CN111458217A - 一种温度和剪切力可调的燃气加热试验方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于测试技术领域，提供了一种温度和剪切力可调的燃气加热试验方法及装置。该装置利用气体预混燃烧来生成高温、高压的气体，被测材料表面的气流温度和剪切力可调。气体燃料和氧化性气体在预混室混合，通过多孔介质材料的喷注器喷入燃烧室，并在燃烧室发生预混燃烧，生成高温、高压气体，使用矩形收缩喷管加速燃气；试验段为矩形结构，与喷管连接并留有引射口，被测材料试件安装在喷管下游的试验段侧壁面上。本发明的效果和益处是通过预混燃烧提供温度均匀分布的燃气，容易实现燃料气体稀薄燃烧，温度下限低，并且能同时模拟气流加热和剪切力对材料的作用效果，为耐高温材料的研制提供试验方法和实现手段。

Description

一种温度和剪切力可调的燃气加热试验方法及装置
技术领域
本发明属于测试技术领域，涉及到耐高温材料的耐热试验和烧蚀试验技术，特别涉及到一种可以同时调节气流温度和材料表面气流剪切力的方法及装置。
背景技术
在研制耐高温材料和检验耐高温材料的性能时，需要将其置于与实际应用接近的环境中进行试验测试。这类试验一般有两种方法，一种是热辐射方法，另一种是气流加热方法。
热辐射方法通过热辐射的方式对材料表面加热，目前主要的试验装置是高温石英灯阵列，通过该装置近距离加热表面材料。石英灯阵列加热器响应快、便于控制加热的时间和功率，但是有两个主要的缺点；一是受到加热元件的限制，温度不能过高，否则灯管会烧坏；二是只能提供辐射热流，待测材料表面气流静止，故不能模拟材料受到热流和气流剪切双重作用后的烧蚀现象。
根据气流升温方式的不同，气流加热法一般有三种：一种是利用电加热器对气流加热，另一种是利用电弧放电来加热空气，第三种是利用燃烧装置提供高温燃气流。利用电加热器对气流加热时，试验条件受电加热器的功率影响较大，目前市场上的电加热器只能满足温度不高(一般小于300℃)、流速很低的要求，故这种方式很少采用。利用电弧放电加热空气试验的设备主要有电弧风洞和等离子体加热器。电弧风洞试验时通过大功率电弧放电来提高气体温度，并可以通过调节气体流量来调节试验段气体流速，以达到试验所要求的温度和流速；但是电弧风洞的试验成本极高，并且单次运行时间受限，通常只用于其他设备无法实现的情况。等离子体加热器的气流温度很高，但是气流范围较小。燃气加热法中比较有代表性的是用氧乙炔燃烧的火焰垂直于材料表面喷射试验，可以参考国军标GJB323A-96。这种方法的效果和等离子体加热器类似，虽然热流密度较大，但是燃气流直径较小，只能对试件中心产生较大的热流，另外火焰正对材料表面，不能体现平行于材料表面的气流对材料的剪切作用。另一种燃气加热法是采用燃烧器或者燃烧式风洞产生的高温燃气，高温气流的空间范围要大很多，能够对材料试件形成较均匀的加热，但是同样存在试验成本高和温度、速度等参数较难调节的问题。
发明内容
本发明提供了一种利用气体燃料预混燃烧来生成高温燃气，燃气流从侧面吹过被测试件表面的方法和装置，具有燃气温度可调且分布均匀、气流速度可调、试验成本低的特点，解决了其他燃气加热试验形式温度分布不均匀、试验成本高的问题。
本发明的技术方案：
一种温度和剪切力可调的燃气加热试验装置，分为预混室1、喷注器2、燃烧室3、喷管4和试验段5五部分；
所述的预混室1是燃料气体和氧化性气体混合的腔体，通过调节燃料气体和氧化性气体的进气流量，控制燃料与氧化性气体的混合比例；预混室1上开有燃料气体入口8和氧化性气体入口9；
所述的喷注器2采用耐高温多孔介质材料制作，设置在预混室1和燃烧室3之间，用来均匀地喷注预混气体，并起防止回火的作用；喷注器2的横截面为矩形，与下游的燃烧室3横截面大小相同；
所述的燃烧室3的横截面为矩形；在靠近喷注器2的燃烧室侧壁面上安装火花塞式点火器用来点火；燃烧室3的壁面内部采用循环水冷却；
所述的喷管4与燃烧室3相连，喷管4进口横截面为矩形，其大小与燃烧室3相同；喷管4逐渐向出口端收缩，收敛角为30～45°；喷管出口段10横截面为矩形，起整流作用；
所述的试验段5与喷管出口段10连通，横截面为矩形，其宽度与喷管出口段10宽度相同、高度大于喷管出口段10高度；试验段5一侧壁面与喷管出口段10边平齐，该侧壁面在喷管出口段10下游的一段距离处开圆孔或正方形孔，孔的直径或边长小于喷管出口段10长度，被测试件6表面形状和大小与开孔相同，使被测试件6的表面与试验段5壁面平齐，被测试件6通过可拆卸工装承载；试验段5对侧壁面与喷管出口段10不连接，与环境大气连通，使环境气体通过试验段5与喷管出口段10之间的缝隙即气体引射入口11被引射进入试验段5，该侧壁面上开设用于安放耐高温玻璃7的槽孔，其位置与被测材料6对应，便于利用非接触式温度传感器测量被测试件6表面温度；耐高温玻璃7安装后内壁面与试验段5壁面平齐，避免干扰气流。
一种温度和剪切力可调的燃气加热试验方法，步骤如下：
(1)假定从喷管4喷出的高温燃气的总流量为m0，燃烧温度为T0，通过流体力学方法对燃烧室3、喷管4和试验段5进行流场数值模拟，得到被测试件6表面的平均气流温度T1和平均剪切力τ1；
(2)确定预混燃烧温度T0
调整预混燃烧温度T0：若T1<T*(预定温度)，则提高温度T0，反之则降低T0，多次迭代，直到T1＝T*；考虑温度恢复系数为ξ＝0.9，则T0/ξ即为理论预混燃烧温度；
(3)确定混合气体的总流量m0
调整混合气体总流量m0：若平均剪切力τ1<τ*(预定剪切力)，则提高总流量m0，反之则降低总流量m0，多次迭代，直到τ1＝τ*，此时所对应的流量m0即为目标值；
(4)确定氧化性气体流量mo与燃料气体流量mf
在预估氧化性气体和燃料气体混合比的前提下，采用化学平衡计算的方法计算预混燃烧的理论温度T2，若T2>T0，则增大混合比，反之则减小混合比，多次迭代，直到T2＝T0，此时所对应的混合比值即为氧化性气体与燃料气体的混合比OF；由此得到氧化性气体流量mo＝m0·OF/(OF+1)，燃料气体流量mf＝m0/(OF+1)。
本发明的理论极限：可模拟的最高温度为混合气体在化学当量混合比下的理论最高燃烧温度，最低温度为燃料气体在可燃浓度极限下的燃烧温度。
本发明的效果和益处是可以通过预混燃烧提供温度均匀分布的燃气，容易实现燃料气体稀薄燃烧，温度下限低，并且能同时模拟气流加热和剪切力对材料的作用效果，为耐高温材料的研制提供试验方法和实现手段。本发明具有技术方案简单，实验系统造价低、实验成本低的优点。
附图说明
图1(a)是燃气加热试验装置正面剖视图。
图1(b)是燃气加热试验装置正面剖视图的A-A剖视图。
图中：1预混室；2喷注器；3燃烧室；4喷管；5试验段；6被测试件；7耐高温玻璃；8燃料气体入口；9氧化性气体入口；10喷管出口段；11气体引射入口。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例1：
模拟耐高温材料表面气流温度为550℃，表面气流剪切力320Pa的热环境。被测材料试件为100×100×10mm的复合材料平板。
1)设计预混室、燃烧室内部横截面尺寸为120×45mm，预混室、燃烧室长度均为100mm。燃料采用气体甲烷，氧化性气体采用空气，在预混室两侧喷入。甲烷对空气的质量比为1:17，其理论最高燃烧温度采用化学平衡计算为2218K。
2)喷注器采用当量孔径约为10微米、厚度为5mm的氧化铝多孔材料。
3)喷管收缩段的收敛角设计为30°，出口段横截面尺寸为120×5mm，长度10mm；出口一侧壁面不设安装结构，厚度为5mm，保证试验段安装后留有5mm宽缝隙用于引射环境空气，另一侧壁面设置法兰与试验段连接。
4)试验段的横截面为120×15mm的矩形，沿流动方向的长度为140mm，其前端一侧设置法兰与喷管出口端通过螺栓连接，其横截面长边(120mm)与喷管出口长度相同，安装后保持平齐；另一侧与喷管出口壁面间留有5mm宽的缝隙用于引射环境空气。
5)材料试件安装在喷管出口下游，其前缘距离喷管出口20mm，两侧与试验段侧壁面均相距10mm，被测表面与试验段内表面平齐。
6)对燃烧室末段和喷管、试验段组成的区域进行流场数值计算，计算中假定介质为高温空气，通过调节总温，计算得到总温为730℃时试件表面的气流平均温度为550℃。
7)改变计算中给定的气体总流量，最终确定气体总流量为200g/s、燃烧室绝对压力为0.32MPa时所对应的材料表面气流剪切力的平均值为320Pa。
8)根据计算得到的设计总温为730℃，采用不同的甲烷和空气混合比进行化学平衡计算，最终确定甲烷与空气的总流量比为1:63时燃烧温度为730℃。计算得到甲烷的流量约为3.13g/s，空气的流量约为196.87g/s。

Claims (2)

1.一种温度和剪切力可调的燃气加热试验装置，其特征在于，所述的燃气加热试验装置分为预混室(1)、喷注器(2)、燃烧室(3)、喷管(4)和试验段(5)五部分；
所述的预混室(1)是燃料气体和氧化性气体混合的腔体，通过调节燃料气体和氧化性气体的进气流量，控制燃料与氧化性气体的混合比例；预混室(1)上开有燃料气体入口(8)和氧化性气体入口(9)；
所述的喷注器(2)采用耐高温多孔介质材料制作，设置在预混室(1)和燃烧室(3)之间，用来均匀地喷注预混气体，并起防止回火的作用；喷注器(2)的横截面为矩形，与下游的燃烧室(3)横截面大小相同；
所述的燃烧室(3)的横截面为矩形；在靠近喷注器(2)的燃烧室侧壁面上安装火花塞式点火器用来点火；燃烧室(3)的壁面内部采用循环水冷却；
所述的喷管(4)与燃烧室(3)相连，喷管(4)进口横截面为矩形，其大小与燃烧室(3)相同；喷管(4)逐渐向出口端收缩，收敛角为30～45°；喷管出口段(10)横截面为矩形，起整流作用；
所述的试验段(5)与喷管出口段(10)连通，横截面为矩形，其宽度与喷管出口段(10)宽度相同、高度大于喷管出口段(10)高度；试验段(5)一侧壁面与喷管出口段(10)边平齐，该侧壁面在喷管出口段(10)下游的一段距离处开圆孔或正方形孔，孔的直径或边长小于喷管出口段(10)长度，被测试件(6)表面形状和大小与开孔相同，使被测试件(6)的表面与试验段(5)壁面平齐，被测试件(6)通过可拆卸工装承载；试验段(5)对侧壁面与喷管出口段(10)不连接，与环境大气连通，使环境气体通过试验段(5)与喷管出口段(10)之间的缝隙即气体引射入口(11)被引射进入试验段(5)，该侧壁面上开设用于安放耐高温玻璃(7)的槽孔，其位置与被测材料(6)对应，便于利用非接触式温度传感器测量被测试件(6)表面温度；耐高温玻璃(7)安装后内壁面与试验段(5)壁面平齐，避免干扰气流。
2.一种温度和剪切力可调的燃气加热试验方法，其特征在于，步骤如下：
(1)假定从喷管(4)喷出的高温燃气的总流量为m0，燃烧温度为T0，通过流体力学方法对燃烧室(3)、喷管(4)和试验段(5)进行流场数值模拟，得到被测试件(6)表面的平均气流温度T1和平均剪切力τ1；
(2)确定预混燃烧温度T0
调整预混燃烧温度T0：若T1<T*，则提高温度T0，反之则降低T0，多次迭代，直到T1＝T*；考虑温度恢复系数为ξ＝0.9，则T0/ξ即为理论预混燃烧温度；
(3)确定混合气体的总流量m0
调整混合气体总流量m0：若平均剪切力τ1<τ*，则提高总流量m0，反之则降低总流量m0，多次迭代，直到τ1＝τ*，此时所对应的流量m0即为目标值；
(4)确定氧化性气体流量mo与燃料气体流量mf
在预估氧化性气体和燃料气体混合比的前提下，采用化学平衡计算的方法计算预混燃烧的理论温度T2，若T2>T0，则增大混合比，反之则减小混合比，多次迭代，直到T2＝T0，此时所对应的混合比值即为氧化性气体与燃料气体的混合比OF；由此得到氧化性气体流量mo＝m0·OF/(OF+1)，燃料气体流量mf＝m0/(OF+1)。
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