基于介质阻挡放电的液滴蒸发与着火试验装置的制作方法

本发明涉及等离子体辅助燃烧技术领域，特别是一种基于介质阻挡放电的液滴蒸发与着火试验装置。

背景技术：

推进剂是运输工具动力装置的能量来源，在常见的各类推进剂中，液体推进剂因较气体密度大，使得有限容积的储箱能携带的燃料或者氧化剂更多，且与固体推进剂相比，采用液体推进剂具有可多次重复点火、易于控制等优势，使得以汽油和煤油为代表的液体推进剂在汽车、船舶、飞机、火箭上得到了最为广泛的应用。然而液体燃料的燃烧不像气体燃料简单的混合和点火即实现燃烧，而是经过一系列子过程才得以燃烧。具体包括：雾化、蒸发、混合、燃烧，这些子过程进行的快慢、充分程度等都直接或间接影响了整个点火过程，进而影响了发动机的启动性能。不论是在汽车发动机、传统航空发动机，还是火箭发动机、超燃冲压发动机中，实现快速、高效、稳定的点火都显得十分关键，可是在实际工况下，液体燃料的点火过程常常偏离理想情况，轻则导致点火延迟太长，对具有高速来流的吸气式发动机难以接受，重则直接导致点火失败，因此亟待解决液体推进剂蒸发和着火中存在的慢与不稳定问题。

现有的研究表明通过介质阻挡放电产生的等离子体具有热力学非平衡特性，其活化效应强、电离效率高，且该放电方式的电极可长时间运行，整个电极装置无运动机械部件、响应迅速，已在流动和燃烧控制领域显示出了卓越的性能。然而当前绝大多数放电等离子体点火、助燃装置都仅针对气体推进剂，且多采用较为成熟的电弧放电方式，即等离子体炬，这类点火方式会产生极其高温的等离子体，放电装置需要额外的水冷，对燃料的电离效率也比较低下，能耗十分高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于介质阻挡放电的液滴蒸发与着火试验装置，该基于介质阻挡放电的液滴蒸发与着火试验装置能改善液体推进剂，尤其是碳氢液体燃料点火慢、点火难以及火焰不稳定的现状。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于介质阻挡放电的液滴蒸发与着火试验装置，包括试验舱、高压电源、液滴喷注器、三根l形金属杆、金属网状圆筒、两根金属棒、高压金属网板和低压金属板。

试验舱为密闭舱体，试验舱的顶盖上设置有液滴喷注器安装孔和两个电极安装孔；两个电极安装孔对称设置在液滴喷注器安装孔的两侧。

高压电源包括高压输出端和接地端。

液滴喷注器包括液滴喷注器本体和液滴挂杆；液滴喷注器本体安装在液滴喷注器安装孔上，液滴挂杆伸入试验舱内，液体挂杆包括液滴通道，位于液滴通道外周的杆芯内设置有金属丝；液滴挂杆的外周包覆有石英或陶瓷，液滴挂杆的底端悬挂滴液。

三根l形金属杆分别为l形金属杆一、l形金属杆二和l形金属杆三。

每根l形金属杆的顶端均设置有支撑接头，每个支撑接头均能与电极安装孔可拆卸连接。

l形金属杆一的外周包覆有绝缘涂层，l形金属杆一的底端与金属网状圆筒固定连接。

两根金属棒分别为低压金属棒和高压金属棒，其中，至少一根金属棒的外周包覆有石英或陶瓷。

低压金属板的一侧包覆有石英或玻璃；高压金属网板包括不锈钢板和设置在不锈钢板一侧的铜网。

l形金属杆二的底端和l形金属杆三的底端均能与金属棒、高压金属网板或低压金属板可拆卸连接。

连接有低压金属棒或低压金属板的l形金属杆顶端的支撑接头或液滴喷注器本体能与高压电源的接地端相连接，形成地电极。

连接有高压金属棒或高压金属网板的l形金属杆顶端的支撑接头或l形金属杆一顶端的支撑接头能与高压电源的高压输出端相连接，形成高压电极。

通过改变l形金属杆的安装方式以及高压电源的连接方式，能实现三种电极布置方式，分别为：同轴电极布置、平行柱头电极布置和平行网板电极布置。

同轴电极布置时，l形金属杆一顶端的支撑接头安装在其中一个电极安装孔上，并使与l形金属杆一底端相连接的金属网状圆筒位于滴液的外周；高压电源的高压输出端与l形金属杆一顶端的支撑接头相连接，形成高压电极；高压电源的接地端与液滴喷注器本体相连接，形成地电极。

金属网状圆筒的内径为10-20mm。

l形金属杆一外周包覆的绝缘涂层为特氟龙材料。

平行柱头电极布置时，低压金属棒与l形金属杆二底端可拆卸连接，高压金属棒与l形金属杆三底端可拆卸连接；l形金属杆二顶端的支撑接头安装在其中一个电极安装孔上，l形金属杆三顶端的支撑接头安装在另一个电极安装孔上，两根金属棒平行且对称设置在滴液的外周；高压电源的高压输出端与l形金属杆三顶端的支撑接头相连接，形成高压电极；高压电源的接地端与l形金属杆二顶端的支撑接头相连接，形成地电极。

低压金属棒和高压金属棒的外周均包覆有石英或陶瓷，石英或陶瓷的包覆厚度均为0.5-1.5mm。

每根金属棒的轴向长度均为5-15mm，外径均为3-8mm。

平行网板电极布置时，低压金属板与l形金属杆二底端可拆卸连接，高压金属网板与l形金属杆三底端可拆卸连接；l形金属杆二顶端的支撑接头安装在其中一个电极安装孔上，l形金属杆三顶端的支撑接头安装在另一个电极安装孔上，高压金属网板和低压金属板平行且对称设置在滴液的外周；高压电源的高压输出端与l形金属杆三顶端的支撑接头相连接，形成高压电极；高压电源的接地端与l形金属杆二顶端的支撑接头相连接，形成地电极。

低压金属板和高压金属网板的尺寸均为10mm×10mm。

试验舱内设置有加热器和压力调节器。

本发明具有如下有益效果：

1.上述介质阻挡放电电极结构简单，并通过调节或更换高压电源能实现不同模式、强度的电激励，能耗较低，实现了对液体推进剂工质蒸发、着火过程的主动控制。

2.上述三种介质阻挡放电电极布置方式均充分利用了常见的密闭式液滴蒸发、着火试验舱结构特点，电极设计为可更换模块极大方便了电极本身的更换以及三种放电方案的切换，降低了加工等成本，所采用的l形金属杆既发挥了导线作用，又因其外包裹特氟龙材料，还起到了绝缘与加强刚性的作用，并且通过考虑介质阻挡放电激励区域与液滴之间的相互位置关系，使得对液滴的加热作用和活化作用更显著。

3.上述推进剂液滴蒸发与着火试验舱内压力和温度可调，使得整个装置能较有效地模拟不同发动机或同一发动机不同工况下其液体推进剂所处工作环境。

4.上述基于介质阻挡放电的等离子体辅助推进剂液滴蒸发、着火试验装置较传统的机械式、被动式蒸发、燃烧控制装置控制范围更宽、响应更迅速、作用方式更灵活。

5.本放电装置相比电弧放电温度低得多，一般温度不超过400k，而电弧则3000-10000k，故属于低温等离子体，效率上目前文献表明常规点火应用方面能高出30%-80%，能耗一般在十几瓦到几十瓦。

附图说明

图1显示了本发明一种基于介质阻挡放电的液滴蒸发与着火试验装置的结构示意图。

图2显示了本发明中同轴式电极布置方式下电极的安装示意图。

图3显示了本发明中同轴布置方式下高压电极的结构示意图。

图4显示了本发明中平行柱头电极布置方式下电极的安装示意图。

图5显示了本发明中平行柱头电极布置方式下高压电极的结构示意图。

图6显示了本发明中平行柱头电极布置方式下地电极的结构示意图。

图7显示了本发明中平行网板电极布置方式下电极的安装示意图。

图8显示了本发明中平行网板电极布置方式下高压电极的结构示意图。

图9显示了本发明中平行网板电极布置方式下地电极的结构示意图。

其中有：1.顶盖；11.液滴喷注器安装孔；12.电极安装孔；2.液滴喷注器；21.液滴喷注器本体；22.液滴挂杆；3.试验舱；4.观察窗；5.l形金属杆一；51.支撑接头；6.金属网状圆筒；7.l形金属杆二；8.低压金属棒；9.高压金属棒；10.高压金属网板；11.低压金属板；12.台架；13.高压电源；14.l形金属杆三。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图9所示，一种基于介质阻挡放电的液滴蒸发与着火试验装置，包括试验舱3、高压电源13、液滴喷注器2、三根l形金属杆、金属网状圆筒6、两根金属棒、高压金属网板11和低压金属板10。

试验舱为密闭舱体，试验舱优选放置在台架12上。

试验舱的顶盖上设置有液滴喷注器安装孔11和两个电极安装孔12；两个电极安装孔对称设置在液滴喷注器安装孔的两侧。

试验舱优选由不锈钢制成，试验舱的侧壁上设置有观察窗4，优选两个相平行的侧壁上各设置一个观察窗，两个观察窗优选位于同一轴线上。观察窗用于对液滴着火现象进行观察。

观察窗优选为石英玻璃观察窗。

试验舱内优选设置有加热器和压力调节器，能够实现试验舱体3内温度、压力的测量与调节。加热器优选为蓄热式电阻加热器。

高压电源13为高频高压交流电源或纳秒脉冲高压电源，高压电源包括高压输出端和接地端。

液滴喷注器包括液滴喷注器本体21和液滴挂杆22。

液滴喷注器本体安装在液滴喷注器安装孔上，液滴挂杆伸入试验舱内，液体挂杆包括液滴通道，位于液滴通道外周的杆芯内设置有金属丝；液滴挂杆的外周包覆有石英或陶瓷，液滴挂杆的底端悬挂滴液。

三根l形金属杆分别为l形金属杆一5、l形金属杆二7和l形金属杆三14。

每根l形金属杆的顶端均设置有支撑接头51，每个支撑接头均能与电极安装孔可拆卸连接，优选为螺纹连接。

每根l形金属杆的外周均优选包裹特氟龙材料。

通过改变l形金属杆的安装方式以及高压电源的连接方式，能实现三种电极布置方式，分别为：同轴电极布置、平行柱头电极布置和平行网板电极布置。

电极布置方式一：同轴电极布置

如图2所示，l形金属杆一顶端的支撑接头安装在其中一个电极安装孔上，并使与l形金属杆一底端相连接的金属网状圆筒位于滴液的外周。

具体安装时，可先将金属网状圆筒套设在滴液的外周，l形金属杆一顶端从其中一个电极安装孔中穿出后，并螺纹固定连接。同时，另一个电极安装孔可使用堵头或支撑接头密封。

高压电源的高压输出端与l形金属杆一顶端的支撑接头优选通过导线相连接，形成高压电极；高压电源的接地端与液滴喷注器本体相连接，形成地电极。

进一步，上述l形金属杆一的外周包覆有绝缘涂层，绝缘涂层优选为特氟龙材料。

如图2和图3所示，l形金属杆一的底端与金属网状圆筒固定连接，优选为焊接。金属网状圆筒的内径优选为10-20mm。

试验时，首先调节试验舱体3内的压力、温度至要求值，然后通过液滴喷注器2产生液滴并使得液滴悬挂于液滴挂杆22末端。当采用同轴电极布置方式时，开启高压电源13，在金属网状圆筒6和液滴挂杆2末端之间发生体式介质阻挡放电，推进剂液滴受放电作用吸收热量，并伴随裂解、活化，从而加快其蒸发、着火过程。

本发明中的介质阻挡放电的工作原理介绍如下：

介质阻挡放电产生非平衡等离子体过程中涉及了多种物理化学过程，在高压交流电源或者纳秒脉冲电源的驱动下，电极之间的区域会发生一系列放电反应，经过各类粒子的碰撞等过程，在焦耳加热等过程作用下，放电气体的温度会有所上升；而且纳秒脉冲电源激励下能带来离子风等动量传输效应。

理论上整个推进剂液滴可以假设初始为圆球状，其蒸发过程首先开始于气液交界面。当施加放电时，放电发生于两电极之间的区域。放电首先改变的是液滴周围的气体介质，经过前述的一系列物理化学过程，包围气体裂解为丰富的活性粒子，整个气体温度有所升高，然后包围气体向液滴表面传热，进而促进了球状液滴外层液体介质的蒸发，蒸发后的推进剂迅速与被电离的活性粒子发生掺混，当达到一定条件后开始着火；着火后释放的热量又进一步促进了剩余液滴介质的蒸发与燃烧，从而达到了加快整个推进剂液滴蒸发、着火的目的。

当采用上述同轴电极布置方式时，整个液滴表面都将同步直接受到放电的作用，即液滴表面近乎均匀地受到放电的作用。

电极布置方式二：平行柱头电极布置

如图4、图5和图6所示，低压金属棒与l形金属杆二底端可拆卸连接，优选为螺纹连接。高压金属棒与l形金属杆三底端可拆卸连接，优选为螺纹连接。

l形金属杆二顶端的支撑接头安装在其中一个电极安装孔上，l形金属杆三顶端的支撑接头安装在另一个电极安装孔上，两根金属棒平行且对称设置在滴液的外周，也即液滴位于两根金属棒的几何中心。

高压电源的高压输出端与l形金属杆三顶端的支撑接头相连接，形成高压电极；高压电源的接地端与l形金属杆二顶端的支撑接头相连接，形成地电极。

两根金属棒分别为低压金属棒8和高压金属棒9，其中，至少一根金属棒的外周包覆有石英或陶瓷，石英或陶瓷的包覆厚度优选为0.5-1.5mm。

每根金属棒的轴向长度均优选为5-15mm，外径均优选为3-8mm。

另外，当采用平行柱头电极布置方式时，液体挂杆可以采用杆芯内无金属丝的普通液滴挂杆，均在本发明的保护范围之内。

当采用平行柱头电极布置方式时，开启高压电源13，在平行柱头电极间发生面式介质阻挡放电，电极表面阻挡层可以选择三种布置方案，即仅高压金属棒9上或仅低压金属棒8上以及两个金属棒均包覆石英或陶瓷，从而达到改变放电效果的作用。

当采用平行柱头放电方案时，发生的是面放电形式，直接作用在球状液滴与该放电平面相交处，直接作用面积较小，但是由于放电通道小，约化场强高，电离强度大，温升更明显。

电极布置方式三：平行网板电极布置

如图7、图8和图9所示，低压金属板10与l形金属杆二底端可拆卸连接，优选为螺纹连接；高压金属网板11与l形金属杆三底端可拆卸连接，优选为螺纹连接。

l形金属杆二顶端的支撑接头安装在其中一个电极安装孔上，l形金属杆三顶端的支撑接头安装在另一个电极安装孔上。

低压金属板的一侧包覆有石英或玻璃；高压金属网板包括不锈钢板和设置在不锈钢板一侧的铜网。

低压金属板和高压金属网板的尺寸均优选为10mm×10mm。

高压金属网板和低压金属板平行且对称设置在滴液的外周，也即液滴位于高压金属网板和低压金属板的几何中心。同时，高压金属网板上设置的铜网以及低压金属板上包覆的石英或陶瓷均朝向液滴一侧设置。

高压电源的高压输出端与l形金属杆三顶端的支撑接头相连接，形成高压电极；高压电源的接地端与l形金属杆二顶端的支撑接头相连接，形成地电极。

另外，当采用平行网-板电极布置方式时，液体挂杆可以采用杆芯内无金属丝的普通液滴挂杆，均在本发明的保护范围之内。

当采用平行网-板电极布置方式时，开启高压电源13，放电发生与金属网11与金属平板10之间，属于体式放电。

当采用平行网板方案时，液滴表面受到放电的作用面积大小介乎另外两者之间，局部电离强度大于同轴式方案，但小于平行柱头方案。

整套试验装置除了以上具体特点外，由于采用了模块化设计，所采用的l形金属杆既发挥了导线功能，又起到了支撑电极的作用。此外，结合相关传感器采集的数据，整个装置可以实时地根据液滴蒸发、着火效果通过电源控制系统进行调节，也能更换电极等部件，实现多套工作方案。另外，本申请的装置结构紧凑、模块化程度高、拆卸装配便捷，通过简单的变化就能实现多套放电方案，并可在较大范围内调节放电参数，具有较强的应变控制能力。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。