CN110702565B - 高温多组分环境金属颗粒随流燃烧的模拟装置、使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温多组分环境金属颗粒随流燃烧模拟装置，包括上下连接的燃气通道段和燃气发生器；燃气通道段为上端封闭、下端敞口的中空壳体，由上到下包括等直段和扩张段；燃气发生器为一底部封闭的中空壳体，上部与燃气通道段的下端相连接，且内部相连通；燃气发生器内同轴套设有一药模，药模为一上部敞口的中空壳体，壳体内用于放置推进剂或者混有颗粒样本的推进剂。在燃气通道段的等直段的中部壳体上、且位于两个相对的侧面设置为玻璃窗口；在其中一玻璃窗口侧设置有高速相机。使用该模拟装置，颗粒样本可冷态喷注或热态燃面注入，其提供的高温多组分流动环境与发动机真实燃烧流场更加接近，可以观测金属颗粒随流点火燃烧过程。
Description
技术领域
本发明属于金属颗粒随流燃烧技术领域，具体涉及高温多组分环境金属颗粒随流燃烧模拟装置、使用方法。
背景技术
金属颗粒具有较高的体积能量密度，优秀的点火性能和燃烧性能，是一种理想的能量添加剂，广泛应用于航天推进领域。自上世纪50年代作为高能释热组分加入到固体推进剂配方以来，金属颗粒反应特性逐步受到研究者的关注。金属颗粒的点火、燃烧特性以及机理一直是推进技术研究的热点。由于研究侧重点不同，研究者们在设计实验方法时往往具有较大差别。当前颗粒研究的实验系统分类主要包括：同步热分析仪、平焰燃烧炉、定容燃烧器、丝线反应器、激光点火器、激波管、高温炉等。
上述颗粒燃烧模拟装置多是基于静止条件，或者简单的流动条件，环境温度和压力与发动机火箭差别较大，对燃气环境的组分的模拟也相对简单，这使得研究环境与真实情况具有较大差别。对于固体火箭发动机和粉末火箭发动机，金属颗粒燃烧环境多为氧化剂分解产物、金属颗粒以及少量有机改性材料混合燃烧产生的高温、高压、多组分流动燃气。在金属颗粒研究过程中，现有的颗粒燃烧器尚无法满足模拟近似真实燃气环境的要求。因此，研究获得一套既能模拟近似真实环境，又便于燃烧控制和诊断的金属颗粒燃烧装置是十分必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高温多组分环境金属颗粒随流燃烧模拟装置、使用方法，使用该模拟装置，颗粒可冷态喷注或热态燃面注入，其提供的高温多组分流动环境与发动机真实燃烧流场更加接近，可以观测金属颗粒随流点火燃烧过程。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，高温多组分环境金属颗粒随流燃烧模拟装置，包括上下连接的燃气通道段和燃气发生器；燃气通道段为上端封闭、下端敞口的中空壳体，由上到下包括等直段和扩张段；燃气发生器为一底部封闭的中空壳体，上部与燃气通道段的下端相连接，且内部相连通；燃气发生器内同轴套设有一药模，药模为一上部敞口的中空壳体，壳体内用于放置推进剂或者混有颗粒样本的推进剂。
在燃气通道段的等直段下部壳体上连接有一送样气缸，送样气缸与燃气通道段的内部相连通，其内盛装有冷态颗粒样本，用于朝向燃气通道段内注入冷态颗粒样本；在燃气通道段底部壳体上开设有多个通孔，用于外部气源进入；在燃气通道段的等直段的中部壳体上、且位于两个相对的侧面设置为玻璃窗口；在其中一玻璃窗口侧设置有高速相机。
还包括一采集与控制电脑，与高速相机相连接，用于接收高速相机的图片信息。
进一步地，在燃气通道段的等直段上部壳体上连接有一产物收集气缸，用于粘附收集颗粒燃烧混合物。
进一步地，在燃气发生器内的上部设置有一水平状的挡药板，挡药板的侧面与燃气发生器的内侧壁紧密贴合，在挡药板上布设有多个轴向的燃气通孔，用于推进剂燃烧后的气体通过。
进一步地，在挡药板和药模间、且位于药模的正上方设置有一扰流板，扰流板的径向尺寸小于药模开口。
进一步地，在药模与燃气发生器间的空间内、且沿轴向间隔设置有多层相平行的水平向的整流板，各整流板的内外侧面与对应的药模或燃气发生器的侧壁紧密贴合连接；各整流板均布设有多个轴向的气体通孔。
进一步地，由下到上，多个整流板的厚度依次由厚变薄，气体通孔分布密度逐渐增加。
进一步地，该产物收集气缸和送样气缸均包括：气缸，为一长方形壳体围成的封闭腔体，其内设置有活塞，将气缸分割为两个独立的腔室；在气缸上，且位于各腔室处均开设有气缸进气接口；气缸进气接口上均安装有两位三通电磁换向阀；活塞杆，沿气缸的轴向贯通设置，且穿过活塞；其两端均穿出气缸的对应端；产物收集端，为一实心圆柱体，其一端与活塞杆的一端相连接；在圆柱体的侧壁上开设有一凹槽，凹槽内放置有粘结剂，用于将燃气颗粒粘附收集于凹槽内；调整垫块，一个或者多个，为圆柱体状，当为多个时，沿轴向并列套设在活塞杆的另一端，用于调整活塞杆在燃气通道段内的行程。
进一步地，该点火电阻丝与采集与控制电脑相连接，用于点燃推进剂。
进一步地，在高速相机和对应侧的玻璃窗口间还设置有滤波片，滤波片、高速相机和玻璃窗口在同一高度。
本发明还公开了一种高温多组分环境金属颗粒随流燃烧模拟装置的使用方法，如下，外部冷态气氛通过燃气发生器底部壳体上的通孔进入燃气发生器内；然后，采集与控制电脑控制点火电阻丝点燃推进剂；
当采用热态颗粒样本注入的方式时，推进剂(13)中混有颗粒样本，推进剂药面不断退移并产生高温、多组分的燃气流；冷态气氛依次通过各层整流板，形成均匀稳定流动状态；在扰流板的阻挡作用下，燃气流与冷态气氛充分掺混，产生混合气流；混合气流经过挡药板后，形成均匀、稳定的流动气流；流动气流经过燃气通道段的扩张段，在燃气通道中混合燃烧，产生燃气颗粒，燃气颗粒流动通过玻璃窗口，高速相机拍摄，获得颗粒随流的影像信息；在燃气通道的上部，产物收集气缸抽吸燃气颗粒，取得颗粒燃烧样本。
当采用冷态颗粒样本注入的方式时，推进剂药面不断退移并产生高温、多组分的燃气流；冷态气氛依次通过各层整流板，形成均匀稳定流动状态；在扰流板的阻挡作用下，燃气流与冷态气氛充分掺混，产生混合气流；混合气流经过挡药板后，形成均匀、稳定的流动气流；流动气流经过燃气通道段的扩张段，冷态颗粒样本由送样气缸注入燃气通道中；随流动气流流动，混合燃烧，产生燃气颗粒，燃气颗粒流动通过玻璃窗口，高速相机拍摄，获得颗粒随流的影像信息；在燃气通道的上部，产物收集气缸抽吸燃气颗粒，取得颗粒燃烧样本。
本发明一种高温多组分环境金属颗粒随流燃烧模拟装置具有如下优点：1.高温燃气由推进剂燃烧产生，经过与混合冷气的掺混，调整混合器中的氧组分，使混合燃气参数与真实发动机环境参数，温度、速度、组分等更加接近。2.颗粒样本进入流场方式更加接近真实情况，颗粒入场方式有两种，一种为气缸冷态注入，可用于模拟粉末发动机颗粒冷态入场方式，一种直接将粉末埋入推进剂内，可用于模拟固体火箭发动机颗粒热态入场方式。3.颗粒样本的点火和燃烧过程均发生在燃烧器内，隔绝了外部环境，避免了气相扩散和对流作用对燃气环境干扰，燃气流动过程中，温度、组分、速度等参数处于相对稳定状态。4.可以通过改变推进剂配方、推进剂形状、混合冷气流量和比例实现对燃气速度、温度、组分等参数的控制，也可以在排气出口处连接压力模拟装置实现对流场压力的控制，实现不同的燃气环境。
附图说明
图1是本发明高温多组分环境金属颗粒随流燃烧模拟装置的结构示意图；
图2为本模拟装置的工作时序示意图；
图3为推进剂燃烧时产生的燃气流动效果图；
图4为冷气调制和整流后的燃气流动效果图；
图5为装置流场温度测点分布示意；
图6流场温度随时间变化图。
其中：1.产物收集气缸；2.燃气通道；3.玻璃窗口；4.挡药板；5.整流板；6.补氧通道；7.排气或背压模拟通道；8.滤波片；9.高速相机；10.送样气缸；11.扰流板；12.点火电阻丝；13.伪推进剂；14.采集与控制电脑；15.燃气发生器；16.药模；17.气缸；18.调整垫块；19.气缸进气接口；20.产物收集端；21.活塞杆。
具体实施方式
本发明高温多组分环境金属颗粒随流燃烧模拟装置，如图1所示，包括上下连接的燃气通道段2和燃气发生器15；燃气通道段2为上端封闭、下端敞口的中空壳体，由上到下包括等直段和扩张段；燃气发生器15为一底部封闭的中空壳体，上部与燃气通道段2的下端相连接，且内部相连通；在燃气通道段2顶部还垂直开设有排气或背压模拟通道7。
燃气发生器15内同轴套设有一药模16，药模16为一上部敞口的中空壳体，壳体内用于放置推进剂或者混有颗粒样本的推进剂，当为混有颗粒样本的推进剂时，是用于提供热态颗粒样本；在药模16的顶部设置有点火电阻丝12；在燃气发生器15底部壳体上开设有多个通孔，用于外部气源进入，在通孔内设置管路，形成补氧通道6，与外部气源相连通。在燃气通道段2的等直段的中部壳体上、且位于两个相对的侧面设置为玻璃窗口3。在两对侧设置玻璃窗口，在使用纹影法或者阴影法进行检测时，能够从相对侧的一玻璃窗口3处得到平行光源。
在其中一玻璃窗口3侧设置有高速相机9，且与玻璃窗口3在同一高度。在高速相机9和对应侧的玻璃窗口3间还设置有滤波片8，滤波片8、高速相机9和玻璃窗口3在同一高度。
还包括一采集与控制电脑14，与高速相机9相连接，用于接收高速相机9的图片信息；采集与控制电脑14还与点火电阻丝12相连接。为了便于在燃气发生器15的两对侧侧壁上设置玻璃窗口3，燃气发生器15优先设计为长方体或者立方体状。
另一种情况是，当需要将样本颗粒冷态注入燃气通道时，在燃气通道段2的等直段下部壳体上连接有一送样气缸10，送样气缸10与燃气通道段2的内部相连通，其内盛装有冷态颗粒样本，用于朝向燃气通道段2内注入冷态颗粒样本。
如果需要分析燃烧后得到的燃烧混合物，则在燃气通道段2的等直段上部壳体上连接有一产物收集气缸1，用于粘附收集颗粒燃烧混合物，然后取出颗粒燃烧混合物，进行检测分析。
为了得到均匀稳定的气流，在燃气发生器15内的上部设置有一水平状的挡药板4，挡药板4的侧面与燃气发生器15的内侧壁紧密贴合，在挡药板4上布设有多个轴向的燃气通孔，用于推进剂燃烧后的气体通过。在挡药板4和药模16间、且位于药模16的正上方设置有一水平向的扰流板11，扰流板11的纵向尺寸小于药模16开口。扰流板11设置为圆形，其上部通过连接杆与挡药板4连接。具体为，挡药板4开设螺纹孔，连接杆的端部设置螺纹，与挡药板4螺纹连接。
在药模16与燃气发生器15间的空间内、且沿轴向间隔设置有多层相平行的水平向环形整流板5，各整流板5的内外侧面与对应的药模16或燃气发生器15的侧壁紧密贴合连接；各整流板5均布设有多个轴向的气体通孔。所述多层整流板5的厚度依次由厚变薄，气体通孔分布密度逐渐增加。一般情况，整流板5设置为三层，通过多级整流，使得补充的氧化剂气流完全均匀分布，进而改善了燃气火焰分布均匀性。
控制采集电脑14通过在点火电阻丝12两端施加24V电压实现推进剂12的点火。推进剂12药面不断退移并产生高温、多组分的燃气流，冷态气氛由补氧通道6进入燃烧器内，气流经过三道整流板5形成均匀稳定流动状态，在扰流板11的阻挡作用下，燃气流与冷态气氛充分掺混并发生二次燃烧，燃气的组分、温度等参数达到实验所需的设计状态，混合燃气流经过挡药板4后进入均匀、稳定的流动状态，在流经燃气通道的收敛型面时，燃气速度达到实验设计状态。此时，冷态颗粒样本由送样气缸10弹入燃气环境中，随流过程中颗粒逐渐经历升温、点火、燃烧、熄火等过程，燃气通道两侧开设玻璃窗口3，高速相机9配合滤波片8可以获得颗粒随流的影像信息，燃气通道2底部壁面布置有产物收集气缸1，当颗粒流经底部时，产物收集气缸1收集部分颗粒燃烧样本，可用于后期产物分析。
如图2所示，产物收集气缸1和送样气缸10均包括：气缸17，为一长方形壳体围成的封闭腔体，其内设置有活塞，将气缸17分割为两个独立的腔室；在气缸17上，且位于各腔室处均开设有气缸进气接口19；气缸进气接口19上均安装有两位三通电磁换向阀；活塞杆21，沿气缸17的轴向贯通设置，且穿过活塞；其两端均穿出气缸17的对应端；产物收集端20，为一实心圆柱体，其一端与活塞杆21的一端相连接；在圆柱体的侧壁上开设有一凹槽，凹槽内放置有粘结剂，用于将燃气颗粒粘附收集于凹槽内；调整垫块18，一个或者多个，为圆柱体状，当为多个时，沿轴向并列套设在活塞杆21的另一端，用于调整活塞杆21在燃气通道段2内的行程。
上述高温多组分环境金属颗粒随流燃烧模拟装置的使用方法如下：
外部冷态气氛通过燃气发生器15底部壳体上的通孔进入燃气发生器15内；然后，采集与控制电脑14控制点火电阻丝12点燃推进剂；
当采用热态颗粒样本注入的方式时，推进剂13中混有颗粒样本，推进剂13药面不断退移并产生高温、多组分的燃气流；冷态气氛依次通过各层整流板5，形成均匀稳定流动状态；在扰流板11的阻挡作用下，燃气流与冷态气氛充分掺混，产生混合气流；混合气流经过挡药板4后，形成均匀、稳定的流动气流；流动气流经过燃气通道段2的扩张段，在燃气通道2中混合燃烧，产生燃气颗粒，燃气颗粒流动通过玻璃窗口3，高速相机9拍摄，获得颗粒随流的影像信息；在燃气通道2的上部，产物收集气缸1抽吸燃气颗粒，取得颗粒燃烧样本；
当采用冷态颗粒样本注入的方式时，推进剂13药面不断退移并产生高温、多组分的燃气流；冷态气氛依次通过各层整流板5，形成均匀稳定流动状态；在扰流板11的阻挡作用下，燃气流与冷态气氛充分掺混，产生混合气流；混合气流经过挡药板4后，形成均匀、稳定的流动气流；流动气流经过燃气通道段2的扩张段，冷态颗粒样本由送样气缸10注入燃气通道2中；随流动气流流动，混合燃烧，产生燃气颗粒，燃气颗粒流动通过玻璃窗口3，高速相机9拍摄，获得颗粒随流的影像信息；在燃气通道2的上部，产物收集气缸1抽吸燃气颗粒，取得颗粒燃烧样本。
将该装置用于Al/AP粉末火箭发动机环境的铝颗粒点火燃烧研究实验，采用铝颗粒点火燃烧研究过程中，实验采用的推进剂药模为圆形和环形，燃气理论计算绝热温度可以达到2400K-2800K之间，燃气流速在18-33m/s之间，相关参数如表1所示。
表1推进剂药面退移及热力参数
图3为推进剂燃烧时产生的燃气流，图4为通过补氧通道6通入冷态气体和整流后的燃气流动效果，由图可见整流后的燃气流动均匀、稳定，达到了实验器设计预期效果。
图5为实验器温度测点的布置情况，其中A点在药模16上端的位置，为燃烧上游，B点位于挡药板上方的位置，C点位于观测窗口的凹腔附近，属于燃烧下游。图6为燃气管道内测点温度随时间变化，由于推进剂燃气绝热温度高于热电偶的量程，热电偶只能记录下部分管道温度-时间信息。由图可见，A、B、C三点最高测温只能达到2200K左右，然而考虑到热电偶测头在2100K以上强烈的热辐射效应，测点实际温度估计为2300K以上。如图6所示，流场温度逐步升高。总体来看，实验器温度也能达到预期设计的温度要求。
Claims (10)
1.高温多组分环境金属颗粒随流燃烧模拟装置，其特征在于，包括上下连接的燃气通道段(2)和燃气发生器(15)；所述燃气通道段(2)为上端封闭、下端敞口的中空壳体，由上到下包括等直段和扩张段；所述燃气发生器(15)为一底部封闭的中空壳体，上部与所述燃气通道段(2)的下端相连接，且内部相连通；
所述燃气发生器(15)内同轴套设有一药模(16)，所述药模(16)为一上部敞口的中空壳体，壳体内用于放置推进剂或者混有颗粒样本的推进剂，用于提供热态颗粒样本；在所述药模(16)的顶部设置有点火电阻丝(12)；
在所述燃气发生器(15)底部壳体上开设有多个通孔，用于外部气源进入；
在所述燃气通道段(2)的等直段的中部壳体上、且位于两个相对的侧面设置为玻璃窗口(3)；在其中一所述玻璃窗口(3)侧设置有高速相机(9)；
还包括一采集与控制电脑(14)，与所述高速相机(9)相连接，用于接收所述高速相机(9)的图片信息；还与点火电阻丝(12)相连接。
2.根据权利要求1所述的高温多组分环境金属颗粒随流燃烧模拟装置，其特征在于，在所述燃气通道段(2)的等直段下部壳体上连接有一送样气缸(10)，所述送样气缸(10)与所述燃气通道段(2)的内部相连通，其内盛装有冷态颗粒样本，用于朝向燃气通道段(2)内注入冷态颗粒样本。
3.根据权利要求2所述的高温多组分环境金属颗粒随流燃烧模拟装置，其特征在于，在所述燃气通道段(2)的等直段上部壳体上连接有一产物收集气缸(1)，用于粘附收集颗粒燃烧混合物。
4.根据权利要求1、2或3所述的高温多组分环境金属颗粒随流燃烧模拟装置，其特征在于，在所述燃气发生器(15)内的上部设置有一水平状的挡药板(4)，所述挡药板(4)的侧面与所述燃气发生器(15)的内侧壁紧密贴合，在所述挡药板(4)上布设有多个轴向的燃气通孔，用于推进剂燃烧后的气体通过。
5.根据权利要求4所述的高温多组分环境金属颗粒随流燃烧模拟装置，其特征在于，在所述挡药板(4)和药模(16)间、且位于所述药模(16)的正上方设置有一水平向扰流板(11)，所述扰流板(11)的纵向尺寸小于所述药模(16)开口。
6.根据权利要求5所述的高温多组分环境金属颗粒随流燃烧模拟装置，其特征在于，在所述药模(16)与燃气发生器(15)间的空间内、且沿轴向间隔设置有多层相平行的水平向环形整流板(5)，各所述整流板(5)的内外侧面与对应的所述药模(16)或燃气发生器(15)的侧壁紧密贴合连接；各所述整流板(5)均布设有多个轴向的气体通孔。
7.根据权利要求6所述的高温多组分环境金属颗粒随流燃烧模拟装置，其特征在于，由下到上，所述多层整流板(5)的厚度依次由厚变薄，气体通孔分布密度逐渐增加。
8.根据权利要求3所述的高温多组分环境金属颗粒随流燃烧模拟装置，其特征在于，所述产物收集气缸(1)和送样气缸(10)均包括：
气缸(17)，为一长方形壳体围成的封闭腔体，其内设置有活塞，将所述气缸(17)分割为两个独立的腔室；在所述气缸(17)上，且位于各腔室处均开设有气缸进气接口(19)；所述气缸进气接口(19)上均安装有两位三通电磁换向阀；
活塞杆(21)，沿所述气缸(17)的轴向贯通设置，且穿过活塞；其两端均穿出所述气缸(17)的对应端；
产物收集端(20)，为一实心圆柱体，其一端与所述活塞杆(21)的一端相连接；在所述圆柱体的侧壁上开设有一凹槽，所述凹槽内放置有粘结剂，用于将燃气颗粒粘附收集于凹槽内；
调整垫块(18)，一个或者多个，为圆柱体状，当为多个时，沿轴向并列套设在所述活塞杆(21)的另一端，用于调整所述活塞杆(21)在燃气通道段(2)内的行程。
9.根据权利要求5、6、7或8所述的一种高温多组分环境金属颗粒随流燃烧模拟装置，其特征在于，在所述高速相机(9)和对应侧的玻璃窗口(3)间还设置有滤波片(8)，所述滤波片(8)、高速相机(9)和玻璃窗口(3)在同一高度。
10.高温多组分环境金属颗粒随流燃烧模拟装置的使用方法，其特征在于，该使用方法如下：
外部冷态气氛通过燃气发生器(15)底部壳体上的通孔进入所述燃气发生器(15)内；然后，采集与控制电脑(14)控制点火电阻丝(12)点燃推进剂；
当采用热态颗粒样本注入的方式时，推进剂(13)中混有颗粒样本，推进剂(13)药面不断退移并产生高温、多组分的燃气流；冷态气氛依次通过各层整流板(5)，形成均匀稳定流动状态；在扰流板(11)的阻挡作用下，燃气流与冷态气氛充分掺混，产生混合气流；混合气流经过挡药板(4)后，形成均匀、稳定的流动气流；流动气流经过燃气通道段(2)的扩张段，在燃气通道(2)中混合燃烧，产生燃气颗粒，燃气颗粒流动通过玻璃窗口(3)，高速相机(9)拍摄，获得颗粒随流的影像信息；在所述燃气通道(2)的上部，产物收集气缸(1)抽吸燃气颗粒，取得颗粒燃烧样本；
当采用冷态颗粒样本注入的方式时，推进剂(13)药面不断退移并产生高温、多组分的燃气流；冷态气氛依次通过各层整流板(5)，形成均匀稳定流动状态；在扰流板(11)的阻挡作用下，燃气流与冷态气氛充分掺混，产生混合气流；混合气流经过挡药板(4)后，形成均匀、稳定的流动气流；流动气流经过燃气通道段(2)的扩张段，冷态颗粒样本由送样气缸(10)注入燃气通道(2)中；随流动气流流动，混合燃烧，产生燃气颗粒，燃气颗粒流动通过玻璃窗口(3)，高速相机(9)拍摄，获得颗粒随流的影像信息；在所述燃气通道(2)的上部，产物收集气缸(1)抽吸燃气颗粒，取得颗粒燃烧样本。
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