CN110376246A - 一种研究湍流模式下液滴蒸发与燃烧特性的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究湍流模式下液滴蒸发与燃烧特性的装置及方法，包括燃烧室、温度控制器、高速摄像机、数据采集仪、计算机、高压气瓶等，燃烧室是液滴完成蒸发或燃烧的区域，与温度控制器、计算机连接，温度控制器可控制流过加热丝的电流，继而控制燃烧室温度，高速摄像机记录液滴的蒸发或燃烧过程，数据采集仪记录燃烧过程中的液滴周围的气相温度变化，高压气瓶连接燃烧室，对燃烧室进行充气，以实现燃烧室内高压和不同气氛环境。本发明提供的研究湍流模式下液滴蒸发与燃烧特性的装置及方法，能任意调整和维持燃烧室的温度，同时还能实现燃烧室内湍流和高压环境，从而保证实验变量的多样性和实验结果的精确性。

Description

一种研究湍流模式下液滴蒸发与燃烧特性的装置及方法

技术领域

本发明属于燃烧实验设备技术领域，具体涉及一种研究湍流模式下液滴蒸发与燃烧特性的装置及方法。

背景技术

纳米流体燃料是一种新型燃料，由纳米级的金属颗粒和液态碳氢燃料基液构成。当前的研究表明，纳米金属颗粒的加入不但能显著的提高燃料的热值，而且在一定程度上可以降低燃料的着火延迟时间和着火温度，使燃料表现出快速点火、快速燃烧的巨大潜能。然而，纳米金属的添加会使燃料蒸发和燃烧过程变得复杂。此外，为了保证纳米金属颗粒在碳氢燃料中的稳定悬浮，还必须添加表面活性剂，表面活性剂的添加对燃料的影响非常大，使液滴蒸发和燃烧过程更加复杂。

不同种类的基液、不同种类的表面活性剂、不同种类的纳米金属，甚至纳米金属粉末与表面活性剂的添加量都会对液滴的蒸发和燃烧造成巨大的影响。为了探究和表征这些纳米流体燃料的性能，为纳米流体燃料的实际应用提供数据支持，有必要设计一种以纳米流体燃料液滴为对象的可视化实验装置，以深入研究其在不同工况下的蒸发和燃烧过程。

当前，一些科研院校所用的实验装置主要是针对常压、自然流动工况设计的，然而，燃料液滴的实际使用多是在高压、湍流环境中，所以测试的结果不能说明液滴在实际工况下的表现。此外，研究蒸发和燃烧过程的设备多是不同的，在研究完成其中一个项目后，需要完全拆除再重新搭建新实验平台，在这个过程中往往还会涉及到搬运高压气瓶，不但浪费时间，而且存在很大的安全隐患。

申请号：201810377478 .4的中国专利，公开了一种可视化实验用燃料液滴点火测温装置，该装置以点火丝加热的方式实现液滴点火，但不能研究液滴在某一固定温度下的蒸发过程。申请号201810377401.7的中国专利，公开了一种观察的液滴蒸发和燃烧装置，虽然其便于观察和拍摄，但不涉及高压、湍流工况环境。

发明内容

发明目的：为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种研究湍流模式下液滴蒸发与燃烧特性的装置及方法。

发明方案：为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种研究湍流模式下液滴蒸发与燃烧特性的装置，包括计算机、数据采集仪、燃烧室、温度控制器、高压气瓶和高速摄像机，所述燃烧室是液滴完成蒸发或燃烧的区域，燃烧室内布置风机，风机的功率由计算机控制，通过控制风机的启停个数和功率来实现燃烧室内不同的湍流强度和内部气流循环方向，温度控制器、高速摄像机和数据采集仪与计算机相连接，通过计算机设置目标温度、目标压力、采集频率等参数并一键触发，高速摄像机负责记录燃烧室内液滴的蒸发或燃烧过程并传送至计算机，数据采集仪负责记录燃烧室内燃烧过程中的液滴周围的气相温度变化，并将记录数据传送至计算机，通过温度控制器控制燃烧室内部温度，以实现燃烧室内不同温度环境，高压气瓶连通燃烧室，对燃烧室进行充气，以实现燃烧室内高压和不同气氛环境。

进一步的，所述燃烧室的外壳为铝合金，内部和外壳之间填充物为氧化铝纤维，能够有效地隔热保温，燃烧室内布置有刚玉管、火花塞、加热丝、温度传感器和压力传感器，刚玉管上分别固定SiC纤维丝和热电偶，SiC纤维丝用于悬挂燃料液滴，热电偶用于测量液滴蒸发或燃烧过程中的气相温度变化，火花塞可以对液滴进行电火花点火，通过温度控制器控制流过加热丝的电流，实现控制燃烧室温度的目的，温度传感器和压力传感器分别采集燃烧室内的温度和压力数据并传送至温度控制器和计算机。

进一步的，所述燃烧室上壁面中心位置处固定有2根竖立且并排的刚玉管，每根刚玉管上均有两个孔洞，通过孔洞在其中一个刚玉管上固定SiC纤维丝，在另一根刚玉管上布置热电偶，SiC纤维丝用于悬挂燃料液滴，热电偶用于测量液滴蒸发或燃烧过程中的气相温度变化，所述燃烧室的下部分空间内布置加热丝，通过温度控制器控制流过加热丝的电流，实现控制燃烧室温度的目的，燃烧室的侧壁面上布置温度传感器和压力传感器，刚玉管的附近布置火花塞，其末端在SiC纤维丝附近。

进一步的，所述燃烧室的8个角分别连接着一个风道，每个风道之中均设有风机，风机的功率和启、停均受计算机控制，通过控制风机的启停个数和功率来实现燃烧室内不同的湍流强度和内部气流循环方向。

进一步的，所述燃烧室的一个侧面是可打开的炉膛门，炉膛门与燃烧室之间设置有塔扣锁，当实验进行时关闭并锁死炉膛门。

进一步的，所述燃烧室的四个面均布置有观火窗，材料选用耐高温高压的石英材质，可按照不同需求在观火窗外布置激光点火器、高速摄像机和/或LED强光灯，激光点火器、高速摄像机、LED强光灯均连接着计算机，可通过计算机设置参数并一键触发启动或关闭，激光点火器可以通过计算机一键触发，对液滴进行激光点火，LED强光灯对燃烧室3进行补光以便于拍摄

进一步的，所述燃烧室的内部布置有一个送样通道、一个进气口和一个排气口，送样通道、进气口和排气口均为外螺纹结构的钢管，并配有螺帽，可以按照需要通过螺帽实现开启或密封，送样通道斜穿燃烧室的外壳和填充层进入燃烧室内部，以实现送样，进气口和高压气瓶连接，通过进气口连通燃烧室内部和高压气瓶，以维持燃烧室内部高压和不同气体氛围环境，排气口的作用是泄压和排气。

进一步的，所述燃烧室的上壁面靠近燃烧室上壁面固定的刚玉管处布置一个送样通道，后壁面上分别布置进气口和一个排气口。

进一步的，包括以下步骤：

步骤1：打开炉膛门，将SiC纤维丝悬挂在刚玉管上；关闭炉膛门，启动装置，在计算机上设置目标温度、目标压力、湍流强度和内部气流循环方向，通过计算机确定风机的功率和启停个数；计算机将命令输出到温度控制器和燃烧室，温度传感器和压力传感器分别用于将燃烧室内的温度和压力反馈到温度控制器和计算机中；

步骤2：打开高压气瓶，通过进气口对燃烧室充惰性气体，待计算机显示燃烧室内部达到目标压力后，关闭高压气瓶；通过温度传感器将燃烧室内的实际温度反馈到温度控制器和计算机中，温度控制器对燃烧室内部温度进行判定，当燃烧室内实际温度不足目标温度时，对加热丝供电，加热丝对燃烧室进行加热，当燃烧室内实际温度大于目标温度时即停止供电，从而使温度维持在固定值，风机按照计算机计算出的运行功率和启停个数运行；

步骤3：待温度稳定后，通过计算机一键触发高速摄像机、数据采集仪工作；打开送样通道，利用微量取样器将液滴悬挂在SiC纤维丝上后，高速摄像机记录液滴的整个蒸发过程，数据采集仪记录热电偶监测到的液滴周围的气相温度变化；

步骤4：待液滴完全蒸发，高速摄像机和数据采集仪停止工作，记录数据自动保存在计算机中，之后打开排气口，泄压排气。

进一步的，步骤3中，通过计算机控制激光点火器对液滴进行激光点火，或通过火花塞对液滴进行电火花点火。

进一步的，所述高压气瓶中的气体换为助燃气体，通过进气口对燃烧室充气时，用于研究高压和不同气体氛围下料液滴蒸发与燃烧特性；直接打开进气口即可研究常压时料液滴蒸发与燃烧特性。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1）结构紧凑，集成度高。可以在不拆卸实验器材的情况下，完成蒸发实验和燃烧实验之间的自由切换，有效地避免了科研人员频繁拆卸实验装置和高压气瓶，节约大量时间并降低了实验室的安全隐患；

2）功能齐全，可以根据需求切换常压/高压、自然对流/湍流环境。此外，在燃烧实验中，还可以选取高温自燃/激光点火/电火花点火等不同的点火方式，保证实验变量的多样性和实验结果的精准性；

3）自动化程度高。只需要一台计算机即可实现设置燃烧室内的温度、监控燃烧室内压力等工作。此外，计算机可以一键触发高速摄像机、数据采集仪、激光点火器、火花塞等相关部件的启停，并在实验结束后自动保存数据到计算机，简化了科研人员的工作量，有效地避免了因同时操作多台设备而导致的误操作；

4）能任意调整和维持燃烧室的温度，同时还能实现燃烧室内湍流和高压环境，从而保证实验变量的多样性和实验结果的精确性。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例1中燃烧室的正视图；

图3是本发明实施例1中燃烧室的东北等轴测图；

图4是本发明实施例1中液滴悬挂和测量机构示意图；

其中：1、计算机；2、数据采集仪；3、燃烧室；4、温度控制器；5、激光点火器；6、高压气瓶；7、LED强光灯；8、高速摄像机；9、风机；10、送样通道；11、刚玉管；12、火花塞；13、风道； 14、温度传感器；15、压力传感器；16、进气口；17、加热丝；18、排气口；19、观火窗；20、塔扣锁；21、SiC纤维丝；22、液滴；23、热电偶，24、炉膛门。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

实施例1

如图1-4所示，一种研究湍流模式下液滴蒸发与燃烧特性的装置，包括计算机1、数据采集仪2、燃烧室3、温度控制器4、高压气瓶6和高速摄像机8，燃烧室3是液滴22完成蒸发或燃烧的区域，燃烧室3与计算机1、数据采集仪2和温度控制器4连接，通过温度控制器4控制燃烧室3内部温度，高速摄像机8连接计算机1，高速摄像机8负责记录液滴22的蒸发或燃烧过程并传送至计算机1，计算机1还与温度控制器4和数据采集仪2连接，可通过计算机1设置目标温度、目标压力、采集频率等参数并一键触发，数据采集仪2负责记录燃烧室3内燃烧过程中的液滴22周围的气相温度变化，并将记录数据传送至计算机1。

燃烧室3的外壳为铝合金，内部和外壳之间填充物为氧化铝纤维，能够有效地隔热保温，燃烧室3上壁面中心位置处固定有2根竖立且并排的刚玉管11，刚玉管11的末端和观火窗19的中点处于同一水平面，每根刚玉管11上均有两个孔洞，通过孔洞在其中一个刚玉管上固定SiC纤维丝21，在另一根刚玉管上布置热电偶23，SiC纤维丝21用于悬挂燃料液滴22，热电偶23用于测量液滴22蒸发或燃烧过程中的气相温度变化。

所述燃烧室3的下部分空间内布置加热丝17，燃烧室3的侧壁面上布置温度传感器14、压力传感器15，刚玉管11的附近布置火花塞12，其末端在SiC纤维丝21附近，火花塞12可以对液滴22进行电火花点火。温度传感器14用于将燃烧室3内部实时温度传回温度控制器4，所述压力传感器15用于将燃烧室3内部实时压力传回计算机1。

温度控制器4可以控制流过加热丝17的电流，当炉膛或燃烧室3内实时温度不足目标温度时，对加热丝17供电，当炉膛或燃烧室3内实时温度大于目标温度时，加热丝17停止供电，从而使温度维持在固定值，高压气瓶6连接着燃烧室3，对燃烧室3进行充气，以实现燃烧室3内高压和不同气氛环境。

燃烧室3的上壁面靠近刚玉管11处布置一个送样通道10，其末端在在SiC纤维丝21附近，后壁面上分别布置进气口16和一个排气口18，送样通道10的直径非常小，只能让微量取样器的针尖插入，以保证在炉膛门24密封的情况下实现送样，送样通道10、进气口16和排气口18均为外螺纹结构的钢管，并配有螺帽，可以按照需要通过螺帽实现开启或密封，具体的，送样通道10斜穿燃烧室3的外壳和填充层进入燃烧室3内部，以实现送样，进气口16和高压气瓶6连接，通过进气口16连通燃烧室3内部和高压气瓶6，以维持燃烧室3内部高压和不同气体氛围环境，排气口18的作用是泄压和排气，加热丝17对燃烧室3内部进行加热。

燃烧室3的8个角分别连接着一个风道13，每个风道13之中均设有风机9，风机9的功率和启、停均受计算机1控制，实验中通过控制风机9的启停个数和功率来实现燃烧室3内不同的湍流强度和内部气流循环方向。

燃烧室3的四个面均布置有观火窗19，材料选用耐高温高压的石英材质，可按照不同需求在观火窗19外分别布置激光点火器5、高速摄像机8和LED强光灯7。所述激光点火器5和高速摄像机8的焦距调整到液滴22所在位置，且激光点火器5的激光头、高速摄像机8的镜头、LED强光灯7的灯泡均与观火窗19垂直。所述激光点火器5、高速摄像机8、LED强光灯7均连接着计算机1，可通过计算机1设置参数并一键触发启动或关闭，激光点火器5可以通过计算机一键触发，对液滴22进行激光点火，LED强光灯7对燃烧室3进行补光以便于拍摄。

燃烧室3的一个侧面是可打开的炉膛门24，炉膛门24与燃烧室3之间设置有塔扣锁20，当实验进行时关闭并锁死炉膛门24，当燃烧室3内的部件出现故障时或需要更换SiC纤维丝21时，可打开炉膛门24进行日常维护。

本发明可以研究液滴22在高温、高压、湍流环境下的蒸发过程，采用本发明的装置研究湍流模式下液滴蒸发与燃烧特性的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：打开炉膛门24，将SiC纤维丝21悬挂在刚玉管11上；关闭炉膛门24，启动本发明的可视化装置，在计算机1上设置目标温度、目标压力、湍流强度和内部气流循环方向，计算机1通过计算后，确定风机9的功率和启停个数；计算机1将命令输出到温度控制器4和燃烧室3，温度控制器4控制流过加热丝17的电流，继而控制燃烧室3的温度，同时，温度传感器14和压力传感器15分别将燃烧室3内的温度和压力反馈到温度控制器4和计算机1中。

步骤2：打开高压气瓶6，通过进气口16对燃烧室3充惰性气体，待计算机1显示燃烧室3内部达到目标压力后，关闭高压气瓶6；通过温度传感器14将燃烧室3内的实际温度反馈到温度控制器4和计算机1中，温度控制器4对燃烧室3内部温度进行判定，当燃烧室3内实际温度不足目标温度时，对加热丝17供电，加热丝17对燃烧室3进行加热，当燃烧室3内实际温度大于目标温度时即停止供电，从而使温度维持在固定值。风机9按照计算机1计算出的运行功率和启停个数运行。

步骤3：待温度稳定后，通过计算机1一键触发高速摄像机8、数据采集仪2工作。打开送样通道10的螺帽，将微量取样器的针尖插入，利用微量取样器将液滴22悬挂在SiC纤维丝21上后，快速取出微量取样器，并立刻旋紧螺帽。高速摄像机8将记录液滴22的整个蒸发过程，数据采集仪2将记录热电偶23监测到的液滴22周围的气相温度变化。

步骤4：待液滴22完全蒸发完后，通过计算机1中一键命令高速摄像机8、数据采集仪2停止工作。高速摄像机8、数据采集仪2将数据自动保存在计算机1中，之后打开排气口18，泄压排气。

采用上述结构设计的研究湍流模式下燃料液滴蒸发与燃烧特性的装置，还可以研究不同点火方式下的液滴燃烧过程，其操作步骤和蒸发实验相似，不同之处在于：

研究高压和不同气体氛围下燃烧时，高压气瓶6中的气体换为所需助燃气体；研究常压时，则直接打开进气口16即可。

在步骤3中还需要选择点火方式，计算机1会自动判定激光点火器5和火花塞12是否工作。计算机1在触发高速摄像机8、数据采集仪2工作的同时，会同步触发激光点火器5进行激光点火，或通过火花塞12进行电火花点火。

经过上述实验步骤，可以得到燃料液滴在不同压力和不同湍流环境下的蒸发图像，以及不同点火方式下的燃烧图像，同时还能获得液滴周围的气相温度变化曲线，有效地保证了实验变量的多样性和实验结果的精准性，简化了科研人员的工作量，避免了因同时操作多台设备而导致的误操作和安全隐患。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种研究湍流模式下液滴蒸发与燃烧特性的装置，其特征在于，包括计算机、数据采集仪、燃烧室、温度控制器、高压气瓶和高速摄像机，所述燃烧室内布置风机，风机的功率由计算机控制，通过控制风机的启停个数和功率实现燃烧室内不同的湍流强度和内部气流循环方向，液滴在燃烧室内完成蒸发或燃烧，温度控制器、高速摄像机和数据采集仪与计算机相连接，通过计算机设置目标温度、目标压力、采集频率等参数并一键触发，高速摄像机负责记录燃烧室内液滴的蒸发或燃烧过程并传送至计算机，数据采集仪负责记录燃烧室内燃烧过程中的液滴周围的气相温度变化，并将记录数据传送至计算机，通过温度控制器控制燃烧室内部温度，以实现燃烧室内不同温度环境，高压气瓶连通燃烧室，对燃烧室进行充气，以实现燃烧室内高压和不同气氛环境。

2.根据权利要求1所述的一种研究湍流模式下液滴蒸发与燃烧特性的装置，其特征在于，所述燃烧室的外壳为铝合金，内部和外壳之间填充物为氧化铝纤维，能够有效地隔热保温，燃烧室上壁面中心位置处固定有2根竖立且并排的刚玉管，每根刚玉管上均有两个孔洞，通过孔洞在其中一个刚玉管上固定SiC纤维丝，在另一根刚玉管上布置热电偶，刚玉管的附近布置火花塞，其末端在SiC纤维丝附近，火花塞对液滴进行电火花点火，SiC纤维丝用于悬挂燃料液滴，热电偶用于测量液滴蒸发或燃烧过程中的气相温度变化，所述燃烧室的下部分空间内布置加热丝，通过温度控制器控制流过加热丝的电流，实现控制燃烧室温度的目的。

3.根据权利要求1所述的一种研究湍流模式下液滴蒸发与燃烧特性的装置，其特征在于，所述燃烧室的侧壁面上布置温度传感器和压力传感器，温度传感器用于将燃烧室内部实时温度传回温度控制器，所述压力传感器用于将燃烧室内部实时压力传回计算机。

4.根据权利要求1所述的一种研究湍流模式下液滴蒸发与燃烧特性的装置，其特征在于，所述燃烧室的8个角分别连接着一个风道，每个风道之中均设有风机，风机的功率和启、停均受计算机控制，通过控制风机的启停个数和功率来实现燃烧室内不同的湍流强度和内部气流循环方向。

5.根据权利要求1所述的一种研究湍流模式下液滴蒸发与燃烧特性的装置，其特征在于，所述燃烧室的上壁面靠近燃烧室上壁面固定的刚玉管处布置一个送样通道，后壁面上分别布置进气口和一个排气口，送样通道、进气口和排气口均为外螺纹结构的钢管，并配有螺帽，可以按照需要通过螺帽实现开启或密封，送样通道斜穿燃烧室的外壳和填充层进入燃烧室内部，以实现送样，进气口和高压气瓶连接，通过进气口连通燃烧室内部和高压气瓶，以维持燃烧室内部高压和不同气体氛围环境，排气口的作用是泄压和排气。

6.根据权利要求1所述的一种研究湍流模式下液滴蒸发与燃烧特性的装置，其特征在于，所述燃烧室的四个面均布置有观火窗，材料选用耐高温高压的石英材质，可按照不同需求在观火窗外布置激光点火器、高速摄像机和/或LED强光灯，激光点火器、高速摄像机、LED强光灯均连接着计算机，可通过计算机设置参数并一键触发启动或关闭，激光点火器可以通过计算机一键触发，对液滴进行激光点火，LED强光灯对燃烧室3进行补光以便于拍摄。

7.根据权利要求1所述的一种研究湍流模式下液滴蒸发与燃烧特性的装置，其特征在于，所述燃烧室的一个侧面是可打开的炉膛门，炉膛门与燃烧室之间设置有塔扣锁，当实验进行时关闭并锁死炉膛门。

8.一种研究湍流模式下液滴蒸发与燃烧特性的方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一所述的一种研究湍流模式下液滴蒸发与燃烧特性的装置实现，包括以下步骤：

步骤1：打开炉膛门，将SiC纤维丝悬挂在刚玉管上；关闭炉膛门，启动装置，在计算机上设置目标温度、目标压力、湍流强度和内部气流循环方向，通过计算机确定风机的功率和启停个数；计算机将命令输出到温度控制器和燃烧室，温度传感器和压力传感器分别用于将燃烧室内的温度和压力反馈到温度控制器和计算机中；

步骤2：打开高压气瓶，通过进气口对燃烧室充惰性气体，待计算机显示燃烧室内部达到目标压力后，关闭高压气瓶；通过温度传感器将燃烧室内的实际温度反馈到温度控制器和计算机中，温度控制器对燃烧室内部温度进行判定，当燃烧室内实际温度不足目标温度时，对加热丝供电，加热丝对燃烧室进行加热，当燃烧室内实际温度大于目标温度时即停止供电，从而使温度维持在固定值，风机按照计算机计算出的运行功率和启停个数运行；

步骤3：待温度稳定后，通过计算机一键触发高速摄像机、数据采集仪工作；打开送样通道，利用微量取样器将液滴悬挂在SiC纤维丝上后，高速摄像机记录液滴的整个蒸发过程，数据采集仪记录热电偶监测到的液滴周围的气相温度变化；

步骤4：待液滴完全蒸发，高速摄像机和数据采集仪停止工作，记录数据自动保存在计算机中，之后打开排气口，泄压排气。

9.根据权利要求8所述的一种研究湍流模式下液滴蒸发与燃烧特性的方法，其特征在于，步骤3中，通过计算机控制激光点火器对液滴进行激光点火，或通过火花塞对液滴进行电火花点火。

10.根据权利要求8所述的一种研究湍流模式下液滴蒸发与燃烧特性的方法，其特征在于，所述高压气瓶中的气体换为助燃气体，通过进气口对燃烧室充气时，用于研究高压和不同气体氛围下料液滴蒸发与燃烧特性；直接打开进气口即可研究常压时料液滴蒸发与燃烧特性。