CN209130864U - 湍流火焰与壁面瞬时反应的可视化实验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种湍流火焰与壁面瞬时反应的可视化实验系统，包括：射流火焰生成装置、撞壁面、径向开合组件、平台支架和中控机；射流火焰生成装置用于生成射流火焰；撞壁面设置在射流火焰生成装置的射流火焰喷射方向的延长线上，且射流火焰生成装置生成的射流火焰能够喷射至撞壁面；径向开合组件设置在射流火焰生成装置与撞壁面之间，射流火焰生成装置生成的射流火焰经过径向开合组件时，通过径向开合组件的开合，形成湍流火焰；平台支架与径向开合组件连接；中控机用于控制径向开合组件的开合速度和方向，获取湍流火焰与壁面瞬时反应的实验数据。本实用新型测量结果可靠，实验数据为现代燃烧动力装置燃烧性能与结构设计改进提供重要参考。

Description

湍流火焰与壁面瞬时反应的可视化实验系统

技术领域

本实用新型涉及燃烧技术领域，尤其涉及一种湍流火焰与壁面瞬时反应的可视化实验系统。

背景技术

在当代燃烧装置的设计与测试过程中，由于燃烧器尺寸的限制，火焰与壁面的相互作用是一个需要重点考量的因素。首先，火焰在到达壁面附近时会产生淬熄现象，在近壁区域产生热量损失，对壁面形成热应力，同时不同的壁面热力学条件也会直接影响火焰的淬熄距离等特性；其次，由于壁面附近热量的损失，造成不完全燃烧，使一氧化碳、碳氢化合物及碳烟等污染物排放增多；最后，在实际燃烧装置中，燃烧火焰大部分为多尺度的湍流火焰，壁面的存在会影响湍流场的分布和燃烧过程中湍流与化学反应的相互作用等。因此，深入理解火焰与壁面相互作用的机理可以为燃烧装置的优化设计提供必要的燃烧理论支撑。

但在实际燃烧器的燃烧过程中，由于火焰与壁面反应的高速瞬时特性(5毫秒以内或更小量级的时间尺度)，使得一般的实验手段难以有效测量瞬时时刻内的反应过程而无法获取正确的结果，因此，在数值模拟过程中所提出的反应模型无法得到验证。另一个问题是近壁区域湍流场由大尺度流动演变为复杂运动的小尺度涡，现有的测量装置很少能准确对其进行测量分析，而小尺度涡在壁面附近对燃烧化学反应速率有着直接的影响，对近壁区域湍流-化学反应相互影响过程的定量测量仍是一项具有挑战性的工作。此外，在活塞式燃烧动力装置中，缸套及活塞头部等壁面往往附着一层润滑油膜及燃油喷射撞壁形成的燃油膜，形成湿壁面的现象，油膜的存在势必会对近壁区域混合气浓度、化学反应速率及壁面传热等造成一定的影响。

现阶段，由于实际燃烧装置内湍流火焰与壁面的瞬时反应过程十分复杂，进行直接的可视化测量难度较大，因而设计一套简易有效的测量平台十分必要。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型提供了一种湍流火焰与壁面瞬时反应的可视化实验系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本实用新型的一个方面，提供了一种湍流火焰与壁面瞬时反应的可视化实验系统，包括：射流火焰生成装置，用于生成射流火焰；撞壁面，设置在射流火焰生成装置的射流火焰喷射方向的延长线上，且射流火焰生成装置生成的射流火焰能够喷射至撞壁面；径向开合组件，设置在射流火焰生成装置与撞壁面之间，射流火焰生成装置生成的射流火焰经过径向开合组件时，通过径向开合组件的开合，形成湍流火焰；平台支架，与径向开合组件连接；中控机，用于控制径向开合组件的开合速度和方向，获取湍流火焰与壁面瞬时反应的实验数据。

在本实用新型的一些实施例中，径向开合组件包括：固定盘，为中空结构，固定盘设有一开口；固定盘上设有定向槽；转动盘，设置在固定盘内，且与固定盘同轴相连；转动盘上设有沟槽；连接齿轮，连接齿轮设置在固定盘的开口处，且与转动盘相连；电机齿轮，电机齿轮与连接齿轮相连；中控机控制电机的转速与转向进而驱动电机齿轮转动；转动叶片，转动叶片第一表面上设有第一固定销，第一固定销设置在转动盘的沟槽内；转动叶片的第二表面上设有第二固定销，第二固定销设置在固定盘的定向槽内。

在本实用新型的一些实施例中，射流火焰生成装置包括：燃料储气瓶；空气储存罐；混合腔，燃料储气瓶和空气储存罐分别通过进气管路与混合腔相连，在混合腔进行燃料预混；进气管路上设置有截止阀门；混合腔出口处设有出气阀门；混合气传播管，混合气传播管一端与混合腔出口通过连接管路相连；火焰出口端帽，混合气传播管另一端与火焰出口端帽相连；点火器，安装在火焰出口端帽上。

在本实用新型的一些实施例中，还包括：瞬时温度传感器，瞬时温度传感器设置在撞壁面的表面和/或内嵌在撞壁面内，采集壁面的温度变化信号；温度信号放大器，将瞬时温度传感器采集的温度变化信号通过温度信号放大器传输至中控机；流速测量传感器，采集混合气体的流速信号；流速信号放大器，将流速测量传感器采集的流速信号通过流速信号放大器传输至中控机；激光发射器，中控机控制激光发射器开闭形成激光片光源；摄像装置，用于记录湍流火焰与壁面瞬时反应的实验过程。

在本实用新型的一些实施例中，转动叶片的个数为8片，固定盘上设置的定向槽个数为8个，转动盘上设置的沟槽为八边形沟槽。

在本实用新型的一些实施例中，撞壁面通过连杆固定在平台支架上，撞壁面与连杆铰接相连。

在本实用新型的一些实施例中，撞壁面内部为空腔结构，且在撞壁面内腔设置有循环冷却装置。

在本实用新型的一些实施例中，射流火焰生成装置还包括：流量控制装置，设置在燃料储气瓶与混合腔相连的进气管路上和/或空气储存罐与混合腔相连的进气管路上；空气除湿器，设置在空气储存罐与混合腔相连的进气管路上。

在本实用新型的一些实施例中，射流火焰生成装置还包括：蜂窝导流板，设置在混合腔内。

在本实用新型的一些实施例中，混合气传播管上还包括：连接套筒，套设在混合气传播管上，连接套筒与平台支架通过固定杆连接；孔板套筒，套设在混合气传播管上，以调节火焰射流速度和防止火焰回流。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本实用新型湍流火焰与壁面瞬时反应的可视化实验系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)径向开合叶片组件能够在可调范围内迅速开闭，以生成瞬时撞壁火焰。

(2)摄像机、激光发射器等可视化设备，可以测量小的时间尺度内火焰与壁面及油膜反应过程，对近壁面区域的速度、温度和浓度分布规律等进行全面分析。

(3)本实用新型操作简便，测量结果可靠，其获得的实验数据能够为现代燃烧动力装置燃烧性能与结构设计的改进提供重要参考。

附图说明

图1为本实用新型实施例湍流火焰与壁面瞬时反应的可视化实验系统的结构示意图。

图2为图1中径向开合组件的结构示意图。

图3a为图2径向开合组件转动叶片闭合状态示意图。

图3b为图2径向开合组件转动叶片张开状态示意图。

图3c为图2径向开合组件转动叶片张开状态示意图。

【附图中本实用新型实施例主要元件符号说明】

1-火焰出口端帽； 2-流速测量传感器；

3-孔板套筒； 4-固定杆；

5-连接端帽； 6-混合气传播管；

7-连接套筒； 8-连接管路；

9-出气阀门； 10-压力表；

11-平台支架； 12-蜂窝导流板；

13-混合腔； 14，34-流量控制装置；

15，32-截止阀门； 16-燃料储气瓶；

17，24-控制面板； 18-激光发射器；

19-同步器； 20-撞壁面；

21-瞬时温度传感器； 22-温度信号放大器；

23-中控机； 25-空气压缩机；

26-摄像装置； 27-电机齿轮；

29-电机； 30-流速信号放大器；

31-空气储存罐； 33-空气除湿器；

35-径向开合组件； 36-瞬时湍流火焰；

37-转动盘； 38-固定盘；

39-点火器； 40-定向槽；

41-连接齿轮； 42-转动叶片；

43-沟槽。

具体实施方式

本实用新型提供了一种湍流火焰与壁面瞬时反应的可视化实验系统，包括：射流火焰生成装置、撞壁面、径向开合组件、平台支架和中控机；射流火焰生成装置用于生成射流火焰；撞壁面设置在射流火焰生成装置的射流火焰喷射方向的延长线上，且射流火焰生成装置生成的射流火焰能够喷射至撞壁面；径向开合组件设置在射流火焰生成装置与撞壁面之间，射流火焰生成装置生成的射流火焰经过径向开合组件时，通过径向开合组件的开合，形成湍流火焰；平台支架与径向开合组件连接；中控机用于控制径向开合组件的开合速度和方向，获取湍流火焰与壁面瞬时反应的实验数据。本实用新型操作简便，测量结果可靠，其获得的实验数据能够为现代燃烧动力装置燃烧性能与结构设计的改进提供重要参考。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

本实用新型某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本实用新型的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本实用新型满足适用的法律要求。

在本实用新型的第一个示例性实施例中，提供了一种湍流火焰与壁面瞬时反应的可视化实验系统。图1为本实用新型实施例湍流火焰与壁面瞬时反应的可视化实验系统的结构示意图。图2为图1中径向开合组件的结构示意图。如图1至2所示，本实用新型湍流火焰与壁面瞬时反应的可视化实验系统，包括：射流火焰生成装置、撞壁面20、径向开合组件35、平台支架11和中控机；射流火焰生成装置用于生成射流火焰；撞壁面20设置在射流火焰生成装置的射流火焰喷射方向的延长线上，且射流火焰生成装置生成的射流火焰能够喷射至撞壁面20；径向开合组件35设置在射流火焰生成装置与撞壁面20之间，射流火焰生成装置生成的射流火焰经过径向开合组件35时，通过径向开合组件35的开合，形成湍流火焰；平台支架11与径向开合组件35连接；中控机用于控制径向开合组件35的开合速度和方向，获取湍流火焰与壁面瞬时反应的实验数据。

进一步地还包括：瞬时温度传感器21、温度信号放大器22、流速测量传感器2、流速信号放大器30、激光发射器18和摄像装置26；瞬时温度传感器21设置在撞壁面20的表面和/或内嵌在撞壁面20内，采集壁面的温度变化信号；瞬时温度传感器21采集的温度变化信号通过温度信号放大器22传输至中控机23；流速测量传感器2设置在混合气传播管上，采集混合气体的流速信号；流速信号放大器30将流速测量传感器2采集的流速信号传输至中控机23；中控机23控制激光发射器18开闭形成激光片光源；摄像装置26用于记录湍流火焰与壁面瞬时反应的实验过程。

具体地，撞壁面20通过连杆固定在平台支架11上，撞壁面20与连杆铰接相连。

具体地，撞壁面20内部为空腔结构，且在撞壁面20内腔设置有循环冷却装置。

其中，径向开合组件35包括：固定盘38、转动盘37、连接齿轮41、电机齿轮27和转动叶片42；固定盘38为中空结构，固定盘38设有一开口，固定盘38上设有定向槽40；转动盘37设置在固定盘38内，且与固定盘38同轴相连，转动盘37上设有沟槽；连接齿轮41设置在固定盘38的开口处，且与转动盘37相连；电机齿轮27与连接齿轮41相连；中控机控制电机29的转速与转向进而驱动电机齿轮27转动；转动叶片42第一表面上设有第一固定销，第一固定销设置在转动需37的沟槽内；转动叶片42的第二表面上设有第二固定销，第二固定销设置在固定盘38的定向槽40内。图3a为图2径向开合组件转动叶片闭合状态示意图。图3b为图2径向开合组件转动叶片张开状态示意图。图3c为图2径向开合组件转动叶片张开状态示意图。图3a至图3c为叶片逐渐打开的状态，图3c为转动叶片42完全打开的状态示意图。

具体地，转动叶片42的个数为8片，固定盘上设置的定向槽个数为8个，转动盘37上设置的沟槽为八边形沟槽。

其中，射流火焰生成装置，包括：燃料储气瓶16、空气储存罐31、混合腔13、混合气传播管6、火焰出口端帽1和点火器39；燃料储气瓶16和空气储存罐31分别通过进气管路与混合腔13相连，在混合腔13进行燃料预混；进气管路上设置有截止阀门15和截止阀门32；混合腔13出口处设有出气阀门9；混合气传播管6一端与混合腔13出口通过连接管路8相连；混合气传播管6另一端与火焰出口端帽1相连；点火器安装在火焰出口端帽1上。

进一步，还包括：流量控制装置14、流量控制装置34、空气除湿器33、蜂窝导流板12、连接套筒7和孔板套筒3；流量控制装置设置在燃料储气瓶16与混合腔13相连的进气管路上和/或空气储存罐31与混合腔13相连的进气管路上；空气除湿器33设置在空气储存罐31与混合腔13相连的进气管路上；蜂窝导流板12设置在混合腔13内。连接套筒7套设在混合气传播管6上，连接套筒7与平台支架11通过固定杆4连接；孔板套筒3套设在混合气传播管6上，以调节火焰射流速度和放置火焰回流。

初始状态下混合腔13的出气阀门9关闭，通过打开燃料的截止阀门15与空气的截止阀门32，并调节流量控制装置14和流量控制装置34，使空气燃料按一定的比例混合，因此可以调节不同当量比来研究火焰撞壁过程的变化。其中空气首先经压缩机25压缩后在空气储存罐31内储存，与燃料混合前需要经过空气除湿器33进行干燥。蜂窝导流板12能增加混合气的均匀程度。待压力表10达到指定数值后，关闭停止进气。待混合腔13内压力稳定后，打开出气阀门9，使预混合气在压力作用下经由连接管路8、连接端帽5进入混合气传播管6，混合气传播管6通过固定杆4和连接套筒7竖直固定。在混合气传播管6上端，混合气流经一个可以按需求安装不同带孔薄钢片的孔板套筒3(低速射流条件下可不安装钢片)以调节火焰射流速度并进一步防止火焰回流，孔板套筒3与上下两段混合气传播管6通过内螺纹连接，连接后带孔钢片受压固定。点火器39安装在火焰出口端帽1上，通过控制面板24控制点火进而生成预混射流火焰。火焰生成开始时，径向开合组件35的转动叶片42呈关闭状态，当流速测量传感器2测得混合气流速在稳定的预定范围内后，控制面板24会控制电机29按照一定的转速先正向转动一定角度，通过齿轮传动使开合组件35的转动叶片42迅速打开一个出口，再反向旋转使出口关闭，在这个过程中，射流火焰会通过转动叶片42围成的出口并形成间断的瞬时湍流火焰撞击壁面。壁面组件与固定在试验平台支架11上的连杆铰接相连，撞壁面20可以绕左端铰接处与水平面呈不同角度，实现火焰撞击壁面角度的变化。撞壁面20内部有一空腔，冷却水在腔内外循环流动保持固定的撞壁面20温度。在撞壁面20的表面和/或内嵌在撞壁面20内一定深度分别设置瞬时温度传感器21，能够测量瞬时壁面温度变化，将温度信号通过温度信号放大器22传递到中控机23，进而可以定量计算火焰撞壁过程中壁面的热量传递。在径向开合组件35的转动叶片42打开的同时，控制面板17通过同步器19控制激光发射器18形成激光片光源，利用摄像装置26可以连续记录火焰在壁面附近焠熄的形貌变化及近壁面区域瞬时湍流场速度分布和部分生成物浓度分布等。因此可以对湍流预混火焰与壁面(或壁面油膜)之间的瞬时反应进行直观准确的测量分析。

至此，已经结合附图对本实用新型实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本实用新型湍流火焰与壁面瞬时反应的可视化实验系统有了清楚的认识。

综上所述，本实用新型操作简便，测量结果可靠，其获得的实验数据能够为现代燃烧动力装置燃烧性能与结构设计的改进提供重要参考。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种湍流火焰与壁面瞬时反应的可视化实验系统，其特征在于，包括：

射流火焰生成装置，用于生成射流火焰；

撞壁面，设置在所述射流火焰生成装置的射流火焰喷射方向的延长线上，且所述射流火焰生成装置生成的射流火焰能够喷射至所述撞壁面；

径向开合组件，设置在所述射流火焰生成装置与所述撞壁面之间，所述射流火焰生成装置生成的射流火焰经过所述径向开合组件时，通过所述径向开合组件的开合，形成湍流火焰；

平台支架，与所述径向开合组件连接；

中控机，用于控制径向开合组件的开合速度和方向，获取湍流火焰与壁面瞬时反应的实验数据。

2.根据权利要求1所述的可视化实验系统，其特征在于，所述径向开合组件，包括：

固定盘，为中空结构，所述固定盘设有一开口；所述固定盘上设有定向槽；

转动盘，设置在所述固定盘内，且与所述固定盘同轴相连；所述转动盘上设有沟槽；

连接齿轮，所述连接齿轮设置在所述固定盘的开口处，且与所述转动盘相连；

电机齿轮，所述电机齿轮与所述连接齿轮相连；中控机控制电机的转速与转向进而驱动电机齿轮转动；

转动叶片，所述转动叶片第一表面上设有第一固定销，所述第一固定销设置在所述转动盘的沟槽内；所述转动叶片的第二表面上设有第二固定销，所述第二固定销设置在所述固定盘的定向槽内。

3.根据权利要求1所述的可视化实验系统，其特征在于，所述射流火焰生成装置，包括：

燃料储气瓶；

空气储存罐；

混合腔，所述燃料储气瓶和空气储存罐分别通过进气管路与所述混合腔相连，在所述混合腔进行燃料预混；所述进气管路上设置有截止阀门；所述混合腔出口处设有出气阀门；

混合气传播管，所述混合气传播管一端与所述混合腔出口通过连接管路相连；

火焰出口端帽，所述混合气传播管另一端与火焰出口端帽相连；

点火器，安装在所述火焰出口端帽上。

4.根据权利要求1所述的可视化实验系统，其特征在于，还包括：

瞬时温度传感器，所述瞬时温度传感器设置在所述撞壁面的表面和/或内嵌在所述撞壁面内，采集壁面的温度变化信号；

温度信号放大器，将所述瞬时温度传感器采集的温度变化信号通过所述温度信号放大器传输至所述中控机；

流速测量传感器，采集混合气体的流速信号；

流速信号放大器，将所述流速测量传感器采集的流速信号通过所述流速信号放大器传输至所述中控机；

激光发射器，中控机控制所述激光发射器开闭形成激光片光源；

摄像装置，用于记录湍流火焰与壁面瞬时反应的实验过程。

5.根据权利要求2所述的可视化实验系统，其特征在于，所述转动叶片的个数为8片，所述固定盘上设置的定向槽个数为8个，所述转动盘上设置的沟槽为八边形沟槽。

6.根据权利要求1所述的可视化实验系统，其特征在于，所述撞壁面通过连杆固定在所述平台支架上，所述撞壁面与连杆铰接相连。

7.根据权利要求1所述的可视化实验系统，其特征在于，所述撞壁面内部为空腔结构，且在所述撞壁面内腔设置有循环冷却装置。

8.根据权利要求3所述的可视化实验系统，其特征在于，所述射流火焰生成装置还包括：

流量控制装置，设置在燃料储气瓶与混合腔相连的进气管路上和/或空气储存罐与混合腔相连的进气管路上；

空气除湿器，设置在空气储存罐与混合腔相连的进气管路上。

9.根据权利要求3所述的可视化实验系统，其特征在于，所述射流火焰生成装置还包括：

蜂窝导流板，设置在所述混合腔内。

10.根据权利要求3所述的可视化实验系统，其特征在于，所述混合气传播管上还包括：

连接套筒，套设在所述混合气传播管上，所述连接套筒与平台支架通过固定杆连接；

孔板套筒，套设在所述混合气传播管上，以调节火焰射流速度和防止火焰回流。