CN113702051A - 模拟湍流直喷燃烧的定容装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种模拟湍流直喷燃烧的定容装置及方法，涉及发动机实验技术领域。不仅能够在定容燃烧器内产生持续的、各向同性的和湍流强度可控的湍流场，而且能够在不同的背景湍流场下进行高压喷射点火燃烧试验，为发动机缸内直喷燃烧机理研究提供更加准确的模拟条件。该定容装置包括可调节湍流动力系统、定容燃烧器、数据采集模块和对称设置在定容燃烧器两侧的均衡分流器；均衡分流器入口通过连接管路与可调节湍流动力系统连通，出口与定容燃烧器连通；定容燃烧器内设有热线风速仪、喷射模块和点火模块；可调节湍流动力系统包括双输出轴电机和连接在其两个输出轴上的活塞式泵气装置；本申请同时提供了一种基于该定容装置的模拟湍流直喷燃烧方法。

Description

模拟湍流直喷燃烧的定容装置及方法

技术领域

本申请涉及发动机实验技术领域，尤其涉及一种模拟湍流直喷燃烧的定容装置及方法。

背景技术

湍流对燃料燃烧的基础实验研究有较大难度，因此建立可控的各向同性的湍流实验平台是开展湍流背景下气体燃料燃烧研究的先决条件，然而，现有的定容燃烧装置内的湍流产生装置产生的湍流强度可控性或湍流各项同性较差。

例如，中国专利CN 105352736A公开了一种湍流强度和位置可控的测试定容弹及控制方法，其中通过定容燃烧装置内均匀布置的9个小型风扇产生的气流经过导流罩后形成湍流，通过控制电机转速，实现不同的湍流强度，但是风扇与装置的连接处的密封难度较大，而且在装置内产生的湍流并非各向同性，在横向纵向的湍流强度大小是不相等的。

再例如，中国专利申请CN102297419A公开了湍流强度可控的燃烧系统，可移动的湍流发生器为多孔蜂窝结构，置于燃烧器内，可燃气体通过调节湍流发生器的结构、位置和尺寸进而得到所需湍流强度，最后进行湍流燃烧的研究。但是此湍流强度非常小，而且湍流强度并非各向同性的。

再例如，中国专利申请CN108535017A与CN109580870A分别公开了一种发动机燃烧模拟装置和一种湍流可控的湍流发生装置，其设计理念均是由射流进行相互碰撞在定容燃烧弹内产生各项同性的湍流场，但是不能对湍流场的强度进行实时对应，而且不能进行在背景湍流下的射流燃烧研究。

发明内容

本申请的实施例提供一种模拟湍流直喷燃烧的定容装置及方法，不仅能够在定容燃烧器内产生持续的、各向同性的和湍流强度可控的湍流场，而且能够在不同的背景湍流场下进行高压喷射点火燃烧试验，为发动机缸内直喷燃烧机理研究提供更加准确的模拟条件。

为达到上述目的，一方面，本申请的实施例提供了一种模拟湍流直喷燃烧的定容装置，包括可调节湍流动力系统、定容燃烧器、数据采集模块和对称设置在所述定容燃烧器两侧的均衡分流器；所述均衡分流器的入口通过连接管路与所述可调节湍流动力系统连通，出口与所述定容燃烧器连通；所述定容燃烧器内设有热线风速仪，所述热线风速仪能够实时检测所述定容燃烧器内的湍流强度；所述连接管路包括总管和与总管连通的多根歧管，且多根所述歧管的通流面积之和等于所述总管的通流面积；所述可调节湍流动力系统包括双输出轴电机和分别连接在所述双输出轴电机两个输出轴上的活塞式泵气装置；所述活塞式泵气装置的输入端与所述双输出轴电机的输出轴连接，所述活塞式泵气装置的泵气出口与所述总管连接；两个所述活塞式泵气装置中的活塞的运动轨迹相同；所述双输出轴电机电连接变频器；所述均衡分流器包括半椭球形的腔体，其球形端通过多根歧管连通定容燃烧器，其平面端通过总管连通可调节湍流动力系统；多根所述歧管均匀对称分布在所述球形端的球面上，且多根所述歧管的出口的中心线与均所述球形端的球面垂直；所述数据采集模块用于采集定容燃烧器内气体燃烧时的湍流燃烧特性参数。

进一步地，所述总管与所述均衡分流器之间、所述总管与所述活塞式泵气装置的缸盖之间均采用圆角过渡连接。

进一步地，所述均衡分流器的腔体的体积为所述活塞式泵气装置的排量的65％-85％。

进一步地，所述定容装置还包括时序控制器和霍尔传感器；所述时序控制器的输入端与所述霍尔传感器电连接，输出端分别与燃料喷射模块和点火模块电连接；所述霍尔传感器设置在其中一个所述活塞式泵气装置中的曲轴上，且当所述活塞到达预设位置时，所述霍尔传感器发送开关信号至所述时序控制器；时序控制器能够接收所述霍尔传感器的开关信号，并在预设的时间段后依次控制所述燃料喷射模块和所述点火模块启动。

进一步地，所述双输出轴电机与所述活塞式泵气装置通过柔性联轴器连接。

另一方面，本申请的实施例提供了一种基于上述定容装置的模拟燃烧方法，包括以下步骤：S1、利用双输出轴电机的转速和活塞的位置对定容燃烧器内湍流强度进行标定；S2、选定一组湍流强度值a₁、a₂、a₃、……a_n；S3、控制双输出轴电机和热线风速仪启动；S4、开始湍流强度值为a₁的燃烧实验：根据湍流强度值a₁对应的活塞位置为时序控制器设定预设值，并调节调频器使双输出轴电机按照湍流强度值a₁对应的转速值转动；活塞到达预设位置后，霍尔传感器发送开关信号至时序控制器；时序控制器接收霍尔传感器的开关信号，并在预设的时间段后依次控制燃料喷射模块和点火模块启动进行燃烧实验；数据采集模块实时采集定容燃烧器内气体燃烧时的湍流燃烧特性参数；所述预设的时间段即为时序控制器的预设值；S5、按照湍流强度值为a₁的燃烧实验方法依次完成湍流强度值为a₂至a_n的燃烧实验。

进一步地，所述S1的具体步骤为：S11、通过热风测速仪测量双输出轴电机在所有的转速下，活塞位于不同位置时定容燃烧器内对应的湍流强度；S12、根据定容燃烧器内湍流强度与双输出轴电机的转速及活塞位置之间的对应关系，对定容燃烧器内的湍流强度进行标定。

本申请相比现有技术具有以下有益效果：

1、本申请通过控制双输出轴电机带动两套活塞式泵气装置往复运动，在定容装置中心区域形成各向同性的湍流环境，实现湍流强度大小可以调节；并利用霍尔传感器、热线风速仪和时序控制器的相互配合对湍流强度大小进行实时检测和标定，从而实现在不同的湍流强度下进行气体燃料高压喷射点火和燃烧，对丰富和深化气体燃料的射流理论和湍流分层燃烧理论研究具有重要的学术价值，同时，有助于深入理解缸内直喷气体燃料发动机混合气形成和燃烧特性，推动高效率气体燃料发动机的关键技术突破。

2、本申请定容装置中的均衡分流器能够均分气量，使进入腔体内的气体密度相对均匀、气体流速基本一致，同时能够减小气体能量损失并缓解压力波动，进而增大定容燃烧器内的湍流强度。

3、本申请通过设置双输出轴电机及连接在活塞式泵气装置，并通过对活塞的活动位置进行标定，保证两个活塞的运动轨迹相同，从而提高定容燃烧器内湍流场的各向同性。

4、本申请定容装置中的总管与均衡分流器之间、总管与活塞式泵气装置的缸盖之间均采用圆角过渡连接，能够减小气体流通阻力，增大湍流强度。

5、本申请在试验前通过利用双输出轴电机的转速对定容装置内湍流强度进行标定，实验中再通过热线风速仪实时检测湍流强度，试验精度更高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例模拟湍流直喷燃烧的定容装置的结构示意图；

图2为本申请实施例模拟湍流直喷燃烧的定容装置中可调节湍流动力系统、定容燃烧器和均衡分流器的连接结构示意图；

图3为本申请实施例模拟湍流直喷燃烧的定容装置中可调节湍流动力系统的结构示意图；

图4为湍流分层燃烧定容燃烧装置实验平台的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

参照图1，本申请实施例提供了一种模拟湍流直喷燃烧的定容装置，包括可调节湍流动力系统1、定容燃烧器2、数据采集模块3和对称设置在定容燃烧器2两侧的均衡分流器4。其中，均衡分流器4的入口通过连接管路5与可调节湍流动力系统1连通，出口与定容燃烧器2连通。定容燃烧器2内设置有燃料喷射模块8和点火模块9。燃料喷射模块8包括喷射阀驱动电路81和气体喷射阀82。点火模块9包括点火驱动电路91和火花塞92。数据采集模块3用于采集定容燃烧器2内气体燃烧时的湍流燃烧特性参数。湍流燃烧特性参数包括火焰图像和定容燃烧器2内的压力数据，上述数据用于研究湍流分层燃烧的机理。

可调节湍流动力系统1用于提供动力，使气体通过均衡分流器4产生相同强度的射流，在定容燃烧器2内进行碰撞，在定容燃烧器2的中心区域形成各向同性的湍流环境。定容燃烧器2内设有热线风速仪6，热线风速仪6能够实时检测定容燃烧器2内的湍流强度，并对每个转速和相应活塞位置下的湍强进行标定。

具体的，参照图2和图3，可调节湍流动力系统1包括双输出轴电机11和分别连接在双输出轴电机11的两个输出轴上的活塞式泵气装置12。连接管路5包括总管51和与总管51连通的多根歧管52。具体的，本申请实施例中的歧管52的数量为四根，需要说明的是，歧管52的数量可以为四根也可以为三根或五根等，此处不做限定。活塞式泵气装置12的输入端通过柔性联轴器15与双输出轴电机11的输出轴连接，活塞式泵气装置12的泵气装置出口与总管51连接。两个活塞式泵气装置12中的活塞的运动轨迹相同。由此，可以确保每个活塞式泵气装置12泵出的气体流动方向和流量相同，这也是湍流流场的各向同性的基础保证。同时柔性联轴器15对双输出轴电机11和活塞式泵气装置12的连接处具有缓冲保护作用。

双输出轴电机11电连接变频器14，通过调节变频器14可以调节双输出轴电机11的转速。

参照图1和图4，定容装置还包括时序控制器7和霍尔传感器13。时序控制器7的输入端与霍尔传感器13电连接，输出端分别与燃料喷射模块8和点火模块9电连接。霍尔传感器13设置在其中一个活塞式泵气装置12中的曲轴上，霍尔传感器13用于检测活塞的实时位置，且当活塞到达预设位置时，霍尔传感器13发送开关信号至时序控制器7，时序控制器7能够接收霍尔传感器13的开关信号，并在预设的时间段后依次控制燃料喷射模块8和点火模块9启动。由此，可以触发不同湍流强度大小时进行不同时刻的喷射和点火，最终形成不同的湍流分层燃烧方式，为发动机缸内直喷燃烧机理研究提供更加准确的模拟条件。

需要注意的是，安装前，需要对活塞的活动位置进行对标，即当活塞运动到上止点位置时，在曲轴上安装霍尔传感器13，然后在通过柔性联轴器15连接活塞式泵气装置12和双输出轴电机11。

继续参照图2，均衡分流器4为半椭球形的腔体，腔体的体积略小于活塞式泵气装置12的排量，具体的，均衡分流器的腔体的体积可以为活塞式泵气装置的排量的65％-85％。均衡分流器4球形端通过四根歧管52连通定容燃烧器2，其平面端通过总管51连通可调节湍流动力系统1。均衡分流器能够均分气量，使进入腔体内的气体密度相对均匀、气体流速基本一致，同时能够减小气体能量损失并缓解压力波动，进而增大定容燃烧器内的湍流强度。

四根歧管52均匀对称分布在球面上，且四根歧管52的出口的中心线与均球形端的球面垂直，且四根歧管52的通流面积之和等于总管51的通流面积。总管51与均衡分流器4之间、总管51与活塞式泵气装置12的缸盖之间均采用圆角过渡连接，使气体流通阻力减小。

本申请实施例通过设置调频器14、均衡分流器4、霍尔传感器13和时序控制器7，不仅能够在定容燃烧器2内产生持续的、各向同性的和湍流强度可控的湍流场，而且能够在不同的背景湍流场下进行高压喷射点火燃烧试验，为发动机缸内直喷燃烧机理研究提供更加准确的模拟条件。

参照图1和图4，本申请的实施例还提供了一种基于上述定容装置的模拟燃烧方法，包括以下步骤：

S1、利用双输出轴电机11的转速和活塞的位置对定容燃烧器2内的湍流强度进行标定：需要说明的是：活塞的位置是通过曲轴转角体现的，具体的，定义活塞式泵气装置12往复运动一次为一个循环，共包含360个曲轴转角；

S11、通过热风测速仪6测量双输出轴电机11在所有的转速下，活塞位于不同位置时定容燃烧器2内的对应的湍流强度。

S12、根据定容燃烧器2内湍流强度与双输出轴电机11的转速及活塞位置之间的对应关系，对定容燃烧器2内的湍流强度进行标定。S2、选取一组湍流强度值a₁、a₂、a₃、……a_n。

S3、控制双输出轴电机11和热线风速仪6启动。

S4、开始湍流强度值为a₁的模拟燃烧实验：

S41、根据湍流强度值a₁对应的活塞位置为时序控制器7设定预设并调节调频器使双输出轴电机11按照湍流强度值a1对应的转速值转动。

S42、活塞到达预设位置后，霍尔传感器13发送开关信号至时序控制器7。

S43、时序控制器7接收霍尔传感器13的开关信号，并在预设的时间段后依次控制燃料喷射模块8和点火模块9启动进行燃烧实验，数据采集模块3实时采集定容燃烧器2内气体燃烧时的湍流燃烧特性参数；预设的时间段即为时序控制器7的预设值。

S5、按照湍流强度值为a₁的燃烧实验方法依次完成湍流强度值为a₂至a_n的模拟燃烧实验。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种模拟湍流直喷燃烧的定容装置，其特征在于，包括可调节湍流动力系统、定容燃烧器、数据采集模块和对称设置在所述定容燃烧器两侧的均衡分流器；所述均衡分流器的入口通过连接管路与所述可调节湍流动力系统连通，出口与所述定容燃烧器连通；所述定容燃烧器内设有热线风速仪，所述热线风速仪能够实时检测所述定容燃烧器内的湍流强度；

所述连接管路包括总管和与总管连通的多根歧管，且多根所述歧管的通流面积之和等于所述总管的通流面积；

所述可调节湍流动力系统包括双输出轴电机和分别连接在所述双输出轴电机两个输出轴上的活塞式泵气装置；所述活塞式泵气装置的输入端与所述双输出轴电机的输出轴连接，所述活塞式泵气装置的泵气出口与所述总管连接；两个所述活塞式泵气装置中的活塞的运动轨迹相同；所述双输出轴电机电连接变频器；

所述均衡分流器包括半椭球形的腔体，其球形端通过多根歧管连通定容燃烧器，其平面端通过总管连通可调节湍流动力系统；多根所述歧管均匀对称分布在所述球形端的球面上，且多根所述歧管的出口的中心线与均所述球形端的球面垂直；

所述数据采集模块与所述热线风速仪电连接；所述数据采集模块用于采集定容燃烧器内气体燃烧时的湍流燃烧特性参数。

2.根据权利要求1所述的模拟湍流直喷燃烧的定容装置，其特征在于，所述总管与所述均衡分流器之间、所述总管与所述活塞式泵气装置的缸盖之间均采用圆角过渡连接。

3.根据权利要求1所述的模拟湍流直喷燃烧的定容装置，其特征在于，所述均衡分流器的腔体的体积为活塞式泵气装置的排量的65％-85％。

4.根据权利要求1所述的模拟湍流直喷燃烧的定容装置，其特征在于，还包括时序控制器和霍尔传感器；

所述时序控制器的输入端与所述霍尔传感器电连接，输出端分别与燃料喷射模块和点火模块电连接；

所述霍尔传感器设置在其中一个所述活塞式泵气装置中的曲轴上，且当所述活塞到达预设位置时，所述霍尔传感器发送开关信号至所述时序控制器；

时序控制器能够接收所述霍尔传感器的开关信号，并在预设的时间段后依次控制所述燃料喷射模块和所述点火模块启动。

5.根据权利要求1所述的模拟湍流直喷燃烧的定容装置，其特征在于，所述双输出轴电机与所述活塞式泵气装置通过柔性联轴器连接。

6.一种基于权利要求1～5中任一所述定容装置的模拟燃烧方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用双输出轴电机的转速和活塞的位置对定容燃烧器内湍流强度进行标定；

S2、选定一组湍流强度值a₁、a₂、a₃、……a_n；

S3、控制双输出轴电机和热线风速仪启动；

S4、开始湍流强度值为a₁的模拟燃烧实验：

根据湍流强度值a₁对应的活塞位置为时序控制器设定预设值，并调节调频器使双输出轴电机按照湍流强度值a₁对应的转速值转动；

活塞到达预设位置后，霍尔传感器发送开关信号至时序控制器；

时序控制器接收霍尔传感器的开关信号，并在预设的时间段后依次控制燃料喷射模块和点火模块启动进行燃烧实验；数据采集模块实时采集定容燃烧器内气体燃烧时的湍流燃烧特性参数；所述预设的时间段即为时序控制器的预设值；

S5、按照湍流强度值为a₁的燃烧实验方法依次完成湍流强度值为a₂至a_n的模拟燃烧实验。

7.根据权利要求6所述的模拟燃烧方法，其特征在于，所述步骤S1的具体步骤为：

S11、通过热风测速仪测量双输出轴电机在所有的转速下，活塞位于不同位置时定容燃烧器内对应的湍流强度；

S12、根据定容燃烧器内湍流强度与双输出轴电机的转速及活塞位置之间的对应关系，对定容燃烧器内的湍流强度进行标定。

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