CN113531582A - 可调节气氛的多模式金属燃料颗粒点火燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种可调节气氛的多模式金属燃料颗粒点火燃烧装置。该装置包括：点火模块、气氛调节模块、燃烧诊断模块以及控制采集模块。本申请利用点火模块中的激光室调节激光点火器出射光源的方向以配合相应的开孔石英管，实现动态点火或静态点火。石英管的开孔与气氛调节模块连通，能够由气氛调节模块调节点火状态下的气体种类和流量。本申请能够通过控制采集模块调节点火模块、气氛调节模块和燃烧诊断模块的参数，精确调节激光点火器功率和出射时间，并能根据需求实现样品在不同的加热功率下点火燃烧，实现对不同点火状态的模拟，并准确记录点火过程的视频图像以及光谱数据，为金属燃料颗粒燃烧特性的分析提供多角度的实验依据。

Description

可调节气氛的多模式金属燃料颗粒点火燃烧装置

技术领域

本申请涉及金属燃料技术领域，具体而言涉及一种可调节气氛的多模式金属燃料颗粒点火燃烧装置。

背景技术

金属燃料颗粒的热值高，有利于增大固体推进剂的能量密度，且其燃烧产物能够抑制发动机中的不稳定燃烧，因此，金属燃料已成为化学固体火箭推进剂配方中重要的组分之一。为实现金属燃料颗粒在实际应用中的充分燃烧和释能，需要对其点火燃烧特性进行研究，以便科学地设计推进剂配方和发动机结构。

金属燃料颗粒燃烧包含复杂的化学反应、多相流动、传热传质过程，且其在火箭发动机中的实际点火燃烧过程是在流动状态下进行的。现有的金属燃料颗粒点火燃烧装置通常只能进行静止点火试验或流动态点火试验，其实验模式单一，不利于全面深入研究金属燃料颗粒的点火燃烧特性。

发明内容

本申请针对现有技术的不足，提供一种可调节气氛的多模式金属燃料颗粒点火燃烧装置，本申请可进行静态以及流动态点火模式的切换，同时还可以调节点火燃烧的环境气氛，为研究提供了极大的便利，有助于科研人员更准确的探索金属燃料颗粒的点火燃烧和能量释放特性，促进其作为航天固体推进剂燃料的应用。本申请具体采用如下技术方案。

首先，为实现上述目的，提出一种可调节气氛的多模式金属燃料颗粒点火燃烧装置，其包括：点火模块，其包括激光点火器，设置在激光点火器端部的激光室，以及设置在激光室中激光出射口对侧的开孔石英管，激光点火器产生激光，激光室利用其内部的光路调节机构调节激光方向并按照点火模式要求将激光通过激光出射口射入至开孔石英管的开孔内，点燃开孔石英管中的金属燃料颗粒；

气氛调节模块，其连接开孔石英管的一端，向开孔石英管内输出气源气体与金属燃料颗粒的掺混物；

燃烧诊断模块，其设置在开孔石英管的一侧，包括高速摄影仪和光纤光谱仪，用于对开孔石英管内金属燃料颗粒的点火燃烧过程进行在线拍摄和光谱采集；

控制采集模块，其连接所述燃烧诊断模块和激光点火器，用于设置燃烧诊断模块的采集参数和激光点火器的激光参数，接收高速摄影仪所拍摄的视频图像以及光纤光谱仪所采集的光谱数据。

可选的，如上任一所述的可调节气氛的多模式金属燃料颗粒点火燃烧装置，其开孔石英管包括两种：配合于静态点火模式的静态石英管，其沿轴向开设有进料孔，所述进料孔内设置有钨舟，所述静态石英管的管壁还在正对钨舟上方的位置开设有贯通孔以供激光射入，点燃管内气源气体与金属燃料颗粒的掺混物；配合于动态点火模式的动态石英管，其沿轴向开设有进料孔，所述动态石英管的管壁中部两侧还相对设置有贯通孔，激光由其中一侧的贯通孔射入，由另一侧的贯通孔射出，并在动态石英管的进料孔内点燃管内气源气体与金属燃料颗粒的掺混物。

可选的，如上任一所述的可调节气氛的多模式金属燃料颗粒点火燃烧装置，其激光室内部的光路调节机构包括：旋动装置，其可转动地连接在激光点火器的出射端；第一反光镜，其固定安装在旋动装置内，随旋动装置同步转动，所述第一反光镜与激光点火器的出射光线之间形成45°夹角；激光垂直出射口，其设置在激光室的一侧，用于在旋动装置转动至第一角度位置时，供第一反光镜所反射的光线射出；第二反光镜，其固定安装在激光室的中部，在旋动装置转动至第二角度位置时，第二反光镜与第一反光镜之间形成90度夹角，第二反光镜接收并反射第一反光镜的反射光线；第三反光镜，其固定安装在激光室的中部，且与第二反光镜相互平行，在旋动装置转动至第二角度位置时，第三反光镜接收并反射第二反光镜的反射光线；激光水平出射口，其设置在激光室的另一侧，用于在旋动装置转动至第二角度位置时，供第三反光镜所反射的光线射出。

可选的，如上任一所述的可调节气氛的多模式金属燃料颗粒点火燃烧装置，其中，第一反光镜及第三反光镜还分别连接有激光透镜；第一反光镜在第一角度位置所反射的光线由其上所设置的激光透镜引向激光垂直出射口射出；第三反光镜所反射的光线由其上所设置的激光透镜引向激光水平出射口射出。

可选的，如上任一所述的可调节气氛的多模式金属燃料颗粒点火燃烧装置，其中，所述的动态石英管由Z型支架固定在激光水平出射口的外侧，所述Z型支架包括顺序连接形成Z字形支撑结构的纵向连接部、底部横梁以及竖直段，其中的纵向连接部与激光点火器外壳的一侧固定连接，所述纵向连接部的底端连接底部横梁的一端，所述底部横梁设置在激光水平出射口的上方且与动态石英管的顶部固定连接，动态石英管的贯通孔由Z型支架设置为正对激光水平出射口的射出方向，所述底部横梁的另一侧末端还连接有一段竖直段，竖直段与动态石英管的贯通孔均设置在激光水平出射口的轴线方向，竖直段中接近动态石英管的内侧还固定设置有阻隔板。

可选的，如上任一所述的可调节气氛的多模式金属燃料颗粒点火燃烧装置，其中，所述静态石英管由铁架台固定设置在激光垂直出射口的下方，所述静态石英管的贯通孔设置为正对激光垂直出射口的射出方向。

可选的，如上任一所述的可调节气氛的多模式金属燃料颗粒点火燃烧装置，其中，所述Z型支架的底部横梁上还固定设置所述气氛调节模块中的T型三通阀，其下端与动态石英管顶部的进料孔贯通，其顶端连通至气源气体的输出端口，其侧端通过注射软管连通至样品注射器，样品注射器推动其内部的金属燃料颗粒进入动态石英管与气源气体掺混。

可选的，如上任一所述的可调节气氛的多模式金属燃料颗粒点火燃烧装置，其中，气氛调节模块包括：用于向开孔石英管的开孔内输入水蒸气的水蒸气发生器，用于向开孔石英管的开孔内输入压缩空气的空气压缩机以及用于向开孔石英管的开孔内输入氧气、氮气或混合气的气瓶。

可选的，如上任一所述的可调节气氛的多模式金属燃料颗粒点火燃烧装置，其中，水蒸气发生器、空气压缩机、气瓶还连接有质量流量计，以向控制采集模块输出水蒸气、压缩空气、氧气、氮气或混合气的流量或质量或者调节输入至开孔石英管开孔内的气体流量。

可选的，如上任一所述的可调节气氛的多模式金属燃料颗粒点火燃烧装置，其中，水蒸气发生器上还连接有注射泵以调节水蒸气发生器输出水蒸气的流量，所述气氛调节模块还包括连接在水蒸气发生器与开孔石英管之间的加热带。

有益效果：

1、本发明可通过调节相应激光内部反射镜的方向实现静态和流动态金属燃料点火方式，丰富实验人员的实验方案。

2、本发明利用空气压缩机、水蒸气发生器、气瓶等气源可依据实验所需调节样品在空气、水蒸气、氧气、二氧化碳等多种气氛下进行实验，同时可利用质量流量计调节气体流速，模拟火箭发动机内部复杂多变的环境气氛。

3、本发明可通过计算机及激光点火器配套软件精确调节激光点火器功率和出射时间，并能根据需求实现样品在不同的加热功率下点火燃烧。

4、激光点火器电功率仅1600w，接入家用普通电源即可使用，通用性好。激光加热范围集中，能量利用效率高，单次实验所需金属燃料样品量少。

5、本发明可利用激光点火器信号引出线的连接，实现其与光纤光谱仪、高速摄影仪的同步启停，保证数据采集的完整性和有效性，为金属燃料颗粒燃烧特性的分析提供了多角度的实验依据。

6、本发明通过T型三通阀内气体和金属燃料颗粒的掺混，有效实现颗粒的高度离散化。

7、本发明中水蒸气发生器包括的加热带可保持水蒸气的温度，防止在传送过程中冷凝。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。

附图说明

附图用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本申请的实施例一起，用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中：

图1是本申请中空气气氛下进行流动态颗粒实验的实验台俯视图；

图2是本申请中水蒸气气氛下进行流动态颗粒实验的实验台俯视图；

图3是本申请中实验台的侧视图；

图4是本申请中进行静态颗粒实验的实验台正视图；

图5是本申请中激光室内部结构的俯视图；

图6是本申请进行镁的静态点火实验实例图；

图7是本申请进行二硼化镁流动态点火实验实例图。

图中，1-Ⅰ水蒸气发生器；1-Ⅱ空气压缩机；1-Ⅲ 气瓶；2 质量流量计；3 注射泵；4高速摄影仪；5 光纤光谱仪；6 计算机；7 激光点火器；8 激光室；9-Ⅰ激光水平出射口；9-Ⅱ激光竖直出射口；10 Z型支架；11 开孔石英管；12 样品注射器；13 注射软管；14 加热带；15 T型三通阀；16 贯通孔；17 阻隔板；19 旋动装置；20-Ⅰ第一反光镜；20-Ⅱ第二反光镜；20-Ⅲ第三反光镜；21 激光透镜；22 钨舟；23 铁架台。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“内、外”的含义指的是相对开孔石英管本身而言，指向其开孔中金属燃料的方向为内，反之为外；而非对本申请的装置机构的特定限定。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

本申请中所述的“上、下”的含义指的是使用者正对点火燃烧装置时，由铁架台底部指向激光室的方向即为上，反之即为下，而非对本申请的装置机构的特定限定。

图1为根据本申请的一种可调节气氛的多模式金属燃料颗粒点火燃烧装置，其包括：点火模块、气氛调节模块、燃烧诊断模块以及控制采集模块。其中：

点火模块，可具体设置为包括激光点火器7，设置在激光点火器7端部的激光室8，以及设置在激光室8中激光出射口对侧的开孔石英管11，激光点火器7产生激光，激光室8利用其内部的光路调节机构调节激光方向并按照点火模式要求将激光通过激光出射口射入至开孔石英管11的开孔内，点燃开孔石英管11中的金属燃料颗粒；

气氛调节模块，其连接开孔石英管11的一端，向开孔石英管11内输出气源气体与金属燃料颗粒的掺混物；

燃烧诊断模块，其设置在开孔石英管11的一侧，包括高速摄影仪4和光纤光谱仪5，用于对开孔石英管内金属燃料颗粒的点火燃烧过程进行在线拍摄和光谱采集；

控制采集模块，其连接所述燃烧诊断模块和激光点火器，用于设置燃烧诊断模块的采集参数和激光点火器的激光参数，接收高速摄影仪4所拍摄的视频图像以及光纤光谱仪5所采集的光谱数据。

具体参照图1所示，所述气氛调节模块可选择：水蒸气发生器1-Ⅰ，用于向开孔石英管11的开孔内输入水蒸气；空气压缩机1-Ⅱ，用于向开孔石英管11的开孔内输入压缩空气；气瓶1-Ⅲ，开孔石英管11的开孔内输入氧气、氮气或混合气；三者通过质量流量计连接至T型三通阀15的一端，通过T型三通阀15与金属燃料颗粒混合然后供给至开孔石英管11内以被激光点燃，研究其点火燃烧特性。质量流量计2可向控制采集模块输出水蒸气、压缩空气、氧气、氮气或混合气的流量或质量或者调节输入至开孔石英管11开孔内的气体流量。

为实现对激光出射方向的调节，参考图5所示，上述点火模块中激光室8内部的光路调节机构具体可设置为包括：

旋动装置19，其可转动地连接在激光点火器7的出射端；

第一反光镜20-Ⅰ，其固定安装在旋动装置19内，随旋动装置19同步转动，所述第一反光镜20-Ⅰ与激光点火器7的出射光线之间形成45°夹角；

激光垂直出射口9-Ⅱ，其设置在激光室8的一侧，用于在旋动装置19转动至第一角度位置时，供第一反光镜20-Ⅰ所反射的光线射出；

第二反光镜20-Ⅱ，其固定安装在激光室8的中部，在旋动装置19转动至第二角度位置时，第二反光镜20-Ⅱ与第一反光镜20-Ⅰ之间形成90度夹角，第二反光镜20-Ⅱ接收并反射第一反光镜20-Ⅰ的反射光线；

第三反光镜20-Ⅲ，其固定安装在激光室8的中部，且与第二反光镜20-Ⅱ相互平行，在旋动装置19转动至第二角度位置时，第三反光镜20-Ⅲ接收并反射第二反光镜20-Ⅱ的反射光线；

激光水平出射口9-Ⅰ，其设置在激光室8的另一侧，用于在旋动装置19转动至第二角度位置时，供第三反光镜20-Ⅲ所反射的光线射出；

而上述第一反光镜20-Ⅰ及第三反光镜20-Ⅲ一般还可进一步分别连接有各自独立的激光透镜21。由此，静态点火燃烧实验中激光点火器7竖直出射模式下，第一反光镜20-Ⅰ在第一角度位置所反射的光线可由其上所设置的激光透镜引向激光垂直出射口9-Ⅱ射出；而动态点火燃烧实验中激光点火器水平出射模式下，第三反光镜20-Ⅲ所反射的光线则可通过第一反光镜20-Ⅰ的中转而由第三反光镜20-Ⅲ上所设置的激光透镜引向激光水平出射口9-Ⅰ射出。

由此，静态点火模式下，开孔石英管11可具体选择为配合于静态点火模式的静态石英管。其沿轴向开设有进料孔，所述进料孔内设置有钨舟22，所述静态石英管的管壁还在正对钨舟22上方的位置开设有贯通孔16以供激光射入，点燃管内气源气体与金属燃料颗粒的掺混物。该静态石英管由铁架台23固定设置在激光垂直出射口9-Ⅱ的下方，使得所述静态石英管的贯通孔16设置为图4所示正对激光垂直出射口9-Ⅱ的射出方向。

进行静态实验时（以镁粉为例），激光点火器7为竖直出射模式。取适量镁颗粒样品置于钨舟22中，将钨舟22放置在开孔石英管11内部的贯通孔16处，使其中心对准激光通路。进行不同气氛下的点火实验时，将气源连接至开孔石英管11靠近贯通孔16的一侧，气源可以是水蒸气发生器1-Ⅰ、空气压缩机1-Ⅱ、气瓶1-Ⅲ等，连接不同的气源实现镁粉在不同气氛下的点火实验。打开气源向开孔石英管11内通入气氛气体，等待10分钟，待开孔石英管11充满气氛气体后开启高速摄影仪4、光纤光谱仪5并对焦钨舟22，利用计算机6设置激光点火器7、高速摄影仪4和光纤光谱仪5的相关参数。利用计算机6或激光点火器7触发点火，此时高速摄影仪4和光纤光谱仪5同步启动对点火燃烧过程进行在线监测，获得图6所示图像，然后利用计算机6对获得的测量数据进行采集和存储。

点火完成后依次关闭激光点火器7、气源、高速摄影仪4和光纤光谱仪5，利用计算机6中存储的高速摄影仪4和光纤光谱仪5传送的数据进行点火燃烧分析。

而动态点火模式下，开孔石英管11可具体选择为配合于动态点火模式的动态石英管。其沿轴向开设有进料孔，所述动态石英管的管壁中部两侧还相对设置有贯通孔16，激光由其中一侧的贯通孔16射入由另一侧的贯通孔16射出并在动态石英管的进料孔内点燃管内气源气体与金属燃料颗粒的掺混物。该动态石英管由Z型支架10固定在激光水平出射口9-Ⅰ的外侧，所述Z型支架10包括顺序连接形成Z字形支撑结构的纵向连接部、底部横梁以及竖直段，其中的纵向连接部与激光点火器7外壳的一侧固定连接，所述纵向连接部的底端连接底部横梁的一端，所述底部横梁设置在激光水平出射口9-Ⅰ的上方且其中段与动态石英管的顶部固定连接，动态石英管的贯通孔16由Z型支架10设置为正对激光水平出射口9-Ⅰ的射出方向，所述底部横梁的另一侧末端还连接有一段竖直段，竖直段与动态石英管的贯通孔16均设置在激光水平出射口9-Ⅰ的轴线方向，竖直段中接近动态石英管的内侧还固定设置有正对贯通孔16的阻隔板17。

进行流动态实验时（以二硼化镁颗粒为例），激光点火器为水平出射模式。开启高速摄影仪4、光纤光谱仪5并对焦开孔石英管11。

此时，为保证金属燃料颗粒掺混均匀，固定动态石英管的Z型支架10的底部横梁上还固定设置有气氛调节模块中的T型三通阀15。其下端可直接与动态石英管顶部的进料孔贯通，其顶端可通过导管连通至气源气体的输出端口，其侧端通过注射软管13连通至样品注射器12，由样品注射器12推动其内部的金属燃料颗粒进入动态石英管与气源气体掺混。

将气源与装置连接，当实验气氛为空气气氛时，将空气压缩机1-Ⅱ出口管道接入质量流量计2进口端，将质量流量计2出口管道接入T型三通阀15上端接口。气瓶1-Ⅲ的连接方式同空气压缩机1-Ⅱ。当实验气氛为水蒸气气氛时，水蒸气发生器1-Ⅰ一侧与注射泵3连接，一侧通过管道接入T型三通阀15上端接口，并将加热带14缠绕在水蒸气发生器1-Ⅰ到T型三通阀15上端接口段的管道上。

将样品注射器12口对准称量好的二硼化镁颗粒，拉动样品注射器12活塞取1-2毫克的二硼化镁颗粒，后将样品注射器12接入连接在T型三通阀15的侧面通路的注射软管13。

点火前打开气源，等待10分钟后再进行点火。触发激光点火器7的同时推动样品注射器12的活塞，将二硼化镁颗粒推入T型三通阀15内，二硼化镁颗粒快速与有一定流速的气氛气体掺混，以流动状态进入开孔石英管11后被点燃。

触发点火的同时，高速摄影仪4和光纤光谱仪5同步启动对点火燃烧过程进行在线监测，利用计算机6对获得的测量数据进行采集和存储，可获得图7所示图像。完成后依次关闭激光点火器7、气源、高速摄影仪4和光纤光谱仪5。

由此，上述装置能利用激光点火器7对开孔石英管11中的金属燃料颗粒进行点火，实现金属燃料在不同状态（静态和流动态）、不同环境气氛下（空气、水蒸气、氧气等）的点火燃烧试验，同时通过高速摄影仪4、光纤光谱仪5、计算机6等设备对金属燃料颗粒的点火燃烧性能进行观察、记录、测量和分析。

而在更为具体的实现方式下，点火模块中的激光点火器7可进一步选择为二氧化碳激光点火器，其通过数据线连接至计算机6，通过配套的控制软件完成激光点火功率以及出射时间的设置，激光点火器的点火功率可调节范围为0-400W，出射时间调节范围为0-60秒，一般不超过1-2秒。通过调节激光管发射端设有的与激光管中心线呈45°夹角的反射镜20-Ⅰ以及激光透镜21的位置来切换点火模式，用于静态点火时，开孔石英管11水平放置在激光室8的下部，内部放有钨舟22，用以承装金属燃料颗粒，钨舟22的中心与开孔石英管11的贯通孔16以及激光室激光竖直出射口9-Ⅱ对齐，保证激光穿过开孔石英管11的贯通孔16后照射到钨舟22上且不会损坏开孔石英管11。用于流动态点火时，将旋转装置19逆时针旋转90度并调节反光镜20-Ⅱ、20-Ⅲ至激光能从激光透镜21正中经过并最终引向激光水平出射口9-Ⅰ；开孔石英管11直径2厘米，壁厚1毫米，水平对侧开有两个1厘米贯通孔15，与激光室8上的激光水平出射口9-Ⅰ对齐，开孔石英管11竖直放置于Z型支架10上，距离激光水平出射口9-Ⅰ15厘米，保证激光穿过贯通孔16时将流动态的样品点燃且激光不损坏开孔石英管11。

气氛调节模块中的水蒸气发生器1-Ⅰ、空气压缩机1-Ⅱ、气瓶1-Ⅲ均属于气源，空气压缩机1-Ⅱ用于产生空气气氛，水蒸气发生器1-Ⅰ用于产生水蒸气气氛，气瓶1-Ⅲ提供氧气、氮气或混合气等其他气氛；水蒸气发生器1-Ⅰ 还包括加热带14和注射泵3，使用水蒸气发生器1-Ⅰ时为保持水蒸气的温度，防止在传送过程中冷凝，加热段从水蒸气发生器1-Ⅰ出口到T型三通阀15上端通路。注射泵3通过控制水蒸气发生器1-Ⅰ的给水量来调节水蒸气发生器1-Ⅰ的蒸气流量，给水流量一般控制在2g/min，其他气氛的流量由质量流量计2控制，质量流量计2可控制进入开孔石英管11的气氛气体流量在0-2.6g/min范围内；金属燃料颗粒进样器包括注射软管13、T型三通阀15和样品注射器12。T型三通阀15接口的下端通路连接开孔石英管11，为燃烧过程提供稳定的流道；上端通路连接气源，气源的种类可根据实验的需求进行切换；T型三通阀25的侧面通路通过注射软管13连接装有金属燃料颗粒的样品注射器12。推动样品注射器12活塞，金属燃料颗粒被推入T型三通阀15，在T型三通阀15内与气源气体掺混并从T型三通阀15下端通路流出；静态实验时，铁架台23用以支撑水平放置的开孔石英管11，开孔石英管11靠近贯通孔16一侧与气源连接，切换不同的气源可完成不同气氛下的静态点火实验；流动态实验时使用的Z型支架10横置固定在激光水平出射口9-Ⅰ的正上方，其第一段竖直段用以固定在保护外壳上，水平段用以固定支撑金属燃料颗粒进样器（12、13、15）和开孔石英管11，第二段竖直段上设置有1.5厘米厚的阻隔板17，用以阻挡激光。

燃烧诊断模块可将高速摄影仪4、光纤光谱仪5分别设置在开孔石英管10的外侧，对开孔石英管10内部金属燃料颗粒的点火燃烧过程进行监测，高速摄影仪4可记录所拍摄的样品燃烧影像，以此测量样品点火延迟时间和燃烧时间，分析样品的点火燃烧过程；光纤光谱仪5可记录样品点火燃烧过程中发射的光谱信号，以此诊断燃烧过程中所产生中间产物和火焰强度。

控制采集模块利用计算机6，通过激光点火器7、高速摄影仪4、光纤光谱仪5等设备的配套控制软件实现对实验参数的精确调节。计算机6可通过数据线分别连接激光点火器7、高速摄影仪4和光纤光谱仪5，用于设置上述设备的参数，并用于存储测试数据以便后续分析。激光点火器7通过信号引出线连接高速摄影仪4、光纤光谱仪5的外部触发口，实现各设备的同步启停功能，便于计算颗粒的点火延迟时间等参数。

综上，本申请利用点火模块中的激光室调节激光点火器出射光源的方向以配合相应的开孔石英管，实现动态点火或静态点火。石英管的开孔与气氛调节模块连通，能够由气氛调节模块调节点火状态下的气体种类和流量。本申请能够通过控制采集模块调节点火模块、气氛调节模块和燃烧诊断模块的参数，精确调节激光点火器功率和出射时间，并能根据需求实现样品在不同的加热功率下点火燃烧，实现对不同点火状态的模拟，并准确记录点火过程的视频图像以及光谱数据，为金属燃料颗粒燃烧特性的分析提供多角度的实验依据。

以上仅为本申请的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种可调节气氛的多模式金属燃料颗粒点火燃烧装置，其特征在于，包括：

点火模块，其包括激光点火器（7），设置在激光点火器（7）端部的激光室（8），以及设置在激光室（8）中激光出射口对侧的开孔石英管（11），激光点火器（7）产生激光，激光室（8）利用其内部的光路调节机构调节激光方向并按照点火模式要求将激光通过激光出射口射入至开孔石英管（11）的开孔内，点燃开孔石英管（11）中的金属燃料颗粒；

气氛调节模块，其连接开孔石英管（11）的一端，向开孔石英管（11）内输出气源气体与金属燃料颗粒的掺混物；

燃烧诊断模块，其设置在开孔石英管（11）的一侧，包括高速摄影仪（4）和光纤光谱仪（5），用于对开孔石英管内金属燃料颗粒的点火燃烧过程进行在线拍摄和光谱采集；

控制采集模块，其连接所述燃烧诊断模块和激光点火器，用于设置燃烧诊断模块的采集参数和激光点火器的激光参数，接收高速摄影仪（4）所拍摄的视频图像以及光纤光谱仪（5）所采集的光谱数据。

2.如权利要求1 所述的可调节气氛的多模式金属燃料颗粒点火燃烧装置，其特征在于，所述开孔石英管（11）包括两种：

配合于静态点火模式的静态石英管，其沿轴向开设有进料孔，所述进料孔内设置有钨舟（22），所述静态石英管的管壁还在正对钨舟（22）上方的位置开设有贯通孔（16）以供激光射入，点燃管内气源气体与金属燃料颗粒的掺混物；

配合于动态点火模式的动态石英管，其沿轴向开设有进料孔，所述动态石英管的管壁中部两侧还相对设置有贯通孔（16），激光由其中一侧的贯通孔（16）射入，由另一侧的贯通孔（16）射出，并在动态石英管的进料孔内点燃管内气源气体与金属燃料颗粒的掺混物。

3.如权利要求2所述的可调节气氛的多模式金属燃料颗粒点火燃烧装置，其特征在于，所述激光室（8）内部的光路调节机构包括：

旋动装置（19），其可转动地连接在激光点火器（7）的出射端；

第一反光镜（20-Ⅰ），其固定安装在旋动装置（19）内，随旋动装置（19）同步转动，所述第一反光镜（20-Ⅰ）与激光点火器（7）的出射光线之间形成45°夹角；

激光垂直出射口（9-Ⅱ），其设置在激光室（8）的一侧，用于在旋动装置（19）转动至第一角度位置时，供第一反光镜（20-Ⅰ）所反射的光线射出；

第二反光镜（20-Ⅱ），其固定安装在激光室（8）的中部，在旋动装置（19）转动至第二角度位置时，第二反光镜（20-Ⅱ）与第一反光镜（20-Ⅰ）之间形成90度夹角，第二反光镜（20-Ⅱ）接收并反射第一反光镜（20-Ⅰ）的反射光线；

第三反光镜（20-Ⅲ），其固定安装在激光室（8）的中部，且与第二反光镜（20-Ⅱ）相互平行，在旋动装置（19）转动至第二角度位置时，第三反光镜（20-Ⅲ）接收并反射第二反光镜（20-Ⅱ）的反射光线；

激光水平出射口（9-Ⅰ），其设置在激光室（8）的另一侧，用于在旋动装置（19）转动至第二角度位置时，供第三反光镜（20-Ⅲ）所反射的光线射出。

4.如权利要求3所述的可调节气氛的多模式金属燃料颗粒点火燃烧装置，其特征在于，所述第一反光镜（20-Ⅰ）及第三反光镜（20-Ⅲ）还分别连接有激光透镜（21）；

第一反光镜（20-Ⅰ）在第一角度位置所反射的光线由其上所设置的激光透镜引向激光垂直出射口（9-Ⅱ）射出；

第三反光镜（20-Ⅲ）所反射的光线由其上所设置的激光透镜引向激光水平出射口（9-Ⅰ）射出。

5.如权利要求3所述的可调节气氛的多模式金属燃料颗粒点火燃烧装置，其特征在于，所述动态石英管由Z型支架（10）固定在激光水平出射口（9-Ⅰ）的外侧，所述Z型支架（10）包括顺序连接形成Z字形支撑结构的纵向连接部、底部横梁以及竖直段，其中的纵向连接部与激光点火器（7）外壳的一侧固定连接，所述纵向连接部的底端连接底部横梁的一端，所述底部横梁设置在激光水平出射口（9-Ⅰ）的上方且与动态石英管的顶部固定连接，动态石英管的贯通孔（16）由Z型支架（10）设置为正对激光水平出射口（9-Ⅰ）的射出方向，所述底部横梁的另一侧末端还连接有一段竖直段，竖直段与动态石英管的贯通孔（16）均设置在激光水平出射口（9-Ⅰ）的轴线方向，竖直段中接近动态石英管的内侧还固定设置有阻隔板（17）。

6.如权利要求3所述的可调节气氛的多模式金属燃料颗粒点火燃烧装置，其特征在于，所述静态石英管由铁架台（23）固定设置在激光垂直出射口（9-Ⅱ）的下方，所述静态石英管的贯通孔（16）设置为正对激光垂直出射口（9-Ⅱ）的射出方向。

7.如权利要求4所述的可调节气氛的多模式金属燃料颗粒点火燃烧装置，其特征在于，所述Z型支架（10）的底部横梁上还固定设置有气氛调节模块中的T型三通阀（15），其下端与动态石英管顶部的进料孔贯通，其顶端连通至气源气体的输出端口，其侧端通过注射软管（13）连通至样品注射器（12），样品注射器（12）推动其内部的金属燃料颗粒进入动态石英管与气源气体掺混。

8.如权利要求1所述的可调节气氛的多模式金属燃料颗粒点火燃烧装置，其特征在于，所述气氛调节模块包括：

水蒸气发生器（1-Ⅰ），用于向开孔石英管（11）的开孔内输入水蒸气；

空气压缩机（1-Ⅱ），用于向开孔石英管（11）的开孔内输入压缩空气；

气瓶（1-Ⅲ），用于向开孔石英管（11）的开孔内输入氧气、氮气或混合气。

9.如权利要求8所述的可调节气氛的多模式金属燃料颗粒点火燃烧装置，其特征在于，所述水蒸气发生器（1-Ⅰ）、空气压缩机（1-Ⅱ）、气瓶（1-Ⅲ）还连接有质量流量计，以向控制采集模块输出水蒸气、压缩空气、氧气、氮气或混合气的流量或质量或者调节输入至开孔石英管（11）开孔内的气体流量。

10.如权利要求6所述的可调节气氛的多模式金属燃料颗粒点火燃烧装置，其特征在于，所述水蒸气发生器（1-Ⅰ）上还连接有注射泵（3）以调节水蒸气发生器（1-Ⅰ）输出水蒸气的流量，所述气氛调节模块还包括连接在水蒸气发生器（1-Ⅰ）与开孔石英管（11）之间的加热带（14）。

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