CN112345684B - 燃烧气氛可调燃烧器及实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种燃烧气氛可调燃烧器及实验方法，属于燃料燃烧技术领域；包括燃烧室以及液体燃料进样机构、粉末燃料进样机构、粉末分散机构、块状燃料升降台、水蒸气生成装置；通过三种进料机构实现三种不同状态的燃料燃烧实验，粉末燃料进样机构内的粉末分散机构，使得硼粒子能够疏散开，并减小硼粒子的降落速度，降低空气来流对硼粒子点火和燃烧过程的影响，使得硼粒子能够在相对分散状态下实现可靠点火。通过水蒸气生成装置提供水蒸气气氛，配合湿度传感器对燃烧器内水蒸气浓度进行实时监测，可实现对燃烧器内水蒸气浓度的定量调控。燃烧器与氮气、氧气、氩气等高压气源相连，配合压强传感器的实时监测，实现燃烧器内多种气氛浓度和压强可调的目的。

Description

燃烧气氛可调燃烧器及实验方法
技术领域
本发明属于燃料燃烧技术领域，具体涉及一种燃烧气氛可调燃烧器及实验方法，能够实现液体燃料、粉末燃料和块状燃料可靠进样，并能够在高压复杂气氛下点火燃烧的燃烧器。
背景技术
固体推进剂是固体火箭发动机的能量源和工质源，为了提高固体推进剂的能量，常在固体推进剂中添加硼粉、镁粉、铝粉等金属粉末，不仅可提高推进剂的比冲和密度，还可抑制推进剂的不稳定燃烧。然而这些金属粉末点火燃烧性能差，难以实现金属粉末在推进剂中高效燃烧，因此需要深入地研究金属粉末的点火燃烧特性。同时，开展固体推进剂中黏合剂、氧化剂等其他组分的点火燃烧特性研究对推进剂配方的优化设计具有重要的指导意义。此外，航空煤油、高密度烃、煤粉等燃料的点火燃烧机理研究也可为能源的合理利用提供理论依据。
目前燃料点火方式有电弧点火法、激波管法、热点火丝法和激光点火法等。其中激光点火法是一种采用高能激光束将燃料引燃的点火方式，由于具有输出能量较高且可调、点火时间可控制、抗干扰能力强等优点而得到广泛应用。
发明专利CN110514780A公布了“一种激光点火测量气体最小点火能系统及使用方法”，该装置包括爆炸容器、制冷箱、气相色谱仪、气瓶、激光点火系统、真空泵和数据采集器等部件，所述激光点火系统中的点火装置为连续激光发生器，能够连续调节点火能量、控制点火时间和调节点火位置，从而精确地测定气体的最小点火能量。然而该发明只能用于对气体燃料的研究，使用范围较小。
发明专利CN110849471A中公布了“一种具有功率测量功能的激光点火试验台及测量方法”，该装置包括激光器、燃烧室、第一支撑板、支撑腿、激光功率计、螺钉、试件、透镜等，其中激光功率计测得了经过透镜后的激光功率，使得作用在实验样品的实际激光功率可知，达到了精准研究激光点火实验的目的。然而该试验台只能提供常压下的单一点火氛围，无法满足在多种气氛条件下研究燃料粉末点火特性的要求。
发明专利CN110333317A中公布了“一种硼粒子激光点火燃烧实验装置及实验方法”，该装置主要由燃烧室主体、石英玻璃观察窗口及压螺、激光入射窗口及压螺、进气口和排气口、密封电极、燃烧器顶板和底板、进药机构、激光挡块、石英玻璃、锗玻璃等组成，该发明采用自动进药装置使硼粒子从进药漏斗中降落后经过激光束而被点燃，相对于普遍存在的硼粒子在静态堆积状态下被点燃的静态点火方式，硼粒子可在相对分散状态下实现可靠点火，然而在实验过程中发现硼粒子在降落过程中存在结团现象，导致硼粒子团内部粒子无法与外界气氛充分接触，使得硼粒子的点火效果变差。此外，该装置无法实现燃烧气氛中水蒸气浓度的调节，不利于对硼粒子的点火和燃烧特性进行更全面、更深入的研究。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种燃烧气氛可调燃烧器及实验方法，可实现粉末燃料、液体燃料和块状燃料可靠进样和在高压复杂气氛下点火燃烧的燃烧器，解决现有技术中存在的燃料适用范围不广、气氛单一等问题。针对粉末燃料，本发明采用外部电源控制电磁铁的自动进样方式；针对块状燃料，本发明采用实验前放入的手动进样方式；针对液体燃料，本发明采用外部高压气源挤入的进样方式。完成进样后，燃料在高能激光束的加热作用下被点燃。为了改善粉末燃料的点火效果，在燃烧器内部设计粉末分散装置，使得粉末燃料在下降过程中得到充分疏散。在燃烧器侧壁设计的观察窗口可对接高速摄影仪、光谱仪等光学仪器以对燃料的点火和燃烧过程进行观测。此外，在燃烧器内腔底部设计有水蒸气生成装置，同时可通过进气口冲入氮气、氧气、氩气等高压气体，配合湿度传感器和压强传感器可实现燃烧器内腔燃烧氛围和压强的定量调节。
本发明的技术方案是：一种燃烧气氛可调燃烧器，其特征在于：包括燃烧室、液体燃料进样机构、粉末燃料进样机构、粉末分散机构、块状燃料升降台、水蒸气生成装置、石英玻璃观察窗、激光入射窗、激光挡块窗、密封电极、压强传感器接口和湿度传感器接口；所述燃烧室为中空的长方体结构，其中一对相对侧壁上各设置一个石英玻璃观察窗，另一对相对侧壁上分别设置有激光入射窗和激光挡块窗；所述压强传感器接口和湿度传感器接口均设置于燃烧室的侧壁上；
所述液体燃料进样机构同轴设置于燃烧室的顶部，包括液体燃料盛样器和单向阀，所述液体燃料盛样器上端通过螺纹与高压气源相连，下端通过螺纹与单向阀连接；所述单向阀通过设置于燃烧室的顶部的进料口与燃烧室内连通，实现液体燃料的进样；
所述粉末燃料进样机构包括盛样漏斗、转动挡板、漏斗支架、销钉、电磁铁、电磁铁支架；所述盛样漏斗通过漏斗支架固定于燃烧室顶部进料口的正下方，所述转动挡板通过销钉与漏斗支架铰接，位于盛样漏斗的下端口处；所述电磁铁通过电磁铁支架固定于转动挡板的一侧，通过电磁铁中弹簧的水平方向压力，使转动挡板紧贴盛样漏斗的下端口；
所述粉末分散机构包括阻尼玻璃、方形漏斗、钢架、环形支架；所述钢架为长方体框架结构，同轴固定于燃烧室的内底面；多个阻尼玻璃交错并向下倾斜固定于钢架相对两侧的内壁上，形成硼粒子在下落时的障碍，通过对下落硼粒子施加阻力，保证硼粒子能够疏散开；所述方形漏斗和环形支架分别同轴固定于钢架内的中部和下部、并位于阻尼玻璃的下方；
所述块状燃料升降台包括升降台和固定环，所述升降台为T形结构，其上端平板用于放置块状燃料，下端圆柱的外周面设置有外螺纹；所述固定环为开有内螺纹的圆环；所述升降台通过螺纹安装于固定环上，并通过旋转实现沿轴向的上下位移；所述固定环同轴安装于粉末分散机构的环形支架上；
所述水蒸气生成装置包括加热圈、水槽和绝缘垫槽，所述水槽通过绝缘垫槽同轴安装于燃烧室的内底面，并位于所述钢架内，所述加热圈紧贴水槽外壁；所述加热圈通过设置于燃烧室侧壁的密封电极与外部旋钮温控器相连。
本发明的进一步技术方案是：所述燃烧室包括燃烧器顶板、燃烧器主体和燃烧器底板，所述燃烧器主体包括燃烧器主体上面板、燃烧器主体侧面板、燃烧器主体下面板；四个所述燃烧器主体侧面板围城两端开口的方筒，其上端口的内周面设置有环形结构的燃烧器主体上面板，通过O型圈与所述燃烧器顶板密封连接；方筒下端口的外周面设置有环形结构的燃烧器主体下面板，通过O型圈与所述燃烧器底板密封连接；所述燃烧器主体侧面板上开有燃烧器进/排气口。
本发明的进一步技术方案是：所述燃烧器顶板中心处开有通孔，并在通孔外端面同轴固定有公螺纹接头，所述公螺纹接头通过螺纹与所述液体燃料进样机构同轴连接。
本发明的进一步技术方案是：所述阻尼玻璃的数量为三个。
本发明的进一步技术方案是：两个所述石英玻璃观察窗相对设置，均包括石英玻璃观察窗口、石英玻璃和石英玻璃观察窗口压螺，通过所述石英玻璃观察窗口压螺将石英玻璃压紧安装于石英玻璃观察窗口处；通过在石英玻璃观察窗外设置的高速相机和光谱仪探头，观察燃烧室内燃料的点火燃烧过程。
本发明的进一步技术方案是：所述激光入射窗包括激光入射窗口、激光入射窗口压螺和锗玻璃，通过所述激光入射窗口压螺将锗玻璃压紧安装于激光入射窗口处；通过在激光入射窗外设置的激光点火器和激光准直器，点燃粉末燃料的硼粒子。
本发明的进一步技术方案是：所述激光挡块窗包括激光挡块窗口、激光挡块窗口压螺和激光挡块；通过所述激光挡块窗口压螺将激光挡块压紧安装于激光挡块窗口处，保证激光挡块与所述锗玻璃相对。
一种采用燃烧气氛可调燃烧器的及实验方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1.将所述燃烧室主体与燃烧室底板间装入O型圈并用螺栓紧固；用所述加热圈紧贴水槽外壁面，将水槽置于绝缘垫槽内并一起嵌入到燃烧器内腔底端的圆形凹槽中；然后用导线将加热圈与燃烧器主体侧壁上的密封电极连接，密封电极另一端通过导线与旋钮温控器相连；
在所述粉末燃料分散机构的钢架上部凹槽内嵌入玻璃阻尼板，在焊接于钢架上的环形支架中嵌入块状燃料升降台，然后将粉末分散机构嵌入到燃烧室内腔底端的方形凹槽内；在所述燃烧器主体与燃烧器顶板之间装入O型圈并用螺钉紧固，将燃烧器顶板上端面的接头通过螺纹与液体燃料进样机构中的单向阀相连，用扳手拧紧，单向阀另一端与液体燃料盛样器之间采用螺纹连接；将相应的O型圈填入石英玻璃观察窗口、激光挡块窗口和激光入射窗口内对应的环形凹槽内，分别压入激光挡块、石英玻璃和锗玻璃并使用勾扳手旋入对应压螺、压紧。
在所述压强传感器接口放入相应的聚四氟垫片并使用扳手将压强传感器旋入、拧紧，压强传感器与板卡相连，将湿度传感器旋入燃烧室侧壁湿度传感器接口，用扳手紧固，并将湿度传感器与湿度显示仪通过导线相连；将四通接口一端与燃烧器进/排气口相连，四通接口的其他端口分别与排气阀和两个高压气源(氮气、氧气、空气等)相连；
步骤2，关闭所述燃烧器排气阀门，打开压强信号采集系统，采集燃烧室内腔压强数据，使用高压气源向燃烧室内分次冲入惰性气体，使燃烧器内部压强依次达到1MPa、2MPa、3MPa和4MPa，停止供气后保持5分钟，如果燃烧室内压强不变化，确定燃烧室气密性良好；
打开加热圈旋钮温控器加热水槽，使水槽内的水受热分别在1MPa、2MPa、3MPa和4MPa下实现沸腾，产生大量水蒸汽而充满燃烧室内腔；同时打开湿度显示仪，对燃烧器内的水蒸气浓度进行实时监测，确定水蒸气供应系统正常后，关闭加热圈控制器，打开排气阀将燃烧室内气体排出；拆卸燃烧器顶板，准备进样。
步骤3，调节激光准直器位移台上的两组微调螺钉使激光准直器出射口轴线与燃烧器激光入射窗口的中轴线重合，调节高速相机高度使镜头轴线与石英玻璃观察窗口轴线重合，在另一个观察窗外侧放置光谱仪探头；
步骤4，通过燃烧器进样机构的运行实现进样，同时打开激光点火器，为燃料的燃烧提供高温热源；触发光谱仪和高速摄影仪，观察燃料的点火燃烧过程；
步骤5，燃料燃烧结束后，保存光谱仪、高速摄影仪、压强传感器等器件记录的数据。打开排气阀门将燃烧室内气体排出，用扳手拧松燃烧室顶板上的螺钉，拆卸燃烧室顶板，清理燃烧室内腔，准备后续实验。
有益效果
本发明的有益效果在于：
本发明设计了一种燃烧氛围可调的燃烧器，该燃烧器结构集三种状态的燃料进料机构为一体，功能多元化，能够根据不同的燃料切换不同的进料机构，而不需设计多台不同的设备来满足不同状态的燃料试验，结构设计简单，易于加工，适用范围广泛且降低了实验成本。在实验过程中运行便捷，操作方便，具有以下7个优点：
1.针对粉末燃料，本发明使用外部电源来控制电磁铁的铁芯收缩使得紧贴盛样漏斗底部通孔的转动挡板转动，可实现盛样漏斗内粉末燃料的自动进样。
2.针对液体燃料，本发明使用高压气源将液体燃料通过单向阀压入燃烧器中，可实现液体燃料在燃烧器内部高压气氛条件下的可靠进样。
3.针对块状燃料的进样，本发明设计了可实现升降功能的载物台，能够根据块状燃料的尺寸和形状特征，调整燃料的空间位置，使得高能激光束能够射到块状燃料上。
4.针对硼粒子在降落过程中分散效果较差而导致硼粒子团内部粒子与外界气氛接触不充分使得粒子点火效果变差的问题，本发明设计了粉体分散机构，该机构设置有三道玻璃阻尼板。玻璃阻尼板的作用是给下落的硼粒子施加外力，从而使得硼粒子能够疏散开，同时，还可以减小硼粒子的降落速度，降低空气来流对硼粒子点火和燃烧过程的影响，使得硼粒子能够在相对分散状态下实现可靠点火。
5.本发明在燃烧器内腔底部设计了水蒸气生成装置，通过加热水槽来为燃烧器内腔提供水蒸气气氛，同时，配合湿度传感器对燃烧器内水蒸气浓度进行实时监测，可实现对燃烧器内水蒸气浓度的定量调控。
6.在燃烧器侧壁通过四通接口与氮气、氧气、氩气等高压气源相连，配合压强传感器的实时监测，可实现燃烧器内多种气氛浓度和压强可调的目的。
7.在燃烧器侧壁设计有两个观察窗口来对接光谱仪、高速摄像机等光学仪器，用于对燃料点火和燃烧过程的实时观测，可实现对燃料燃烧过程中光学信号的采集。
附图说明
图1为燃烧氛围可调的激光点火燃烧器剖面图及三维图。
图2为粉末燃料进样机构剖视图。
图3为粉体分散机构剖视图及三维图。
图4为水蒸气生成装置剖视图及三维图。
图5为液体燃料进样机构示意图。
图6为块状燃料升降台示意图。
附图标记说明：1.液体燃料进样机构；2.密封电极；3.燃烧器顶板；4.燃烧器主体上面板；5.燃烧器主体侧面板；6.粉末分散机构；7.石英玻璃观察窗口；8.石英玻璃；9.石英玻璃观察窗口压螺；10.块状燃料升降台；11.燃烧器主体下面板；12.燃烧器底板；13.压强传感器接口；14.O型圈；15.燃烧器进/排气口；16.粉末燃料进样机构；17.激光入射窗口；18激光入射窗口压螺；19.锗玻璃；20.湿度传感器接口；21.激光挡块窗口；22.激光挡块窗口压螺；23.激光挡块；24.水蒸气生成装置。16-1.盛样漏斗；16-2.转动挡板；16-3.漏斗支架；16-4.销钉；16-5.电磁铁；16-6.电磁铁支架。6-1.阻尼玻璃；6-2.方形漏斗；6-3.钢架；6-4.环形支架。24-1.加热圈；24-2.水槽；24-3.绝缘垫槽。1-1.液体燃料盛样器；1-2.单向阀。10-1.升降台；10-2.固定环。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
具体实施方式为燃烧氛围可调激光点火粉体分散燃烧装置。
参照图1～图6，本实施例中的燃烧器包括液体燃料进样机构1、密封电极2、燃烧器顶板3、燃烧器主体上面板4、燃烧器主体侧面板5、粉末分散机构6、石英玻璃观察窗口7、石英玻璃8、石英玻璃观察窗口压螺9、块状燃料升降台10、燃烧器主体下面板11、燃烧器底板12、压强传感器接口13、O型圈14、燃烧器进/排气口15、粉末燃料进样机构16、激光入射窗口17、激光入射窗口压螺18、锗玻璃19、湿度传感器接口20、激光挡块窗口21、激光挡块窗口压螺22、激光挡块23、水蒸气生成装置24。其中粉末燃料进样机构16由盛样漏斗16-1、转动挡板16-2、漏斗支架16-3、长销钉16-4、电磁铁16-5、电磁铁支架16-6。粉体分散机构6由玻璃阻尼板6-1、方形漏斗6-2、钢架6-3和环形支架6-4构成，密封电极16由导电体16-1、压线螺母16-2、平垫片16-3、电极密封套16-4、电极绝缘环16-5和紧固螺母16-6构成，水蒸气生成装置24由水槽24-1、加热圈24-2和绝缘垫槽24-3构成。液体燃料进样机构1由液体燃料盛样器1-1和单向阀1-2构成。块状燃料升降台10由升降台10-1和固定环10-2构成。
燃烧器主体侧壁5分别与燃烧器主体上顶板4、燃烧器主体下面板11、激光入射窗口17、进/排气接口15、压强传感器接口13、观察窗口7和激光挡块窗口21通过焊接固连，形成坚固的燃烧室主体。燃烧室主体与燃烧室底板12之间的环形凹槽内填入O型圈14并用螺栓紧固，在燃烧室主体上的激光入射窗口17、观察窗口7、激光挡块窗口21分别填入对应的O型圈14，然后分别压入锗玻璃19、激光挡块23和石英玻璃8，并将对应的激光挡块窗口压螺9、激光入射窗口压螺18和观察窗口压螺9旋入其中，用勾扳手压紧。
燃烧器顶板3下端面与电磁铁支架16-6、漏斗支架16-3通过焊接固连，将漏斗支架16-3和盛样漏斗16-1通过焊接固连，使盛样漏斗16-1中轴线与燃烧室垂直中心轴线重合，转动挡板16-2和漏斗支架16-3通过长销钉连接，两者可以相对转动。采用沉头螺钉将电磁铁16-5固定在电磁铁支架16-6上，使电磁铁16-5中轴线与转动挡板16-2左侧圆形凹槽轴线重合并填入其中，在电磁铁16-5弹簧力作用下，使转动挡板16-2紧贴盛样漏斗16-1下方。在燃烧器顶板3上端面的中心位置开通孔，并在通孔外侧焊接公螺纹接头，公螺纹接头与液体燃料进药机构通过螺纹紧固链接。最后将密封电极2装入燃烧器上顶板3上，将电磁铁16-5的导线与密封电极相连。
粉末分散机构中钢架6-3与方形漏斗6-2之间、钢架6-3与环形支架6-4之间通过焊接固连，在钢架上部分支架开槽并将三个玻璃阻尼板6-2分别嵌入其中，至此粉体分散机构安装完毕。在粉末分散机构的环形支架6-4中填入块状燃料升降台10。
将加热圈24-2紧贴水槽24-1外壁，在水槽24-1外壁下方设计环形凸台，用来固定加热圈24-2的位置，水槽24-1的材料采用导热性较好的铝合金。为避免在加热圈22-2工作过程中水槽24-1与燃烧器底板12接触发生触电现象，故将水槽24-1与燃烧器底板12之间放置聚四氟材质的绝缘垫槽，至此水蒸气生成装置安装完毕。将水蒸气生成装置24和装有块状燃料升降台10的粉体分散机构6依次嵌入到燃烧室底部的圆形凹槽和方形凹槽内，在燃烧器主体侧壁装入密封电极2，密封电极内侧通过导线与水蒸气生成装置的加热圈相连，外侧接温控旋钮。将压强传感器和湿度传感器分别旋入对应接口，并用扳手紧固，同时分别外接板卡和水蒸气浓度显示仪。在燃烧器主体与燃烧器上顶板3之间填入O型圈，并采用螺钉紧固。
具体实施例1：
步骤1.将燃烧室主体与燃烧室底板12间装入O型圈14并用螺栓紧固，在激光入射窗口17、石英玻璃观察窗口7和激光挡块窗口21分别填入对应的O型圈，将石英玻璃8、锗玻璃19、激光挡块23分别压入相应的窗口内，并旋入对应压螺，用勾扳手拧紧。在燃烧器侧壁5和燃烧器顶板3分别装入密封电极2，并将粉末燃料进样机构3的电磁铁16-5与燃烧器顶板3的密封电极2相连，在燃烧器顶板上端面的公螺纹处外接单向阀母螺纹，用扳手拧紧。
将四通接口旋入燃烧器进/出气口15，四通接口的其他三个出口分别接排气阀、高压氧气源和高压氮气源。在湿度传感器接口20和压强传感器接口13分别旋入堵头和压强传感器，压强传感器与板卡相连，板卡与电脑相连。在粉末分散机构6的钢架6-3的上部槽内嵌入三个阻尼玻璃片6-1，然后将粉末分散机构6置于燃烧器内腔底部方形凹槽内。使电磁铁16-5的衔铁在弹簧弹力作用下外伸抵住转动挡板16-2的左侧，使粉末燃料进样机构16的转动挡板16-2紧贴盛样漏斗16-1下方。然后将燃烧器上顶板3连同粉末燃料进样机构16采用螺钉与燃烧器主体相连，中间用O型圈密封，用扳手拧紧螺钉。
步骤2.关闭燃烧器排气阀门，打开压强信号采集系统，采集燃烧室内腔压强数据，打开连接高压氮气源的进气阀门，向燃烧室内分次冲入氮气，使燃烧器内部压强依次达到1MPa、2MPa、3MPa和4MPa，关闭减压阀和进气阀门，保持5分钟，如果燃烧室内压强不变化，确定燃烧室气密性良好，打开排气阀将燃烧室内气体排出，用扳手拧松燃烧器上顶板3上的螺钉，并将其拆卸。
具体实施例2：
步骤1.将燃烧室主体与燃烧室底板12间装入O型圈14并用螺栓紧固，在激光入射窗口17、石英玻璃观察窗口7和激光挡块窗口21分别填入对应的O型圈，将石英玻璃8、锗玻璃19、激光挡块23分别压入相应的窗口内，并旋入对应压螺，用勾扳手拧紧。在燃烧器侧壁5和燃烧器顶板3分别装入密封电极2，并将粉末燃料进样机构3的电磁铁16-5与燃烧器顶板3的密封电极2相连，在燃烧器顶板上端面的公螺纹处外接单向阀母螺纹，用扳手拧紧。
将四通接口旋入燃烧器进/出气口15，四通接口的其他三个出口分别接排气阀、高压氧气源和高压氮气源。在湿度传感器接口20和压强传感器接口13分别旋入堵头和压强传感器，压强传感器与板卡相连，板卡与电脑相连。在粉末分散机构6的钢架6-3的上部槽内嵌入三个阻尼玻璃片6-1，然后将粉末分散机构6置于燃烧器内腔底部方形凹槽内。使电磁铁16-5的衔铁在弹簧弹力作用下外伸抵住转动挡板16-2的左侧，使粉末燃料进样机构16的转动挡板16-2紧贴盛样漏斗16-1下方。
步骤2.称量0.2g硼粉，放置于粉末燃料进样机构16的盛样漏斗16-1内，然后将燃烧器上顶板3连同粉末燃料进样机构16采用螺钉与燃烧器主体相连，中间用O型圈密封，用扳手拧紧螺钉。将燃烧器上顶板3上的密封电极2外侧与稳压电源相连。
步骤3.调节激光发生器支架上的两组微调螺钉使激光发生器本身精确水平并使激光发生器出射口轴线与燃烧器激光入射窗口17的中轴线重合，调节高速相机高度使镜头轴线与石英玻璃观察窗口7轴线重合，在另一个石英玻璃观察窗7外侧放置光谱仪探头。
步骤4.打开压强采集系统，采用高压氮气源和高压氧气源向燃烧器内通入1MPa的氮气和0.5MPa的氧气，然后等待五分钟后通过压强采集系统观察燃烧器内压强稳定，确定此时气密性良好。触发稳压电源，粉末燃料进样机构16中的电磁铁16-5收缩，转动挡板16-2转动，硼粒子降落，紧接着打开激光点火器，同时触发光谱仪和高速相机。硼粒子经过粉末分散装置6后，与激光束接触而被点燃。此时光谱仪采集到硼粒子的燃烧光谱，高速相机拍摄到硼粒子的火焰结构。
步骤5.关闭稳压电源，激光发生器、高速相机和光谱仪停止工作，打开排气阀门将燃烧室内气体排出，用扳手拧松燃烧室顶板1上的螺钉，拆卸燃烧室顶板1，清理盛样漏斗12-1和燃烧室内腔，准备后续实验。
具体实施例3：
步骤1.将燃烧室主体与燃烧室底板12间装入O型圈14并用螺栓紧固，在激光入射窗口17、石英玻璃观察窗口7和激光挡块窗口21分别填入对应的O型圈，将石英玻璃8、锗玻璃19、激光挡块23分别压入相应的窗口内，并旋入对应压螺，用勾扳手拧紧。在燃烧器侧壁5和燃烧器顶板3分别装入密封电极2，并将粉末燃料进样机构3的电磁铁16-5与燃烧器顶板3的密封电极2相连，在燃烧器顶板上端面的公螺纹处外接单向阀母螺纹，用扳手拧紧。
将四通接口旋入燃烧器进/出气口15，四通接口的其他三个出口分别接排气阀、高压氧气源和高压氮气源。在湿度传感器接口20和压强传感器接口13分别旋入堵头和压强传感器，压强传感器与板卡相连，板卡与电脑相连。将没有装玻璃阻尼板6-1的粉末分散机构6填入到燃烧器内腔底部的方形凹槽内。
在粉末燃料进样机构中，使转动挡板顺时针转动90°，然后使电磁铁16-5的衔铁在弹簧弹力作用下外伸顶在转动挡板16-2的直角处，使得降落的液体燃料不会受转动挡板16-2的影响，直接顺畅地通过粉末燃料进样机构16的盛样漏斗16-1的底孔。然后将燃烧器上顶板3连同粉末燃料进样机构16采用螺钉与燃烧器主体相连，中间用O型圈密封，用扳手拧紧螺钉。
步骤2：将液体燃料进样机构1的液体盛样器1-1与单向阀1-2相连，并用扳手拧紧，在液体盛样器1-2中加入少量液体燃料，然后将液体盛样器1-1的公螺纹接头与高压氮气源相连。
步骤3.调节激光发生器支架上的两组微调螺钉使激光发生器本身精确水平并使激光发生器出射口轴线与燃烧器激光入射窗口17的中轴线重合，调节高速相机高度使镜头轴线与石英玻璃观察窗口7轴线重合，在另一个石英玻璃观察窗7外侧放置光谱仪探头。
步骤4.打开压强采集系统，采用高压氮气源和高压氧气源向燃烧器内通入1.5MPa的氮气和0.5MPa的氧气，然后等待五分钟后通过压强采集系统观察燃烧器内压强稳定，确定此时气密性良好。使用高压氮气源迅速向液体燃料进样机构1中冲入少量氮气，所冲入氮气的压力大于2MPa，此时液体燃料进样机构中的液体燃料被外加气压挤入燃烧室内。紧接着打开激光点火器，同时触发光谱仪和高速相机。液体燃料经过粉末分散装置6中的方形漏斗6-2后，与激光束接触而被点燃。此时光谱仪采集到液体燃料的燃烧光谱，高速相机拍摄到液体燃料的火焰结构。
步骤5.激光发生器、高速相机和光谱仪停止工作后，打开排气阀门将燃烧室内气体排出，用扳手拧松燃烧室顶板1上的螺钉，拆卸燃烧室顶板1，清理盛样漏斗12-1和燃烧室内腔，准备后续实验。
具体实施例4：
步骤1.将燃烧室主体与燃烧室底板12间装入O型圈14并用螺栓紧固，在激光入射窗口17、石英玻璃观察窗口7和激光挡块窗口21分别填入对应的O型圈，将石英玻璃8、锗玻璃19、激光挡块23分别压入相应的窗口内，并旋入对应压螺，用勾扳手拧紧。在燃烧器侧壁5和燃烧器顶板3分别装入密封电极2，并将粉末燃料进样机构3的电磁铁16-5与燃烧器顶板3的密封电极2相连，在燃烧器顶板上端面的公螺纹处外接单向阀母螺纹，用扳手拧紧。
将四通接口旋入燃烧器进/出气口15，四通接口的其他三个出口分别接排气阀、高压氧气源和高压氮气源。在湿度传感器接口20和压强传感器接口13分别旋入堵头和压强传感器，压强传感器与板卡相连，板卡与电脑相连。
步骤2.在燃烧器内腔底端的圆形凹槽内填入水蒸气生成装置24，水蒸气生成装置24盛有200mL水，水蒸气生成装置24的加热圈24-2与燃烧器侧壁的密封电极2通过导线相连，密封电极另一端外接温控旋钮。
步骤3.在粉末分散装置6的圆形支架6-4上装入块状燃料升降台10，将块状燃料放置于块状燃料升降台10上，调节升降台10-1高度及块状燃料的位置，确保激光束可以打到块状燃料上，采用胶带将块状燃料固定。然后将粉末分散机构6填入燃烧器内腔底端的方形凹槽内，将燃烧器上顶板3连同粉末燃料进样机构16采用螺钉与燃烧器主体相连，中间用O型圈密封，用扳手拧紧螺钉。
步骤4.调节激光发生器支架上的两组微调螺钉使激光发生器本身精确水平并使激光发生器出射口轴线与燃烧器激光入射窗口17的中轴线重合，调节高速相机高度使镜头轴线与石英玻璃观察窗口7轴线重合，在另一个石英玻璃观察窗7外侧放置光谱仪探头。
步骤5.打开压强采集系统，采用高压氮气源和高压氧气源向燃烧器内通入1MPa的氮气和0.5MPa的氧气，然后等待五分钟后通过压强采集系统观察燃烧器内压强稳定，确定此时气密性良好。然后控制温控旋钮给水蒸气生成装置中的水加热，为燃烧器内腔提供水蒸气，当观察到湿度显示仪示数为20％时，迅速打开激光点火器，同时触发光谱仪和高速相机。块状燃料与激光束接触而被点燃。此时光谱仪采集到块状燃料的燃烧光谱，高速相机拍摄到块状燃料燃烧的火焰结构。
步骤6.关闭稳压电源，激光发生器、高速相机和光谱仪停止工作，打开排气阀门将燃烧室内气体排出，用扳手拧松燃烧室顶板1上的螺钉，拆卸燃烧室顶板1，清理盛样漏斗12-1和燃烧室内腔，准备后续实验。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种燃烧气氛可调燃烧器，其特征在于：包括燃烧室、液体燃料进样机构、粉末燃料进样机构、粉末分散机构、块状燃料升降台、水蒸气生成装置、石英玻璃观察窗、激光入射窗、激光挡块窗、密封电极、压强传感器接口和湿度传感器接口；所述燃烧室为中空的长方体结构，其中一对相对侧壁上各设置一个石英玻璃观察窗，另一对相对侧壁上分别设置有激光入射窗和激光挡块窗；所述压强传感器接口和湿度传感器接口均设置于燃烧室的侧壁上；
所述液体燃料进样机构同轴设置于燃烧室的顶部，包括液体燃料盛样器和单向阀，所述液体燃料盛样器上端通过螺纹与高压气源相连，下端通过螺纹与单向阀连接；所述单向阀通过设置于燃烧室的顶部的进料口与燃烧室内连通，实现液体燃料的进样；
所述粉末燃料进样机构包括盛样漏斗、转动挡板、漏斗支架、销钉、电磁铁、电磁铁支架；所述盛样漏斗通过漏斗支架固定于燃烧室顶部进料口的正下方，所述转动挡板通过销钉与漏斗支架铰接，位于盛样漏斗的下端口处；所述电磁铁通过电磁铁支架固定于转动挡板的一侧，通过电磁铁中弹簧的水平方向压力，使转动挡板紧贴盛样漏斗的下端口；
所述粉末分散机构包括阻尼玻璃、方形漏斗、钢架、环形支架；所述钢架为长方体框架结构，同轴固定于燃烧室的内底面；多个阻尼玻璃交错并向下倾斜固定于钢架相对两侧的内壁上，形成硼粒子在下落时的障碍，通过对下落硼粒子施加阻力，保证硼粒子能够疏散开；所述方形漏斗同轴固定于钢架的中部，环形支架同轴固定于钢架的下部、并位于阻尼玻璃的下方；
所述块状燃料升降台包括升降台和固定环，所述升降台为T形结构，其上端平板用于放置块状燃料，下端圆柱的外周面设置有外螺纹；所述固定环为开有内螺纹的圆环；所述升降台通过螺纹安装于固定环上，并通过旋转实现沿轴向的上下位移；所述固定环同轴安装于粉末分散机构的环形支架上；
所述水蒸气生成装置包括加热圈、水槽和绝缘垫槽，所述水槽通过绝缘垫槽同轴安装于燃烧室的内底面，并位于所述钢架内，所述加热圈紧贴水槽外壁；所述加热圈通过设置于燃烧室侧壁的密封电极与外部旋钮温控器相连。
2.根据权利要求1所述燃烧气氛可调燃烧器，其特征在于：所述燃烧室包括燃烧器顶板、燃烧器主体和燃烧器底板，所述燃烧器主体包括燃烧器主体上面板、燃烧器主体侧面板、燃烧器主体下面板；四个所述燃烧器主体侧面板围城两端开口的方筒，其上端口的内周面设置有环形结构的燃烧器主体上面板，通过O型圈与所述燃烧器顶板密封连接；方筒下端口的外周面设置有环形结构的燃烧器主体下面板，通过O型圈与所述燃烧器底板密封连接；所述燃烧器主体侧面板上开有燃烧器进/排气口。
3.根据权利要求2所述燃烧气氛可调燃烧器，其特征在于：所述燃烧器顶板中心处开有通孔，并在通孔外端面同轴固定有公螺纹接头，所述公螺纹接头通过螺纹与所述液体燃料进样机构同轴连接。
4.根据权利要求1所述燃烧气氛可调燃烧器，其特征在于：所述阻尼玻璃的数量为三个。
5.根据权利要求1所述燃烧气氛可调燃烧器，其特征在于：两个所述石英玻璃观察窗相对设置，均包括石英玻璃观察窗口、石英玻璃和石英玻璃观察窗口压螺，通过所述石英玻璃观察窗口压螺将石英玻璃压紧安装于石英玻璃观察窗口处；通过在石英玻璃观察窗外设置的高速相机和光谱仪探头，观察燃烧室内燃料的点火燃烧过程。
6.根据权利要求1所述燃烧气氛可调燃烧器，其特征在于：所述激光入射窗包括激光入射窗口、激光入射窗口压螺和锗玻璃，通过所述激光入射窗口压螺将锗玻璃压紧安装于激光入射窗口处；通过在激光入射窗外设置的激光点火器和激光准直器，点燃粉末燃料的硼粒子。
7.根据权利要求6所述燃烧气氛可调燃烧器，其特征在于：所述激光挡块窗包括激光挡块窗口、激光挡块窗口压螺和激光挡块；通过所述激光挡块窗口压螺将激光挡块压紧安装于激光挡块窗口处，保证激光挡块与所述锗玻璃相对。
8.一种权利要求1所述燃烧气氛可调燃烧器的实验方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1.将所述燃烧室主体与燃烧室底板间装入O型圈并用螺栓紧固；用所述加热圈紧贴水槽外壁面，将水槽置于绝缘垫槽内并一起嵌入到燃烧器内腔底端的圆形凹槽中；然后用导线将加热圈与燃烧器主体侧壁上的密封电极连接，密封电极另一端通过导线与旋钮温控器相连；
在所述粉末燃料分散机构的钢架上部凹槽内嵌入玻璃阻尼板，在焊接于钢架上的环形支架中嵌入块状燃料升降台，然后将粉末分散机构嵌入到燃烧室内腔底端的方形凹槽内；在所述燃烧器主体与燃烧器顶板之间装入O型圈并用螺钉紧固，将燃烧器顶板上端面的接头通过螺纹与液体燃料进样机构中的单向阀相连，用扳手拧紧，单向阀另一端与液体燃料盛样器之间采用螺纹连接；将相应的O型圈填入石英玻璃观察窗口、激光挡块窗口和激光入射窗口内对应的环形凹槽内，分别压入激光挡块、石英玻璃和锗玻璃并使用勾扳手旋入对应压螺、压紧；
在所述压强传感器接口放入相应的聚四氟垫片并使用扳手将压强传感器旋入、拧紧，压强传感器与板卡相连，将湿度传感器旋入燃烧室侧壁湿度传感器接口，用扳手紧固，并将湿度传感器与湿度显示仪通过导线相连；将四通接口一端与燃烧器进/排气口相连，四通接口的其他端口分别与排气阀和两个高压气源相连；
步骤2，关闭所述燃烧器排气阀门，打开压强信号采集系统，采集燃烧室内腔压强数据，使用高压气源向燃烧室内分次冲入惰性气体，使燃烧器内部压强依次达到1MPa、2MPa、3MPa和4MPa，停止供气后保持5分钟，如果燃烧室内压强不变化，确定燃烧室气密性良好；
打开加热圈旋钮温控器加热水槽，使水槽内的水受热分别在1MPa、2MPa、3MPa和4MPa下实现沸腾，产生大量水蒸汽而充满燃烧室内腔；同时打开湿度显示仪，对燃烧器内的水蒸气浓度进行实时监测，确定水蒸气供应系统正常后，关闭加热圈控制器，打开排气阀将燃烧室内气体排出；拆卸燃烧器顶板，准备进样；
步骤3，调节激光准直器位移台上的两组微调螺钉使激光准直器出射口轴线与燃烧器激光入射窗口的中轴线重合，调节高速相机高度使镜头轴线与石英玻璃观察窗口轴线重合，在另一个观察窗外侧放置光谱仪探头；
步骤4，通过燃烧器进样机构的运行实现进样，同时打开激光点火器，为燃料的燃烧提供高温热源；触发光谱仪和高速摄影仪，观察燃料的点火燃烧过程；
步骤5，燃料燃烧结束后，保存光谱仪、高速摄影仪、压强传感器记录的数据；打开排气阀门将燃烧室内气体排出，用扳手拧松燃烧室顶板上的螺钉，拆卸燃烧室顶板，清理燃烧室内腔，准备后续实验。
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