一种超、失重环境下层流火焰燃烧特性研究装置及方法与流程

本发明涉及一种超、失重环境下层流火焰燃烧特性研究装置及方法。

背景技术：

充分了解燃料的层流燃烧特性能够优化其在实际中应用的燃烧效率，研究层流燃烧特性的试验方法有三角火焰法、对流火焰法、滞止火焰法、热通量法和定容弹法。其中，定容弹是最为接近内燃机工况的试验装置，试验过程中所需燃料仅需少量，数据处理过程各个参数定义明确，被广泛用于各种气体、液体燃料的层流燃烧特性研究。但通常情况下平放的定容弹中的火焰传播受到由重力引起的浮作用力的影响，针对此问题，本发明专利提出一种超、失重环境下层流火焰燃烧特性研究试验装置。

技术实现要素：

本发明的目的是实现超、失重环境下燃料层流火焰燃料特性的研究，提供一种研究试验装置及其方法。

采用的具体技术方案如下：

一种超、失重环境下层流火焰燃烧特性研究装置包括加速度调节系统、缓冲控制系统、定容弹、外部控制系统和纹影成像系统，加速度调节系统由负载箱、钢丝绳、滑轮组组成，缓冲控制系统由顶板、顶板电磁铁、上支撑板、下支撑板、支撑杆组、导轨组、底板电磁铁、底板、弹簧组组成，定容弹内部安装有点火电极、进气孔、排气孔、温度传感器、压力传感器，外部控制系统包括控制单元、示波器、点火线圈和计算机；

负载箱与钢丝绳连接，钢丝绳经滑轮组穿过顶板与上支撑板连接；上支撑板与下支撑板之间由支撑杆组连接，定容弹固定在支撑杆组中间；上支撑板和下支撑板与导轨组连接，导轨组顶部与顶板固定结合，导轨组与底板滑动连接，底板下方通过弹簧组与地面连接。

优选的，所述的负载箱质量可调，使得定容弹在导轨组上运动时加速度大小、方向可调。

优选的，所述的导轨组由直线轴承构成，实现小摩擦平稳直线运动，其上布置有位置传感器，通过位置传感器可以实现定容弹的加速度标定；位置传感器信号在试验过程中作为外部控制系统的输入信号，控制系统接收输入信号后，触发点火系统，并利用示波器和高速摄影机分别同步纪录压力传感器得到的压力信号和火焰传播图像。

优选的，所述的顶板和底板上均布置有电磁铁，在上支撑板与顶板接触时，电磁铁通电使两者结合为一个整体；在下支撑板与底板接触时，电磁铁通电使两者结合为一个整体，弹簧组为下降的定容弹提供缓冲。

优选的，所述的纹影成像系统包含点光源、入射凹面镜、出射凹面镜、入射平面镜、出射平面镜、固定杆组、刀口和高速摄影机，入射平面镜、出射平面镜通过固定杆组与支撑杆组固定连接；

入射平面镜、出射平面镜随定容弹同步运动，点光源通过入射凹面镜形成平行光，平行光经入射平面镜反射穿过容弹，经出射平面镜反射到出射凹面镜，最终光线会聚于刀口，在高速摄影机上成像。

优选的，所述的定容弹外形为正六面体，内部为球形，竖直方向四个边角与支持杆组固定。

本发明还公开了一种超、失重环境下层流火焰燃烧特性研究装置的试验控制方法：定容弹与支撑杆组、上支撑板、下支撑板固定为一个整体，通过顶板上的电磁铁作用静止；试验前，调节负载箱负载质量，利用位置传感器对定容弹运动加速度进行标定；标定完成后，通过进气孔、排气孔完成定容弹内燃料空气混合气的混合，并通过温度传感器检测混合气体的温度；根据试验要求调节负载箱质量实现不同加速度条件下的层流燃烧试验；试验开始时，顶板上的电磁铁断电，定容弹整体以恒定加速度向下运动，当下支撑板经过位置传感器时，外部控制系统给出点火命令，点火电极点火，示波器和高速摄影机分别同步纪录压力传感器得到的压力信号和火焰传播图像；至定容弹整体下落到接触到底板时，底板电磁铁通电与下支撑板结合，利用弹簧组形成缓冲，至此完成一组试验；同理，当负载箱质量大于定容弹整体质量时，可实现超重条件下的层流燃烧试验。

本发明的一种超、失重环境下层流火焰燃烧特性研究装置，通过调节负载箱内负载重量，利用位置传感器实现加速度标定，能够精确实现不同程度的超重或失重条件。试验中通过外部控制系统作用，通过位置传感器信号命令点火并结合纹影法成像技术和高速摄影机同步记录火焰传播过程，进而研究不同燃料层流火焰在超、失重环境下的层流燃烧特性。

附图说明

图1为一种超、失重环境下层流火焰燃烧特性研究试验装置示意图；

图2为该试验装置的控制系统示意图；

图3为定容弹俯视示意图；

图4为该试验装置纹影成像系统示意图；

图中：钢丝绳1、滑轮组2、导轨组3、点火电极4、顶板电磁铁5、顶板6、上支撑板7、支撑杆组8、位置传感器9、定容弹10、底板电磁铁11、弹簧组12、底板13、下支撑板14、负载箱15、压力传感器1001、进气孔1002、排气孔1003、温度传感器1004、点光源1601、入射凹面镜1602、固定杆组1603、入射平面镜组1604、刀口1605、高速摄影机1606、出射凹面镜1607、出射平面镜1608。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明的一种变重力条件下层流火焰研究装置及方法作进一步的详细说明。

如图1、2、3所示，一种超、失重环境下层流火焰燃烧特性研究试验装置包括加速度调节系统、缓冲控制系统、定容弹10、外部控制系统和纹影成像系统，加速度调节系统由负载箱15、钢丝绳1、滑轮组2组成，缓冲控制系统由顶板6、顶板电磁铁5、上支撑板7、下支撑板14、支撑杆组8、导轨组3、底板电磁铁11、底板13、弹簧组12组成，定容弹10内部安装有点火电极4、进气孔1002、排气孔1003、温度传感器1004、压力传感器1001，外部控制系统包括控制单元、示波器、点火线圈和计算机；

负载箱15与钢丝绳1连接，钢丝绳1经滑轮组2穿过顶板6与上支撑板7连接；上支撑板7与下支撑板14之间由支撑杆组8连接，定容弹10固定在支撑杆组8中间；上支撑板7和下支撑板14与导轨组3连接，导轨组3顶部与顶板6固定结合，导轨组3与底板13滑动连接，底板13下方通过弹簧组12与地面连接。

优选的，所述的负载箱15质量可调，使得定容弹10在导轨组3上运动时加速度大小、方向可调，实现不同程度超重、失重的试验条件。

优选的，所述的导轨组4由直线轴承构成，实现小摩擦平稳直线运动，其上布置有位置传感器9，通过位置传感器9可以实现定容弹10的加速度标定；位置传感器信号在试验过程中作为外部控制系统的输入信号，控制系统接收输入信号后，触发点火系统，并利用示波器和高速摄影机分别同步纪录压力传感器1001得到的压力信号和火焰传播图像。

优选的，所述的顶板6和底板13上均布置有电磁铁，在上支撑板7与顶板6接触时，电磁铁通电使两者结合为一个整体；在下支撑板14与底板13接触时，电磁铁通电使两者结合为一个整体，弹簧组12为下降的定容弹提供缓冲。

优选的，如图4所示，所述的纹影成像系统包含点光源1601、入射凹面镜1602、出射凹面镜1607、入射平面镜1604、出射平面镜1608、固定杆组1603、刀口1605和高速摄影机1606，入射平面镜1604、出射平面镜1608通过固定杆组1603与支撑杆组8固定连接；

入射平面镜1604、出射平面镜1608随定容弹10同步运动，点光源1601通过入射凹面镜1602形成平行光，平行光经入射平面镜1604反射穿过容弹10，经出射平面镜1608反射到出射凹面镜1607，最终光线会聚于刀口1605，在高速摄影机1606上成像。

优选的，所述的定容弹10外形为正六面体，内部为球形，竖直方向四个边角与支持杆组8固定。

本发明还公开了一种超、失重环境下层流火焰燃烧特性研究试验装置的试验控制方法：定容弹10与支撑杆组8、上支撑板7、下支撑板14固定为一个整体，通过顶板6上的电磁铁5作用静止；试验前，调节负载箱15负载质量，利用位置传感器9对定容弹10运动加速度进行标定；标定完成后，通过进气孔1002、排气孔1003完成定容弹10内燃料空气混合气的混合，并通过温度传感器1004检测混合气体的温度；根据试验要求调节负载箱15质量实现不同加速度条件下的层流燃烧试验；试验开始时，顶板6上的电磁铁5断电，定容弹10整体以恒定加速度向下运动，当下支撑板14经过位置传感器9时，外部控制系统给出点火命令，点火电极4点火，示波器和高速摄影机分别同步纪录压力传感器1001得到的压力信号和火焰传播图像；至定容弹10整体下落到接触到底板13时，底板电磁铁11通电与下支撑板14结合，利用弹簧组12形成缓冲，至此完成一组试验；同理，当负载箱15质量大于定容弹10整体质量时，可实现超重条件下的层流燃烧试验。

通过本发明的一种超、失重环境下层流火焰燃烧特性研究试验装置，通过负载箱负载调节实现容弹在超重、失重条件下的运动，并通过外部控制系统根据位置传感器信号实现点火与压力信号和火焰传播图像纪录的同步，进而实现燃料在变重力条件下的层流燃烧特性研究。