CN114110588B - 高气压条件下的等离子体控制射流火焰实验系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高气压条件下的等离子体控制射流火焰实验系统及方法，包括耐高压密闭容器、供应系统、高压放电系统和测量控制系统；耐高压密闭容器为圆柱体，其两侧和顶面均开设有直径不小于150mm的观察窗；供应系统包括燃料供应组件、氧化剂供应组件和背压填充气供应组件；高压放电系统包括等离子体电源、等离子体喷嘴和火花塞点火装置；测量控制系统包括温度传感器、压力传感器、火焰形态特征测量设备和PIV粒子图像测速仪；火焰形态特征测量设备能多角度观测火焰，得到同一时空下的火焰形态特征；PIV粒子图像测速仪能用于测量扩散燃烧速度场。本发明通过高电压放电方式产生非平衡等离子体及高气压下非平衡等离子体控制射流火焰的实验研究。

Description

高气压条件下的等离子体控制射流火焰实验系统及方法
技术领域
本发明涉及等离子体控制流动燃烧技术领域，特别是一种高气压条件下的等离子体控制射流火焰实验系统及方法。
背景技术
近年来，随着对非平衡等离子体认识的深入，利用非平衡等离子体控制流动和燃烧得到了广泛的研究。非平衡等离子体控制燃烧技术应用对象、燃料改性等方面发挥有益作用。
当前绝大多数相关技术集中在低、中气压环境下的等离子体控制流动燃烧。通常控制燃烧实验是在远低于1个大气压条件下开展的，即气体密度远小于标准大气下的密度，选择低压环境是因为随着气体密度增大，放电会逐渐趋于非均匀，气体击穿难度增大，故开展低气压放电研究有利于更好地在大体积空间产生弥散态等离子体，并利于分析等离子体动力学效应；中等气压下助燃是指在1个大气压左右，即属于常压范围开展实验研究，在此压力下粒子数密度远高于低气压，非平衡等离子体放电通常不再呈现弥散态，而出现丝状放电等特征。
在基础研究和应用基础研究中，国际上普遍都是在低气压条件下进行放电和燃烧试验。高背压环境相比大气压放电测量系统和气体供应系统上要求更高，其气密性问题、因高温高压易燃易爆炸问题显著，同时需要配置高精度传感器、高背压控流元件，加持燃料清洗通道，避免安全问题。点火方面，高温高压情况对点火要求更高，需要采用点火线圈或火炬等常用发动机点火器进行点火，而由此带来的强电弱电线路问题更为复杂。高温、高气压、高电压这一“三高”难题，对实验系统安全性、气密性、成型问题带来挑战，这正是现如今研究的难点所在。
然而实际多数动力装置，如汽车内燃机、工业快速压缩机和火箭发动机等都工作在高背压环境中，气体密度一般大于标准大气压下的气体密度，这些动力装置或多或少面临了快速可靠点火启动、火焰稳定控制等燃烧控制需求，为探索非平衡等离子体对这些高室压动力装置燃烧的控制效果，需要开展相关基础实验研究。目前，关于高气压条件下等离子体助燃研究很少见，开展高气体密度下非平衡等离子体特性及流动燃烧控制实验是使得非平衡等离子体控制燃烧技术在动力装置领域获得使用化的基础，也是相关研究的必不可少的条件之一。鉴于此，建立高气压下的等离子体控制燃烧实验系统，并提出相关实验方法，是相关技术在众多实际动力装置中获得应用的关键。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种高气压条件下的等离子体控制射流火焰实验系统及方法，该高气压条件下的等离子体控制射流火焰实验系统及方法能实现在高气压条件下通过高电压放电方式产生非平衡等离子体及高气压条件下非平衡等离子体控制射流火焰的实验研究。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种高气压条件下的等离子体控制射流火焰实验系统，包括耐高压密闭容器、供应系统、高压放电系统和测量控制系统。
耐高压密闭容器为竖直的圆柱体。
耐高压密闭容器的两侧和顶面均开设有观察窗；每个观察窗的直径均不小于150mm，且每个观察窗的承压能力不低于2MPa。
供应系统包括燃料供应组件、氧化剂供应组件和背压填充气供应组件；其中，背压填充气供应组件用于向耐高压密闭容器中输入0.1-2MPa的背压填充气。
高压放电系统包括等离子体电源、等离子体喷嘴和火花塞点火装置。
等离子体喷嘴同轴插设在耐高压密闭容器的中心，且等离子体喷嘴的喷射端位于三个观察窗的视野范围内。
等离子体喷嘴包括同轴设置的氧化剂通道和燃料通道；其中，所述燃料供应组件用于向等离子体喷嘴中的燃料通道输入燃料；氧化剂供应组件用于向等离子体喷嘴中的氧化剂通道输入氧化剂。
等离子体电源用于向等离子体喷嘴通入高压电，并使得氧化剂通道中的氧化剂和燃料通道中的燃料高压放电形成氧等离子体和燃料等离子体。
火花塞点火装置用于将从等离子体喷嘴喷射端喷出的氧等离子体和燃料等离子体进行点火。
测量控制系统包括温度传感器、压力传感器、火焰形态特征测量设备和PIV粒子图像测速仪。
温度传感器和压力传感器设置在耐高压密闭容器壁面，分别用于检测耐高压密闭容器内的温度和背压。
火焰形态特征测量设备设置在三个观察窗外部，能多角度观测火焰，得到同一时空下的火焰形态特征。
PIV粒子图像测速仪设置在顶面观察窗的外侧，能用于测量推进剂的扩散燃烧速度场。
火焰形态特征测量设备包括紫外相机、单反相机和光谱仪；紫外相机采用75mmUV-LENS紫外镜头，紫外相机的镜头与对应玻璃窗之间的间距为2m；单反相机采用24-70mm变焦镜头，单反相机能用于拍摄火焰形态图像和等离子体放电状态图像；当单反相机用于拍摄火焰形态图像时，单反相机的镜头与对应玻璃窗之间的间距为0.7m；当单反相机用于拍摄等离子体放电状态图像时，单反相机的镜头与对应玻璃窗之间的间距为0.2m；光谱仪的光路与对应玻璃窗夹角为45°，俯视火焰进行特征测量。
燃料和氧化剂分别由对应的高压气瓶一供给，高压气瓶一的供气管路一依次经过减压阀一、旋拧阀一、流量计、电磁阀和单向阀一后，流入等离子体喷嘴中。
背压填充气由高压气瓶二供给，高压气瓶二的供气管路二依次经过减压阀二、旋拧阀二和单向阀二后，流入耐高压密闭容器中。
高压气瓶一和高压气瓶二均集成放置在高度能够升降的升降平台中，进而保证燃料、氧化剂或背压填充气供应过程中的流量稳定。
高压气瓶一与对应减压阀之间的供气管路一、以及高压气瓶二与对应加压阀之间的供气管路二均为能耐压25Mpa的高压软管，高压软管的外周套设有防爆弹簧，高压软管朝向减压阀的一端均设置有高压球头接口。
火花塞点火装置包括火花塞、点火线圈和脉冲开关组件。
点火线圈为电磁感应式点火线圈，包括铁心、以及绕设在铁心上的初级线圈和次级线圈；其中，初级线圈通过脉冲开关组件与12V直流电源两端相连接；当脉冲开关组件使初级线圈与12V直流电源相导通时，初级线圈四周磁场增强，铁心储存磁场能；当脉冲开关组件使初级线圈与12V直流电源断开时，初级线圈四周磁场衰减，次级线圈将感应出20kV-30kV的脉冲高压；20kV-30kV的脉冲高压能使火花塞电极间的峰值电流达200A，点火能量达1mJ，从而实现燃料和氧化剂的脉冲点火。
耐高压密闭容器上设置有燃料接口、氧化剂接口、背压填充气接口、泄压出口、温度传感器接口、压力传感器接口、高压等离子体接口和火花塞点火接口。
燃料接口、氧化剂接口和背压填充气接口分别用于连接燃料供应组件、氧化剂供应组件和背压填充气供应组件；泄压出口用于排出耐高压密闭容器内的背压填充气。
燃料接口、氧化剂接口、背压填充气接口和泄压出口均为耐高压焊接管；其中，与泄压出口相连接的耐高压焊接管上还设置有泄压阀。
温度传感器接口和压力传感器接口分别用于温度传感器和压力传感器的密封出线。
高压等离子体接口用于等离子体电源的进出线，为高压插头。
火花塞点火接口用于火花塞点火装置的通电。
温度传感器接口、压力传感器接口和火花塞点火接口集成于低压插头。
高压插头和低压插头相对排列于耐高压密闭容器底部的内径轮廓线，以规避高压导线对低压导线影响。
低压插头采用“螺纹+法兰”的方式，安装在耐高压密闭容器底部。
高压插头包括高压公插头和高压母插头；高压公插头和高压母插头均包括从内至外依次同轴设置的接触件、绝缘体和外壳；高压公插头中的接触件和高压母插头中的接触件能组成导电的接触对；高压母插头的外壳外周设置有高压插头螺纹，高压插头螺纹通过螺纹连接的方式安装在耐高压密闭容器底部，高压母插头的外壳内壁设置有密封圈，高压插头螺纹上还套设有螺母。
温度传感器的数量为2个，呈对角布设在耐高压密闭容器的上端和下端，用于实时监测耐高压密闭容器内部的温度变化情况；温度传感器呈角线布置，有利于监视耐高压密闭容器内因局部燃烧导致的温度差异，保障实验安全进行。
压力传感器具有3个，其中两个压力传感器呈对角布设在耐高压密闭容器的上端和下端，用于实时监测耐高压密闭容器内部压力变化情况，有利于反映耐高压密闭容器内部的平均背压；另外一个压力传感器安装于耐高压密闭容器内部的等离子体集气腔中，用于监测等离子体集气腔内部压力变化，进而分析等离子体射流气动效应。
一种高气压条件下的等离子体控制射流火焰实验方法，包括如下步骤。
步骤1、气密性检查：采用背压填充气供应组件向耐高压密闭容器内充填背压填充气，并使得耐高压密闭容器内的气压不低于一个大气压；然后，对耐高压密闭容器的气密性进行检查。
步骤2、背压填充气供料：当步骤1的气密性检查合格后，采用背压填充气供应组件继续向耐高压密闭容器内充填背压填充气，并使得耐高压密闭容器内的气压稳定在设定压力；其中，设定压力范围为0.1-2MPa。
步骤3、燃料和氧化剂供料：采用燃料供应组件向等离子体喷嘴中的燃料通道输入燃料；采用氧化剂供应组件向等离子体喷嘴中的氧化剂通道输入氧化剂。
步骤4、高压放电：在燃料和氧化剂供料的同时，等离子体电源向等离子体喷嘴通入高压电，使得氧化剂通道中的氧化剂和燃料通道中的燃料高压放电形成氧等离子体和燃料等离子体。
步骤5、点火：火花塞点火装置中的脉冲开关组件使初级线圈与12V直流电源相导通，初级线圈四周磁场增强，铁心储存磁场能；接着，脉冲开关组件使初级线圈与12V直流电源断开，初级线圈四周磁场衰减，次级线圈将感应出20kV-30kV的脉冲高压；20kV-30kV的脉冲高压使火花塞电极间的峰值电流达200A，点火能量达1mJ，从而将从等离子体喷嘴喷射端喷出的氧等离子体和燃料等离子体进行点火，在等离子体喷嘴的顶部喷射端形成射流火焰。
步骤6、获取火焰形态特征：通过设置在三个观察窗外侧的火焰形态特征测量设备，对步骤5形成的射流火焰进行多角度观测，并获得同一时空下的火焰形态特征。
步骤7、测量燃烧速度场：通过设置在顶部观察窗外侧的PIV粒子图像测速仪对步骤5形成的射流火焰进行测量，进而获得燃料和氧化剂沿垂直方向的扩散燃烧速度场。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明能实现在高气压条件下通过高电压放电方式产生非平衡等离子体及高气压条件下非平衡等离子体控制射流火焰的实验研究。
2、本发明能实现高气压下快速可靠点火启动、火焰稳定控制，具体表现在：火花塞电极之间的击穿电压（又称峰值电压）产生离子流从一个电极跑向另一个电极，电极间隙的电阻迅速下降，电压迅速衰减，电流达到峰值，建立了一个大约40μm直径的、很窄的圆柱状等离子体通道，等离子体是导体，它的温度达到60000K，压力上升到几十MPa，从而产生一个强烈的激波向四周传播，使等离子体的体积迅速膨胀到大约2mm直径（进入电弧放电阶段），压力、温度迅速下降。击穿阶段的时间很短，约10ns，峰值电流高达约200A，能量约1mJ。而这一点火能量远大于纯甲烷所需点火能量0.47mJ。快速可靠点火启动、火焰稳定控制等燃烧控制需求，为探索非平衡等离子体对这些高室压动力装置燃烧的控制效果，需要开展相关基础实验研究。
3、本发明中耐高压密闭容器为竖直的圆柱体设计，具备结构调整空间，可减小法兰直径及管道壁厚，圆体结构主体使用异径四通焊接制作，总体质量约为380～400kg，而方体结构在不降低安全冗余的前提下，不具备结构缩减空间，总体质量约为450～480kg；圆体结构相对方形结构，成本较低，焊接要求更低，总体结构的可靠性更高；方体结构使用钢板料组合焊接制作，加工成本较高，焊接要求也较高，但方体结构便于进出管道的安装与焊接，外形相对圆形结构更美观一些。
4、本发明中的观察窗口多、尺寸大，能够使得光线较好得穿透耐高压密闭容器，方便观察内部反应器火焰形态。同时，能够多个角度观测火焰，也可多个位置放置实验测量装置，进行多物理场测量，得到同一时空下火焰形态特性。另外，能利用PIV测量技术对甲烷/空气的正扩散燃烧速度场进行测量，得到等离子体控制射流火焰的速度场信息，利用PIV解决了热态测量的问题。
附图说明
图1显示了本发明一种高气压条件下的等离子体控制射流火焰实验系统的结构示意图。
图2显示了本发明中PIV粒子图像测速仪的布设位置示意图。
图3显示了本发明中供应系统集成在升降平台上的结构示意图。
图4显示了本发明中耐高压密闭容器的主视图。
图5显示了耐高压密闭容器的应力分析图；图5（a）显示了耐高压密闭容器为圆柱体时的应力分析图；图5（b）显示了耐高压密闭容器为方形体时的应力分析图。
图6显示了耐高压密闭容器的变形量分析图；图6（a）显示了耐高压密闭容器为圆柱体时的变形量分析图；图6（b）显示了耐高压密闭容器为方形体时的变形量分析图。
图7显示了本发明中耐高压密闭容器上各接口的布设位置示意图。
图8显示了本发明中火花塞点火装置的点火原理图。
图9显示了本发明中低压插头的结构示意图。
图10显示了本发明中高压插头的结构示意图。
其中有：
10. 耐高压密闭容器；
11.燃料接口；12.氧化剂接口；13.背压填充气接口；14.泄压出口；141.泄压阀；142.泄压管路；15.温度传感器接口；16.压力传感器接口；17.高压等离子体接口；18.火花塞点火接口；19.测控接口；
21.高压气瓶一；211.供气管路一；212.减压阀一；213.旋拧阀一；214.流量计；215.电磁阀；216.单向阀一；
22.高压气瓶二；221.供气管路二；222.减压阀二；223.旋拧阀二；224.单向阀二；
23.升降平台；
31.等离子电源；32.等离子体喷嘴装置；33.火花塞点火装置；
41.温度传感器；42.压力传感器；43.紫外相机；44.示波器；45.计算机；46.单反相机；47.片光源透镜组；48.激光器；
50.观察窗；51.测管；511.侧管法兰盘；52.压环；
60.高压插头；
61.高压公插头；611.阳极接触体；612.公插头壳体；613.弹性圈；
62.高压母插头；
621.阴极接触体；622.高压插头螺纹；623.螺母；624.绝缘件；625.密封圈；
70.低压插头；71.低压插头螺纹；72.低压插头法兰盘。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1和图2所示，一种高气压条件下的等离子体控制射流火焰实验系统，包括耐高压密闭容器10、供应系统、高压放电系统和测量控制系统。
耐高压密闭容器为竖直的圆柱体。
耐高压密闭容器在设计时考虑圆体结构和方体结构两种方案，圆体结构外形尺寸具备结构调整空间，可减小法兰直径及管道壁厚，圆体结构主体使用异径四通焊接制作，总体质量约为380～400kg，方体结构在不降低安全冗余的前提下，不具备结构缩减空间，总体质量约为450～480kg；圆体结构相对方形结构，成本较低，焊接要求更低，总体结构的可靠性更高；方体结构使用钢板料组合焊接制作，加工成本较高，焊接要求也较高，但方体结构便于进出管道的安装与焊接，外形相对圆形结构更美观一些。
同时采用结构有限元软件进行建模和应力应变分析，如图5所示，发现圆柱形高压密闭结构容器给定工况及屈服应力（220.6MPa）作用下产生最大应力较大，但整体受力均匀，应力集中现象不明显，承压能力较好。而方形高压密闭结构容器在相同工况及屈服应力作用下局部受力不均匀，未开观测窗容器壁面应力集中现象明显，容器两壁面结合处应力较大。如图6所示，分析变形量后发现圆柱型容器结构较方形容器结构变形量低且分散。
综合考虑，高压密闭容器设计选取圆体结构方案。
耐高压密闭容器的两侧和顶面均开设有观察窗50；每个观察窗的直径均不小于150mm，且每个观察窗的承压能力不低于2MPa。也即，观测窗可承受耐高压密闭容器最大压强，即其受能承受最大应力高于实验系统给定压强。
如图4所示，耐高压密闭容器两侧的观察窗优选位于同一水平直线，也即在耐高压密闭容器两侧各设置一根侧管51，每根侧管与耐高压密闭容器之间均为弧形过渡连接，防止应力集中。每根侧管的端部外缘均一体设置有侧管法兰盘511，通过压环52与侧管法兰盘511螺纹连接，从而将观察窗密封压紧在侧管上，最高能承压约2MPa。
耐高压密闭容器两侧的观察窗直径优选为150mm-200mm，相较其他燃烧实验装置的观察窗其尺寸更大（通常他人的小于30mm）。
耐高压密闭容器顶面的观察窗更大，能达到350mm，能够满足多种先进激光诊断要求，非常有利于进行数据采集。
本发明中三个观察窗的设置，具有如下有益效果：
（1）窗口多、尺寸大能够使得光线较好得穿透耐高压密闭容器，方便观察内部反应器火焰形态。大气压条件1L/min甲烷流量和5L/min空气流量下火焰高度达到100mm左右，在等离子体射流控制作用下，火焰更加稳定。若想观察到完整火焰状态并进行相关测量分析，需要开设直径150mm以上的玻璃窗。在进行等离子体助燃火焰气动效应和热效应分析中，需要进行火焰烟气采集分析、反应器内壁温度测量、射流火焰光谱测量等，以上对等离子体控制射流火焰分析意义重大，而在实验初期光路、测量高度位置的选择需要对耐高压密闭容器内部状况了如指掌。好的光线条件在实验准备阶段可以准确进行测量设备和光路的摆置。
（2）增设观测窗有助于多个角度观测火焰，也可多个位置放置实验测量装置，进行多物理场测量，得到同一时空下火焰形态特性。实验耐高压密闭容器周围可同时布置高速摄影、紫外相机、光谱仪等测量仪器，同一时空同一工况分析等离子体控制火焰射流现象和机理。实验经验表明，各类实验仪器都有合适的摆放距离，在实验准备阶段各类测量仪器都需要调整到最佳工作位置，而开设三个观测窗使得多物理场测量成为可能。
（3）先进激光诊断要求，利用PIV测量技术对甲烷/空气的正扩散燃烧速度场进行测量，得到等离子体控制射流火焰的速度场信息，利用PIV解决了热态测量的问题。而上方观测窗的开设，正是此目的。PIV系统主要由片光源系统、CCD相机拍摄系统、信号处理器和主控制器四部分组成，激光片光源系统以激光器为光源，控制台实时采集数据和处理，并进行图像显示。进而得到清晰的速度场信息。过去实验经验表明，PIV技术可以进行热态燃烧速度场的测量，是燃烧实验研究的先进手段。
如图1和图4所示，耐高压密闭容器的上设置有燃料接口11、氧化剂接口12、背压填充气接口13、泄压出口14、温度传感器接口15、压力传感器接口16、高压等离子体接口17、火花塞点火接口18和测控接口19。
燃料接口、氧化剂接口和背压填充气接口分别用于连接燃料供应组件、氧化剂供应组件和背压填充气供应组件；泄压出口用于排出耐高压密闭容器内的背压填充气。
燃料接口、氧化剂接口、背压填充气接口和泄压出口均优选为耐高压焊接管；其中，与泄压出口相连接的耐高压焊接管上还设置有泄压阀141，泄压出口末端与泄压管路142相连接。
温度传感器接口和压力传感器接口分别用于温度传感器和压力传感器的密封出线，为低压插头。
高压等离子体接口用于等离子体电源的进出线，分高压插头。为实现高气压下等离子体控制射流火焰功能，需要在耐高压密闭容器内反应器引入等离子体。内部反应器为介质阻挡放电构型，产生等离子体需要高频高电压电源（20kv，1000Hz），这对连接件要求较高。高压插头是连接等离子体电源和耐高压密闭容器内部喷嘴的关键要素，具备高压电连接功能。
火花塞点火接口用于火花塞点火装置的通电，为低压插头。
各类传感器、火花塞点火接口集成于低压插头，高压等离子体接口设置于高压插头，高压低压插头相对排列摆放于耐高压密闭容器底部内径轮廓线，以规避高压导线对低压导线影响。
上述测控接口19为备用接口。
高压插头和低压插头采用“螺纹+法兰”的方式，安装在耐高压密闭容器底部。高低压插头为方便安装和保证安全性，其外部结构体上加工外螺纹和法兰盘。
低压插头优选采用“螺纹+法兰”的方式，安装在耐高压密闭容器底部。如图9所示，低压插头70包括低压插头螺纹71和低压插头法兰盘72。其中，低压插头螺纹71螺纹连接在耐高压密闭容器底部，另外，还通过低压插头法兰盘72与耐高压密闭容器底部螺纹连接，从而实现稳定的密封连接。
如图10所示，高压插头60包括高压公插头61和高压母插头62。
由于等离子体电源产生千伏级别电压，耐高压密闭容器引出电路需要特殊连接件。故而本申请的高压公插头和高压母插头均包括从内至外依次同轴设置的接触件、绝缘体和外壳。
上述绝缘体能保证接触件之间和接触件与外壳之间的绝缘性能，具备良好的绝缘性能、耐电压性能。
高压公插头中的接触件称为阳极接触体611，高压公插头中的壳体称为公插头壳体612，高压公插头的外端优选设置有弹性圈613，用于便捷地外接高压线。
高压母插头中的接触件称为阴极接触体621，阴极接触体621与阳极接触体611组成导电的接触对，实现高压电连接功能。
高压母插头的壳体外周设置有高压插头螺纹622，用于与耐高压密闭容器底部螺纹连接。高压母插头的外壳内壁设置有密封圈623，高压插头螺纹上还套设有螺母624，通过旋转螺母，实现高压公插头61和高压母插头62的密封可靠连接。
供应系统包括燃料供应组件、氧化剂供应组件和背压填充气供应组件；其中，背压填充气供应组件用于向耐高压密闭容器中输入0.1-2MPa的背压填充气。
上述燃料优选为甲烷，氧化剂有为空气，背压填充气优选为氮气。
燃料和氧化剂分别由对应的高压气瓶一21供给，高压气瓶一的供气管路一211依次经过减压阀一212、旋拧阀一213、流量计214、电磁阀215和单向阀一216后，流入等离子体喷嘴中。
背压填充气由高压气瓶二22供给，高压气瓶二的供气管路二221依次经过减压阀二222、旋拧阀二223和单向阀二224后，流入耐高压密闭容器中。
上述减压阀一和减压阀二的输出压力设定为0-1.5MPa；电磁阀采用常闭模式，进行实验时通过控制终端开启；所有阀门及气路管道配件材质均采取内壁抛光钝化处理。
如图3所示，高压气瓶一和高压气瓶二均优选集成放置在高度能够升降的升降平台23中，进而保证燃料、氧化剂或背压填充气供应过程中的流量稳定。流量稳定是实验进行的前提，流量稳定保证了高压环境下火焰射流状态正常，可以更精确直观地观察测量等离子体控制射流火焰效果。
进一步，升降平台23底部优选设置有载重约300KG万向轮，
高压气瓶一与对应减压阀之间的供气管路一、以及高压气瓶二与对应加压阀之间的供气管路二均为能耐压25MPa的高压软管，高压软管的外周套设有防爆弹簧，高压软管朝向减压阀的一端均设置有高压球头接口。
高压放电系统包括等离子体电源31、等离子体喷嘴32和火花塞点火装置33。
等离子体喷嘴同轴插设在耐高压密闭容器的中心，且等离子体喷嘴的喷射端位于三个观察窗的视野范围内。
等离子体喷嘴为现有技术，包括同轴设置的氧化剂通道和燃料通道；其中，所述燃料供应组件用于向等离子体喷嘴中的燃料通道输入燃料；氧化剂供应组件用于向等离子体喷嘴中的氧化剂通道输入氧化剂。
等离子体电源有通过设置在上述高压等离子体接口处的高压插头向等离子体喷嘴通入高压电，并使得氧化剂通道中的氧化剂和燃料通道中的燃料高压放电形成氧等离子体和燃料等离子体。
另外，在高压插头处还通过等离子体放电电路连接地线，在等离子体放电电路外周优选套设有皮尔森线圈。
火花塞点火装置用于将从等离子体喷嘴喷射端喷出的氧等离子体和燃料等离子体进行点火。
火花塞点火装置包括火花塞、点火线圈和脉冲开关组件。
点火线圈为电磁感应式点火线圈，包括铁心、以及绕设在铁心上的初级线圈和次级线圈。
如图8所示，初级线圈通过脉冲开关组件与12V直流电源两端相连接；当脉冲开关组件使初级线圈与12V直流电源相导通时，初级线圈四周磁场增强，铁心储存磁场能；当脉冲开关组件使初级线圈与12V直流电源断开时，初级线圈四周磁场衰减，次级线圈将感应出20kV-30kV的脉冲高压；20kV-30kV的脉冲高压能使火花塞电极间的峰值电流达200A，点火能量达1mJ，从而实现燃料和氧化剂的脉冲点火。
为提高点火成功率，点火系统必须具备两个功能：一是火花塞中心电极和旁电极间产生脉冲电压并在其间形成火花放电；二是放电火花的能量要足够大，以使得火花在可燃混合气中形成的火核足够完成物理化学过程，并扩大形成火焰。本专利点火装置的核心部件是点火线圈和开关装置，提高点火线圈的能量，火花塞就能产生足够能量的火花。点火线圈则是以脉冲形式工作的，可以看成是脉冲变压器，它以不同的频率反复进行储能及放能。当初级线圈接通12V直流电源时，随着电流的增长四周产生一个很强的磁场，铁芯储存了磁场能；当开关装置使初级线圈电路断开时，初级线圈的磁场迅速衰减，次级线圈就会感应出很高的电压（20kV-30kV）。脉冲高压驱动火花塞点火，而点火能量越强，点着混合气概率越高，即点火范围变宽。
点火能量计算式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中E--点火能量，mJ；t--放电时间，ms；I—放电电流，A；V—放电电压，V。
火花塞电极之间的击穿电压（又称峰值电压）产生离子流从一个电极跑向另一个电极，电极间隙的电阻迅速下降，电压迅速衰减，电流达到峰值，建立了一个大约40μm直径的、很窄的圆柱状等离子体通道，等离子体是导体，它的温度达到60000K，压力上升到几十MPa，从而产生一个强烈的激波向四周传播，使等离子体的体积迅速膨胀到大约2mm直径（进入电弧放电阶段），压力、温度迅速下降。击穿阶段的时间很短，约10ns，峰值电流高达约200A，能量约1mJ。而这一点火能量远大于纯甲烷所需点火能量0.47mJ。
测量控制系统包括温度传感器41、压力传感器42、示波器44、火焰形态特征测量设备、PIV粒子图像测速仪和计算机45。
温度传感器和压力传感器设置在耐高压密闭容器壁面，分别用于检测耐高压密闭容器内的温度和背压。
如图1所示，温度传感器的数量为2个，分别为温度传感器
Figure 714DEST_PATH_IMAGE002
和温度传感器
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，呈对 角布设在耐高压密闭容器的上端和下端，用于实时监测耐高压密闭容器内部的温度变化情 况；温度传感器呈角线布置，有利于监视耐高压密闭容器内因局部燃烧导致的温度差异，保 障实验安全进行。
压力传感器具有3个，分别为压力传感器
Figure 749839DEST_PATH_IMAGE004
、压力传感器
Figure DEST_PATH_IMAGE005
和压力传感器
Figure 119772DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 714701DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 257809DEST_PATH_IMAGE006
两者呈对角布设在耐高压密闭容器的上端和下端；压力传感器
Figure 395529DEST_PATH_IMAGE005
安装于耐高压密闭容器 内部的等离子体集气腔中，用于监测内部压力变化，进而分析等离子体射流气动效应；2个 压力传感器用于实时耐高压密闭容器内部压力变化情况，压力传感器呈对角线布置，有利 于反映耐高压密闭容器内部的平均背压。
上述示波器通过高压探头外置于高压插头与等离子体电源的连接处，用于测量等离子体电源参数。
火焰形态特征测量设备设置在三个观察窗外部，能角度观测火焰，得到同一时空下的火焰形态特征。
火焰形态特征测量设备优选包括紫外相机43、单反相机46和光谱仪等。
紫外相机采用75mmUV-LENS紫外镜头，紫外相机的镜头与对应玻璃窗之间的间距为2m，紫外相机能用于分析火焰射流基团成分和分布情况。
单反相机采用24-70mm变焦镜头，单反相机能用于拍摄火焰形态图像和等离子体放电状态图像。
当单反相机用于拍摄火焰形态图像时，单反相机的镜头与对应玻璃窗之间的间距为0.7m，能记录火焰实时图像，便于进一步处理分析火焰射流。
当单反相机用于拍摄等离子体放电状态图像时，单反相机的镜头与对应玻璃窗之间的间距为0.2m；光谱仪的光路与对应玻璃窗夹角为45°，俯视火焰进行特征测量。
各类传感器、火花塞点火接口集成于低压插头，高压等离子体接口设置于高压插头，高压低压插头相对排列摆放于耐高压密闭容器底部内径轮廓线，以规避高压导线对低压导线影响。
PIV粒子图像测速仪设置在顶面观察窗的外侧，能用于测量推进剂的扩散燃烧速度场。
PIV粒子图像测速仪优选包括片光源透镜组47和激光器48。
上述温度传感器41、压力传感器42、示波器44、火焰形态特征测量设备和PIV粒子图像测速仪均分别与计算机45相连接。
一种高气压条件下的等离子体控制射流火焰实验方法，包括如下步骤。
步骤1、气密性检查：采用背压填充气供应组件向耐高压密闭容器内充填背压填充气，并使得耐高压密闭容器内的气压不低于一个大气压；然后，对耐高压密闭容器的气密性进行检查。
气密性检查的操作过程优选为：
将氧化剂和燃料供气管路中的减压阀一、旋拧阀一、流量计和电磁阀关闭，打开背压填充气的高压气瓶二以及减压阀二和旋拧阀二，设定出口压力大于一个大气压，观察高压密闭容器罐体上的压力传感器示数的变化情况。在示数不稳定的情况下，考虑到实施过程的便捷性，采用装满肥皂水泡沫的吹气瓶对管路的连接处进行气泡法检漏。在上述实验条件下，利用吹气瓶在管路连接处挤出泡沫，观察气泡，若有变大的趋势则说明此处漏气需要进行紧固工作，直至耐高压密闭容器罐体上的压力传感器示数保持不变为止，气密性检查完成后，先关闭电磁阀再关闭高压气瓶二、减压阀二和旋拧阀二。
步骤2、背压填充气供料：当步骤1的气密性检查合格后，采用背压填充气供应组件继续向耐高压密闭容器内充填背压填充气，并使得耐高压密闭容器内的气压稳定在设定压力；其中，设定压力范围为0.1-2MPa。
步骤3、燃料和氧化剂供料：采用燃料供应组件向等离子体喷嘴中的燃料通道输入燃料；采用氧化剂供应组件向等离子体喷嘴中的氧化剂通道输入氧化剂。
步骤4、高压放电：在燃料和氧化剂供料的同时，观察示波器调节等离子体电源向等离子体喷嘴通入高压电，使得氧化剂通道中的氧化剂和燃料通道中的燃料高压放电形成氧等离子体和燃料等离子体。
步骤5、点火：火花塞点火装置中的脉冲开关组件使初级线圈与12V直流电源相导通，初级线圈四周磁场增强，铁心储存磁场能；接着，脉冲开关组件使初级线圈与12V直流电源断开，初级线圈四周磁场衰减，次级线圈将感应出20kV-30kV的脉冲高压；20kV-30kV的脉冲高压使火花塞电极间的峰值电流达200A，点火能量达1mJ，从而将从等离子体喷嘴喷射端喷出的氧等离子体和燃料等离子体进行点火，在等离子体喷嘴的顶部喷射端形成射流火焰。
步骤6、获取火焰形态特征
在获取火焰形态特征前，先获取火焰射流环境条件，具体获取方法为：通过耐高压密闭容器内部设置的压力传感器、温度传感器测量得到耐高压密闭容器内部压力和温度环境条件，为进一步分析等离子体控制火焰射流提供外界条件参考。
然后，通过设置在三个观察窗外侧的火焰形态特征测量设备，对步骤5形成的射流火焰进行多角度观测，并获得同一时空下的火焰形态特征。
步骤7、测量燃烧速度场：通过设置在顶部观察窗外侧的PIV粒子图像测速仪对步骤5形成的射流火焰进行测量，进而获得燃料和氧化剂沿垂直方向的扩散燃烧速度场。待数据采集完成后，关闭数据采集系统中的各种设备仪器，而后关闭燃料和氧化剂供气管路中的电磁阀，打开泄压阀将耐高压密闭容器中的气体排出，而后再打开电磁阀，依次关闭燃料和氧化剂供气管路中的减压阀一、旋拧阀一、流量计和电磁阀，将供气管路内的气体完全排出。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高气压条件下的等离子体控制射流火焰实验系统，其特征在于：包括耐高压密闭容器、供应系统、高压放电系统和测量控制系统；
耐高压密闭容器为竖直的圆柱体；
耐高压密闭容器的两侧和顶面均开设有观察窗；每个观察窗的直径均不小于150mm，且每个观察窗的承压能力不低于2MPa；
供应系统包括燃料供应组件、氧化剂供应组件和背压填充气供应组件；其中，背压填充气供应组件用于向耐高压密闭容器中输入0.1-2MPa的背压填充气；
高压放电系统包括等离子体电源、等离子体喷嘴和火花塞点火装置；
等离子体喷嘴同轴插设在耐高压密闭容器的中心，且等离子体喷嘴的喷射端位于三个观察窗的视野范围内；
等离子体喷嘴包括同轴设置的氧化剂通道和燃料通道；其中，所述燃料供应组件用于向等离子体喷嘴中的燃料通道输入燃料；氧化剂供应组件用于向等离子体喷嘴中的氧化剂通道输入氧化剂；
等离子体电源用于向等离子体喷嘴通入高压电，并使得氧化剂通道中的氧化剂和燃料通道中的燃料高压放电形成氧等离子体和燃料等离子体；
火花塞点火装置用于将从等离子体喷嘴喷射端喷出的氧等离子体和燃料等离子体进行点火；
测量控制系统包括温度传感器、压力传感器、火焰形态特征测量设备和PIV粒子图像测速仪；
温度传感器和压力传感器设置在耐高压密闭容器壁面，分别用于检测耐高压密闭容器内的温度和背压；
火焰形态特征测量设备设置在三个观察窗外部，能多角度观测火焰，得到同一时空下的火焰形态特征；
PIV粒子图像测速仪设置在顶面观察窗的外侧，能用于测量推进剂的扩散燃烧速度场。
2.根据权利要求1所述的高气压条件下的等离子体控制射流火焰实验系统，其特征在于：火焰形态特征测量设备包括紫外相机、单反相机和光谱仪；紫外相机采用75mmUV-LENS紫外镜头，紫外相机的镜头与对应玻璃窗之间的间距为2m；单反相机采用24-70mm变焦镜头，单反相机能用于拍摄火焰形态图像和等离子体放电状态图像；当单反相机用于拍摄火焰形态图像时，单反相机的镜头与对应玻璃窗之间的间距为0.7m；当单反相机用于拍摄等离子体放电状态图像时，单反相机的镜头与对应玻璃窗之间的间距为0.2m；光谱仪的光路与对应玻璃窗夹角为45°，俯视火焰进行特征测量。
3.根据权利要求1所述的高气压条件下的等离子体控制射流火焰实验系统，其特征在于：燃料和氧化剂分别由对应的高压气瓶一供给，高压气瓶一的供气管路一依次经过减压阀一、旋拧阀一、流量计、电磁阀和单向阀一后，流入等离子体喷嘴中；
背压填充气由高压气瓶二供给，高压气瓶二的供气管路二依次经过减压阀二、旋拧阀二和单向阀二后，流入耐高压密闭容器中；
高压气瓶一和高压气瓶二均集成放置在高度能够升降的升降平台中，进而保证燃料、氧化剂或背压填充气供应过程中的流量稳定。
4.根据权利要求3所述的高气压条件下的等离子体控制射流火焰实验系统，其特征在于：高压气瓶一与对应减压阀之间的供气管路一、以及高压气瓶二与对应加压阀之间的供气管路二均为能耐压25Mpa的高压软管，高压软管的外周套设有防爆弹簧，高压软管朝向减压阀的一端均设置有高压球头接口。
5.根据权利要求1所述的高气压条件下的等离子体控制射流火焰实验系统，其特征在于：火花塞点火装置包括火花塞、点火线圈和脉冲开关组件；
点火线圈为电磁感应式点火线圈，包括铁心、以及绕设在铁心上的初级线圈和次级线圈；其中，初级线圈通过脉冲开关组件与12V直流电源两端相连接；当脉冲开关组件使初级线圈与12V直流电源相导通时，初级线圈四周磁场增强，铁心储存磁场能；当脉冲开关组件使初级线圈与12V直流电源断开时，初级线圈四周磁场衰减，次级线圈将感应出20kV-30kV的脉冲高压；20kV-30kV的脉冲高压能使火花塞电极间的峰值电流达200A，点火能量达1mJ，从而实现燃料和氧化剂的脉冲点火。
6.根据权利要求1所述的高气压条件下的等离子体控制射流火焰实验系统，其特征在于：耐高压密闭容器上设置有燃料接口、氧化剂接口、背压填充气接口、泄压出口、温度传感器接口、压力传感器接口、高压等离子体接口和火花塞点火接口；
燃料接口、氧化剂接口和背压填充气接口分别用于连接燃料供应组件、氧化剂供应组件和背压填充气供应组件；泄压出口用于排出耐高压密闭容器内的背压填充气；
燃料接口、氧化剂接口、背压填充气接口和泄压出口均为耐高压焊接管；其中，与泄压出口相连接的耐高压焊接管上还设置有泄压阀；
温度传感器接口和压力传感器接口分别用于温度传感器和压力传感器的密封出线；
高压等离子体接口用于等离子体电源的进出线，为高压插头；
火花塞点火接口用于火花塞点火装置的通电；
温度传感器接口、压力传感器接口和火花塞点火接口集成于低压插头；
高压插头和低压插头相对排列于耐高压密闭容器底部的内径轮廓线，以规避高压导线对低压导线影响。
7.根据权利要求6所述的高气压条件下的等离子体控制射流火焰实验系统，其特征在于：低压插头采用“螺纹+法兰”的方式，安装在耐高压密闭容器底部。
8.根据权利要求6所述的高气压条件下的等离子体控制射流火焰实验系统，其特征在于：高压插头包括高压公插头和高压母插头；高压公插头和高压母插头均包括从内至外依次同轴设置的接触件、绝缘体和外壳；高压公插头中的接触件和高压母插头中的接触件能组成导电的接触对；高压母插头的外壳外周设置有高压插头螺纹，高压插头螺纹通过螺纹连接的方式安装在耐高压密闭容器底部，高压母插头的外壳内壁设置有密封圈，高压插头螺纹上还套设有螺母。
9.根据权利要求1所述的高气压条件下的等离子体控制射流火焰实验系统，其特征在于：温度传感器的数量为2个，呈对角布设在耐高压密闭容器的上端和下端，用于实时监测耐高压密闭容器内部的温度变化情况；温度传感器呈角线布置，有利于监视耐高压密闭容器内因局部燃烧导致的温度差异，保障实验安全进行；
压力传感器具有3个，其中两个压力传感器呈对角布设在耐高压密闭容器的上端和下端，用于实时监测耐高压密闭容器内部压力变化情况，有利于反映耐高压密闭容器内部的平均背压；另外一个压力传感器安装于耐高压密闭容器内部的等离子体集气腔中，用于监测等离子体集气腔内部压力变化，进而分析等离子体射流气动效应。
10.一种高气压条件下的等离子体控制射流火焰实验方法，基于权利要求1-9任一项所述的高气压条件下的等离子体控制射流火焰实验系统，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、气密性检查：采用背压填充气供应组件向耐高压密闭容器内充填背压填充气，并使得耐高压密闭容器内的气压不低于一个大气压；然后，对耐高压密闭容器的气密性进行检查；
步骤2、背压填充气供料：当步骤1的气密性检查合格后，采用背压填充气供应组件继续向耐高压密闭容器内充填背压填充气，并使得耐高压密闭容器内的气压稳定在设定压力；其中，设定压力范围为0.1-2MPa；
步骤3、燃料和氧化剂供料：采用燃料供应组件向等离子体喷嘴中的燃料通道输入燃料；采用氧化剂供应组件向等离子体喷嘴中的氧化剂通道输入氧化剂；
步骤4、高压放电：在燃料和氧化剂供料的同时，等离子体电源向等离子体喷嘴通入高压电，使得氧化剂通道中的氧化剂和燃料通道中的燃料高压放电形成氧等离子体和燃料等离子体；
步骤5、点火：火花塞点火装置中的脉冲开关组件使初级线圈与12V直流电源相导通，初级线圈四周磁场增强，铁心储存磁场能；接着，脉冲开关组件使初级线圈与12V直流电源断开，初级线圈四周磁场衰减，次级线圈将感应出20kV-30kV的脉冲高压；20kV-30kV的脉冲高压使火花塞电极间的峰值电流达200A，点火能量达1mJ，从而将从等离子体喷嘴喷射端喷出的氧等离子体和燃料等离子体进行点火，在等离子体喷嘴的顶部喷射端形成射流火焰；
步骤6、获取火焰形态特征：通过设置在三个观察窗外侧的火焰形态特征测量设备，对步骤5形成的射流火焰进行多角度观测，并获得同一时空下的火焰形态特征；
步骤7、测量燃烧速度场：通过设置在顶部观察窗外侧的PIV粒子图像测速仪对步骤5形成的射流火焰进行测量，进而获得燃料和氧化剂沿垂直方向的扩散燃烧速度场。
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