CN110823584A - 实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置 - Google Patents
实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110823584A CN110823584A CN201911078595.1A CN201911078595A CN110823584A CN 110823584 A CN110823584 A CN 110823584A CN 201911078595 A CN201911078595 A CN 201911078595A CN 110823584 A CN110823584 A CN 110823584A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- combustion chamber
- flame
- main combustion
- air
- wall surface
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims abstract description 120
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 44
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims abstract description 44
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 40
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 40
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 27
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 13
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000007921 spray Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 40
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 20
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 claims description 18
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 18
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 11
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 9
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 9
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 8
- 238000010892 electric spark Methods 0.000 claims description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 17
- 230000003116 impacting effect Effects 0.000 abstract description 8
- 238000011160 research Methods 0.000 abstract description 4
- 238000012800 visualization Methods 0.000 abstract description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract 5
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 abstract 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 39
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 6
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 4
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 3
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 3
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 3
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 3
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 238000001499 laser induced fluorescence spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 238000006557 surface reaction Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000975 Carbon steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010962 carbon steel Substances 0.000 description 1
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 1
- 239000007806 chemical reaction intermediate Substances 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000010687 lubricating oil Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000000779 smoke Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M15/00—Testing of engines
- G01M15/04—Testing internal-combustion engines
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M15/00—Testing of engines
- G01M15/04—Testing internal-combustion engines
- G01M15/10—Testing internal-combustion engines by monitoring exhaust gases or combustion flame
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
- G01N21/76—Chemiluminescence; Bioluminescence
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N31/00—Investigating or analysing non-biological materials by the use of the chemical methods specified in the subgroup; Apparatus specially adapted for such methods
- G01N31/12—Investigating or analysing non-biological materials by the use of the chemical methods specified in the subgroup; Apparatus specially adapted for such methods using combustion
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Pathology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Immunology (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
本发明公开了一种实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置，包括预混燃烧装置，气体储存及制备装置，进气流量控制系统，光学测试系统和ECU控制系统；所述预混燃烧装置包括主燃烧室，所述主燃烧室设置有电子点火器、撞壁板组件和喷油器；所述气体储存及制备装置将空气和液体燃料进行混合形成预混合气并喷入主燃烧室内；所述进气流量控制系统控制空气和液体燃料的流量并为喷油器供油。本发明可以实现多角度多种工况的要求：能够对比受限空间内层流点火与射流火焰撞击湿壁面的过程；可以进行分层混合气点火后火焰的传播过程及其与湿壁面的反应可视化研究；也能实现窄通道内层、湍流均质预混及分层预混火焰的传播过程。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧技术，特别涉及一种实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置，用于测试与分析多种工况下，层流或湍流火焰撞击干壁面或附壁油膜的瞬时反应过程。
背景技术
对于空间受限的燃烧环境，比如常见的内燃机燃烧室，火焰撞壁现象经常发生。火焰在到达壁面附近时会产生淬熄现象，在近壁区域产生热量损失，对壁面形成热应力，同时不同的壁面热力学条件也会直接影响火焰的淬熄距离等特性；其次，由于壁面附近热量的损失，造成不完全燃烧，使一氧化碳、碳氢化合物及碳烟等污染物排放增多，这使得近壁面区域成为产生未燃碳氢(UHC)、一氧化碳(CO)的重要来源；在实际燃烧装置中，燃烧火焰大部分为多尺度的湍流火焰，壁面的存在会影响湍流场的分布和燃烧过程中湍流与化学反应的相互作用等。火焰特性的改变会引起壁面热通量的变化，进而会影响到壁面传热以及发动机的热效率。对近壁区域层流或湍流-化学反应相互影响过程的研究是一项具有挑战性的工作，另外，在活塞式燃烧动力装置中，缸套及活塞头部等壁面往往附着一层润滑油膜及燃油喷射撞壁形成的燃油膜，形成湿壁面的现象，油膜的存在势必会对近壁区域混合气浓度、化学反应速率及壁面传热等造成一定的影响。因此，火焰与壁面的相互作用对于封闭式燃烧系统的燃烧性能及污染物形成有很大影响，研究近壁面火焰对于发展碳氢形成模型、预测燃烧过程以及内燃机燃烧系统的设计具有重要意义。
发明内容
本发明一种实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置，其目的是：
1、实现受限空间内瞬时层流或湍流火焰撞击干、湿壁面的全过程
2、通过在通道内设置障碍物形成湍流火焰，研究湍流火焰与湿壁面之间相互作用
3、建立一个预混燃烧室，可以研究射流火焰与壁面相互作用的过程
对以上的实验过程中的微小时间尺度内反应过程中火焰形貌变化、近壁区域速度场与浓度场分布和不同尺度湍流场与化学反应过程的相互作用等进行测试分析，对层流或湍流射流火焰与壁面反应的机理进行深入研究，为燃烧计算模型的改进和燃烧动力装置的优化提供数据和理论支持。
本发明所采用的技术方案是：一种实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置，包括：
预混燃烧装置，所述预混燃烧装置包括主燃烧室，所述主燃烧室包括第一侧和第二侧，所述主燃烧室的第一侧内设置有电子点火器，所述主燃烧室的第二侧设置有撞壁板组件，所述主燃烧室的顶部设置有用于实现火焰与湿壁面相互作用的喷油器；
气体储存及制备装置，所述气体储存及制备装置将空气和液体燃料进行混合形成预混合气，并将所述预混合气喷入所述主燃烧室内；所述气体储存及制备装置包括用于储存液体燃料的储油罐、用于储存空气的空气储存罐和混合腔，所述混合腔的进气口与所述空气储存罐的出气口连接，所述混合腔的进液口与所述储油罐的出液口连接，所述混合腔的一个出气口与所述主燃烧室的进气口连接；
进气流量控制系统，所述进气流量控制系统包括液体流量控制器和流量控制阀；所述液体流量控制器设置在所述储油罐与所述混合腔的连接管线上，并靠近所述混合腔的进液口处，所述液体流量控制器的一个出液口与所述混合腔的进液口连接、所述液体流量控制器的另一个出液口与所述喷油器连接；所述流量控制阀设置在所述气体储存及制备装置的空气储存罐与混合腔的连接管线上，并靠近所述混合腔的进气口处；
光学测试系统，所述光学测试系统包括纹影系统和羟基化学发光测量系统；以及，
ECU控制系统，所述ECU控制系统与所述电子点火器相连接用于控制所述主燃烧室内预混合气的点火、与所述液体流量控制器相连接用于控制所述喷油器的喷油量和喷油压力、与所述纹影系统和所述羟基化学发光测量系统相连接用于记录实验过程。
进一步地，所述预混燃烧装置还包括预燃室，所述预燃室设置在所述主燃烧室的第一侧外部，并通过隔板分隔所述预燃室和所述主燃烧室两个腔室；所述预燃室包括第一侧和第二侧，所述预燃室的第一侧设置有电火花塞，所述预燃室的第二侧通过喷嘴与所述主燃烧室相连通，使得所述预燃室产生的射流火焰通过所述喷嘴进入所述主燃烧室点燃所述主燃烧室内的预混合气；所述预燃室的进气口与所述混合腔的另一个出气口连接。
进一步地，所述主燃烧室的底部设置有一排使得层流火焰或射流火焰产生扰动成为湍流火焰的挡板，每排所述挡板通过铰接与固定在所述主燃烧室底部的连杆连接，所述挡板能绕铰接处与水平面呈不同角度，实现火焰撞击壁面角度的变化。
进一步地，所述撞壁板组件与所述主燃烧室的第二侧之间设置有曲型通道，用于模拟火焰在受限窄通道内的传播过程。
进一步地，所述空气储存罐的进气口连接有空气压缩机、出气口连接有空气除湿器，空气经过所述空气压缩机压缩后在所述空气储存罐中储存备用，并在与燃料混合前要经过所述空气除湿器进行干燥脱水。
进一步地，所述进气流量控制系统还包括压力表，所述压力表设置在所述混合腔上。
进一步地，所述纹影系统包括摄像机；所述羟基化学发光测量系统包括依次连接的羟基相机、图像增强器和UV镜头；所述图像增强器通过继电器与所述摄像机进行外部同步，并以与所述摄像机相同的帧速率获取图像；所述光学测试系统还包括激光发射器，所述摄像机的镜头和所述UV镜头对准所述主燃烧室的第一石英窗，所述激光发射器对准与所述主燃烧室的第一石英窗相对的第二石英窗。
进一步地，所述ECU控制系统包括：
相互连接的同步器和第一控制面板，所述第一控制面板与所述液体流量控制器和所述光学测试系统的激光发射器相连接；
第二控制面板，所述第二控制面板与所述电子点火器相连接；以及，
控制电脑，所述同步器、第二控制面板、纹影系统和羟基化学发光测量系统均与所述控制电脑相连接。
进一步地，所述主燃烧室上设置有第一压力传感器，所述第一压力传感器与所述ECU控制系统相连接。
进一步地，所述预燃室上设置有第二压力传感器，所述第二压力传感器与所述ECU控制系统相连接。
本发明的有益效果是：
1、在现有燃烧装置的设计与测试过程中，由于燃烧器尺寸的限制，研究火焰与壁面的相互作用的实验装置没有办法实现多角度多种工况的要求，进而无法获取需要的实验结果，在数值模拟过程中所提出的反应模型无法得到验证，本装置的创新行设计在于可以实现多角度多种工况的要求：能够对比受限空间内层流点火与射流火焰撞击湿壁面的过程；可以进行分层混合气点火后火焰的传播过程及其与湿壁面的反应可视化研究；也能实现窄通道内层、湍流均质预混及分层预混火焰的传播过程等。
2、利用激光测速、激光诱导荧光及高速摄像机1等可视化设备，对微小时间尺度内反应过程中火焰形貌变化、近壁区域速度场与浓度场分布和不同尺度湍流场与化学反应过程的相互作用等进行测试分析。
3、利用目前技术手段进行实际发动机缸内检测难度很大，且测量结果不全面，而本发明设计的实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置，结构简单且操作方便，测量结果可靠集合多个实验于一个实验装置，节省时间和成本。是对现代燃烧动力装置燃烧性能与结构设计进行改进的重要参考。
4、除了利用激光粒子测速及高速摄影等技术对火焰撞击壁面及油膜过程中流场及宏观形貌的测量外，本实验平台由于具有生成瞬时撞壁火焰的特性，利用了高速激光设备，如飞秒激光诱导荧光等技术对瞬时时刻内火焰反应中间产物的生成速率或浓度分布进行测量，能够更加深入地认识湍流火焰撞击壁面过程中化学反应过程，尤其是在有油膜的条件下，能够较为准确地模拟燃烧装置中火焰撞击附壁油膜的过程，能够分析油膜蒸发与湍流脉动、化学反应速率及壁面热通量等参数之间的相互影响。
附图说明
图1：本发明一种实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置结构示意图；
图2a：本发明实现受限空间内预混层流火焰与干壁面相互作用的过程示意图；图2b：本发明实现分层混合条件下的预混层流火焰传播及火焰与湿壁面的反应过程示意图；
图2c：本发明实现湍流火焰传播及火焰与湿壁面反应的过程示意图；
图2d：本发明实现射流湍流火焰与湿壁面之间相互作用的过程示意图；
图2e：本发明实现射流层流火焰与干壁面之间相互作用的过程示意图；
图2f：本发明实现受限空间内射流层流火焰与湿壁面相互作用的过程示意图；附图标注：1—摄像机；2—第一石英窗；3—挡板；4—主燃烧室；5—撞壁板组件；6—喷油器；7—第一压力传感器；8—第二压力传感器；9—电火花塞；10—喷嘴；11—激光发射器；12—储油罐；13—第一进气阀门；14-液体流量控制器；15—混合腔；16—流量控制阀；17—空气除湿器；18—第二进气阀门；19—空气储存罐；20—空气压缩机；21—第一控制面板；22—同步器；23—第一出气阀门；24—第二出气阀门；25—压力表；26—预燃室；27—电子点火器；28—连杆；29—电磁阀；30—控制电脑；31—图像增强器；32—羟基相机；33—UV镜头；34—第二控制面板；35-曲型通道。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如附图1所示，一种实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置，包括预混燃烧装置(预燃室26、主燃烧室4和喷嘴10)、点火火花塞(电火花塞9和电子点火器27)、喷油器6、自动开合组件(第一进气阀门13、第二进气阀门18、第一出气阀门23、第二出气阀门24和电磁阀29)、壁面组件(挡板3、撞壁板组件5和连杆28)、压力传感器(第一压力传感器7和第二压力传感器8)、气体储存及制备装置(储油罐12、混合腔15、空气除湿器17、空气储存罐19和空气压缩机20)、ECU控制系统(第一控制面板21、第二控制面板34、同步器22、控制电脑30)、进气流量控制系统(液体流量控制器14、流量控制阀16、压力表25)及外接光学测试设备(纹影系统、羟基化学发光测量系统和激光发射器11)等。
所述预混燃烧装置包括主燃烧室4和预燃室26。所述主燃烧室4包括第一侧和第二侧，所述主燃烧室4的第一侧内设置有电子点火器27，所述电子点火器27与所述ECU控制系统的第二控制面板34连接；所述主燃烧室4的第二侧设置有撞壁板组件5，所述撞壁板组件5与所述主燃烧室4的第二侧之间形成曲型通道35，用于模拟火焰在受限窄通道内的传播过程；所述主燃烧室4的顶部设置有用于实现火焰与湿壁面相互作用的喷油器6，所述喷油器6与所述进气流量控制系统的液体流量控制器14连接；所述主燃烧室4的底部设置有一排使得层流火焰或射流火焰产生扰动成为湍流火焰的挡板3，每排所述挡板3通过铰接与固定在所述主燃烧室4底部的连杆28连接，所述挡板3能绕铰接处与水平面呈不同角度，实现火焰撞击壁面角度的变化。所述主燃烧室4的底部和顶部分别设置有相对布置的第一石英窗2和第二石英窗，所述第一石英窗2和第二石英窗均由两个石英窗窗口组成。所述主燃烧室4上设置有第一压力传感器7。
所述预燃室26设置在所述主燃烧室4的第一侧外部，并通过不锈钢隔板分隔所述预燃室26和所述主燃烧室4两个腔室。所述预燃室26包括第一侧和第二侧，所述预燃室26的第一侧设置有电火花塞9，所述预燃室26的第二侧通过喷嘴10与所述主燃烧室4相连通，使得所述预燃室26产生的射流火焰通过所述喷嘴10进入所述主燃烧室4点燃所述主燃烧室4内的预混合气。所述预燃室26上设置有第二压力传感器8。
所述气体储存及制备装置将空气和液体燃料进行混合形成预混合气，并将所述预混合气喷入所述主燃烧室4内。所述气体储存及制备装置包括用于储存液体燃料的储油罐12、用于储存空气的空气储存罐19和混合腔15；所述混合腔15的进气口与所述空气储存罐19的出气口连接，所述混合腔15的进液口与所述储油罐12的出液口连接，所述混合腔15的两个出气口分与所述主燃烧室4的进气口和所述预燃室26的进气口连接，所述混合腔15上设置有压力表25；所述空气储存罐19的进气口连接有空气压缩机20、出气口连接有空气除湿器17，空气经过所述空气压缩机20压缩后在所述空气储存罐19中储存备用，并在与燃料混合前要经过所述空气除湿器17进行干燥脱水。
所述进气流量控制系统包括液体流量控制器14和流量控制阀16。所述液体流量控制器14设置在所述储油罐12与所述混合腔15的连接管线上，并靠近所述混合腔15的进液口处，所述液体流量控制器14的一个出液口与所述混合腔15的进液口连接、所述液体流量控制器14的另一个出液口与所述喷油器6连接；所述流量控制阀16设置在所述气体储存及制备装置的空气储存罐19与混合腔15的连接管线上，并靠近所述混合腔15的进气口处。
所述自动开合组件包括第一进气阀门13、第二进气阀门18、第一出气阀门23、第二出气阀门24和电磁阀29；所述第一进气阀门13设置在所述储油罐12与所述液体流量控制器14的连接管线上；所述第二进气阀门18设置在所述空气储存罐19与所述空气除湿器17的连接管线上；所述第一出气阀门23设置在所述混合腔15与所述主燃烧室4的连接管线上；所述第二出气阀门24设置在所述混合腔15与所述预燃室26的连接管线上；所述电磁阀29设置在所述液体流量控制器14与所述喷油器6的连接管线上，所述喷油器6由所述电磁阀29控制。
所述光学测试系统包括纹影系统、羟基化学发光测量系统和激光发射器11。所述纹影系统包括摄像机1；所述羟基化学发光测量系统包括依次连接的羟基相机32、图像增强器31和UV镜头33；所述图像增强器31通过高速继电器与所述摄像机1进行外部同步，并以与所述摄像机1相同的帧速率获取图像。所述摄像机1的镜头和所述UV镜头33对准所述主燃烧室4的第一石英窗2，并分别对准所述第一石英窗2的两个石英窗窗口；所述激光发射器11对准所述主燃烧室4的第二石英窗。
所述ECU控制系统与所述电子点火器27相连接用于控制所述主燃烧室4内预混合气的点火、与所述液体流量控制器14相连接用于控制所述喷油器6的喷油量和喷油压力、与所述纹影系统和所述羟基化学发光测量系统相连接用于记录实验过程。所述ECU控制系统包括同步器22、第一控制面板21、第二控制面板34和控制电脑30。所述同步器22和第一控制面板21相互连接的，所述第一控制面板21与所述液体流量控制器14和所述光学测试系统的激光发射器11相连接；所述第二控制面板34与所述电子点火器27相连接；所述同步器22、第二控制面板34、纹影系统、羟基化学发光测量系统、第一压力传感器7和第二压力传感器8均与所述控制电脑30相连接。
本发明的基本工作过程为：初始状态下混合腔15的第一出气阀门23和第二出气阀门24均关闭，通过打开燃料与空气的第一进气阀门13和第二进气阀门18，并且调节燃料的液体流量控制器14和空气的流量控制阀16，使燃料和空气按一定的比例进行混合，可以调节不同当量比来研究火焰撞壁过程的变化。其中空气首先经过空气压缩机20压缩后在空气储存罐19中储存备用，与燃料混合前要经过空气除湿器17进行干燥脱水。待压力表25达到指定数值后，关闭第一进气阀门13和第二进气阀门18。混合腔15内压力稳定后，打开第一出气阀门23和第二出气阀门24，使预混合气在压力作用下进入预燃室26和主燃烧室4，预燃室26内有一个电火花塞9，与主燃烧室4通过一个喷嘴10相连，一个不锈钢隔板放置在两个腔室之间，用来分隔预燃室26和主燃烧室4。主燃烧室4上下两侧安装2个矩形石英窗窗口，用于光学测量。其中石英窗窗口用于纹影系统和OH化学发光的测量。在这个过程中，预燃室26产生的射流火焰会通过喷嘴10进入主燃烧室4，射流火焰在受限空间中受到一排挡板3的扰动作用，形成湍流火焰。其中，挡板3是可以活动的，每个挡板3与壁面上的连杆28分别铰接相连，可以绕铰接处与水平面呈不同角度，实现火焰撞击壁面角度的变化。当挡板3平行于连杆28时，对火焰没有扰动，火焰呈现层流。撞壁板组件5与主燃烧室4第二侧壁面之间形成的曲型通道35可以模拟火焰在受限窄通道内的传播过程。当关闭预燃室26的进气阀门时，电子点火器27通过第二控制面板34控制可以直接点燃主燃烧室4内的预混合气，实现受限空间内瞬时层流或湍流火焰撞击壁面的全过程。其中，喷油器6由电磁阀29控制，喷油量和喷油压力均可由第一控制面板21控制，来实现不同的油膜厚度及混合气浓度分层程度；燃油喷雾撞到撞壁板组件5上端时，会形成一个浓的混合气区域，同时撞壁板组件5也会产生油膜，实现火焰与湿壁面的相互作用的过程。在模拟层流或湍流火焰在不同工况、不同角度下撞击壁面的过程中，第一控制面板21通过同步器22控制激光发射器11形成激光片光源，将一个主触发发送到摄像机1和羟基相机32，以便同时进行纹影和OH化学发光成像。利用摄像机1可以连续记录火焰在壁面附近焠熄的形貌变化及近壁面区域瞬时湍流场速度分布和部分生成物浓度分布等，高速OH化学发光测量提供了更好的点火和火焰传播过程的视图。此外，还使用OH图像来标记主燃烧室4的点火开始。使用羟基相机32和带有105mmUV镜头33的图像增强器31，在非常窄的频带386±10nm检测极限下检测OH*信号。图像增强器31通过高速继电器与摄像机1进行外部同步，并以与摄像机1相同的帧速率获取图像，因此可以对湍流预混火焰与壁面(或壁面油膜)之间的瞬时反应进行直观准确的测量分析。
图2a至图2f为本发明一种实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置的部分结构(包括主燃烧室4、预燃室26、喷油器6、第一压力传感器7、第二压力传感器8、撞壁板组件5、挡板3、电火花塞9等)，主要为了实现层流或湍流瞬时与壁面的反应，清楚地说明主燃烧室4内发生的化学过程。
图2a、2b、2c由电子点火器27点燃主燃烧室4内的预混合气，预燃室26的进气阀门均关闭；其中图2a的喷油器6关闭，实现受限空间内预混层流火焰与干壁面相互作用的过程；图2b打开喷油器6，喷油器6的喷雾会形成局部浓混合气与油膜，混合气分层，实现分层混合条件下的预混层流火焰传播及火焰与湿壁面的反应过程；图2c在主燃烧室4加入一排挡板3，使层流火焰产生扰动成为湍流火焰，实现湍流火焰传播及火焰与湿壁面反应的过程。
图2d、2e、2f电子点火器27关闭，预燃室26内的阀门打开，由预燃室26中的电火花塞9点火，将其产生的射流火焰通过喷嘴10进入主燃烧室4点燃主燃烧室4内的预混合气。图2d中喷油器6关闭，在主燃烧室4加入一排挡板3，使射流火焰产生扰动成为湍流火焰，实现射流湍流火焰与湿壁面之间相互作用的过程；图2e中的喷油器6关闭，实现射流层流火焰与干壁面之间相互作用的过程；图2f打开喷油器6，喷油器6的喷雾会形成局部浓混合气与油膜，实现受限空间内射流层流火焰与湿壁面相互作用的过程。
本发明实验装置以传统射流火焰燃烧器为基础，所述主燃烧室4长为30cm，宽15cm，高15cm，材质为碳钢，预燃室26是一个小体积的100cc圆柱形不锈钢(SS316)预腔，主燃烧室4与预燃室26的容积比保持在100。主燃烧室4的上下两侧安装有两个矩形(长为14厘米，宽为8.9厘米，高为1.9厘米)石英窗窗口。其中，主燃烧室4、预燃室26、喷嘴10、壁面组件、石英窗等均可由机械加工完成，部分电控元件及点火装置等均可直接购买后进行加工安装，电机控制电路、压力传感装置等均通过电源线与控制电脑30相接进行控制和信号传输，外接光学测量设备可以与控制电脑30进行直接连接。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置，其特征在于，包括：
预混燃烧装置，所述预混燃烧装置包括主燃烧室(4)，所述主燃烧室(4)包括第一侧和第二侧，所述主燃烧室(4)的第一侧内设置有电子点火器(27)，所述主燃烧室(4)的第二侧设置有撞壁板组件(5)，所述主燃烧室(4)的顶部设置有用于实现火焰与湿壁面相互作用的喷油器(6)；
气体储存及制备装置，所述气体储存及制备装置将空气和液体燃料进行混合形成预混合气，并将所述预混合气喷入所述主燃烧室(4)内；所述气体储存及制备装置包括用于储存液体燃料的储油罐(12)、用于储存空气的空气储存罐(19)和混合腔(15)，所述混合腔(15)的进气口与所述空气储存罐(19)的出气口连接，所述混合腔(15)的进液口与所述储油罐(12)的出液口连接，所述混合腔(15)的一个出气口与所述主燃烧室(4)的进气口连接；
进气流量控制系统，所述进气流量控制系统包括液体流量控制器(14)和流量控制阀(16)；所述液体流量控制器(14)设置在所述储油罐(12)与所述混合腔(15)的连接管线上，并靠近所述混合腔(15)的进液口处，所述液体流量控制器(14)的一个出液口与所述混合腔(15)的进液口连接、所述液体流量控制器(14)的另一个出液口与所述喷油器(6)连接；所述流量控制阀(16)设置在所述气体储存及制备装置的空气储存罐(19)与混合腔(15)的连接管线上，并靠近所述混合腔(15)的进气口处；
光学测试系统，所述光学测试系统包括纹影系统和羟基化学发光测量系统；以及，
ECU控制系统，所述ECU控制系统与所述电子点火器(27)相连接用于控制所述主燃烧室(4)内预混合气的点火、与所述液体流量控制器(14)相连接用于控制所述喷油器(6)的喷油量和喷油压力、与所述纹影系统和所述羟基化学发光测量系统相连接用于记录实验过程。
2.根据权利要求1所述的一种实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置，其特征在于，所述预混燃烧装置还包括预燃室(26)，所述预燃室(26)设置在所述主燃烧室(4)的第一侧外部，并通过隔板分隔所述预燃室(26)和所述主燃烧室(4)两个腔室；所述预燃室(26)包括第一侧和第二侧，所述预燃室(26)的第一侧设置有电火花塞(9)，所述预燃室(26)的第二侧通过喷嘴(10)与所述主燃烧室(4)相连通，使得所述预燃室(26)产生的射流火焰通过所述喷嘴(10)进入所述主燃烧室(4)点燃所述主燃烧室(4)内的预混合气；所述预燃室(26)的进气口与所述混合腔(15)的另一个出气口连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置，其特征在于，所述主燃烧室(4)的底部设置有一排使得层流火焰或射流火焰产生扰动成为湍流火焰的挡板(3)，每排所述挡板(3)通过铰接与固定在所述主燃烧室(4)底部的连杆(28)连接，所述挡板(3)能绕铰接处与水平面呈不同角度，实现火焰撞击壁面角度的变化。
4.根据权利要求1或2所述的一种实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置，其特征在于，所述撞壁板组件(5)与所述主燃烧室(4)的第二侧之间设置有曲型通道(35)，用于模拟火焰在受限窄通道内的传播过程。
5.根据权利要求1所述的一种实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置，其特征在于，所述空气储存罐(19)的进气口连接有空气压缩机(20)、出气口连接有空气除湿器(17)，空气经过所述空气压缩机(20)压缩后在所述空气储存罐(19)中储存备用，并在与燃料混合前要经过所述空气除湿器(17)进行干燥脱水。
6.根据权利要求1所述的一种实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置，其特征在于，所述进气流量控制系统还包括压力表(25)，所述压力表(25)设置在所述混合腔(15)上。
7.根据权利要求1所述的一种实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置，其特征在于，所述纹影系统包括摄像机(1)；所述羟基化学发光测量系统包括依次连接的羟基相机(32)、图像增强器(31)和UV镜头(33)；所述图像增强器(31)通过继电器与所述摄像机(1)进行外部同步，并以与所述摄像机(1)相同的帧速率获取图像；所述光学测试系统还包括激光发射器(11)，所述摄像机(1)的镜头和所述UV镜头(33)对准所述主燃烧室(4)的第一石英窗(2)，所述激光发射器(11)对准与所述主燃烧室(4)的第一石英窗(2)相对的第二石英窗。
8.根据权利要求1所述的一种实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置，其特征在于，所述ECU控制系统包括：
相互连接的同步器(22)和第一控制面板(21)，所述第一控制面板(21)与所述液体流量控制器(14)和所述光学测试系统的激光发射器(11)相连接；
第二控制面板(34)，所述第二控制面板(34)与所述电子点火器(27)相连接；以及，
控制电脑(30)，所述同步器(22)、第二控制面板(34)、纹影系统和羟基化学发光测量系统均与所述控制电脑(30)相连接。
9.根据权利要求1所述的一种实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置，其特征在于，所述主燃烧室(4)上设置有第一压力传感器(7)，所述第一压力传感器(7)与所述ECU控制系统相连接。
10.根据权利要求2所述的一种实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置，其特征在于，所述预燃室(26)上设置有第二压力传感器(8)，所述第二压力传感器(8)与所述ECU控制系统相连接。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911078595.1A CN110823584B (zh) | 2019-11-06 | 2019-11-06 | 实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911078595.1A CN110823584B (zh) | 2019-11-06 | 2019-11-06 | 实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110823584A true CN110823584A (zh) | 2020-02-21 |
| CN110823584B CN110823584B (zh) | 2024-05-28 |
Family
ID=69552958
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201911078595.1A Active CN110823584B (zh) | 2019-11-06 | 2019-11-06 | 实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110823584B (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111413367A (zh) * | 2020-05-15 | 2020-07-14 | 天津大学 | 实现空间多点自燃的燃烧装置及测量系统 |
| CN112053345A (zh) * | 2020-09-02 | 2020-12-08 | 长春大学 | 基于机器视觉的gdi汽油机喷雾撞壁参数自动提取方法及系统 |
| CN112268977A (zh) * | 2020-09-18 | 2021-01-26 | 天津大学 | 一种实现流动式进气加热的燃烧火焰光学可视化测量装置 |
| CN112717309A (zh) * | 2020-12-18 | 2021-04-30 | 郑州大学 | 一种扇叶式湍流灭火装置 |
| CN113670974A (zh) * | 2021-09-18 | 2021-11-19 | 天津大学合肥创新发展研究院 | 一种超临界co2混合工质换热实验系统 |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007088950A1 (ja) * | 2006-02-01 | 2007-08-09 | National University Corporation Okayama University | 燃料品質判定装置及び燃料品質判定方法 |
| EP2224173A2 (en) * | 2009-02-27 | 2010-09-01 | General Electric Company | System and method for adjusting engine parameters based on flame visualization |
| JP2016217743A (ja) * | 2015-05-14 | 2016-12-22 | 株式会社日本自動車部品総合研究所 | 熱流束計測装置 |
| CN106370771A (zh) * | 2016-08-17 | 2017-02-01 | 天津大学 | 实现湍流火焰和冲击波的可视化定容燃烧试验装置及方法 |
| CN106644491A (zh) * | 2017-02-22 | 2017-05-10 | 天津大学 | 一种模拟燃油喷雾湿壁的实验系统 |
| CN107389354A (zh) * | 2017-08-31 | 2017-11-24 | 北京理工大学 | 基于预混燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置和方法 |
| CN107631880A (zh) * | 2017-08-31 | 2018-01-26 | 北京理工大学 | 基于喷雾燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置和方法 |
| CN108709749A (zh) * | 2018-03-21 | 2018-10-26 | 天津大学 | 模拟湍流火焰与壁面油膜相互作用的实验系统 |
| CN109058989A (zh) * | 2018-08-17 | 2018-12-21 | 天津大学 | 湍流火焰与壁面瞬时反应的可视化实验系统 |
| CN110333237A (zh) * | 2019-06-26 | 2019-10-15 | 杭州电子科技大学 | 一种预燃室中气体运动模拟及光学分析试验装置与方法 |
| CN211292004U (zh) * | 2019-11-06 | 2020-08-18 | 天津大学 | 实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置 |
-
2019
- 2019-11-06 CN CN201911078595.1A patent/CN110823584B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007088950A1 (ja) * | 2006-02-01 | 2007-08-09 | National University Corporation Okayama University | 燃料品質判定装置及び燃料品質判定方法 |
| EP2224173A2 (en) * | 2009-02-27 | 2010-09-01 | General Electric Company | System and method for adjusting engine parameters based on flame visualization |
| JP2016217743A (ja) * | 2015-05-14 | 2016-12-22 | 株式会社日本自動車部品総合研究所 | 熱流束計測装置 |
| CN106370771A (zh) * | 2016-08-17 | 2017-02-01 | 天津大学 | 实现湍流火焰和冲击波的可视化定容燃烧试验装置及方法 |
| CN106644491A (zh) * | 2017-02-22 | 2017-05-10 | 天津大学 | 一种模拟燃油喷雾湿壁的实验系统 |
| CN107389354A (zh) * | 2017-08-31 | 2017-11-24 | 北京理工大学 | 基于预混燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置和方法 |
| CN107631880A (zh) * | 2017-08-31 | 2018-01-26 | 北京理工大学 | 基于喷雾燃烧引燃的附壁油膜燃烧实验装置和方法 |
| CN108709749A (zh) * | 2018-03-21 | 2018-10-26 | 天津大学 | 模拟湍流火焰与壁面油膜相互作用的实验系统 |
| CN109058989A (zh) * | 2018-08-17 | 2018-12-21 | 天津大学 | 湍流火焰与壁面瞬时反应的可视化实验系统 |
| CN110333237A (zh) * | 2019-06-26 | 2019-10-15 | 杭州电子科技大学 | 一种预燃室中气体运动模拟及光学分析试验装置与方法 |
| CN211292004U (zh) * | 2019-11-06 | 2020-08-18 | 天津大学 | 实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 何旭;刘卫国;高希彦;廖春明;杨德胜;赵大文;: "直喷式柴油机燃油撞壁特性及混合气形成研究", 内燃机工程, no. 02, 15 April 2006 (2006-04-15) * |
| 卫海桥;赵健福;周磊;: "基于发动机非正常燃烧的湍流火焰-冲击波相互作用的实验研究", 实验流体力学, no. 01, 15 February 2018 (2018-02-15) * |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111413367A (zh) * | 2020-05-15 | 2020-07-14 | 天津大学 | 实现空间多点自燃的燃烧装置及测量系统 |
| CN111413367B (zh) * | 2020-05-15 | 2021-08-13 | 天津大学 | 实现空间多点自燃的燃烧装置及测量系统 |
| CN112053345A (zh) * | 2020-09-02 | 2020-12-08 | 长春大学 | 基于机器视觉的gdi汽油机喷雾撞壁参数自动提取方法及系统 |
| CN112053345B (zh) * | 2020-09-02 | 2023-12-05 | 长春大学 | 基于机器视觉的gdi汽油机喷雾撞壁参数自动提取方法及系统 |
| CN112268977A (zh) * | 2020-09-18 | 2021-01-26 | 天津大学 | 一种实现流动式进气加热的燃烧火焰光学可视化测量装置 |
| CN112717309A (zh) * | 2020-12-18 | 2021-04-30 | 郑州大学 | 一种扇叶式湍流灭火装置 |
| CN112717309B (zh) * | 2020-12-18 | 2021-10-08 | 郑州大学 | 一种扇叶式湍流灭火装置 |
| WO2022127931A1 (zh) * | 2020-12-18 | 2022-06-23 | 周崇博 | 湍流火焰实验装置 |
| CN113670974A (zh) * | 2021-09-18 | 2021-11-19 | 天津大学合肥创新发展研究院 | 一种超临界co2混合工质换热实验系统 |
| CN113670974B (zh) * | 2021-09-18 | 2023-10-31 | 天津大学合肥创新发展研究院 | 一种超临界co2混合工质换热实验系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110823584B (zh) | 2024-05-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN211292004U (zh) | 实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置 | |
| CN110823584B (zh) | 实现层流或湍流火焰多角度多工况撞击壁面的实验装置 | |
| Gholamisheeri et al. | Rapid compression machine study of a premixed, variable inlet density and flow rate, confined turbulent jet | |
| CN106198027A (zh) | 一种模拟发动机喷雾燃烧的定容弹系统 | |
| US7597016B2 (en) | Fuel deposit testing using burner-based exhaust flow simulation system | |
| CN103926196A (zh) | 一种球形多功能定容弹 | |
| CN106525443A (zh) | 一种模拟发动机条件的多功能燃烧测试装置及试验方法 | |
| CN108709749B (zh) | 模拟湍流火焰与壁面油膜相互作用的实验系统 | |
| Bozza et al. | 1D numerical and experimental investigations of an ultralean pre-chamber engine | |
| Du et al. | Experimental and analytical study on liquid and vapor penetration of high-reactivity gasoline using a high-pressure gasoline multi-hole injector | |
| CN106568100B (zh) | 大梯度伴流射流火焰燃烧器 | |
| Kyrtatos et al. | 8.3 transferability of insights from fundamental investiga-tions into practical applications of prechamber com-bustion systems | |
| Michalski et al. | Experimental investigation of ignition stability in a cyclic constant-volume combustion chamber featuring relevant conditions for air-breathing propulsion | |
| Winklhofer et al. | Fuel and flame imaging in SI engines | |
| Michalski et al. | Joint numerical and experimental characterization of the turbulent reactive flow within a constant volume vessel | |
| Michalski et al. | Toward a cyclic self-ignited constant-volume combustion for airbreathing propulsion applications | |
| Syrovatka et al. | Analysis of scavenged pre-chamber for light duty truck gas engine | |
| Sharma et al. | Gas dynamics of spark-ignited pre-chamber assisted engine: PIV study | |
| CN111664450B (zh) | 加速火焰与多壁面边界相互作用的可视化系统 | |
| CN112268977B (zh) | 一种实现流动式进气加热的燃烧火焰光学可视化测量装置 | |
| Agnew | Fifty years of combustion research at General Motors | |
| Zhang et al. | Fuel combustion test in constant volume combustion chamber with built-in adaptor | |
| Morris et al. | The simulation of air fuel mixing in high swirl open chamber diesel engines | |
| CN105699091A (zh) | 一种适用于定容燃烧弹的测试装置 | |
| Paik | Experimental investigation of hot-jet ignition of methane-hydrogen mixtures in a constant-volume combustor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |