CN113588649A - 一种高温高压下液滴蒸发和燃烧的可视化装置及其使用方法 - Google Patents

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卢婷
王晓东
单继宏
侯宝林
王浩龙
李雪
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Abstract

本发明公开了一种高温高压下液滴蒸发和燃烧的可视化装置及其使用方法，所述装置包括：供气装置，与所述供气装置连接的燃烧腔体，配备升降电机的加热炉子燃烧室腔和炉子上均设有石英透视窗，以及通过导线与所述加热炉子连接的控制器，和位于所述燃烧腔体底部的液滴悬挂装置；所述液滴悬挂装置包括底部带开口的同心圆柱底座，石英管和超细钨丝；本发明的记录单位为连接计算机的高速摄像仪，通过可视窗口对高温高压区内的液滴蒸发与燃烧过程进行拍摄。与现有技术相比，本发明的液滴生成简单，且升温只发生在炉子内，降低了对燃烧室腔的承温能力要求，可以快速升温至最高800℃。本申请能够实现高温高压下对微小液滴蒸发与燃烧特性的研究。

Description

一种高温高压下液滴蒸发和燃烧的可视化装置及其使用方法
技术领域
本发明属于燃烧试验设备技术领域，具体涉及一种研究高温高压下燃料液滴蒸发和燃烧特性的可视化装置及其使用方法。
背景技术
以离子液体为功能材料构筑的多组分复杂体系单组元推进剂/燃料是航空、航天、航海等特种动力能源领域一个新兴的绿色能源发展方向。推进剂/燃料在完成由化学能向动能转化的过程中，推进剂/燃料首先要通过喷嘴的雾化作用分散成微小的液滴，然后在高燃气介质中，液滴经蒸发浓缩与功能材料热分解过程耦合，引发燃烧释放出能量。其中，推进剂/燃料的蒸发浓缩是一个物理过程，其时间尺度是化学反应的几个数量级，因而这一过程成为点火或燃烧引发过程中的关键步骤甚至是速控步骤，直接影响释能反应的响应性和燃烧效率。
由于液雾燃烧的复杂性，往往需要先从最基本的单个液滴蒸发/燃烧入手，开展机理性的基础研究。研究单个液滴的蒸发过程，建立液滴蒸发强化机制，是研究液雾燃烧的重要基础，对开展推进剂/燃料的配方研究和点火应用研究具有重要的参考意义。
单个液滴的生成与悬挂是液滴蒸发与燃烧的关键技术之一。传统做法是采用微量液体供应泵将待测微量液体输送到液滴悬挂装置上，在重力作用下微量液体向下流动并最后在液滴悬挂装置底端的圆头处形成液滴。此种做法供应泵输出的待测液体积受其密度影响很大，需要根据待测样品的密度实时调整输出体积，否则容易造成液滴滴落而不能稳定停留在悬挂装置底端；此外，悬挂装置底端的圆头占有一定的体积，会放大液滴的真实尺寸，给后期的计算机模拟结果带来误差。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提出一种研究高温高压下推进剂/燃料液滴蒸发和燃烧特性的可视化试验装置。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种高温高压下液滴蒸发和燃烧的可视化装置，其特征在于，包括：供气装置、燃烧室腔1、液滴悬挂装置13、加热炉子3、控制器5和图像采集系统；
所述供气装置包括高压N2气源10、进气口截止阀9、出气口截止阀8和安全阀7，依次通过不锈钢管与燃烧室腔1连接；
所述液滴悬挂装置13包括超细钨丝21、石英管22、同心圆柱底座23和底座开口24，底座开口24分别开设于同心圆柱底座23的上下两个表面中心处，两个底座开口24不相通；石英管22的一端插入同心圆柱底座23上表面的底座开口24中，另一端连接超细钨丝21，同心圆柱底座23下表面的底座开口24与燃烧室腔1底部的支撑杆17连接；超细钨丝21用于悬挂液滴14；
所述加热炉子3设置于燃烧室腔1中，通过升降器2实现上下移动，且通过导线与控制器5连接；加热炉子3炉壁的两个侧面设有炉子石英玻璃窗口4；所述的加热炉子3下设置炉子底部开孔11；
所述燃烧室腔1的两个侧面设有石英观察窗18，石英观察窗18内部嵌有光学石英玻璃，石英观察窗18与光学石英玻璃之间采用增强柔性石墨垫密封；
所述燃烧室腔1靠近底座的腔壁上设有舱门，可以打开/关闭燃烧室腔体；
燃烧室腔1的上端盖设置压力表6，所述测温热电偶15设置于液滴附近；
图像采集系统包括光源12、高速摄像机20和计算机19；
所述光源12位于所述燃烧室腔1一侧的石英观察窗18前方，所述高速摄像机20位于所述燃烧室腔1另一侧的石英观察窗18前方，所述高速摄像机20通过导线与计算机19连接。
进一步地，燃烧室腔1同心圆柱底座23的上圆柱直径小于下圆柱直径。
进一步地，超细钨丝21为弯钩状。
进一步地，减震台16设置于燃烧室腔1的底部。
进一步地，燃烧室腔1压力范围为室压～2MPa。
进一步地，加热炉子3的升温范围为室温～800℃。
进一步地，预先设置加热炉子温度，通过微量注射器手动将推进剂/燃料液滴转移到液滴悬挂装置上，关闭舱门，充入N2至设置压力，快速下降加热炉子，开始记录液滴蒸发与燃烧过程。
本发明的有益效果体现在以下几方面：
1.与现有技术中整个燃烧室腔整体加热相比，本发明提供的高温环境只发生在加热炉子内部而不是整个燃烧室腔，降低了对燃烧室腔的承温能力要求；
2.与现有技术中加热部件固定不动相比，本发明提供的加热炉子配备操纵器，可在燃烧室腔内上下移动，避免了燃料液滴在生成过程中过早受热，提高了试验准确性；
3.与现有技术中液滴生成需要附加活塞微量泵等外加设备相比，本发明液滴产生方式简单，通过手动推进微量注射器将液体燃料由针管推送至针头，在重力和表面张力的作用下液滴最终转移悬挂到液滴悬挂装置中的钨丝上。
附图说明
图1为本发明提供的一种高温高压下液滴蒸发和燃烧的可视化装置结构示意图；
图2为本发明提供的一种液滴悬挂装置的结构示意图
图中：1-燃烧室腔；2-升降器；3-加热炉子；4-炉子石英玻璃窗口；5-控制器；6-压力表；7-安全阀；8-出气口截止阀；9-进气口截止阀；10-高压N2气源；11-炉子底部开孔；12-光源；13-液滴悬挂装置；14-液滴；15-测温热电偶；16-减震台；17-支撑杆；18-石英观察窗；19-计算机；20-高速摄像机；21-钨丝；22-石英玻璃管；23-同心圆柱底座；24-底座开口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
(1)接通炉子控制器5电源，并用万用表检测电路与燃烧室腔1外部金属壳体的绝缘性和电路的导通性；
(2)将加热炉子3上升至燃烧室腔1上端，设置炉子目标温度300℃，升温速率为10℃/min，保持1h；
(3)摆放好高速摄像机20位置，开启光源12，将高速摄像机20参数设置为1000fps，预调室窗；
(4)将待测燃料吸入微量注射器，手动推进微量注射器使燃料由针管推送至针头，形成微小的燃料单滴，在重力和表面张力的作用下将单液滴转移悬挂到液滴悬挂装置13中的钨丝21上；
(5)将达到目标温度的炉子快速下降至燃烧室腔1底部，高速摄像机20记录燃料液滴蒸发与燃烧过程；
(6)确保试验数据记录完毕时，关闭各电源，清理试验设备；
(7)对所拍摄的液滴蒸发与燃烧过程进行计算机分析，识别出液滴变化全过程。
实施例2
(1)接通炉子控制器5电源，并用万用表检测电路与燃烧室腔1外部金属壳体的绝缘性和电路的导通性；
(2)将加热炉子3上升至燃烧室腔1上端，设置炉子目标温度300℃，升温速率为10℃/min，保持2h；
(3)摆放好高速摄像机20位置，开启光源12，将高速摄像机20参数设置为2000fps，预调室窗；
(4)将待测燃料吸入微量注射器，手动推进微量注射器使燃料由针管推送至针头，形成微小的燃料单滴，在重力和表面张力的作用下将单液滴转移悬挂到液滴悬挂装置13中的钨丝21上；
(5)关闭燃烧室腔1的舱门，打开N2进气口阀，通入N2至燃烧室腔上端压力表压力为0.5MPa，关闭N2进气口阀；
(6)将加热炉子快速下降至燃烧室腔1底部，高速摄像机20记录燃料液滴蒸发与燃烧过程；
(7)打开N2出气口阀，使燃烧室腔1恢复至大气压力；
(8)确保试验数据记录完毕时，关闭各电源，清理试验设备；
(9)对所拍摄的液滴蒸发与燃烧过程进行计算机分析，识别出液滴变化全过程。

Claims (8)

1.一种高温高压下液滴蒸发和燃烧的可视化装置，其特征在于，包括：供气装置、燃烧室腔(1)、液滴悬挂装置(13)、加热炉子(3)、控制器(5)和图像采集系统；
所述供气装置包括高压N2气源(10)、进气口截止阀(9)、出气口截止阀(8)和安全阀(7)，依次通过不锈钢管与燃烧室腔(1)连接；
所述液滴悬挂装置(13)包括超细钨丝(21)、石英管(22)、同心圆柱底座(23)和底座开口(24)，底座开口(24)分别开设于同心圆柱底座(23)的上下两个表面中心处，两个底座开口(24)不相通；石英管(22)的一端插入同心圆柱底座(23)上表面的底座开口(24)中，另一端连接超细钨丝(21)，同心圆柱底座(23)下表面的底座开口(24)与燃烧室腔(1)底部的支撑杆(17)连接；超细钨丝(21)用于悬挂液滴(14)；
所述加热炉子(3)设置于燃烧室腔(1)中，通过升降器(2)实现上下移动，且通过导线与控制器(5)连接；加热炉子(3)炉壁的两个侧面设有炉子石英玻璃窗口(4)；所述的加热炉子(3)下设置炉子底部开孔(11)；
所述燃烧室腔(1)的两个侧面设有石英观察窗(18)，石英观察窗(18)内部嵌有光学石英玻璃，石英观察窗(18)与光学石英玻璃之间采用增强柔性石墨垫密封；
所述燃烧室腔(1)靠近底座的腔壁上设有舱门，可以打开/关闭燃烧室腔体；
燃烧室腔(1)的上端盖设置压力表(6)，所述测温热电偶(15)设置于液滴附近；
图像采集系统包括光源(12)、高速摄像机(20)和计算机(19)；
所述光源(12)位于所述燃烧室腔(1)一侧的石英观察窗(18)前方，所述高速摄像机(20)位于所述燃烧室腔(1)另一侧的石英观察窗(18)前方，所述高速摄像机(20)通过导线与计算机(19)连接。
2.根据权利要求1所述的一种高温高压下液滴蒸发和燃烧的可视化装置，其特征在于，燃烧室腔(1)同心圆柱底座(23)的上圆柱直径小于下圆柱直径。
3.根据权利要求1所述的一种高温高压下液滴蒸发和燃烧的可视化装置，其特征在于，超细钨丝(21)为弯钩状。
4.根据权利要求1所述的一种高温高压下液滴蒸发和燃烧的可视化装置，其特征在于，减震台(16)设置于燃烧室腔(1)的底部。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，燃烧室腔(1)压力范围为室压～2MPa。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，加热炉子(3)的升温范围为室温～800℃。
7.权利要求1-6任一所述的一种高温高压下液滴蒸发和燃烧的可视化装置的使用方法，其特征在于，预先设置加热炉子温度，通过微量注射器手动将推进剂/燃料液滴转移到液滴悬挂装置上，关闭舱门，快速下降加热炉子，开始记录液滴蒸发与燃烧过程。
8.根据权利要求7所述的一种高温高压下液滴蒸发和燃烧的可视化装置的使用方法，其特征在于，关闭舱门后，通入N2至目标压力，之后再快速下降加热炉子，开始记录液滴蒸发与燃烧过程。
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