基于对冲燃烧的等离子体增强液体燃料可燃极限研究装置的制作方法

本发明属于推进技术领域，是一种研究等离子体增强液体燃料可燃极限的实验装置。

背景技术：

超燃冲压发动机是人类不断追求高速飞行的产物，目前主要通过碳氢类液体燃料喷雾进入发动机燃烧提供动力。但液体燃料燃烧过程中包含有复杂的物理和化学过程及其相互作用，尤其在恶劣的超声速燃烧环境中亟需有效改善燃烧效果。已经验证等离子体辅助燃烧是一种有效的改善方法，但对基本助燃机理的研究还需基于特别的研究平台深入开展。对冲燃烧台作为一种基础燃烧实验平台，通过上下相向喷注的燃料和氧化剂气流在滞止面附近建立起近似一维的平面火焰，可进行火焰温度、拉伸率、点火/熄火温度、可燃极限等基本燃烧特性的影响研究。

目前国内外针对等离子体助燃碳氢燃料机理的研究主要针对气体燃料，尤其在近些年普林斯顿大学的Yiguang Ju教授团队以对冲燃烧台为基础，研究了滑移弧放电、介质阻挡放电、纳秒脉冲放电等产生的等离子体对CH₄等气体碳氢燃料的点火温度、熄火拉伸率、活性组分生成等产生的影响(Yiguang Ju，Wenting Sun.Plasma assisted combustion:Dynamics and chemistry[J],Progress in Energy and Combustion Science,2015,48:21-83)，获取丰富实验现象和数据的同时，对等离子体助燃机理的数值模拟研究也起到了巨大推动作用。基于对冲燃烧台对液体燃料开展的研究多集中在研究添加不同组分、不同火焰结构下生成的主要组分、PAH、NO_x、SO_x的区别以及基本点火温度等特性的影响(P.Berta,S.K.Aggarwal,Ishwar K.Puri,et al.Experimental and Numerical Investigation of n-Heptane/Air Counterflow Nonpremixed Flame Structure[J].Journal of Propulsion and Power,Vol.24,No.4,2008:797-804；Ning Liu,Fokion N.Egolfopoulos.Ignition of Non-Premixed Flames of Ethylene/n-Dodecane Blends[J].Journal of Propulsion and Power,Vol.31,No.3,2015:889-895)。

在超燃冲压发动机这样恶劣的工作环境中，液体燃料的可燃极限若能有效拓展将非常有助于改善发动机的工作状态，所以从基础燃烧角度出发进行等离子体拓展效果的研究非常必要，但目前还缺乏可用于研究等离子体特别是冷等离子体对液体燃料可燃极限影响的研究平台，本发明可针对上述问题开展有效研究，提高等离子体辅助燃烧机理及应用层面的研究能力。

技术实现要素：

本发明将液体燃料雾化装置、冷等离子体放电装置与对冲燃烧台耦合为一套系统，通过控制液体燃料喷雾与氧化剂气流流量实现全局当量比可调，在氧化剂喷管一侧进行介质阻挡放电，从而可开展等离子体对液体燃料可燃极限影响的研究工作。

本发明提供了一种用于研究等离子体辅助液体燃料喷雾燃烧的实验装置，主要特征包括对冲燃烧台部分、液体燃料雾化部分、等离子体加注部分、和测量装置部分。其中对冲燃烧台部分包括燃料(上)/氧化剂(下)气流喷管、流量控制系统、预热保温系统、水冷系统和数据采集系统；其中上下喷管相对喷出燃料、氧化剂气流及周围的伴流；预热保温系统和水冷系统安装在液体燃料喷管外围，在避免雾化燃料液化的同时保证燃烧台可长时间运行；

液体燃料雾化部分包括液体注射泵、石英雾化器和保温输送管路；其中注射泵将液体燃料注入雾化器中，然后经保温输送管路与对冲燃烧台燃料喷管相连接。

等离子体加注部分包括等离子体电极和电源；其中等离子体系统的针形阳极安装在氧化剂石英喷管中心，阴极为外部伴流的金属管壁，通过调整电压和放电频率可研究不同介质阻挡放电形式产生的影响。

测量装置部分包括高速摄像机和电脑，高速摄像机实时记录不同工况下火焰出现的情况，并在电脑上显示。

工作时，从泵体进入雾化器的燃料被充入的氮气流带出，并一同进入保温输送管路和对冲燃烧台燃料喷管中，输送过程中要保证气流温度足够高，从而使燃料蒸汽分压不低于其饱和蒸汽压；同时又要使气流温度不高于液体燃料的热裂解温度。首先在无等离子体放电条件下通过改变燃料-氧气当量比得出该实验台中的贫燃和富燃极限；然后在化学恰当比火焰条件下分别逐步减小或增大当量比，同时开启等离子体放电对火焰施加影响，分别在原贫燃和富燃极限附近通过高速摄像机观察火焰的情况，分别判读出施加等离子体后的贫燃和富燃极限变化。

本发明应用于等离子体辅助液体燃料喷雾燃烧研究的优点有：

(1)完备的液体燃料喷雾等离子体助燃基础研究装置。将液体燃料雾化装置与等离子体放电装置集成进对冲燃烧实验台中，可针对等离子体对液体燃料贫燃与富燃极限的拓展效果开展细致研究。

(2)等离子体放电模块调整方便。通过合理设计放电电极与氧化剂喷管的耦合方式，可方便更换等离子体放电形式，以研究不同等离子体的辅助燃烧效果。

(3)便于通过多种光学测量手段开展更丰富的基础燃烧特性研究。对冲燃烧台四周均装有石英窗口，通过激光多普勒测速LDV、激光诱导荧光LIF、激光吸收谱测量等先进的光学测量手段，可进一步开展等离子体在液体燃料喷雾燃烧中对火焰温度、熄火拉伸率、火焰面结构、中间态组分等多种因素影响的研究。

附图说明

图1为本发明的基于对冲燃烧的等离子体辅助液体燃料喷雾燃烧研究装置的结构示意图。

图2为图1所示装置中的等离子体放电部分侧视图。

图3为研究等离子体对可燃极限影响的实验流程图。

具体实施方式

现结合附图1、2，通过介质阻挡放电等离子对液体燃料喷雾燃烧可燃极限的影响研究，对本发明装置做进一步详细描述。

本发明装置包括对冲燃烧台部分、液体燃料雾化部分、等离子体加注部分、和测量装置部分。其中对冲燃烧台部分包括燃料(上)11/氧化剂(下)气流喷管14、流量控制系统5、预热保温系统10、水冷系统13；其中上下喷管相对喷出燃料、氧化剂气流及周围的伴流；上喷管周围同时安装有加热系统12和水冷系统13，在避免雾化燃料液化的同时保证燃烧台可长时间运行；

液体燃料雾化部分包括液体注射泵1、石英雾化器6和保温输送管路10；实验开始时首先通过注射泵1将液体燃料注入雾化器6中，同时将N₂载气通过雾化器6将燃料喷雾带出，然后经保温输送管路10与对冲燃烧台燃料喷管11相连接。O₂气流3与N₂载气4同时注入混合腔7中，然后经输送管路与氧化剂喷管14相连接；

等离子体加注部分包括等离子体电极16和电源9；其中等离子体系统阴极为限制外部伴流的金属管壁14，阴极16为铜杆电极，通过铜杆套17安装在氧化剂石英喷管15的中心，两者与等离子体电源9相连接，通过调整电压和频率实现等离子体放电；

测量装置部分包括高速摄像机8和电脑，高速摄像机8可实时记录不同工况下火焰出现的情况，并在电脑上显示。

结合附图3描述实验研究的具体步骤。在该平台上开展等离子体对液体燃料可燃极限影响的研究具体实施步骤如下：

步骤一、实验确定无放电条件下液体燃料贫燃/富燃极限

针对选定的液体燃料(如正癸烷)，在该实验台上确定其贫燃/富燃极限是第一步，实施方案如下：

1)开启管路加热和燃烧台水冷系统，对保温输送管路预热；

2)开启燃料、氧化剂、氮气伴流和氩气流(与氧化剂气流混合喷射)各路气流，并通过流量控制系统将燃料与氧化剂气流流率设定在化学恰当比状态；

3)气流基本稳定后通过电火花点燃气流从而产生火焰，并通过调整上下喷管相对位置以及上下伴流流量形成基本稳定的一维平面火焰；

4)通过流量控制系统逐步小幅递增或递减氧化剂气流流率，实现全局当量比逐步递减或递增，同时通过高速相机对火焰图像的拍摄，判断火焰是否存在，从而确定贫燃与富燃极限下的当量比值。从拍摄图像判断火焰是否存在要特别注意火焰出现的位置，需以观测区中心位置附近是否仍存在火焰作为是否熄火的判断标准。

步骤二、在介质阻挡放电条件下研究液体燃料贫燃/富燃极限的拓展

具体实施方案如下：

1)重复步骤一实验方案中的1)、2)、3)步，在两喷管滞止面位置附近形成与步骤一中工况相同的稳定一维平面火焰；

2)开启等离子体电源，将放电电压和频率调节至设定值；

3)通过流量控制系统逐步小幅递增或递减氧化剂气流流率，实现全局当量比的逐步递减或递增，并通过高速相机拍摄火焰图像判断是否熄灭，从而确定贫燃与富燃极限下的当量比值。

通过比较步骤一和二中贫燃与富燃极限即可获得等离子体对液体燃料(正癸烷)可燃极限的影响情况。按照类似的方式可进一步研究拉伸率、放电电压、频率等对不同种类液体燃料喷雾燃烧的影响，用于分析及验证等离子体辅助燃烧机理。