CN115014767B - 一种基于激光点火的富氧空气伴流燃烧试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光点火的富氧空气伴流燃烧试验装置，包括：缓冲外壳，为中空的柱状壳体，导流外壳，位于缓冲外壳的下侧，其上端与缓冲外壳的下端连接、并与缓冲外壳连通，其轴线与缓冲外壳的轴线重合，燃烧外壳，位于导流外壳的下侧，其上端与导流外壳的下端连接、并与导流外壳连通，燃烧外壳的一侧开设有点火口，燃料直管，位于缓冲外壳内向，其上端穿过缓冲外壳的顶部伸出缓冲外壳，其下端穿过导流外壳内腔后伸入燃烧外壳的内腔，点火玻璃，安装在燃烧外壳的点火口；本发明能够为金属燃料喷射雾化和燃烧提供均一的富氧空气伴流环境、为激光点火提供平台、能更好地观测点火的火核发展及火焰传播、能将尾气引流来保护实验室环境。

Description

一种基于激光点火的富氧空气伴流燃烧试验装置

技术领域

本发明属于液体燃料激光点火领域，尤其涉及一种基于激光点火的富氧空气伴流燃烧试验装置。

背景技术

激光点火技术是近年来航天和军事领域发展的新型点火技术，由于激光具有单色性好、输出功率高、光分散小、能量集中及在传输过程中不易衰减、能降低点火延迟等特点，具有很好的应用前景，很多国家都投入大量的人力物力从事相关研究。激光点火在火炮等固体燃料领域已经得到了很多的运用，但是激光点火液体燃料尤其是金属燃料领域还处在初步研究阶段。由于激光与金属燃料相互作用的瞬时性和复杂性，需要一个良好的火焰观测装置来全面了解激光点火特性。

传统的点火试验是露天式的，向下喷射燃料燃烧时，由于火焰气体温度高，会有火焰回升的情况发生，向上喷射又会使得未燃烧完全的燃料回落，造成火焰在不需要的地方燃烧，都会影响火焰的观测；露天式的点火研究会对周围环境造成潜在的威胁，引燃环境周围的可燃气体，可燃粉末或者可燃试验器材；两种方式均会有大量的尾气产生，对实验场地高精度设备造成严重的影响；露天式点火试验无法对伴流气体的流量和流域精准控制，无法将伴流燃烧作用完全发挥在燃料燃烧上。

为了进一步地降低点火试验风险，为激光点火提供平台，同时提高伴流气体作用效能，提高火焰观测效果和对实验室环境的保护，对伴流燃烧装置提出了更高的要求。现有技术中研究了新型液态碳氢燃料点火性能的伴流实验装置，但是伴流环境是开放式的，没有外壳及排气管路的约束，废气直接弥散在实验环境中，同时对实验安全也造成一定的不确定性，再者，开放式的环境也难以模拟真实燃烧的封闭环境；燃料是向上喷射的，容易回落到多孔板上造成二次燃烧，影响火焰的观测。再者，现有技术均未对喷嘴之后的燃烧环境进行进一步地约束，没有提供封闭的伴流环境，也没有将激光点火和金属燃料燃烧结合起来从而观察火核发展和火焰结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光点火的富氧空气伴流燃烧试验装置，以解决现有的试验装置无法对喷嘴之后的燃烧环境进行测试、提供的伴流环境不封闭、未将激光点火和金属燃料燃烧结合起来从而观察火核发展和火焰结构的问题。

本发明采用以下技术方案：一种基于激光点火的富氧空气伴流燃烧试验装置，包括：

缓冲外壳，竖向设置，为中空的柱状壳体，其外壁上开设有用于富氧空气进入的进气口，

导流外壳，竖向设置，为中空的壳体，其截面自上而下由圆形渐变为长方形，位于缓冲外壳的下侧，其上端与缓冲外壳的下端连接、并与缓冲外壳连通，其轴线与缓冲外壳的轴线重合，

燃烧外壳，竖向设置，为中空的、截面为长方形的壳体，位于导流外壳的下侧，其上端与导流外壳的下端连接、并与导流外壳连通，其轴线与导流外壳的轴线重合，燃烧外壳的一侧开设有点火口，

燃料直管，竖向设置，位于缓冲外壳内向、且其轴线与缓冲外壳的轴线重合，其上端穿过缓冲外壳的顶部伸出缓冲外壳，其下端穿过导流外壳内腔后伸入燃烧外壳的内腔，用于自上而下向燃烧外壳内输送燃料，

点火玻璃，安装在燃烧外壳的点火口，用于激光自燃烧外壳的外部穿过点火玻璃对准燃料直管的下端进行点火，进而使得燃料在燃烧外壳内燃烧。

进一步地，在缓冲外壳的内腔还设置有缓冲板，缓冲板水平设置、且燃料直管贯穿缓冲板设置，其边沿固定在缓冲外壳的内壁上，缓冲板的固定位置在进气口的下侧，缓冲板上开设有多个缓冲孔，各缓冲孔用于对进入缓冲外壳的富氧空气进行导流。

进一步地，在导流外壳的内腔还设置有多个导流板，多个导流板均水平设置、且均匀分布在导流外壳的内腔，其边沿固定在导流外壳的内壁上，各导流板上开设有多个导流孔，各导流孔用于对进入导流外壳的富氧空气进行导流。

进一步地，还包括：

排气弯管为中空的管道，位于燃烧外壳下侧，为L形，其竖向段的上端与燃烧外壳的下端连接、并与燃烧外壳连通，其竖向段的下端与横向段连通，用于对燃烧产生的烟气进行排放。

进一步地，在燃烧外壳上、与点火口的相邻的两侧均开设有观察口，各观察口由上下设置的两个观察小口组成，各观察小口上安装有观察玻璃，各观察玻璃用于穿过其进行观察燃料的燃烧情况。

本发明的有益效果是：本发明能够为金属燃料喷射雾化和燃烧提供均一的富氧空气伴流环境、为激光点火提供平台、能更好地观测点火的火核发展及火焰传播、能将尾气引流来保护实验室环境，实现富氧空气伴流条件下的金属燃料激光点火，保障点火过程的可靠性和高效的可观测性以及对燃烧尾气的引流，满足激光点火火焰研究的需求；避免了露天式向下喷射的火焰回升和向上喷射的未燃烧燃料回落，也避免了露天式燃烧会引燃其他可燃物的危险性；将燃烧域控制在观察区内，能更好地观测点火的火核发展及火焰传播；同时排气弯管将尾气引流，保护实验室环境。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的剖视图；

图3为本发明的流场仿真温度俯视图；

图4为本发明的流场仿真温度侧视图；

图5为本发明的伴流燃烧器工作图。

其中：1、缓冲外壳；2、导流外壳；3、进气口；4、点火口；5、燃烧外壳；6、燃料直管；7、点火玻璃；8、缓冲板；9、导流板；10、排气弯管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开了一种基于激光点火的富氧空气伴流燃烧试验装置，如图1和2所示，包括缓冲外壳1、导流外壳2、燃烧外壳5、燃料直管6、点火玻璃7。

缓冲外壳1竖向设置，缓冲外壳1为中空的柱状壳体，缓冲外壳1的外壁上开设有用于富氧空气进入的进气口3，导流外壳2竖向设置，导流外壳2为中空的壳体，导流外壳2的截面自上而下由圆形渐变为长方形，导流外壳2位于缓冲外壳1的下侧，导流外壳2的上端与缓冲外壳1的下端连接、并与缓冲外壳1连通，导流外壳2的轴线与缓冲外壳1的轴线重合，导流外壳2的一侧开设有点火口4。

燃烧外壳5竖向设置，燃烧外壳5为中空的、截面为长方形的壳体，燃烧外壳5位于导流外壳2的下侧，燃烧外壳5的上端与导流外壳2的下端连接、并与导流外壳2连通，燃烧外壳5的轴线与导流外壳2的轴线重合。

燃料直管6竖向设置，燃料直管6位于缓冲外壳1内，燃料直管6的轴线与缓冲外壳1的轴线重合，燃料直管6的上端穿过缓冲外壳1的顶部伸出缓冲外壳1，燃料直管6的下端穿过导流外壳2内腔后伸入燃烧外壳5的内腔，燃料直管6用于自上而下向燃烧外壳5内输送燃料。

点火玻璃7安装在燃烧外壳5的点火口4，点火玻璃7用于激光自燃烧外壳5的外部穿过点火玻璃7对准燃料直管6的下端进行点火，进而使得燃料在燃烧外壳5内燃烧。

点火玻璃7采用阶梯式激光点火玻璃7，阶梯式激光点火玻璃7有足够的厚度，为了保证一定的强度，避免被激光误操作而击穿损坏；阶梯式结构也有一定的气密性，保证了伴流气体的密封环境。

在缓冲外壳1的内腔还设置有缓冲板8，缓冲板8水平设置且燃料直管6贯穿缓冲板8，缓冲板8的边沿固定在缓冲外壳1的内壁上，缓冲板8的固定位置在进气口3的下侧，缓冲板8上开设有多个缓冲孔，各缓冲孔用于对进入缓冲外壳1的富氧空气进行导流。

在导流外壳2的内腔还设置有多个导流板9，多个导流板9均水平设置、且均匀分布在导流外壳2的内腔，燃料直管6贯穿导流板9设置，各导流板9的边沿固定在导流外壳2的内壁上，各导流板9上开设有多个导流孔，各导流孔用于对进入导流外壳2的富氧空气进行导流。

本发明还包括：排气弯管10，排气弯管10为中空的管道，排气弯管10位于燃烧外壳5下侧，排气弯管10为L形，排气弯管10竖向段的上端与燃烧外壳5的下端连接、并与燃烧外壳5连通，排气弯管10竖向段的下端与横向段连通，排气弯管10用于对燃烧产生的烟气进行排放。排气弯管10将向下的废气引流到水平方向排出，避免了废气直接排放到实验环境，导致燃烧不完全的颗粒产物污染或损坏实验精密设备。

在燃烧外壳5上、与点火口4的相邻的两侧均开设有观察口，各观察口由上下设置的两个观察小口组成，各观察小口上安装有观察玻璃，各观察玻璃用于穿过其进行观察燃料的燃烧情况。

在导流外壳2上、与点火口4的相邻的两侧均开设有观察口，是为了保证视场足够大，能够有大范围的火焰观察范围，没有将两个观察小口合并的原因是通过仿真发现火焰温度达到了1500K，防止玻璃受热不均而损坏，所以分成了两个。

本发明的使用方法，如图3-5所示：

步骤1：将本发明固定在实验台架上，排气弯管10向实验室门口或者外部环境方向，接上燃料和富氧空气管路，装好纹影仪等光学设备和激光点火器。

步骤2：开始实验时，保证纹影仪等光学设备正常工作，先开气路开关，实现伴流环境，这样可以避免燃料提前喷注而溅到激光点火玻璃7和观察玻璃上影响点火和观测。气流从进气口3进入时为垂直于轴线方向，经过缓冲外壳1的内腔的缓冲板8后完成了第一次均匀化；经过导流外壳2的多个导流板9后第二次均匀化，实现截面方向参数均匀的伴流环境，为激光点火和燃烧提供稳定的流场；然后打开燃料路开关，燃料从燃料直管6进入，流经燃料直管6后在下端的喷嘴处喷出，可通过燃料供给路中的测压计观察压强变化，直到管路压强建立且稳定，同时从观察玻璃观察到燃料充分雾化，锥角稳定后，透过点火玻璃7开始激光点火，可根据实验要求控制燃烧时间。

步骤3：燃烧要求达到后，先关燃料供给系统，保持气流吹出，这样不仅可以让燃料直管6内剩余的燃料因余压喷出后燃烧殆尽，也可以让不完全燃烧的产物尽快从排气弯管10中排出，防止污染伴流燃烧器内部环境。

步骤4：实验完成后，由于先通气，后关气的实验步骤和本发明中内的伴流环境，本发明内部基本干净整洁，若激光点火玻璃7和观察玻璃上有燃料残余，可以对玻璃进行清理，便于进行下一次实验。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于激光点火的富氧空气伴流燃烧试验装置，其特征在于，包括：

缓冲外壳（1），竖向设置，为中空的柱状壳体，其外壁上开设有用于富氧空气进入的进气口（3），

导流外壳（2），竖向设置，为中空的壳体，其截面自上而下由圆形渐变为长方形，位于所述缓冲外壳（1）的下侧，其上端与缓冲外壳（1）的下端连接、并与缓冲外壳（1）连通，其轴线与缓冲外壳（1）的轴线重合，

燃烧外壳（5），竖向设置，为中空的、截面为长方形的壳体，位于所述导流外壳（2）的下侧，其上端与导流外壳（2）的下端连接、并与导流外壳（2）连通，其轴线与导流外壳（2）的轴线重合，所述燃烧外壳（5）的一侧开设有点火口（4），

燃料直管（6），竖向设置，位于所述缓冲外壳（1）内、且其轴线与缓冲外壳（1）的轴线重合，其上端穿过缓冲外壳（1）的顶部伸出缓冲外壳（1），其下端穿过导流外壳（2）内腔后伸入燃烧外壳（5）的内腔，用于自上而下向燃烧外壳（5）内输送燃料，

点火玻璃（7），安装在所述燃烧外壳（5）的点火口（4），激光自燃烧外壳（5）的外部穿过点火玻璃（7）对准燃料直管（6）的下端进行点火，进而使得燃料在燃烧外壳（5）内燃烧，

在所述燃烧外壳（5）上、与点火口（4）相邻的两侧均开设有观察口，各所述观察口由上下设置的两个观察小口组成，各所述观察小口上安装有观察玻璃，各所述观察玻璃用于穿过其进行观察燃料的燃烧情况。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光点火的富氧空气伴流燃烧试验装置，其特征在于，在所述缓冲外壳（1）的内腔还设置有缓冲板（8），所述缓冲板（8）水平设置、且燃料直管（6）贯穿缓冲板（8）设置，其边沿固定在所述缓冲外壳（1）的内壁上，所述缓冲板（8）上开设有多个缓冲孔，各所述缓冲孔用于对进入缓冲外壳（1）的富氧空气进行导流。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于激光点火的富氧空气伴流燃烧试验装置，其特征在于，在所述导流外壳（2）的内腔还设置有多个导流板（9），多个所述导流板（9）均水平设置、且均匀分布在导流外壳（2）的内腔，其边沿固定在所述导流外壳（2）的内壁上，各所述导流板（9）上开设有多个导流孔，各所述导流孔用于对进入导流外壳（2）的富氧空气进行导流。

4.根据权利要求3所述的一种基于激光点火的富氧空气伴流燃烧试验装置，其特征在于，还包括：

排气弯管（10），为中空的管道，位于所述燃烧外壳（5）下侧，为L形，其竖向段的上端与燃烧外壳（5）的下端连接、并与燃烧外壳（5）连通，其竖向段的下端与横向段连通，用于对燃烧产生的烟气进行排放。

Images