CN112254127B - 一种外加电场对平板狭缝中火焰稳燃效果测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外加电场对平板狭缝中火焰稳燃效果测试系统及方法，所述测试系统包括：供气系统，燃烧系统，电源系统和拍摄系统。燃气和空气从高压气瓶排出，经流量计调节后，在预混室中均匀混合，混合气送入出口位于平板狭缝正中间的陶瓷管燃烧器中点燃，形成微小火焰。平板狭缝间距的精确调节通过螺旋测微仪，大等腰直角三角滑块，两小方形滑块，L型平板以及其连接的两石英平板的同步联动来实现。同时，通过调节高压电源对平板狭缝中的火焰施加不同电场，并利用高速相机记录火焰燃烧状态的变化，从而得到外加电场对平板狭缝中火焰的稳燃效果。本发明可以测试外加电场对平板狭缝中火焰稳定性的影响效果，提出一种新型的微小空间火焰稳燃方法。

Description

一种外加电场对平板狭缝中火焰稳燃效果测试系统及方法

技术领域

本发明涉及一种外加电场对平板狭缝中火焰稳燃效果测试系统及方法，属于微小燃烧装置稳燃领域。

背景技术

高能量，小体积的便携式机械设备和电子设备逐渐成为动力领域的热门发展方向。目前，新型的微型设备主要依靠化学电池提供能量，但是化学电池的能量密度普遍较低，即使最先进的锂离子电池也很难满足这些新型高功率微设备的长时间及高效运行需求，微型机电系统的性能提升和推广应用因此受到了很大的制约和限制。寻找和开发体积小、重量轻、能量密度高的微能源动力供给设备成为各国发展高精尖微型设备的迫切需求。基于微小空间燃烧的微小能源动力系统具有比传统锂电子至少高一个数量级的能量密度，因而微小尺度燃烧技术及其在微能源领域的应用得到广泛关注。但相比于宏观大尺度的燃烧，在微小尺度空间中组织实现火焰的稳定燃烧，会遇到很多新的挑战。首先，随着燃烧器尺寸的减小，燃料在燃烧室的停留时间大幅缩短，很容易发生不完全燃烧现象，引起燃烧效率降低，放热密度减小，导致燃烧不稳定。其次，微型燃烧器面积体积比的提升使得燃烧室壁面热损失增大，从而引发火焰的不稳定，甚至常常出现淬熄现象。此外，由于微尺度燃烧器的空间狭小，无处容纳回流区，因而没有稳定的点火源。微尺度流体的特点在于湍动度低，火焰面光滑。燃烧器可通过其表面特性影响了火焰表面的伸展过程，由于管壁约束影响火焰形状，且没有回流区，随流量变动的火焰稳定性差，容易吹脱。

针对上述微型燃烧器燃烧不稳定现象，采用的稳燃方法主要有以下几种：1. 改变微型燃烧器内部结构，添加支板，稳燃锥，多孔介质等稳燃装置，加强燃料与空气的混合并延长燃料的停留时间；2. 利用高效回热技术来降低热损失，同时预热新鲜预混气体；3. 通过外加热源提高燃烧器壁面温度，进而拓宽稳燃极限和减小淬熄直径；4. 催化燃烧技术，通过在微型燃烧器内壁添加催化涂层来加强燃烧反应，从而实现稳燃效果。上述稳燃方法基本都是借鉴传统宏观燃烧设备的稳燃方法，其中，在微小的空间中添加稳燃装置，布局较为困难；外热源加热壁面对实际运行中工况改变响应速度慢，无法及时调整；催化壁面在高温条件下，运行寿命较短，容易失效。总之，这些方法都是基于传统的火焰热化学反应特性展开的且存在一定的缺陷。

近年来，大量的学者开始关注到火焰的弱等离子体特性，基于火焰弱等离子体特性进行火焰诊断和控制的研究也越来越多。利用外加电场方法引入新的物理作用过程来加强微型燃烧器燃烧的稳定性作为一种潜在的新型稳燃方法，具有十分可观的应用前景。

发明内容

鉴于微型燃烧装置容易发生燃烧不稳定现象，本发明提供了一种外加电场对平板狭缝中火焰稳燃效果测试系统及方法，通过对不同电场作用下平板狭缝中火焰稳定性的测试和记录，提出一种新颖的微小空间燃烧稳燃方法。

本发明是基于碳氢燃料火焰中存在一定数量的正、负带电离子，具有一定的弱等离子体物理特性。当在火焰两端施加外加电场时，外加电场会通过产生离子风，增加热效应及改变化学反应等方式影响碳氢火焰的燃烧特性，从而实现微小空间的火焰稳燃。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种外加电场对平板狭缝中火焰稳燃效果测试系统，包括：供气系统、燃烧系统，电源系统，拍摄系统。供气系统由高压气瓶，流量计及预混室组成。燃烧系统包含陶瓷管燃烧器，圆木卡座及间距可调型平板狭缝装置，平板狭缝装置由平板底座，高支板及对应长导轨和配套两小方形滑块，矮支板及对应短导轨和大等腰直角三角滑块，螺旋测微仪及其支架，两方形石英平板及两对应L型支板，304不锈钢小拉簧组成。电源系统由上铜板电极，下铜板电极，高压电源及示波器组成。拍摄系统由高速相机组成。整套测试系统中，燃气与空气从高压气瓶中出来经流量计控制进入预混室混合，预混室与陶瓷管燃烧器相连。陶瓷管燃烧器由圆木卡座支撑，置于由两方形石英平板形成的平板狭缝正中间，混合气在陶瓷管出口处被点燃。两方形石英平板与L型支板相连，304不锈钢小拉簧两端固定在两L型支板上，由L型支板与两小方形滑块相连，方形滑块安装在由高支板支撑的长导轨上，并与大等腰直角三角滑块前端接触，大等腰直角三角滑块前端置于两小方形滑块之间，后端安装在由矮支板支撑的短导轨上。同时，大等腰直角三角滑块后端与螺旋测微仪接触，这样，通过旋转螺旋测微仪就可以实现两石英平板之间狭缝间距的精细化调节。电源系统中的两铜板电极分别位于平板狭缝的上、下端，通过导线与电源的高压端和地端相连，示波器也与电源两端相连接来实时检测输出电压。拍摄系统中的高速相机记录了不同工况下平板狭缝中的火焰燃烧状态。

一种利用上述测试系统的测试外加电场稳燃效果的方法，包括如下步骤：

燃气和空气从高压气瓶中排出，经过相应的流量计后，在预混室中混合均匀，然后送入陶瓷管燃烧器中点燃。燃烧的火焰位于平板狭缝正中间，通过调节螺旋测微仪带动大等腰直角三角滑块前后移动，大等腰直角三角滑块前端为等腰直角三角形，与两小方形滑块接触，大等腰直角三角滑块会带动两小方形滑块水平移动，小方形滑块的移动会带动固定在其上的L型平板同步移动，进而带动两石英平板平移，从而实现平板狭缝间距的精确调节。同时，在每一个固定间距条件下，通过调节外加电源，对平板狭缝中的火焰施加不同电场，利用拍摄系统的高速相机记录火焰的燃烧状态，从而得到外加电场对平板狭缝中火焰的稳燃效果。

本发明具有如下优点：

1、可以实现平板狭缝间距连续精细化（精度0.01mm）调节。

2、可以实现不同外加电场作用下平板狭缝中火焰稳定性的直观连续观察。

3、可以获得实现平板狭缝中火焰稳燃的合适外加电场工况范围。

附图说明

图1是本发明的总体系统图。

图2是本发明的平板狭缝燃烧装置的俯视图。

图3是本发明的平板狭缝燃烧装置的侧视图。

附图标记说明：1、燃气高压气瓶，2、空气高压气瓶，3、燃气流量计，4、空气流量计，5、预混室，6、陶瓷管燃烧器，7、圆木卡座，8、底座，9、高支板，10、矮支板，11、长导轨，12、短导轨，13、304不锈钢小拉簧，14、小方形滑块，15、L型支板，16、石英平板，17、大三角滑块，18、螺旋测微仪支架，19、螺旋测微仪，20、上铜板电极，21、下铜板电极，22、高压电源，23、示波器，24、高速相机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的思想和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1-图3所示，本发明的微小空间外加电场稳燃效果测试系统包括：燃气高压气瓶（1）空气高压气瓶（2）燃气流量计（3）空气流量计（4）预混室（5）陶瓷管燃烧器（6）圆木卡座（7）底座（8）高支板（9）矮支板（10）长导轨（11）短导轨（12）304不锈钢小拉簧（13）小方形滑块（14）L型支板（15）石英平板（16）大等腰直角三角滑块（17）螺旋测微仪支架（18）螺旋测微仪（19）上铜板电极（20）下铜板电极（21）高压电源（22）示波器（23）高速相机（24）。

燃气高压气瓶（1）空气高压气瓶（2）是燃料和氧化剂气源；燃气流量计（3）和空气流量计（4）用来控制燃料和空气的流量和比例；预混室（5）用来将燃料与空气充分混合；陶瓷管燃烧器（6）置于平板狭缝中间用来形成微小火焰；圆木卡座（7）用来固定陶瓷管燃烧器（6）；底座（8）用来支撑整个平板狭缝燃烧装置；高支板（9）用来支撑固定长导轨（11）；矮支板（10）用来支撑和固定短导轨（12）；长导轨（11）安装在高支板（9）上，是小方形滑块（14）的配套轨道；短导轨（12）安装在矮支板（10）上，是大等腰直角三角滑块（17）的配套轨道；304不锈钢小拉簧（13）在两小方形滑块（14）在平板狭缝间距需要扩大的时候可以拉伸，需要缩小的时候可以自动恢复；小方形滑块（14）配套安装在长导轨（11）上用来固定L型支板（15），同时受304不锈钢小拉簧（13）及大等腰直角三角滑块（17）约束，可以沿长导轨（11）方向实现滑动的配件，是带动平板间距变化的重要配件；L型支板（15）用来连接小方形滑块（14）和石英平板（16）；石英平板（16）用来形成平板狭缝空间；大大等腰直角三角滑块（17）是配套安装在短导轨（12）上，传导螺旋测微仪（19）调距信号到小方形滑块（14）的中间关键设备；螺旋测微仪支架（18）是固定在矮支板（10）上，中间有通孔用来固定螺旋测微仪（19）的配件；螺旋测微仪（19）用来精确控制平板狭缝间距，是本系统调节平板狭缝间距的终极配件；上铜板电极（20）和下铜板电极（21）分别置于平板狭缝上下两端，与高压电源相连，用来在平板狭缝之间形成电场；高压电源（22）用来提供外加电场；示波器（23）用来检测高压电源（22）的输出电压；高速相机（24）用来拍摄不同工况下平板狭缝中的火焰形态。

燃气和空气分别从燃气高压气瓶（1）和空气高压气瓶（2）排出，经过节流阀及对应的燃气流量计（3）和空气流量计（4）调节后，在预混室（5）中充分均匀混合，然后通过管路送入陶瓷管燃烧器（6）中点燃。燃烧的火焰位于两平行石英平板（16）形成的平板狭缝正中间，通过调节螺旋测微仪（19）带动大等腰直角三角滑块（17）在短导轨（12）上前后移动，大等腰直角三角滑块（17）前端为等腰直角三角形，置于两小方形滑块（14）之间，与两小方形滑块（14）刚性接触，大等腰直角三角滑块（17）的前后移动会带动两小方形滑块（14）在长导轨（11）上水平移动，小方形滑块（14）的移动会带动固定在其上的L型平板（15）同步移动以及304不锈钢小拉簧（13）的拉伸和收缩，进而带动两石英平板（16）平移，从而实现平板狭缝间距的精确调节。同时，在每一个固定间距条件下，通过调节高压电源（22），并通过示波器（23）检测，对平板狭缝中的火焰施加不同电场，利用拍摄系统的高速相机（24）记录火焰的燃烧状态，从而得到外加电场对平板狭缝中火焰的稳燃效果。

Claims (5)

1.一种外加电场对平板狭缝中火焰稳燃效果测试系统，包括供气系统，燃烧系统，电源系统以及拍摄系统：供气系统由高压燃气气瓶（1），高压空气气瓶（2），燃气流量计（3），空气流量计（4）及预混室（5）组成；燃烧系统包含陶瓷管燃烧器（6），圆木卡座（7）及间距可调型平板狭缝装置，平板狭缝装置由平板底座（8），高支板（9）及安装其上的长导轨（11）和配套的两小方形滑块（14），矮支板（10）及安装其上的短导轨（12）和配套的大等腰直角三角滑块（17），螺旋测微仪（19）及其支架（18），两L型支板（15）及安装其上的两方形石英平板（16），304不锈钢小拉簧（13）组成；电源系统由上铜板电极（20），下铜板电极（21），高压电源（22）及示波器（23）组成；拍摄系统由高速相机（24）组成。

2.根据权利要求1所述的外加电场对平板狭缝中火焰稳燃效果测试系统，其特征在于：燃气与空气分别从高压气瓶（1）（2）中排出，经流量计（3）（4）控制进入预混室（5）混合，预混室（5）与陶瓷管燃烧器（6）相连；陶瓷管燃烧器（6）由圆木卡座（7）支撑，置于由两方形石英平板（16）形成的平板狭缝正中间，两方形石英平板（16）与L型支板（15）相连；L型支板（15）与两小方形滑块（14）相接触，小方形滑块（14）安装在由高支板（9）支撑的长导轨（11）上，并与大等腰直角三角滑块（17）前端刚性接触；大等腰直角三角滑块（17）前端置于两小方形滑块（14）之间，后端安装在由矮支板（10）支撑的短导轨（12）上；大等腰直角三角滑块（17）后端与螺旋测微仪（19）刚性接触，通过旋转螺旋测微仪（19），经过一系列机械传导，实现两石英平板（16）之间狭缝间距的精细化调节；上、下铜板电极（20）（21）置于平板狭缝上下两端，与高压电源（22）相连，在平板狭缝之间形成外加电场；示波器（23）用来检测输出电压，高速相机（24）记录外加电场作用下平板狭缝中火焰稳定性的变化规律。

3.根据权利要求1所述的外加电场对平板狭缝中火焰稳燃效果测试系统，其特征在于：构成平板狭缝的两石英平板（16）固定在两L型支板（15）上，两L型支板（15）固定在两方形滑块（14）上且由一条304不锈钢小拉簧（13）连接，两方形滑块（14）与一大等腰直角三角形滑块（17）刚性接触，大等腰直角三角滑块（17）与螺旋测微仪（19）刚性接触，实现精度为0.01mm的微小间距的精确调节。

4.根据权利要求1所述的外加电场对平板狭缝中火焰稳燃效果测试系统，其特征在于所述两铜板电极（20）（21）安置在两石英平板（16）形成的狭缝上下两端，并分别与高压电源（22）的高压端及地端相连接，通过改变接线方式及更换电源实现施加不同形式的电场。

5.根据权利要求1所述的外加电场对平板狭缝中火焰稳燃效果测试系统，其特征在于测试方法步骤为：燃气和空气从高压气瓶（1）（2）中排出，经过对应的流量计（3）（4）后，在预混室（5）中混合均匀，然后送入陶瓷管燃烧器（6）中点燃；燃烧的火焰位于平板狭缝正中间，通过调节螺旋测微仪（19）带动大等腰直角三角滑块（17）前后移动，大等腰直角三角滑块（17）与两小方形滑块（14）刚性接触，大等腰直角三角滑块（17）会带动两小方形滑块（14）水平移动，小方形滑块（14）的移动会带动固定在其上的L型支板（15）同步移动，进而带动两石英平板（16）平移，实现平板狭缝间距的精确调节；在每一个固定间距条件下，通过调节高压电源（22），对平板狭缝中的火焰施加不同场强的电场，利用拍摄系统的高速相机（24）记录各个工况下火焰的燃烧状态，从而得到外加电场对平板狭缝中火焰的稳燃效果。

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