CN111486032A - 基于激波管试验平台的纳米流体燃料实时超声雾化系统 - Google Patents

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许培辉
杨卫娟
杜龙金
周俊虎
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Abstract

本发明涉及燃烧实验技术，旨在提供一种基于激波管试验平台的纳米流体燃料实时超声雾化系统。该系统包括激波管，在其低压段的末端设置带有轴向贯穿通孔的盲板法兰；超声雾化头具有锥形的喷嘴部位和圆柱状的尾段，并以其喷嘴部位与贯穿通孔对接；在超声雾化头尾段的末端端面上设有高频线插头和进液口，前者通过线缆连接至驱动电源，后者位于雾化通道末端并通过输液管连接至给液泵。本发明能够节约雾化耗能，确保始终存在悬浮的纳米流体燃料雾化液滴；采用普通的给液泵即可完成燃料进样和速率控制，结构简单、通用性强。可适用于不同尺寸、不同要求的激波管点火实验，通用性强。能够适用于激波管点火燃烧实验中的大部分工况，可靠高效、重复性好。

Description

基于激波管试验平台的纳米流体燃料实时超声雾化系统
技术领域
本发明专利涉及燃烧实验技术领域，旨在提供一种基于激波管试验平台的纳米流体燃料实时超声雾化系统。
背景技术
纳米流体燃料由固态的纳米金属(铝、硼等)和液态的碳氢燃料组成，具有能量密度高、点火温度低、燃烧效率高等优点，是液体发动机燃料的潜在替代品，受到国内外研究者的广泛关注。纳米流体燃料的点火燃烧特性研究关系到该燃料的能量释放和燃烧动力学特性，是航空工程领域的热点之一。点火延迟时间是纳米流体燃料燃烧特性的重要表征，也是验证燃烧反应化学动力学模型及简化模型的重要依据。在航空工程应用领域，燃料的点火延迟是航空发动机设计的重要参数和依据，对航空发动机燃烧室的燃烧性能和燃烧稳定性具有重要影响。因此，对燃料点火时间的准确测试是开展燃料燃烧研究的重要前提，也是燃烧动力学理论研究的重要条件。燃料燃烧一般分为点火、火焰传播和稳定燃烧三个阶段，纳米流体燃料中的纳米颗粒能缩短该类燃料的点火延迟，使纳米流体燃料的点火延迟时间低于碳氢液体燃料，但由于该类燃料中存在固液两相物质，也加大了该类燃料点火延迟时间测量的难度。
激波管是目前实验室测量燃料点火延迟特性的主要设备之一，通过高压段和低压段之间的压力差击破膜片产生入射激波和反射激波对燃料进行均匀绝热非等熵加热，达到燃料受热点火的目的。因为激波管的测量参数范围较宽，通过改变高压段和低压段的压差就能得到所需要的测量范围中点火燃烧特征参数，因此，在空气动力学，化学反应动力学，燃烧学、航空声学等领域被广泛的用于燃料点火特性的实验研究。
对于碳氢液体燃料，进入激波管进行点火燃烧实验一般采用气化或雾化的方式，把液体送入激波管。但对于纳米流体燃料，气化会使液相碳氢燃料和固相纳米颗粒直接分离，从根本上改变了纳米流体的特性，显然不合适。因此选择合理的雾化方式是纳米流体燃料在激波管内实现点火燃烧实验的前提。已有的技术大多采用压差式雾化方式，在启动点火操作前先将燃料雾化进入激波管，但雾化后的雾炬一旦进入激波管，雾化液滴中包含大量固相纳米颗粒，该类固相颗粒大多密度较大，会很快因为重力作用而快速沉降，使纳米流体燃料液固分离，会直接影响点火燃烧特性实验测试结果。由于激波管内压力在点火期间需要保证稳定，因此，又不能在点火实验期间实时连续雾化喷入(因差压波动会有影响)。所以如何确保激波管试验段存在稳定悬浮、粒径分布均匀的雾化液滴以及确定进入激波管的液滴悬浮量是纳米流体燃料激波管点火特性测量的关键问题。
目前的雾化方式存在的问题是：(1)压差雾化不仅结构复杂，且很难做到实时雾化，作为激波管点火实验误差较多。(2)预混法采用预混罐对雾化液滴与空气进行事先预混，但纳米流体燃料是固液两相流的燃料，无法如单相的碳氢燃料一样形成稳定气溶胶，如点火操作前送入，依旧会因为重力效应使固体快速沉降。(3)其他高效雾化方法，如静电雾化虽然能实时送入，对压力影响不大，但该方法耗能较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于激波管试验平台的纳米流体燃料实时超声雾化系统。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种基于激波管试验平台的纳米流体燃料实时超声雾化系统，包括由高压段、低压段、膜片组成的激波管；在低压段的末端设置盲板法兰，盲板法兰上有一个用于安装超声雾化头并连通低压段内腔的轴向贯穿通孔；超声雾化头具有锥形的喷嘴部位和圆柱状的尾段，其对称中轴线上设有贯穿的雾化通道，雾化通道的径向尺寸具有从尾段到喷嘴部位逐渐收缩的变化趋势；超声雾化头固定安装在盲板法兰上，并以其喷嘴部位与贯穿通孔对接；在超声雾化头尾段的末端端面上设有高频线插头和进液口，前者通过线缆连接至驱动电源，后者位于雾化通道末端并通过输液管连接至给液泵。
本发明中，所述超声雾化头是一体式结构。
本发明中，所述位于雾化通道末端的进液口是突出于盲板法兰表面的管状结构，所述超声雾化头以其喷嘴部位对接在管状结构中。
本发明中，所述超声雾化头的对称中轴线与激波管的中轴线平行布置，且超声雾化头位于激波管中轴线上方；假设两个中轴线的间距为h，激波管径向截面的半径为R，则R/4＜h＜R/2。
本发明中，所述超声雾化头的喷嘴部位和尾段之间设有径向收缩的连接部；在盲板法兰上设置卡箍，卡箍以嵌入并夹紧连接部的方式将超声雾化头固定安装在进液口处。
本发明中，所述连接高频线插头和驱动电源的线缆是同轴线缆。
本发明中，在进液口与超声雾化头的喷嘴部位之间设置密封橡胶圈。
本发明中，在输液管上设置阀门(提高给液稳定性)。
本发明中，所述盲板法兰通过螺栓固定在低压段末端的法兰上，两者之间设有垫圈(确保密封效果)。
本发明中，在盲板法兰与低压段末端法兰面之间设有若干个的垫圈，并使盲板法兰与低压段末端的法兰面所处平面相切(减少喷嘴对管内流场的干扰)。
与现有技术相比，本发明的技术效果是：
(1)将超声雾化技术应用于纳米流体燃料在激波管内的雾化中，节约雾化耗能。
(2)利用实时连续进液和超声雾化的方式，确保激波管试验段一直存在悬浮的纳米流体燃料雾化液滴，同时由于利用超声雾化，雾炬连续通入过程中，激波管低压段的压力不会随之变化，能与点火操作保持实时同步，确保试验精确性。
(3)因为激波管低压段一般为负压，采用普通的给液泵即可完成燃料进样和速率控制，结构简单、通用性强。
(4)通过提前测量雾化液滴沉降速率，由输液管上的阀门控制给样速率和给样时间，能够确定管内试验段纳米流体燃料雾化液滴的实际悬浮量。
(5)通过改变激波管的盲板法兰及开孔大小，即可适用于不同尺寸、不同要求的激波管点火实验，通用性强。
(6)能够很好地适用于激波管点火燃烧实验中的大部分工况，可靠高效、重复性好。
附图说明
图1为盲板法兰的主视图；
图2为图1中盲板法兰的侧向剖视图；
图3为超声雾化头的剖面图；
图4为该纳米流体燃料实时超声雾化系统的示意图。
图中的附图标记：进液口1、高频线插头2、激波管3、垫圈4、超声雾化头5、盲板法兰6、卡箍7、驱动电源8、给液泵9、阀门10。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细描述。
本发明中基于激波管试验平台的纳米流体燃料实时超声雾化系统，包括由高压段、低压段和膜片组成的激波管3。在激波管3的低压段末端设置盲板法兰6，盲板法兰6上设有一个贯穿通孔，其一端连通低压段内腔另一端连接进液口1。
超声雾化头5具有锥形的喷嘴部位和圆柱状的尾段，中间是呈径向收缩的连接部。超声雾化头5的对称中轴线上设有贯穿的轴向雾化通道，其径向尺寸具有从尾段到喷嘴部位逐渐收缩的变化趋势。在超声雾化头5尾段的末端端面上设有高频线插头2和进液口1，前者通过同轴线缆连接至驱动电源8，后者位于雾化通道末端并通过输液管连接至给液泵9，输液管上设置阀门10。在盲板法兰6上设置卡箍7(可选不锈钢材质)，卡箍7以嵌入并夹紧连接部的方式使超声雾化头5实现固定安装；此时其喷嘴部位对接在进液口1处。进液口1是突出于盲板法兰6表面的管状结构，其孔口形状与超声雾化头5喷嘴部位的锥形外形相吻合，在两者之间设密封橡胶圈以减少磨损和增加气密性。超声雾化头5的对称中轴线与激波管3的中轴线平行布置且位于激波管3的中轴线上方。假设两个中轴线的间距为h，激波管3的截面半径为R，则R/4＜h＜R/2。这样的设计可以保证雾化燃料液滴的悬浮时间更长。
在加工时，超声雾化头5优先采用一体式结构，即锥形喷嘴部位和圆柱状尾段是一个整体，如图3所示。因为激波管实验采用的超声雾化装置体积很小，整个超声雾化头5直接具备“换能+雾化”的功能，不需要按工业使用的超声雾化装置那样(体积较大)分开设计、制造和组装。通常情况下，雾化通道长度范围控制在10～15cm，径向尺寸由尾端的6～8mm逐渐收缩变化到喷嘴部位的0.5～1.5mm，在此尺寸条件下，通过控制驱动电源8的功率，可将纳米流体燃料雾化液滴的尺寸范围控制在50～100μm。
安装时，以螺栓将盲板法兰固定在低压段末端的法兰上，两者之间设垫圈4以增加气密性和减少磨损，垫圈4可选材料为石墨或聚四氟乙烯。通过设置数量合适的垫圈4，使超声雾化头5的喷嘴部位顶端与低压段末端的法兰面所处平面相切以减少对管内流场的影响。驱动电源8用于将50Hz的交流电转换为高频率电源，提供给超声雾化头5以实现燃料雾化；给液泵9通过带阀门10的输液管与超声雾化头5相接，能够控制给液量和速率。
在使用前，先设置好给液泵9的给液速率，打开给液泵9的同时打开输液管上的阀门10，当输液管中充满待测燃料时同时关闭给液泵9和阀门10；将激波管3的低压段抽气完毕，先打开驱动电源8并调整合适的功率，再启动给液泵9和打开阀门10，控制雾化燃料的通入。借助激波管3低压段的观察窗口记录雾化液滴的沉降时间，标定不同给液速率下的液滴沉降速率。
在测试时，先设置好给液泵9的给液速率，打开给液泵9的同时打开输液管上的阀门10，当输液管中充满待测燃料时同时关闭给液泵9和阀门10；调节激波管3的高压段和低压段为设定工况后，打开驱动电源8，调整到指定功率；再启动给液泵9和打开阀门10，燃料通过超声雾化后实时连续进入激波管3，控制激波管3破膜完成一次点火特性试验测试。
本发明中的驱动电源8和给液泵9均有多种型号的常规市售产品可供选用。经多次重复验证，本发明的超声雾化头5能将高频电能转换成机械振动能，雾化效果稳定且节能，在各种试验工况下均能点火成功率高、效果理想。
尽管本申请已经展示描述了本发明专利的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明专利的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于激波管试验平台的纳米流体燃料实时超声雾化系统，包括由高压段、低压段和膜片组成的激波管；其特征在于，在低压段的末端设置盲板法兰，盲板法兰上有一个用于安装超声雾化头并连通低压段内腔的轴向贯穿通孔；超声雾化头具有锥形的喷嘴部位和圆柱状的尾段，其对称中轴线上设有贯穿的雾化通道，雾化通道的径向尺寸具有从尾段到喷嘴部位逐渐收缩的变化趋势；超声雾化头固定安装在盲板法兰上，并以其喷嘴部位与贯穿通孔对接；在超声雾化头尾段的末端端面上设有高频线插头和进液口，前者通过线缆连接至驱动电源，后者位于雾化通道末端并通过输液管连接至给液泵。
2.根据权利要求1所述的纳米流体燃料实时超声雾化系统，其特征在于，所述超声雾化头是一体式结构。
3.根据权利要求1所述的纳米流体燃料实时超声雾化系统，其特征在于，所述位于雾化通道末端的进液口是突出于盲板法兰表面的管状结构，所述超声雾化头以其喷嘴部位对接在管状结构中。
4.根据权利要求1所述的纳米流体燃料实时超声雾化系统，其特征在于，所述超声雾化头的对称中轴线与激波管的中轴线平行布置，且超声雾化头位于激波管中轴线上方；假设两个中轴线的间距为h，激波管径向截面的半径为R，则R/4＜h＜R/2。
5.根据权利要求1所述的纳米流体燃料实时超声雾化系统，其特征在于，所述超声雾化头的喷嘴部位和尾段之间设有径向收缩的连接部；在盲板法兰上设置卡箍，卡箍以嵌入并夹紧连接部的方式将超声雾化头固定安装在进液口处。
6.根据权利要求1所述的纳米流体燃料实时超声雾化系统，其特征在于，所述连接高频线插头和驱动电源的线缆是同轴线缆。
7.根据权利要求1所述的纳米流体燃料实时超声雾化系统，其特征在于，在进液口与超声雾化头的喷嘴部位之间设置密封橡胶圈。
8.根据权利要求1所述的纳米流体燃料实时超声雾化系统，其特征在于，在输液管上设置阀门。
9.根据权利要求1至8任意一项中所述的纳米流体燃料实时超声雾化系统，其特征在于，所述盲板法兰通过螺栓固定在低压段末端的法兰上，两者之间设有垫圈。
10.根据权利要求9所述的纳米流体燃料实时超声雾化系统，其特征在于，在盲板法兰与低压段末端法兰面之间设有若干个的垫圈，并使超声雾化头的喷嘴部位顶端与低压段末端的法兰面所处平面相切。
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CN113390762A (zh) * 2021-06-30 2021-09-14 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 超声速气流下激波对燃料液滴蒸发过程影响的研究装置

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