CN115267045B - 液滴蒸发燃烧试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液滴蒸发燃烧试验装置，涉及液滴蒸发领域。该液滴蒸发燃烧试验装置包括：高压定容弹、加热系统、液滴生成与悬挂系统和图像采集系统、水冷系统；本发明通过上下定容弹之间的压差调整保证整个实验环境为高压环境，且输入有惰性气体，可避免实验过程中滴液出现自燃；另外在上下定容弹间还设计有单向阀可避免压差变化，且本发明提供的试验装置能够规避滴液的提前蒸发或自燃问题，实现规避人员手动操作存在的手抖问题，并能够精准确定位滴液与高温炉的相对位置，另外该装置可实现多液滴同步生成。

Description

液滴蒸发燃烧试验装置

技术领域

本发明属于液滴蒸发领域，具体涉及一种液滴蒸发燃烧试验装置。

背景技术

本部分的描述仅提供与本申请公开相关的背景信息，而不构成现有技术。

喷雾本质上是大量液滴的蒸发，由于喷雾过程的复杂性，研究整个喷雾的雾化和蒸发机理是相当困难的，单个液滴的特性对于分析喷雾过程至关重要，因此有必要对研究单个液滴的蒸发特性进行研究。目前，液滴的蒸发的试验研究方法主要有4种：飞滴法、悬浮法、依附法和悬挂法。与单液滴蒸发试验装置类似，液滴燃烧的试验研究方法有3种：多孔球法、飞滴法和悬挂法。

液滴蒸发和燃烧试验台主要以飞滴法和悬挂法为主，飞滴法是采用单液滴喷射装置将液滴喷入高温高压的环境中，这种方式产生的液滴不受其他因素影响，缺点是由于液滴运动，拍摄的液滴蒸发过程实际是多个近似大小液滴的蒸发过程，不是一个液滴的蒸发过程，这对于蒸发过程液滴的变形和破碎的研究带来了不便。悬挂法是将液滴悬挂于热电偶丝上，利用移动装置快速将液滴置于高温高压环境中进行蒸发燃烧，同时利用高速相机拍摄液滴蒸发燃烧过程。目前，常压下液滴的燃烧特性研究较多，高压下的研究较少，这是因为常压下液滴的燃烧是高压下的基础，而且高压下试验操作难度较大。发动机缸内液滴处于高温高压环境，是一个比较复杂的过程，本研究拟搭建高温高压下的悬挂液滴蒸发燃烧试验台。

现有技术如申请号201810661201.4，发明名称为《一种单液滴蒸发实验装置》。该发明属于液滴蒸发技术领域，具体涉及一种单液滴蒸发实验装置，该装置包括第一腔体和第二腔体，第一腔体设置在第二腔体的正上方，且通过一个竖直的孔道相连通。第一腔体内设置有液滴产生模块，用于产生单液滴，并使单液滴在重力作用下通过孔道向第二腔体滴落；在第二腔体内设置有石英挂丝，石英挂丝设置在孔道的下口的下方、用于悬挂住从第一腔体滴落的单液滴。由于单液滴是从第一腔体中滴落下来的，无需打开第二腔体向其中送入单液滴，因此不会对两个腔体的高压环境造成影响，从而能够解决高压环境下单液滴生成和悬挂困难的问题。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液滴蒸发燃烧试验装置，通过该试验装置可避免实验过程中滴液出现自燃；且在上下定容弹间设计有单向阀可避免压差变化过快存在的潜在安全危险；该试验装置还能够规避液滴的提前蒸发或自燃问题，实现规避人员手动操作存在的手抖问题，能够精准确定位滴液与高温炉的相对位置，另外该装置可实现多液滴同步生成。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：

一种液滴蒸发燃烧试验装置，包含：高压定容弹、加热系统、液滴生成与悬挂系统、图像采集系统和水冷系统；

上述高压定容弹包括上定容弹和下定容弹；上下定容弹之间设计有单向阀；上定容弹中嵌套有加热系统；下定容弹中嵌套有液滴生成与悬挂系统；上定容弹下方设有用于控制高温炉内部温度的水冷系统；上述水冷系统包含散热箱、散热翅片组件、辅助排液组件；上述散热箱与散热翅片组件通过传输管体相连接；上述辅助排液组件位于散热箱及散热翅片组件的进出口端部。

对本发明而言，上述高压定容弹的主体材料包含不锈钢，不锈钢具有加工性能好、耐腐蚀、综合性能良好的特征；上述高压定容弹的温度≤1000℃，上述高压定容弹的压力≤5MPa。

对本发明而言，上述液滴蒸发燃烧试验装置还包含高压试验装置；上述高压试验装置包含空气压缩机、电磁阀、单项阀、球阀、节流阀、减压阀、高压气瓶和压力传感器；上述压力容器与压力传感器相串联，然后与并联设置的空气压缩机、高压气瓶相连接；上述1号球阀、2号球阀、1号电磁阀、2号电磁阀与压力传感器信号连接；上述2号电磁阀前安装有节流阀；上述高压气瓶出口安装有减压阀及单向阀。

对本发明而言，上述加热系统包含高温炉、温度控制器、热电偶丝；上述上定容弹内壁嵌套有高温炉，上述高温炉内嵌电加热体；上述电加热体为电炉丝，还包括通过低阻值火花塞与电炉丝连接的温度控制器；上述高温炉的上方设置有热电偶丝；上述高温炉前后设置有观察窗。

对本发明而言，上述液滴生成与悬挂系统包含液滴生成器、连杆、滚珠丝杆、碳化硅悬丝；上述连杆与滚珠丝杆通过滑块相连接；上述连杆上方有水平向的悬丝固定板，每两个悬丝固定板间均连接有拉紧的碳化硅悬丝，两根碳化硅悬丝在中心处相交，相交处用于承载液滴；上述液滴生成器的液滴出口位于碳化硅悬丝的上方。

对本发明而言，上述滚珠丝杠运输悬丝从下定容弹到上定容弹，并且在运输前进行气压调整；通过压差调整保证整个实验环境为高压环境，并且输入有惰性气体，以此避免实验过程中滴液出现自燃，无法精准获取实验图像以及实验的精准数据；上下定容弹之间通过设计单向阀等能够避免压差变化过快存在的潜在安全危险以及可能出现的大压差引起的巨大声响影响实验结果或破坏实验设备；在完成上述高压且输入有惰性气体的实验环境情况下，通过滚珠丝杠运输碳化硅悬丝以及其上部的滴液，能够规避滴液的提前蒸发或自燃问题且实现规避人员手动操作存在的手抖问题，且能够精准确定位滴液与高温炉的相对位置，避免滴液进入高温炉范围出现位置偏移，即滴落轨迹不可控问题。

对本发明而言，上述碳化硅悬丝的直径为0.1-0.2mm，上述悬挂液滴的直径为0.6-1.3mm。

对本发明而言，上述图像采集系统包含高速相机、LED背光灯、电脑；上述高速相机位于高温炉一侧的观察窗；上述LED背光灯位于高温炉另一侧的观察窗；上述高速相机通过导线与电脑连接；

对本发明而言，上述水冷系统还包含水泵流量控制器，水泵流量控制器通过导线与高温炉内的热电偶丝相连，根据热电偶丝的传输数据控制水流量。

对本发明而言，上述散热箱包含第一散热箱、第二散热箱和第三散热箱；水体由传输管体进入第一散热箱，然后经过第三散热箱，通过散热翅片组件后，再进入第二散热箱由传输管体流出；上述第一散热箱与第二散热箱结构相同，通过这两个箱体内部的散热管体在箱体内部呈U型排布；上述第三散热箱包含换热柱体、换热翅片和换热腔室；上述第三散热箱由隔热板分为上下两个腔室，下部分腔室为换热腔室；上述换热柱体与换热翅片位于上部分腔室；上述换热柱体外设置有换热翅片，并与换热腔室顶部相连通；上部分腔室两侧分别开设有水体的进口和出口。

第三散热箱用于高温水体的快速换热；通过换热翅片和换热柱体来增大换热面积以及延长高温水体在第三箱体内部的换热时间；能够阻隔高温水体的流速以此实现对高温水体内部颗粒物的沉降，避免水中颗粒物过多对其他部件内壁造成打磨，且避免颗粒物粘附在其他部件内壁形成水垢影响散热，通过定期清理第三散热箱内部即可处理内部颗粒物。

对本发明而言，上述辅助排液组件包括辅助排液主管体及套设在辅助排液主管体外侧的辅助排液副管体，且辅助排液副管体顶部与辅助排液主管体连通，上述辅助排液副管体侧壁开有等距离分布的出液口，且出液口侧壁焊接有呈螺旋状分布的导流叶板；上述辅助排液主管体中水的流向为从进水口进，从出水口出；上述位于散热箱及散热翅片组件进出口端部的辅助排液组件的旋转方向根据水的流向进行安装。

对本发明而言，上述辅助排液组件设置在各个散热组件端口，这样水体进入到散热组件或排出散热组件均必须通过辅助排液组件，具体先进入到辅助排液主管内部，然后进入到螺旋布设的辅助排液副管内部从出液口排出，且出液口外侧均设有导流板；辅助排液组件能够对进入到各个散热组件内部的流体进行整流，避免流速过快，即能够延长高温介质在各个散热组件内部停留时间；通过辅助排液组件后的流体是以螺旋状排出，其能够对进入到各个散热组件内壁起到冲刷效果，降低散热组件内壁结构，影响散热效果；旋流的形成有助于各个组件以及管道内部的高温水体的水温均衡，即满足散热均匀的效果；即使水体中存在较多颗粒物，在水体进入到各个散热部件过程中，通过旋流的生成能够利用旋流将颗粒物集中在旋流中部，这样避免了排出的水体冲击各部件内壁过程中颗粒物对各部件内壁的打磨可能性。

对本发明而言，上述下定容弹内设置有滚珠丝杆，上述滚珠丝杆通过轴承与下定容弹的底部相连接；上述滚珠丝杆连接有驱动电机；上述驱动电机带动滚珠丝杆运动；上述滑块与滚珠丝杆啮合；上述连杆与滑块通过螺栓连接；上述滚珠丝杆推动滑块进行直线运动，并带动连杆将碳化硅悬丝推至高温炉内。

本发明还公开了一种可同时悬挂多个液滴的液滴生成器，即多液滴同步生成器；主要由微量注射泵、极细玻璃管组成。因为电线需要从压力容器的内部引到压力容器的外部，所以为了保证密封可靠需要设计相应的法兰盘。根据电流大小的不同，设计了两款法兰盘：小电流法兰盘和大电流法兰盘。另外，航空插座有公头和母头两部分组成，公头和母头的中间有许多细小的针，这些针中间利用玻璃胶进行绝缘和密封。这些针非常细，只能连接步进电机的信号线，USB的信号线和热电偶的信号线。内部结构中有三个步进电机，一个鼓风机，两根热电偶和一根USB线。每个步进电机占据4根针，每个鼓风机占据2根针，每根热电偶占据2根针，每根USB线占据4根针。最后，占据了航空插座中的22根针。分别焊接电线到公头和母头上，公头用4个M3的螺钉安装在法兰盘内层。法兰盘和航空插座之间利用橡胶垫片进行密封。最终，高压气体将航空插座紧紧地压在法兰盘上，而4个M3的螺钉仅仅只起到定位的作用。对于大电流法兰盘的设计，这种装置包括一个特制的法兰盘，两根铜芯，两个螺纹盖帽和四个陶瓷体。铜芯是一个两头细，中间粗的结构。铜芯细的部分直径为5mm，粗的部分直径为10mm。为了保证铜芯与法兰盘之间绝缘，在铜芯粗的部分两端各加装一个陶瓷体。为了保证良好的密封，需要在陶瓷体的上下两个端面各加装一层1mm厚的垫片。为了能让垫片压紧，需要对螺纹盖帽进行拧紧操作。但是，拧紧螺纹盖帽的力不可过大，以免陶瓷体发生断裂。

附图说明

图1为液滴蒸发燃烧试验装置示意图；

图2为水冷装置示意图；

图3为第三散热箱示意图；

图4为辅助排液组件示意图；

图5为充压气路示意图；

图6为液滴群悬挂示意图；

图7为大电流法兰盘示意图；

图8为小电流法兰盘示意图。

附图标号：

显微镜头100，高速相机110，LED背光灯130，高温炉150，下定容弹160，连杆161，滚珠丝杆162，挂滴入口163，悬丝固定板164，滑块165，上定容弹170，安全阀200，压力传感器210，热电偶丝220，水冷系统300，第三散热箱310，换热柱体311，换热翅片312，换热腔室313，辅助排液组件320，辅助排液主管体321，辅助排液副管体322，出液口323，导流叶板324，辅助排液副管体顶部325，辅助排液主管体进水口326，辅助排液主管体出水口327，散热翅片组件330，第二散热箱340，第一散热箱350，高压试验装置500，空气压缩机501，压力容器502，高压气瓶503，单项阀505，1号球阀510，2号电磁阀511，节流阀512，2号球阀513，1号电磁阀514，减压阀515，微量注射泵601，极细玻璃管602，液滴603，碳化硅悬丝604，密封垫片610，航空插座611，螺纹盖帽620，铜芯621，法兰盘密封面622，陶瓷体623。

具体实施方式

以下结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步详细描述：

实施例1：

如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，液滴蒸发燃烧试验装置，包含：高压定容弹、加热系统、液滴生成与悬挂系统、图像采集系统和水冷系统；

高压定容弹包括上定容弹170和下定容弹160；上下定容弹之间设计有单向阀；上定容弹170中嵌套有加热系统；下定容弹160中嵌套有液滴生成与悬挂系统；上定容弹170下方设有用于控制高温炉150内部温度的水冷系统300；水冷系统300包含散热箱、散热翅片组件330、辅助排液组件320；散热箱与散热翅片组件330通过传输管体相连接；辅助排液组件320位于散热箱及散热翅片组件330的进出口端部。

液滴蒸发燃烧试验装置还包含高压试验装置500；高压试验装置500包含空气压缩机501、电磁阀、单项阀505、球阀、节流阀512、减压阀515、高压气瓶503和压力传感器210；压力容器与压力传感器210相串联，然后与并联设置的空气压缩机、高压气瓶相连接；1号球阀510、2号球阀513、1号电磁阀514、2号电磁阀511与压力传感器210信号连接；2号电磁阀前安装有节流阀512；高压气瓶503出口安装有减压阀515及单向阀505。高压试验装置充气过程一般可以分成两个部分：(1)将1号球阀510打开，2号球阀513关闭，1号电磁阀514和2号电磁阀511处于断电关闭状态，打开空气压缩机501向压力容器502内充入大量的空气；(2)当压力容器502内的压力达到预定压力附近时，关闭空气压缩机501，同时关闭1号球阀510，将1号电磁阀514和2号电磁阀511设置成自动控制状态；当压力低于预定压力值，1号电磁阀514开启，高压气瓶503内的空气流入到压力容器502；当压力容器502内的加热装置打开后，将加热压力容器502内的空气，压力将超过预定压力值，此时，2号电磁阀511开启，压力容器内502的气体流出；由于压力容器502内的气体压力与常压之间有较大的压力差，为了避免大压差引起的巨大响声，在2号电磁阀511前安装一个节流阀512。

加热系统包含高温炉150、温度控制器、热电偶丝220；上定容弹170内壁嵌套有高温炉150，高温炉150内嵌电加热体；电加热体为电炉丝，还包括通过低阻值火花塞与电炉丝连接的温度控制器；高温炉的上方设置有热电偶丝220；高温炉150前后设置有石英观察窗。

液滴生成与悬挂系统包含液滴生成器、连杆161、滚珠丝杆162、碳化硅悬丝604；连杆161与滚珠丝杆162通过滑块165相连接；连杆161上方有水平向的悬丝固定板164，每两个悬丝固定板间均连接有拉紧的碳化硅悬丝604，两根碳化硅悬丝在中心处相交，相交处用于承载液滴603；液滴生成器的液滴出口位于悬丝的上方。

可同时悬挂多个液滴的液滴生成器，主要由微量注射泵601、极细玻璃管602组成。因为电线需要从压力容器的内部引到压力容器的外部，所以为了保证密封可靠需要设计相应的法兰盘。根据电流大小的不同，设计了两款法兰盘：小电流法兰盘(如图8所示)和大电流法兰盘(如图7所示)。另外，航空插座有公头和母头两部分组成，公头和母头的中间有许多细小的针，这些针中间利用玻璃胶进行绝缘和密封。内部结构中有三个步进电机，一个鼓风机，两根热电偶和一根USB线。每个步进电机占据4根针，每个鼓风机占据2根针，每根热电偶占据2根针，每根USB线占据4根针；最后，占据了航空插座中的22根针；分别焊接电线到公头和母头上，公头用4个M3的螺钉安装在法兰盘内层；法兰盘和航空插座之间利用橡胶垫片进行密封。最终，高压气体将航空插座紧紧地压在法兰盘上，而4个M3的螺钉仅仅只起到定位的作用。对于大电流法兰盘的设计，这种装置包括一个特制的法兰盘，两根铜芯621，两个螺纹盖帽620和四个陶瓷体623。铜芯是一个两头细，中间粗的结构。铜芯细的部分直径为5mm，粗的部分直径为10mm。为了保证铜芯与法兰盘之间绝缘，在铜芯粗的部分两端各加装一个陶瓷体。为了保证良好的密封，需要在陶瓷体的上下两个端面各加装一层1mm厚的垫片。为了能让垫片压紧，需要对螺纹盖帽进行拧紧操作。但是，拧紧螺纹盖帽的力不可过大，以免陶瓷体发生断裂。

图像采集系统包含高速相机110、LED背光灯130、电脑；高速相机110位于高温炉150一侧的观察窗；LED背光灯130位于高温炉150另一侧的观察窗；高速相机110通过导线与电脑连接。

散热箱包含第一散热箱350、第二散热箱340和第三散热箱310；水体由传输管体进入第一散热箱350，然后经过第三散热箱340，通过散热翅片组件330后，再进入第二散热箱310；第一散热箱350与第二散热箱340结构相同，通过这两个箱体内部的散热管体在箱体内部呈U型排布；第三散热箱310包含换热柱体311、换热翅片312和换热腔室313；第三散热箱310由隔热板分为上下两个腔室，下部分腔室为换热腔室313；换热柱体311与换热翅片312位于上部分腔室；换热柱体311外设置有换热翅片312，并与换热腔室313顶部相连通；上部分腔室两侧分别开设有水体的进口和出口。

辅助排液组件320包括辅助排液主管体321及套设在辅助排液主管体321外侧的辅助排液副管体322，且辅助排液副管体顶部325与辅助排液主管体321连通，辅助排液副管体322侧壁开有等距离分布的出液口323，且出液口323侧壁焊接有呈螺旋状分布的导流叶板324；辅助排液主管体中水的流向为从进水口326进，从出水口327出；位于散热箱及散热翅片组件330进出口端部的辅助排液组件320的旋转方向根据水的流向进行安装。

下定容弹160内设置有滚珠丝杆162，滚珠丝杆162通过轴承与下定容弹160的底部相连接；滚珠丝杆162连接有驱动电机；驱动电机带动滚珠丝杆162运动；滑块165与滚珠丝杆162啮合；连杆161与滑块165通过螺栓连接；滚珠丝杆162推动滑块165进行直线运动，并带动连杆161将碳化硅悬丝604推至高温炉150内。

上述实施例中的常规技术为本领域技术人员所知晓的现有技术，故在此不再详细赘述。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种液滴蒸发燃烧试验装置，其特征在于，包含：高压定容弹、加热系统、液滴生成与悬挂系统、图像采集系统和水冷系统；

所述高压定容弹包括上定容弹（170）和下定容弹（160）；所述上下定容弹之间设计有单向阀（505）；所述上定容弹（170）中嵌套有加热系统；所述下定容弹（160）中嵌套有液滴生成与悬挂系统；所述上定容弹（170）下方设有用于控制高温炉（150）内部温度的水冷系统（300）；所述水冷系统（300）包含散热箱、散热翅片组件（330）、辅助排液组件（320）；所述散热箱与散热翅片组件（330）通过传输管体相连接；所述辅助排液组件（320）位于散热箱及散热翅片组件（330）的进出口端部；

所述液滴生成与悬挂系统包含液滴生成器、连杆（161）、滚珠丝杆（162）、碳化硅悬丝（604）；所述连杆（161）与滚珠丝杆（162）通过滑块（165）相连接；所述连杆（161）上方有水平向的悬丝固定板（164），每两个悬丝固定板间均连接有拉紧的碳化硅悬丝（604），两根碳化硅悬丝在中心处相交，相交处用于承载液滴（603）；所述液滴生成器的液滴出口位于碳化硅悬丝（604）的上方；

所述下定容弹（160）内设置有滚珠丝杆（162），所述滚珠丝杆（162）通过轴承与下定容弹（160）的底部相连接；所述滚珠丝杆（162）连接有驱动电机；所述驱动电机带动滚珠丝杆（162）运动；所述滑块（165）与滚珠丝杆（162）啮合；所述连杆（161）与滑块（165）通过螺栓连接；所述滚珠丝杆（162）推动滑块（165）进行直线运动，并带动连杆（161）将碳化硅悬丝（604）推至高温炉（150）内。

2.根据权利要求1所述的一种液滴蒸发燃烧试验装置，其特征在于：所述加热系统包含高温炉（150）、温度控制器、热电偶丝（220）；所述上定容弹（170）内壁嵌套有高温炉（150），所述高温炉（150）内嵌电加热体；所述电加热体为电炉丝，还包括通过低阻值火花塞与电炉丝连接的温度控制器；所述高温炉（150）的上方设置有热电偶丝（220）；所述高温炉（150）前后设置有观察窗。

3.根据权利要求2所述的一种液滴蒸发燃烧试验装置，其特征在于：所述图像采集系统包含高速相机（110）、LED背光灯（130）、电脑；所述高速相机（110）位于高温炉（150）一侧的观察窗；所述LED背光灯（130）位于高温炉（150）另一侧的观察窗；所述高速相机（110）通过导线与电脑连接。

4.根据权利要求1所述的一种液滴蒸发燃烧试验装置，其特征在于：所述散热箱包含第一散热箱（350）、第二散热箱（340）和第三散热箱（310）；水体由传输管体进入第一散热箱（350），然后经过第三散热箱（310），通过散热翅片组件（330）后，再进入第二散热箱（340）；所述第一散热箱（350）与第二散热箱（340）结构相同，通过这两个箱体内部的散热管体在箱体内部呈U型排布；所述第三散热箱（310）包含换热柱体（311）、换热翅片（312）和换热腔室（313）；所述第三散热箱（310）由隔热板分为上下两个腔室，下部分腔室为换热腔室（313）；所述换热柱体（311）与换热翅片（312）位于上部分腔室；所述换热柱体（311）外设置有换热翅片（312），并与换热腔室（313）顶部相连通；所述上部分腔室两侧分别开设有水体的进口和出口。

5.根据权利要求1所述的一种液滴蒸发燃烧试验装置，其特征在于：所述辅助排液组件（320）包括辅助排液主管体（321）及套设在辅助排液主管体（321）外侧的辅助排液副管体（322），且辅助排液副管体顶部（325）与辅助排液主管体（321）连通，所述辅助排液副管体（322）侧壁开有等距离分布的出液口（323），且出液口（323）侧壁焊接有呈螺旋状分布的导流叶板（324）；所述辅助排液主管体中水的流向为从进水口（326）进，从出水口（327）出；所述位于散热箱及散热翅片组件（330）进出口端部的辅助排液组件（320）的旋转方向根据水的流向进行安装。