CN111999428A - 一种用于液体燃料湍流火焰传播速度测量的定容燃烧弹 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于燃料燃烧特性测量技术领域的一种用于液体燃料湍流火焰传播速度测量的定容燃烧弹。该定容燃烧弹由定容燃烧弹腔体、纹影及图像采集系统、加热系统、湍流发生系统、点火系统、进排气系统组成;在定容燃烧弹腔体外布置纹影及图像采集系统、进排气系统和加热系统,湍流发生系统和点火系统安装在密闭的腔体内;计算机和高速摄像机、电机控制器、加热控制器、点火控制器相连,用于发送和接收各类信息;本发明提供了一种既能产生均匀各向同性湍流,又能加热燃料至气态的定容燃烧弹,满足研究液体燃料的湍流预混火焰传播速度时必需的“湍流”和“预混”两个条件;为液体燃料的湍流预混火焰传播速度的研究奠定了基础。
Description
技术领域
本发明属于燃料燃烧特性测量技术领域,特别涉及一种用于液体燃料湍流火焰传播速度测量的定容燃烧弹。
背景技术
随着燃烧技术的发展,湍流燃烧,尤其是液体燃料的湍流燃烧成为了燃烧领域的研究热点和难点。作为研究液体燃料湍流燃烧的基础,利用定容燃烧弹研究液体燃料的湍流预混火焰传播速度是研究液体燃料的湍流燃烧的方向之一。
为了研究液体燃料的湍流预混火焰传播速度,定容燃烧弹需要具备两个条件:一是产生湍流强度可控的均匀各向同性湍流;二是能够加热并保持燃料为气态,以形成可燃预混气体。
现有的定容燃烧弹湍流发生方式主要有以下几种:一是孔板运动式,这种方式是在定容燃烧弹一端或者两端布置可移动的孔板装置,利用孔板移动产生湍流,这种方法产生的湍流流场湍流度很快衰减,且湍流度难以确定;二是射流式,这种方式是在定容燃烧弹壁面布置若干射流孔,气体喷出后产生湍流流场,这种方法产生的湍流流场各向异性和均匀性差异很大;三是风扇式,这种方法是在定容燃烧弹壁面布置若干转速可控的风扇,通过合理布置和转速控制,可以在定容燃烧弹中心处产生湍流强度可控的均匀各向同性湍流流场。
现有的定容燃烧弹加热方式主要有以下几种:一是直接电加热类型,这种加热方式是在定容燃烧弹底部或内部布置电热棒或电热丝,这种加热方式会导致定容燃烧弹内温度分布不均匀;二是壁面加热型,在定容燃烧弹表面均匀缠绕电加热模块,这种方式可使容弹内气体温度分布更均匀,但若要达到定容燃烧弹内所需的高温,需要加热整个定容燃烧弹腔体;三是燃气燃烧型,这种加热方式需要进行精确的计算和控制,燃烧后的产物也有可能会对实验结果造成干扰。
综合以上几种定容燃烧弹湍流发生方式和加热方式,可以看出风扇式湍流发生方式可以在定容燃烧弹中心处产生湍流强度可控的均匀各向同性湍流流场;壁面加热型加热方式是相对比较可取的加热方式,这种方法可以使定容燃烧弹腔内气体温度均匀性更高,且没有加热器件或者尾气直接接触带测量气体,对测量的影响减到了最小。但这种方法的不足之处在于加热所需能量多,加热时间长,腔内温度稳定难度大。
现有的定容燃烧弹中,有一部分加装了湍流发生装置,能够在定容燃烧弹内产生湍流;有一部分加装了加热装置,能够提高实验温度至所需温度。但是目前鲜有定容燃烧弹能够同时具备以上两个条件。
本发明是为了填补目前液体燃料的湍流预混火焰传播速度的研究空缺,提供了一种既能产生均匀各向同性湍流,又能加热燃料至气态的定容燃烧弹,以满足研究液体燃料的湍流预混火焰传播速度时必需的“湍流”和“预混”两个条件。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于液体燃料湍流火焰传播速度测量的定容燃烧弹,所述定容燃烧弹由定容燃烧弹腔体、纹影及图像采集系统、加热系统、湍流发生系统、点火系统、进排气系统组成;其特征在于,具体包括纹影光源1、密闭腔体2、电机3、风扇4、点火电极5、陶瓷电加热片6、电机驱动器7、高速摄像机8、电机控制器9、加热控制器10、点火控制器11、真空泵12和计算机 13;其中,在密闭腔体2侧面开有用于拍摄纹影图像的观察窗;4个风扇4按照正四面体结构对称布置在腔体2内;4个风扇4分别和4台电机3相连,4台电机3分别连接4个电机驱动器7,4个电机驱动器7由同一台电机控制器9控制,分别驱动4台电机3;8片陶瓷电加热片6紧密贴合在密闭腔体2外表面,与加热控制器10连接;点火电极5分为高压电极51和地电极52,两个电极分别穿入腔体2内部,尖端在腔体2正中心会合;与点火控制器11组成点火系统;纹影光源1和高速摄像机8分别布置在腔体2两侧观察窗外,纹影光源1产生的光正好穿过两个观察窗,最终被高速摄像机8接收,得到纹影图像;真空泵12 通过管路和腔体2连接,用于排出腔内尾气。计算机13和高速摄像机8、电机控制器9、加热控制器10、点火控制器11相连,用于发送和接收各类信息;
所述湍流发生系统包括一个控制器9、四个驱动器7、四台电机3和四个风扇 4,控制器9与计算机13相连,同时控制四个驱动器,每个驱动器各控制一台电机,每台电机的输出轴各连接一个风扇,电机和风扇安装在定容燃烧弹腔体上,四个风扇呈正四面体结构对称布置在定容燃烧弹腔体上。
所述加热系统包括8片陶瓷电加热片6、若干温度传感器41及两个加热控制器10;所述陶瓷电加热片6分为主加热片42和辅助加热片43两组,分别与两个加热控制器10连接,主加热片42和辅助加热片43分别由各自加热控制器 10控制;主加热片42和辅助加热片43的陶瓷电加热片贴合在定容燃烧弹腔体外表各处,并与温度传感器41连接;在避开定容燃烧弹腔体外表面各系统管路和特殊结构的同时保证加热的均匀性;加热控制器控制陶瓷加热片加热功率,使腔内混合气体的温度稳定在预设温度范围内。
本发明的有益效果是提出的液体燃料湍流火焰传播速度测量的定容燃烧弹具有如下特点:
1.将加热系统和湍流发生系统集成在同一个定容燃烧弹上,使定容燃烧弹同时具备加热液体燃料至气态和产生均匀各向同性湍流的能力。
2.湍流发生系统中的四个风扇在定容燃烧弹腔体上呈正四面体结构对称布置,四个风扇轴线延长线同时指向定容燃烧弹内腔中心处,控制器能够独立控制四台电机转速在0-10000rpm之间,控制精度达到1rpm。
3.采用特殊结构的陶瓷电加热片,每片陶瓷电加热片由多个陶瓷电加热单元组成,各个陶瓷电加热单元串联在一起形成履带式结构,使得陶瓷电加热片能够适应不同的定容燃烧弹表面形状。发明中共采用八片陶瓷电加热片,分为四片主加热片和四片辅助加热片,均匀分布在定容燃烧弹腔体表面。主控制器控制主加热片,辅助控制器分别控制四片辅助加热片,加热时多个控制器同时工作,分别控制对应的陶瓷电加热片,达到加热均匀、加热快速、响应迅速不会超温的控制目的。
4.风扇轴采用PEEK材料泛塞封的动态密封方式,PEEK材料相较于普通密封圈材料具有耐高温的性质,能耐受实验所需温度;泛塞封是常用的动态密封圈,可以保证旋转轴在高转速下的密封性能,采用自主设计PEEK材料泛塞封可以同时达到耐高温和动态密封的目的。
5.高电极处的固定、绝缘、密封、和耐温采用自主设计的特殊结构实现。高电极电极针固定在由PEEK材料制成的绝缘保护套上,绝缘保护套通过螺纹连接固定在高电极底座上,高电极底座固定在腔体上,高电极电极针在绝缘保护套中的延长部分恰好与固定在高电极底座上的火花塞高电极接触。由此实现了高电极处电极针的固定、绝缘、密封、和耐温。
附图说明
图1为定容燃烧弹的结构示意图。
图2为风扇轴动态密封结构示意图。
图3为高电极绝缘密封结构示意图。
图4加热系统示意图。
具体实施方式
本发明提出一种用于液体燃料湍流火焰传播速度测量的定容燃烧弹,所述定容燃烧弹由定容燃烧弹腔体、纹影及图像采集系统、加热系统、湍流发生系统、点火系统、进排气系统组成。下面结合附图对本发明予以进一步说明。
图1所示为定容燃烧弹的结构示意图。具体包括纹影光源1、密闭腔体2、电机3、风扇4、点火电极5、陶瓷电加热片6、电机驱动器7、高速摄像机8、电机控制器9、加热控制器10、点火控制器11、真空泵12和计算机13;其中,在密闭腔体2侧面开有用于拍摄纹影图像的观察窗;4个风扇4按照正四面体结构对称布置在腔体2内;4个风扇4分别和4台电机3相连,4台电机3分别连接4个电机驱动器7,4个电机驱动器7由同一台电机控制器9控制,分别驱动4台电机3;8片陶瓷电加热片6紧密贴合在密闭腔体2外表面,与加热控制器10连接;点火电极5分为高压电极31和地电极32,两个电极分别穿过腔体2 内部,尖端在腔体2正中心会合;与点火控制器11组成点火系统;纹影光源1 和高速摄像机8分别布置在腔体2两侧观察窗外,纹影光源1产生的光正好穿过两个观察窗,最终被高速摄像机8接收,得到纹影图像;真空泵12通过管路和腔体2连接,用于排出腔内尾气。计算机13和高速摄像机8、电机控制器9、加热控制器10、点火控制器11相连,用于发送和接收各类信息;所述湍流发生系统包括一个电机控制器9、四个驱动器7、四台电机3和四个风扇4,电机控制器9与计算机13相连,一个电机控制器9同时控制四个驱动器,每个驱动器各控制一台电机,每台电机的输出轴各连接一个轴动态密封的风扇,电机和风扇安装在定容燃烧弹腔体上,四个风扇呈正四面体结构对称布置在定容燃烧弹腔体上。工作时,计算机设定各个电机3的转速、加速度、旋转方向等旋转参数,并发送给电机控制器9,电机控制器9再控制各个电机驱动器7,电机驱动器7按照设定参数驱动每台电机3,电机3带动风扇4转动产生湍流。
图2所示为风扇轴动态密封结构示意图。包括腔体壁面21、密封圈压紧件22、风扇轴23和泛塞封密封圈24;风扇轴的泛塞封密封圈24采用PEEK材料制作; PEEK材料相较于普通密封圈材料具有耐高温的性质,能耐受实验所需温度;所述泛塞封圈是常用的动态密封圈,能够保证旋转轴在高转速下的密封性能。
图3所示为高压电极绝缘密封结构示意图,所述高压电极包括火花塞31,高电极底座32,绝缘保护套33,金属芯34、夹持爪35和高电极电极针36通过导线与点火控制器11的连接;高电极电极针36固定在夹持爪35上,夹持爪35 为金属材料;通过螺纹连接固定在金属芯34上;金属芯34通过过盈配合固定在绝缘保护套33上,绝缘保护套33为PEEK材料,具有绝缘性和耐高温性;绝缘保护套33通过螺纹连接固定在高压电极底座32上;高压电极底座32通过螺钉连接固定在腔体2上;火花塞31通过螺纹连接固定在高压电极底座32上,且火花塞81恰好与金属芯34接触,使得电流可以直接通向高压电极针36;二者之间由信号线连接;点火控制器11提供可调的电压输入,放电时电压可达上万伏;点火电极35置于腔体2内,工作时,通过远程遥控点火控制器11触发点火开关,使点火电极35放电。点火后,火焰形态通过纹影及图像采集系统中的纹影装置后由高速摄像机完成拍摄。
图4所示为加热系统示意图。所述加热系统包括8片陶瓷电加热片6、若干温度传感器41及两个加热控制器10;所述陶瓷电加热片6分为主加热片42和辅助加热片43两组,分别连接两个加热控制器10,并与多个温度传感器41连接;陶瓷电加热片6贴合在定容燃烧弹腔体外表各处(如图4所示的主加热片 42和辅助加热片43),在避开定容燃烧弹腔体外表面各系统管路的同时保证加热的均匀性;工作时,在两个加热控制器10上设定加热温度,温度传感器41为两个加热控制器10提供反馈温度,两个加热控制器10分别控制陶瓷电加热片6 的主加热片42和辅助加热片43的加热功率,保证快速升温的同时不会出现超温情况;使腔内混合气体的温度稳定在预设温度范围内。
Claims (3)
1.一种用于液体燃料湍流火焰传播速度测量的定容燃烧弹,所述定容燃烧弹由定容燃烧弹腔体、纹影及图像采集系统、加热系统、湍流发生系统、点火系统、进排气系统组成;其特征在于,所述定容燃烧弹具体包含纹影光源(1)、腔体(2)、电机(3)、风扇(4)、点火电极(5)、陶瓷电加热片(6)、电机驱动器(7)、高速摄像机(8)、电机控制器(9)、加热控制器(10)、点火控制器(11)、真空泵(12)和计算机(13),其中,在密闭的腔体(2)侧面开有用于拍摄纹影图像的观察窗;4个风扇(4)按照正四面体结构对称布置在腔体(2)内;4个风扇(4)分别和4台电机(3)相连,4台电机(3)分别连接4个电机驱动器(7),4个电机驱动器(7)由同一台电机控制器(9)控制,分别驱动4台电机(3);8片陶瓷电加热片(6)紧密贴合在密闭的腔体(2)外表面,与加热控制器(10)连接;点火电极(5)分为高压电极(51)和地电极(52),两个电极分别穿过腔体(2)内部,尖端在腔体(2)正中心会合;与点火控制器(11)组成点火系统;纹影光源(1)和高速摄像机(8)分别布置在腔体(2)两侧观察窗外,纹影光源(1)产生的光正好穿过两个观察窗,最终被高速摄像机(8)接收,得到纹影图像;真空泵(12)通过管路和腔体(2)连接,用于排出腔内尾气;计算机(13)和高速摄像机(8)、电机控制器(9)、加热控制器(10)、点火控制器相连(11),计算机(13)用于发送和接收各类信息。
2.根据权利要求1所述用于液体燃料湍流火焰传播速度测量的定容燃烧弹,其特征在于,所述湍流发生系统包括一个控制器(9)、四个驱动器(7)、四台电机(3)和四个风扇(4),控制器(9)与计算机(13)相连,同时控制四个驱动器,每个驱动器各控制一台电机,每台电机的输出轴各连接一个风扇,电机和风扇安装在定容燃烧弹腔体上,四个风扇呈正四面体结构对称布置在定容燃烧弹腔体上。
3.根据权利要求1所述用于液体燃料湍流火焰传播速度测量的定容燃烧弹,其特征在于,所述加热系统包括8片陶瓷电加热片(6)、若干温度传感器(41)及两个加热控制器(10);所述陶瓷电加热片(6)分为主加热片(42)和辅助加热片(43)两组,分别由两个加热控制器(10)控制;陶瓷电加热片贴合在定容燃烧弹腔体外表各处,在避开定容燃烧弹腔体外表面各系统管路和特殊结构的同时保证加热的均匀性;加热控制器控制陶瓷加热片加热功率,使腔内混合气体的温度稳定在预设温度范围内。
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