一种金属燃料燃烧效率测试方法与流程

本发明涉及一种金属燃料燃烧效率测试方法，可用于测试包括金属燃料在内的富燃料固体推进剂在密闭燃烧室中的燃烧效率，研究温度、压强、水燃比等反应条件对燃烧效率的影响作用。

背景技术：

金属燃料的燃烧速度与燃烧效率是衡量金属燃料燃烧特性的重要参数，是影响发动机工作性能的重要因素。常见的燃速测试方法主要有：包括靶线法、水下声发射法等在内的静态燃速测试方法；包括超声波法、多热电偶法等在内的动态燃速测试方法。现有的金属燃料的燃速检测由于受传感器响应时的间影响，对金属燃料的瞬间响应很难获取，影响金属燃料的瞬间燃速测试和燃料燃烧过程的了解。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种金属燃料燃烧效率测试方法，以便更好的了解金属燃料燃烧特性，为金属燃料的研究提供技术支持。

本发明的目的是这样实现的，一种金属燃料燃烧效率测试方法，其特征是：至少包括一燃烧室和控制单元，燃烧室安装有温控单元、配气单元和视频采集单元，控制单元通过温控单元实现对燃烧室的温度控制，控制单元通过配气单元实现对燃烧室的压力控制，温控单元、配气单元共同完成调节燃烧室内的温度与压强，为金属燃料提供需要的温度和压力燃烧环境；通过对燃烧过程中燃烧室的温度与燃烧时间变化关系处理，获取金属燃料产生的热量；通过金属燃料产生的热量与金属燃料的重量比值获得金属燃料的燃烧效率。

所述的燃烧热量获取依据如下公式完成：

（1）

其中：表示一次燃烧过程，金属燃料产生的热量；表示一次燃烧燃烧室的总热量；表示点火产生的热量；表示系统散热；

所述的点火产生的热量可以表示为：

（2）

其中：U表示点火电压，I表示点火电流，T表示点火时间；

系统散热的测量是在不进行点火的情况下，对燃烧室加压测试，通过标定获取不同的燃烧室初温；

对于燃烧室燃烧过程中，燃烧室的总热量可以表示为：

（3）

（4）

其中：表示单位摩尔的物质升高单位温度吸收的热量；c表示物质的摩尔定容热容（单位为：）；表示升高的温度值（单位为：K）；

，

其中为燃烧初始时刻的温度，为t时刻的温度；

则燃烧结束燃烧室的总热量为：

（5）

药条燃烧释放的热量为：

（6）

为燃烧室温度随时间变化关系，定义金属药条长度燃烧时间为。

通过药条燃烧释放的热量与金属燃料的质量W比值,获得金属燃料的燃烧效率；

金属燃料的重量，其中，是金属燃料长度，s是金属燃料截面积，p是金属燃料比重。

所述的配气单元是通过控制高温蒸气发生器产生高温水蒸气，使用高温氩气加热器产生高温氩气，高温蒸气发生器与高温氩气加热器容积为20L，最高耐压7MPa。

所述的燃烧室还包括燃烧室窗口，燃烧室窗口固定视频采集单元；所述控制单元通过采集视频采集单元的视频信息，并将金属燃料燃烧时的温度、压力、时间和对应的视频燃烧过程一同存贮在存贮单元，用于通过金属燃料的整个视频燃烧过程得到金属燃料燃烧速度。

所述的控制单元通过金属燃料的整个视频燃烧过程得到金属燃料燃烧速度是通过计算相邻两帧图像之间的相关系数获取未点火和点火的起始时间，燃烧和燃烧结束的结束时间；

未点火时相邻两幅图像几乎完全一致，相关信号接近为0，未点火和点火过程中，相邻两幅图像相关信号差异显著。根据相关信号数的大小变化来作为判断点火开始或结束的标志，计算两个时间节点的时间，作为金属燃料的燃烧时间；

计算相邻两帧图像之间的相关系数获取未点火和点火的起始时间包括：为了降低图像处理的计算量，设定图像的分别率，分别率为480*640；

将彩色图像转化为灰度图像；

将图像划分成大小为10*10的图像块，以分别率为480*640，共有48*64个计算单元；

依据如下计算公式计算出邻两幅图像的最大相关系数和最小相关系数；

(7)

其中：为相关系数，与分别表示前后两帧图像中，第i个10*10图像块的平均灰度；为前一帧图像的平均灰度；为后一帧图像的平均灰度；

依据金属燃料开始燃烧时相邻两幅图像的最大变化的相关系数确定开始时间t1；

依据金属燃料结束燃烧时相邻两幅图像的最大相关系数值确定结束时间t2；

依据燃料燃烧速度公式计算燃料燃烧速度：

v＝l/（t2-t1） (8)。

通过金属燃料产生的热量与金属燃料的重量比值获得金属燃料的燃烧效率，是在W值保持为变的情况下，通过改变金属燃料面积s、金属燃料长度或金属燃料材料获取最佳燃烧效率对应的金属燃料面积s和金属燃料长度。

本发明由于通过获取金属燃料产生的热量；在通过金属燃料产生的热量与金属燃料的重量比值获得金属燃料的燃烧效率。具有结构简单，测量速度快的特点。由于金属燃料的重量，这样通过改变金属燃料面积、金属燃料长度或金属燃料，能全方位为不同金属燃料或不同金属燃料长度或不同金属燃料面积或不同金属燃料长度和面积获取实验数据。

附图说明

下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明实施例结构示意图；

图2是燃烧支架示意图；

图3 燃烧室温度—时间关系图；

图4燃烧室温度增量对燃烧时间的积分。

图中，1、燃烧室；2、温控单元；3、配气单元；4、燃烧室窗口；5、视频采集单元；6、控制单元；7、点火支架；8、金属燃料；9、点火线；10、热电偶。

具体实施方式

如图1所示，一种金属燃料燃烧效率测试方法，至少包括一燃烧室1和控制单元6，燃烧室1安装有温控单元2、配气单元3和视频采集单元5，控制单元6通过温控单元2实现对燃烧室1的温度控制，控制单元6通过配气单元3实现对燃烧室1的压力控制，温控单元2、配气单元3共同完成调节燃烧室内的温度与压强，为金属燃料提供需要的温度和压力燃烧环境。

其中燃烧室1还包括燃烧室窗口4，燃烧室窗口4固定视频采集单元5；所述控制单元6通过采集视频采集单元的视频信息，并将金属燃料燃烧时的温度、压力、时间和对应的视频燃烧过程一同存贮在存贮单元，用于通过金属燃料的整个视频燃烧过程得到金属燃料燃烧速度。

为了隔离燃烧室1和视频采集单元5，隔离燃烧室1的燃烧室窗口4安装石英玻璃、k9、蓝宝石，视频采集单元5通过隔离的石英玻璃或k9或蓝宝石对燃烧过程进行观察分析。

图2所示，本发明使用固体推进剂药柱的给药方式，因此在燃烧室1内有配置的点火支架7，金属燃料8固定在点火支架7上，点火支架7的金属燃料8正对燃烧室窗口4，使视频采集单元5能完整检测到金属燃料8燃烧过程；金属燃料8侧边有点火线9，用于电控点燃金属燃料8，点火支架7分布有热电偶10，热电偶10的个数在2-6之间，用于检测燃烧室1的分布温度。

配气单元3是通过控制高温蒸气发生器产生高温水蒸气，使用高温氩气加热器产生高温氩气，高温蒸气发生器与高温氩气加热器容积为20L，最高耐压7MPa，可分别提高最高温度为500℃的高温水蒸气与高温氩气。对金属燃料进行强迫着火，通过改变通入水蒸气的浓度，使金属燃料、自维持燃烧以及不同水燃比下燃烧特性，比较不同条件对燃烧效率的影响作用。

本发明通过对燃烧过程中燃烧室1的温度与燃烧时间变化关系处理，获取金属燃料产生的热量；通过金属燃料产生的热量与金属燃料的重量比值获得金属燃料的燃烧效率。

所述的燃烧热量获取依据如下公式完成：

（1）

其中：表示一次燃烧过程，金属燃料产生的热量；表示一次燃烧燃烧室的总热量；表示点火产生的热量；表示系统散热；

通过理论分析与近似，在对燃烧过程进行分析时，将系统散热以及点火产生的热量E看作定量，则金属燃料燃烧释放的热量可以通过测量燃烧室总的热量变化来获得。

所述的点火产生的热量可以表示为：

（2）

其中：U表示点火电压，I表示点火电流，T表示点火时间；上述三个参数均由测试系统决定，因此点火产生的热量E也是一个定量。

系统散热的测量是在不进行点火的情况下，对燃烧室加压测试，通过标定获取不同的燃烧室初温；由于燃烧室筒体很厚，燃烧时间短，且在筒体外加了保温装置，因此可以将点火过程中的系统散热看作是以个定量，分析时忽略系统散热在不同燃烧过程中的变化因素。

对于燃烧室燃烧过程中，燃烧室的总热量可以表示为：

（3）

金属燃料在密闭燃烧室中燃烧，释放的热量不对外做功。由于燃烧室使用氩气作为环境介质，因此燃烧室增加的总的热量可以看作是氩气吸收的热量，根据物质摩尔定容热容的定义，密闭燃烧室中，单位摩尔的物质升高单位温度吸收的热量定义为：

（4）

其中：表示单位摩尔的物质升高单位温度吸收的热量；c表示物质的摩尔定容热容（单位为：）；表示升高的温度值（单位为：K）；

，

其中为燃烧初始时刻的温度，为t时刻的温度；

则燃烧结束燃烧室的总热量为：

（5）

药条燃烧释放的热量为：

（6）

为燃烧室温度随时间变化关系，定义金属药条长度燃烧时间为燃烧室的温度—时间关系如图4所示。

通过药条燃烧释放的热量与金属燃料的重量W比值,获得金属燃料的燃烧效率。

金属燃料的重量，其中，是金属燃料长度，s是金属燃料截面积，p是金属燃料比重。

通过金属燃料产生的热量与金属燃料的重量比值获得金属燃料的燃烧效率，是在W值保持为变的情况下，通过改变金属燃料面积s、金属燃料长度或金属燃料材料获取最佳燃烧效率对应的金属燃料面积s和金属燃料长度。

控制单元6通过金属燃料的整个视频燃烧过程得到金属燃料燃烧速度是通过计算相邻两帧图像之间的相关系数获取未点火和点火的起始时间，燃烧和燃烧结束的结束时间；

未点火时相邻两幅图像几乎完全一致，相关信号接近为0，未点火和点火过程中，相邻两幅图像相关信号差异显著。根据相关信号数的大小变化来作为判断点火开始或结束的标志，计算两个时间节点的时间，作为金属燃料的燃烧时间。

计算相邻两帧图像之间的相关系数获取未点火和点火的起始时间包括：为了降低图像处理的计算量，设定图像的分别率，分别率为480*640；

将彩色图像转化为灰度图像；

将图像划分成大小为10*10的图像块，以分别率为480*640，共有48*64个计算单元；

依据如下计算公式计算出邻两幅图像的最大相关系数和最小相关系数；

(7)

其中：为相关系数，与分别表示前后两帧图像中，第i个10*10图像块的平均灰度；为前一帧图像的平均灰度；为后一帧图像的平均灰度；

依据金属燃料开始燃烧时相邻两幅图像的最大变化的相关系数确定开始时间t1；

依据金属燃料结束燃烧时相邻两幅图像的最大相关系数值确定结束时间t2；

依据燃料燃烧速度公式计算燃料燃烧速度：

v＝l/（t2-t1） (8)。

使用开窗式燃烧室为金属燃料燃烧营造高温、高压环境；使用氩气作为气源，通过改变通入燃烧室中氩气的量以及氩气的温度来改变燃烧室中的压强与温度；使用高温蒸气发生器产生高温水蒸气，使用高温氩气加热器产生高温氩气，只向燃烧室通入氩气以研究金属燃料的自维持燃烧特性，通过改变通入燃烧室中水蒸气的量来研究金属燃料与高温水蒸气的燃烧特性。

使用搭建好的测试系统进行燃烧效率测试，首先根据测试所需的温度、压强等要求，使用高温蒸气发生器与高温氩气加热器来提供满足要求的温度和气压；将穿好靶线、埋设好热电偶的金属药条固定于点火支架，将点火支架安装于燃烧室内；准备工作完成以后，设定好目标压强，测试系统可以自动将燃烧室压强调节到目标值附近，根据不同的水燃比向燃烧室通入少量的水蒸气；使用测试系统对金属燃料强迫点火，可以获得燃烧过程中，燃烧室温度—时间曲线（图3）、燃烧室压强—时间曲线（图4）以及燃面温度等测试参数；另外，可以通过燃烧室的观察窗对燃烧过程进行观察，测试系统的视频采集模块，自动将燃烧过程中的金属燃料燃烧过程拍摄记录下来。通过对燃烧室温度—时间曲线进行分析可以获得燃烧室增加的总的热量，除去系统散热与点火产生的热量则可以得到金属燃料燃烧释放的热量。比较相同金属燃料不同反应条件下燃烧释放的热量，可以给出最佳燃烧效率环境。