CN114264447B - 一种注射式激波管及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种注射式激波管，包括高压段、夹膜段、实验段和注射用阀门；所述高压段、夹膜段、实验段连接，所述实验段上设置有注射用阀门，所述高压段、夹膜段、和实验段构成激波管管体，所述夹膜段的一侧设置有压力表；增加了实验段所能达到的最高进气量，解决了激波管传统实验方法实验段进气量的限制，可适用于多种液体碳氢燃料的实验工况，拓展了激波管实验高压、低温的实验测量物理边界，提升了激波管的技术和工程应用能力。

Description

一种注射式激波管及方法

技术领域

本发明涉及激波实验技术领域，特别涉及一种注射式激波管及方法。

背景技术

液体碳氢燃料能量密度高，是目前航空发动机中使用最广泛的燃料。然而，在飞行过程中，高空、高原和低温环境均会影响燃油的雾化和化学反应速率，直接导致燃烧室点火困难、燃烧效率低等问题，迫切需要对燃料高压低温条件下自点火特性系统深入地研究。此外，高性能燃烧室设计依赖于对内流场物理流动与化学反应交互作用机理的认识，高保真化学反应动力学模型是流动与化学反应作用过程精准描述和燃烧过程准确模拟的关键，自点火特性准确表征燃料对高保真燃烧反应动力学建模具有重要的现实意义。

激波管是一种利用压力差产生的强激波为空间均匀混合物瞬时准确的提供设定的温度和压力实验工况(涵盖温度600-3000K及以上，压力0.01-100atm及以上宽工况范围)的实验装置，是目前空天领域自点火行为研究和燃烧化学反应动力学参数测量的主要工具之一。然而，由于液体燃料混合物平均分子尺寸较大，饱和蒸气压较低，使得研究这些燃料在高压低温条件下的自点火行为成为了挑战。传统激波管实验方法是对激波管和混气罐进行预加热，并保持其温度均匀，在混气罐中获得均匀的气态可燃混合物，然后充入激波管实验段进行实验。然而，该方法无法将充入的气相可燃混合气中的燃料分压在实验段内达到中其饱和蒸气压。

对于传统的实验方式：待测气体在混气罐预混，之后按照目标工况由压差充入被抽真空的实验段；通常，目标工况的压力越高温度越低(往往是发动机工作工况)需要实验段的气体压力越高。然而，因为进气平衡导致的限制，采用传统的实验方式会限制实验温度阈值向较重要的高压低温工况拓展。虽然提高初始加热温度可适当增加进气量，但混气罐长时间处于高温状态会增加燃料提前分解的风险。因此，最高加热温度也存在一定的限制。

2008年，斯坦福大学Hanson等人首次提出了气溶胶激波管技术，在实验之前将燃料作为气溶胶直接引入激波管的实验区域，通过破膜时产生的入射激波蒸发燃料。该方法最大的优势是可在常温条件下进行实验，不需要对激波管和混气罐预加热。然而，迄今为止，该方法仍未见应用于高压低温实验工况的自点火行为研究，主要是由于在高压和低温条件下，实验段所需要的进气量较大，入射激波后的温度较低无法将燃料在较短时间内蒸发，实验结果准确性有待验证。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种注射式激波管及方法，从而，有效地增加了实验段所能达到的最高进气量，解决了激波管传统实验方法实验段进气量的限制，可适用于多种液体碳氢燃料的实验工况，拓展了激波管在高压、低温下的实验测量范围，提升了激波管的技术和工程应用能力。

本发明是通过以下技术方案来实现：一种注射式激波管，其特征在于，包括高压段、夹膜段、实验段和阀门；所述高压段、夹膜段、实验段连接，所述实验段上设置有阀门，所述高压段、夹膜段、和实验段构成激波管管体，所述夹膜段的一侧设置有压力表。

进一步的，所述高压段、夹膜段和实验段上连接设置有输气管道。

进一步的，所述输气管道上包括输气灌、真空泵和混气罐。

进一步的，所述实验段远离夹膜段的一端设置有侧壁面压力传感器和端面压力传感器，所述侧壁面压力传感器和端面压力传感器上连接设置有信号转换器和数据采集模块。

进一步的，所述阀门和注射机构连接。

一种基于注射式激波管的方法，在真空的实验段中，通过注射机构将燃料引入实验段蒸发，待压力表示数稳定后，利用压差在实验段中通过混气罐中的载气进行混合，之后在高压段和夹膜段中充入驱动气体。

进一步的，对气体进行混合时，温度控制在100-200℃。

进一步的，混合时间3-20分钟。

进一步的，所述驱动气体为氦气和氮气。

进一步的，引入的燃料可以通过阀门引入实验段蒸发，也可以在外部将燃料蒸发引入实验段。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过注射器、注射泵等方式将燃料通过阀门引入实验段蒸发，或在外部将燃料蒸发引入实验段，由于实验段初始状态为真空，燃料蒸发速度较快，并迅速扩散至实验段其他区域。

进一步的，采用本发明提供的装置及方法将激波管液体燃料实验的温度向低温拓展150-200K，压力提升20atm左右。

进一步的，该方法可进行高压低温条件下低沸点液体燃料的自点火延迟实验研究，补充了燃料低温条件下自点火燃烧特性数据库，为航空发动机高空低温飞行条件下的燃烧室设计提供了依据。

进一步的，该方法避免了燃料长时间在混气罐中加热导致提前分解的风险。

进一步的，该方法减少了在混气罐中的预混时间，有效提升了实验效率。

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为本发明实施例提供的一种注射式激波管的结构示意图

图2为本发明实施例提供的正庚烷点火延迟时间随温度的变化关系图；

图中：高压段1、夹膜段2、压力表3、实验段4、阀门5、侧壁面压力传感器6、端面压力传感器7、信号转换器8、数据采集器9、混气罐10、真空泵11、氮气罐12、氦气罐13、输气管道14。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

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”、“轴向”、“径向”、“周向”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。

此外，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该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在某一具体实施例中，一种注射式激波管，激波管管体主要分为三个部分，高压段1，夹膜段2和实验段4。在进行液体燃料实验时，将实验段4和混气罐10加热至一定温度100-200℃，并保持其温度的均匀性。

实验前，利用真空泵组将混气罐和管体抽至真空状态，在混气罐中配除燃料外的载气(空气、氧气/氩气等载气)。

在具体的注射实验方法在实验段增加一个阀门5，通过注射器、注射泵等方式将燃料通过阀门5引入实验段4进行蒸发，所采用的注射工具可以是任何具有注射效果的工具，或可以根据实验环境选择在外部将燃料蒸发引入实验段4，由于实验段4初始状态为真空，燃料蒸发速度较快，并迅速扩散至实验段4其他区域，当压力表3稳定一段时间后，利用压差在实验段4中通入混气罐10中除燃料外的均匀混合气(空气、氧气/氩气等载气)，由于加热温度较高，大约在100-200℃左右，分子运动速度快，混合5分钟左右后，将形成准预混实验气，而后在高压段1和夹膜段2充入气瓶中的驱动气体(氦气13/氮气12)，利用压力差使膜片瞬间冲破，破膜瞬间产生的入射激波可将实验段气体进一步蒸发混合，在反射激波过后完成激波管内的点火燃烧特性实验。

如图2所示，利用正庚烷对本方法可靠性进行实验验证，为化学计量比正庚烷混合气在10atm下的预混实验方法和本发明提出的注射实验方法的实验结果对比，可以看出，注射实验方法结果能较好地匹配预混实验方法得出的结果，由此可以证明注射实验方法的可行性。正十二烷是常用的RP-3航空煤油替代燃料，其在120℃的饱和蒸气压通常只有1.4kPa左右。若使用传统的激波管在混气罐中预混实验方法，最低实验温度只有1100K；但如采用注射实验方法进行实验时，可在相同压力条件下将温度下限拓展至900K，或在相同温度下，将压力从20atm拓宽至40atm。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种注射式激波管，其特征在于，包括高压段(1)、夹膜段(2)、实验段(4)和阀门(5)；所述高压段(1)、夹膜段(2)、实验段(4)连接，所述实验段(4)上设置有阀门(5)，所述高压段(1)、夹膜段(2)、和实验段(4)构成激波管管体，所述夹膜段(2)的一侧设置有压力表(3)，所述阀门(5)位于所述实验段(4)的中部，所述阀门(5)和注射机构连接；

所述高压段(1)、夹膜段(2)和实验段(4)上连接设置有输气管道(14)，所述输气管道(14)上包括输气罐、真空泵(11)和混气罐(10)，所述真空泵(11)设置有两台且位于与所述夹膜段(2)连通管道的两侧；所述输气罐包括并排布置的氮气罐(12)和氦气罐(13)，所述氮气罐(12)和氦气罐(13)与所述高压段(1)连通；

注射实验时，打开所述阀门(5)，通过注射器或注射泵将燃料通过阀门(5)引入实验段(4)进行蒸发，或在外部将燃料蒸发引入实验段(4)内，且所述实验段(4)内的初始状态为真空；当实验段(4)上连通的压力表(3)稳定一段时间后，利用压差在实验段(4)中通入混气罐(10)中除燃料外的均匀混合气，混合后形成准预混实验气；而后在高压段(1)和夹膜段(2)充入输气罐中的驱动气体，利用压力差使夹膜段(2)内的膜片瞬间冲破，破膜瞬间产生的入射激波将准预混实验气进一步蒸发混合，在反射激波过后完成激波管内的点火燃烧特性实验。

2.根据权利要求1所述的一种注射式激波管，其特征在于，所述实验段(4)远离夹膜段(2)的一端设置有侧壁面压力传感器(6)和端面压力传感器(7)，所述侧壁面压力传感器(6)和端面压力传感器(7)上连接设置有信号转换器(8)和数据采集模块。

3.一种基于注射式激波管的方法，其特征在于，实验前，利用真空泵组将混气罐和管体抽至真空状态，在混气罐中配除燃料外的载气；在进行液体燃料实验时，将实验段(4)和混气罐(10)加热至一定温度100-200℃，并保持其温度的均匀性；

在真空的实验段(4)中，通过注射机构将燃料引入实验段(4)，待压力表(3)稳定后，利用压差在实验段(4)中通入混气罐(10)中的载气进行混合，之后在高压段(1)和夹膜段(2)中充入驱动气体；

对气体进行混合时，温度控制在100-200℃；

引入的燃料通过阀门引入实验段(4)蒸发，或者在外部将燃料蒸发后引入实验段(4)。

4.根据权利要求3所述的一种基于注射式激波管的方法，其特征在于，混合时间3-20分钟。

5.根据权利要求3所述的一种基于注射式激波管的方法，其特征在于，所述驱动气体为氦气和氮气。

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