与燃烧室(1)两侧的观察窗；所述信号同步控制器位于控制单元(2)内，所述高速摄像机(3)通过导线与所述信号同步控制器连接；所述计算机与所述控制单元通过导线连接。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述控制单元(2)内设有温度控制仪分别与不锈钢加热棒(15)连接。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，还包括支架，所述支架设于蒸发与燃烧室(1)底部。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述观察窗内部嵌有的透明光学材料为光学石英玻璃，所述观察窗与所述光学石英玻璃之间采用增强柔性垫密封。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述蒸发与燃烧室(1)的圆柱状壳体采用耐高温的304不锈钢材料，外表面喷涂保温材料。
7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置的各部件之间均采用螺纹连接。
8.实施权利要求1—7任意一项所述装置的方法，其特征在于，首先，设定一个目标温度，利用所述不锈钢加热棒(15)对所述蒸发与燃烧室(1)进行加热，并通过所述温度传感器A(4)和温度传感器B(10)测量所述蒸发与燃烧室(1)内部的温度，通过导线将测量的温度数据传送到所述控制单元(2)，所述控制单元(2)内的温度控制仪根据传送的温度数据控制所述不锈钢加热棒(15)的加热功率；然后，利用声悬浮控制系统产生声波，调节变频器与反射器对齐工具(7)使变频器(6)与反射器(14)对齐，之后利用微量注射泵产生微小液滴(9)，将微小液滴(9)悬浮于声悬浮变频器(6)与反射器(14)之间的轴线上，逐一悬浮液滴；用所述光源(12)对背部进行照射，记录整个液滴蒸发与燃烧过程中的数据，通过对图像和数据进行处理，得到蒸发燃烧过程中液滴直径随时间的变化曲线。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，悬浮于所述声悬浮变频器(6)与反射器(14)之间的轴线上的微小液滴(9)为4-6颗液滴。
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