一种微米级金属颗粒点火燃烧试验装置的制作方法

本发明涉及一种点火燃烧试验装置，特别涉及一种微米级金属颗粒点火燃烧试验装置。

背景技术：

为提高发动机性能，现有技术通常会在推进剂中添加高能金属添加剂。添加高能金属添加剂，不仅可以提高推进剂的能量密度和发动机的比冲，还可以显著抑制推进系统的不稳定燃烧。因此，金属添加剂在固体推进系统中有着广泛应用。另外，面对日益严峻的能源安全问题，人们越来越重视新能源的开发利用。相比氢能、生物燃料和电池等，金属粉末燃料具有来源丰富、携带安全可靠、燃烧热值高以及环保等特点，有望成为未来化石燃料替代的解决方案。目前，研究以金属粉末为燃料的新型内燃机和外燃机已经成为新的重要研究方向。

由于镁、铝金属颗粒的能量密度较高、燃烧温度高等优点，在固体推进剂中有着较为广泛的应用；由于铝颗粒和铁颗粒的来源广泛、价格低廉等优点，有望成为未来新型内燃机和外燃机的高能燃料。不论是固体推进装置还是新型的内燃机、外燃机，其内部流场都是高温燃烧火焰场。金属颗粒作为上述发动机的主要燃料，其很大一部分能量是来自于金属颗粒在高温流场中点火燃烧过程释放出来的。因此，深入认识金属颗粒的点火燃烧特性，探究金属颗粒点火延迟、点火温度、燃烧时间、燃烧温度等性能参数的变化规律，对准确预示发动机的性能具有重要意义。

目前针对金属颗粒点火燃烧的研究主要有数值仿真和试验两种研究方法。数值仿真相对试验研究耗时较短、成本低，但由于在建模过程中进行了相应的简化处理，计算结果的准确度难以保证。试验研究是获得金属颗粒点火燃烧特性最直接的方法，目前常用的金属颗粒点火燃烧试验研究方法有采用高能激光/氙灯点火、激波点火、电加热点火以及热分析法等。

高能激光/氙灯点火方式是利用激光或氙灯辐射处的能量进行加热颗粒并使其温度升高至着火点进而实现颗粒的点火燃烧。由于这种加热方式是通过光源的辐射进行加热的，因此使得金属颗粒的加热不均匀，且受颗粒表面吸收率影响较大，难以有效模拟发动机中金属颗粒的加热过程。此外，由于只有在光源焦点处存在较高的热流密度，难以对运动过程中的颗粒进行持续加热。

激波点火方式是利用激波波后的高温高压气体使颗粒迅速升至高温并点燃。此试验方法可以有效模拟颗粒点火的高压环境，但是由于瞬间点火，难以清楚观测到金属颗粒点火的详细过程。

电加热点火方式是利用电流热效应将金属颗粒点火。但通常由于金属颗粒处于电热片上通过热传导实现温度升高，这使得颗粒点火过程受到干扰，同时也存在受热非均匀的问题。

热分析法主要是通过热重特性来间接反映金属颗粒的点火燃烧特性，颗粒是在密闭燃烧器内加热，无法观测其点火和燃烧过程中颗粒和火焰形态，难以获得丰富的试验数据。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种高温燃气环境中单个微米级金属颗粒点火燃烧试验装置，它能够模拟不同燃气组分、不同燃烧温度的工作环境，实现不同粒径的单个金属颗粒在火焰场中的点火燃烧；获得颗粒的运动轨迹、点火延迟时间、燃烧时间等参数以及不同时刻的金属颗粒燃烧中止状态。

本发明“一种微米级金属颗粒点火燃烧试验装置”主要包括：金属颗粒离散装置、供粉细管、高温燃气点火系统、观测系统和粒子取样装置。

所述金属颗粒离散装置主要包括高压直流电源、正极板、负极板、正极板保护壳、负极板保护壳、电极板隔离圈以及流化气供应系统。正极板在下方，负极板在上方；在负极板的中心处开有圆形的通孔，此孔为流化气携带金属颗粒的出口。高压直流电源正、负极分别连接到正极板和负极板上。电极板隔离圈安装在两个电极板之间。电极板隔离圈侧壁上开有圆形通孔，作为流化气供应系统中流化气进入金属颗粒离散装置的入口。正极板下方还安装有正极板保护壳，负极板上方还安装有负极板保护壳。在负极板保护壳上开有颗粒出口和供粉细管接口。金属颗粒离散装置未开始工作时，金属粉末放置在正极板上。

优选的，负极板的中心处的通孔直径为0.2～1.0mm。

优选的，负极板的中心处的通孔直径为0.5mm。

优选的，为保证良好的绝缘性，正/负极板保护壳和电极板隔离圈均采用聚四氟乙烯材料。

优选的，正极板和负极板的材料相同，均为紫铜。

所述金属颗粒离散装置的工作原理为：将粒径为几微米至几十微米的金属颗粒置于金属颗粒离散装置的正极板上，当施加高电压后，金属颗粒会携带正电荷。在两极板间的电场作用下，金属颗粒克服重力并向上运动；当运动到负极板并与其接触后，金属颗粒释放其所携带的正电荷；之后，在重力作用下向下运动。金属颗粒在两极板间往复运动的过程中会将原本聚集在一起的金属粉末振荡离散成独立的颗粒，并弥散在正负极板之间。通过在两个电极板之间通入一股由气体质量流量器严格控制的流化气，可以将其中弥散的金属颗粒从负极板的颗粒出口处依次携带出来，实现单个金属颗粒的离散。

所述金属颗粒离散装置通过供粉细管与所述高温燃气点火系统连接，金属颗粒经由供粉细管从金属颗粒离散装置进入高温燃气点火系统。

优选的，供粉细管的内径大于等于所述负极板中心处的通孔直径。

优选的，供粉细管外径为1.6mm，内径为0.8mm。

优选的，供粉细管的材质为陶瓷。

所述高温燃气点火系统主要由平面火焰炉、点火火花塞以及供气系统组成。所述平面火焰炉的整体为圆柱状，主要包括炉盘、炉体、底座、进气接嘴、预混腔支架、钢珠、供粉细管保护管以及供粉细管密封帽等。炉盘表面均匀布置有数个圆形通孔；炉体中设置有三个氧化剂和燃料混合区域，由下至上分别是预混腔、大钢珠区和小钢珠区；钢珠区由数个钢珠填充而成；大钢珠区和小钢珠区之间由不锈钢钢丝网隔离，所述钢丝网的孔径小于小钢珠区内钢珠的直径；大钢珠区和预混腔之间安装有钢珠支撑板，支撑板上设置有数个孔径小于大钢珠区内钢珠直径的通孔；预混腔内安装有预混腔支架；进气接嘴位于炉体下端壁面上，与预混腔连通；所述进气接嘴的数量为2，一个用于供应氧化剂，一个用于供应燃料；供粉细管密封帽安装在平面火焰炉底座表面，供粉细管密封帽上开通孔，供粉细管从所述通孔进入平面火焰炉。供粉细管从所述供粉细管密封帽插入，穿过炉体，从炉盘几何中心处的圆形通孔穿出；供粉细管外层装有不锈钢的保护套管。

所述供气系统通过进气接嘴给高温燃气点火系统提供氧化剂和燃料。

所述点火火花塞位于炉盘上方，用于点火，形成高温燃烧火焰。

优选的，大钢珠区内的钢珠直径为4mm，小钢珠区内的钢珠直径为2mm。

优选的，炉盘表面均匀布置有直径为0.3～0.5mm的通孔，相邻通孔之间的中心距离为0.5～1.0mm，并且在炉盘几何中心处开有方便供粉细管穿过的圆形通孔，所述炉盘几何中心处的通孔的直径大于等于供粉细管的外径。

优选的，炉盘表面均匀布置有直径为0.5mm的通孔，相邻通孔之间的中心距离为1.0mm，并且在炉盘几何中心处开有方便供粉细管穿过的直径为1.8mm的通孔。

优选的，供粉细管密封帽上通孔的直径大于等于供粉细管的外径。

优选的，供粉细管密封帽上开有直径为1.8mm的细孔，并在密封帽内填充704白胶，保证良好的密封。

优选的，高温燃气点火系统采用质量流量严格控制的甲烷和空气/氧气分别为燃料和氧化剂。

高温燃气点火系统的工作原理：通过三个氧化剂和燃料混合区域实现燃料和氧化剂充分混合。利用电火花塞点火燃烧形成高温燃烧火焰，建立金属颗粒点火所需的高温燃气环境。

观测系统主要包括高速摄影仪和长焦显微放大镜头。装有长焦显微放大镜头的高速摄影仪置于平面火焰炉炉盘边缘的上方，用于拍摄金属颗粒的点火燃烧过程，可以与数据采集系统相连。

粒子取样装置主要包括取样杆、金属块、压紧螺钉、调节垫块、导电双面胶等。所述取样杆整体为长条形，取样杆上开有凹槽，调节垫块、金属块放置在凹槽内，金属块的两端各放置一块调节垫块；取样杆的一端开有螺孔，压紧螺钉从所述螺孔插入，与调节垫块接触，用于固定调节垫块和金属块的位置；导电双面胶粘贴在金属块表面。

优选的，所述金属块的材料为紫铜，因为紫铜的导热性好，对燃烧中的金属颗粒有很好的冷却效果。

优选的，所述调节垫块和金属块的大小可以根据用户的需求进行调整。

粒子取样装置的工作原理：当金属颗粒从供粉细管中喷射出并开始燃烧后，取样杆快速扫过火焰区上方不同位置，将金属颗粒吸附于粘有导电双面胶的金属块上。燃烧中的金属颗粒撞击到冷的金属块和导电双面胶后，被淬灭并吸附在双面胶上，从而获取不同燃烧时刻的金属颗粒。通过取样装置获得的金属颗粒燃烧中间产物可以进行场发射扫描电镜SEM和能谱分析EDS，获得颗粒燃烧不同时刻的颗粒结构和组分。

试验中，可以通过调节氧化剂和燃料的比例来调节高温燃气温度和燃烧产物组份的比例；通过调节氧化剂和燃料的流量来调节高温燃气的流动速度，进而实现不同湍流度的高温燃气流场。

本发明与现有技术比较，具有以下优点：

(1)通过将金属颗粒在电场中振荡弥散，之后再通过气流将颗粒携带进入火焰中，能够解决金属颗粒因聚团而导致难以离散成单个颗粒的问题；

(2)通过控制颗粒供应装置的供电电压和流化气的质量流率，可以实现不同粒径的单个金属颗粒在火焰场中的点火燃烧，并实现颗粒进入火焰场时运动速度的调节；

(3)利用平面火焰炉营造的高温燃烧环境可以根据试验需要调节燃气温度、燃气组分、气流速度以及气流的湍流度等参数；

(4)利用高速摄影仪、显微放大镜头可以获得颗粒的运动轨迹、点火延迟时间、燃烧时间等参数，为确定金属颗粒的点火燃烧特性提供依据；

(5)通过金属块收集不同位置的金属颗粒燃烧产物，能够获得不同时刻的金属颗粒燃烧中止状态。并对燃烧产物进行扫描电镜观察和能谱分析，可以确定燃烧产物的结构和组分，获得不同燃烧时刻金属的点火燃烧状态；

(6)在实际的发动机(固体火箭发动机、固体火箭冲压发动机以及固体燃料冲压发动机等)中，金属颗粒的点火过程是受火焰的传热(对流化热和热辐射)导致升温进而实现点火的。因此，本发明中采用高温平面火焰来点燃金属颗粒，可以实现对金属颗粒均匀加热，有效模拟发动机中实际高温环境。

总的来说，相比传统的金属颗粒的点火燃烧试验装置，本发明能够直接获得单个微米级的金属颗粒点火燃烧状态，同时，通过平面火焰炉营造的金属颗粒点火燃烧环境更接近于实际金属颗粒的点火燃烧环境，所获实验数据的工程应用价值高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明试验装置示意图；

图2是本发明中金属颗粒离散装置原理图；

图3是本发明实施例中金属颗粒离散装置主体三维示意图；

图4是本发明实施例中金属颗粒离散装置主体正剖面图；

图5是本发明实施例中金属颗粒离散装置主体侧剖面图；

图6是本发明实施例中平面火焰炉等轴侧示意图；

图7是本发明实施例中平面火焰炉剖面图；

图8是本发明实施例中炉盘结构示意图；

图9是本发明实施例中炉盘中心处局部放大示意图；

图10是本发明实施例中取样装置三维示意图；

图11是本发明实施例中单个铝颗粒燃烧序列图像；

图12是本发明实施例中铝颗粒燃烧中间产物结构示意图。

附图标注：

1、高速摄影仪；2、未燃金属颗粒；3、氧化剂进气接嘴；4、供粉细管；5、流化气进口；6、颗粒离散装置；7、粒子取样装置；8、燃烧中的金属颗粒；9、点火火花塞；10、平面火焰炉；11、燃料进气接嘴；12、高压直流电源；13、单个金属颗粒；14、负极板上金属颗粒出口；15、负极板；16、流化气供应系统；17、正极板；18、电极板隔离圈；19、负极板保护壳；20、固定螺栓孔；21、流化气接嘴；22、沉头孔；23、负极板保护壳上金属颗粒出口；24、正极板保护壳；25、正极板密封圈；26、金属颗粒出口密封圈；27、负极板密封圈；28、正极板接线孔；29、正极接线螺丝孔；30、负极接线螺丝孔；31、负极板接线孔；32、炉盘沉头孔；33、炉盘法兰；34、炉体；35、炉盘；36、固定螺栓孔；37、底座法兰；38、2mm钢珠；39、细管保护套；40、4mm钢珠；41、密封帽螺栓孔；42、密封帽密封圈；43、供粉细管密封帽；44、炉盘法兰螺栓孔；45、炉盘密封圈；46、钢丝网；47、钢珠支撑板；48、预混腔支架；49、预混腔；50、螺纹孔；51、密封胶填充腔；52、燃气出口；53、细管通孔；54、取样杆；55、调节垫块；56、铜块；57、导电双面胶；58、压紧螺钉。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明“一种微米级金属颗粒点火燃烧试验装置”的结构示意图如图1所示，包括四个部分：金属颗粒离散装置6、供粉细管4、高温燃气点火系统、观测系统和粒子取样装置7。其中高温燃气点火系统包括：平面火焰炉10，点火火花塞9和供气系统，供气系统通过氧化剂进气接嘴3和燃料进气接嘴11给点火系统提供氧化剂和燃料。观测系统包括显微放大镜头和高速摄影仪1。高压直流电源12给金属颗粒离散装置6供电，流化气经过流化气入口5进入金属颗粒离散装置6，供粉细管4一端插入金属颗粒离散装置6，一端插入平面火焰炉10。单个金属颗粒在金属颗粒离散装置6中被离散后，经过供粉细管4，进入平面火焰炉的高温区，未燃金属颗粒2在高温区被点燃，成为燃烧中的金属颗粒8，然后可能被取样装置7获取。

其中所述金属颗粒离散装置的结构原理如图2所示，主要包括：高压直流电源12、正极板17、负极板15、电极板隔离圈18以及流化气供应系统16。从高压直流电源正、负极分别连接到正极板和负极板上。正极板在下方，负极板在上方；在负极板的中心处开有圆形的通孔14，此孔为流化气携带金属颗粒的出口。电极板隔离圈18安装在两个电极板之间。电极板隔离圈18侧壁上开有圆形通孔5，作为流化气供应系统16中流化气进入金属颗粒离散装置的入口。所述流化气供应系统可以对流化气的质量流量进行调节控制。金属颗粒离散装置未开始工作时，数个金属颗粒13放置在正极板上。所述金属颗粒离散装置的工作原理为：将尺寸为几微米至几十微米的金属颗粒置于金属颗粒离散装置的正极板上，当施加高电压后，金属颗粒会携带正电荷。在两极板间的电场作用下，金属颗粒克服重力并向上运动；当运动到负极板并与其接触后，金属颗粒释放其所携带的正电荷；之后，在重力作用下向下运动。金属颗粒在两极板间往复运动的过程中会将原本聚集在一起的颗粒群振荡离散成独立的颗粒，并弥散在正负极板之间。通过在两个电极板之间通入一股由气体质量流量器严格控制的流化气，可以将其中弥散的金属颗粒从负极板的颗粒出口处依次携带出来，如图1或图2中的金属颗粒2，从而实现单个金属颗粒的离散。

本实施例中金属颗粒离散装置主体的三维结构示意图如图3所示，正剖面和侧剖面的示意图分别如图4和图5所示，包括：正极板17、负极板15、电极板隔离圈18、正极板保护壳24、负极板保护壳19、金属颗粒出口密封圈26，以及流化气接嘴21等。正极板和负极板的材料相同，均为紫铜。为保证良好的绝缘性，电极板保护壳和隔离圈均采用聚四氟乙烯材料制成。正极板17在下方，负极板15在上方；在负极板15的中心处开有直径为1.0mm的圆形通孔14，作为流化气携带金属颗粒的出口。正极板17下方安装有正极板保护壳24，负极板15上方安装有负极板保护壳19。在负极板保护壳19上开有颗粒出口23和供粉细管接口，出口23和出口14上下对齐并连通。电极板隔离圈18安装在两个电极板之间。将待研究的金属颗粒置于正极板17上，然后用4个内六角螺钉，通过沉头孔22和固定螺栓孔20将正负极板、电极板隔离圈以及正负极板保护壳固定在一起。从高压直流电源正、负极连接出的正、负高压导线分别通过正极板接线孔28和正极接线螺丝孔29、负极板接线孔31和负极接线螺丝孔30连接到正极板17和负极板15上，为保证连接可靠，高压导线与电极板之间采用M3的螺钉固定。为保证流化气不外泄，负极板15与负极板保护壳19之间采用橡胶密封圈密封。不锈钢流化气接嘴21采用螺纹连接的方式安装在电极板隔离圈18的侧向。

本实施例中所述高温燃气点火系统的三维示意图如图6所示，剖面图如图7所示，包括：炉盘35、炉体34、2mm钢珠38、4mm钢珠40、预混腔49、供粉细管密封帽43、细管保护套39等。炉体34内部的4mm钢珠40与初步预混腔49之间采用带通气孔的钢珠支撑板47隔离，预混腔49内安装有预混腔支架48，4mm钢珠40与2mm钢珠38之间采用细钢丝网46隔离。氧化剂进气接嘴3与燃料进气接嘴11对称焊接在炉体34的侧面，分别接氧化剂气源和燃料气源。炉盘35与炉体34之间采用紫铜密封圈密封。如图8所示，炉盘35与炉盘法兰33之间通过炉盘沉头孔32和炉盘法兰螺栓孔44连接，并通过炉盘密封圈45密封，炉盘密封圈45的材料为紫铜。图9为图8几何中心处A部分的局部放大示意图，放大比例为8:1。如图9所示，在炉盘35表面均匀布置有数个直径为0.5mm的通孔52，作为燃气出口，每个通孔周围均匀分布有6个通孔，相邻通孔之间距离均为1.0mm。在炉盘正中央开有直径为1.8mm的细管通孔53。供粉细管4一端连接所述金属颗粒离散装置的金属颗粒出口，一端从所述供粉细管密封帽43插入，穿过炉体34，从炉盘35几何中心处的圆形通孔53穿出。供粉细管的直径非常小，外径约为1.6mm，且材质为陶瓷，为避免供粉细管被钢珠碰撞，在其外层装有不锈钢的保护管39。供粉细管4与供粉细管密封帽43之间通过在密封胶填充腔51内填充704乳胶密封，供粉细管密封帽43与炉体底座法兰37通过密封帽螺栓孔41和螺纹孔50连接，并采用密封帽密封圈42密封。

本实施例中所述观测系统主要包括显微放大镜头和高速摄影仪1；高速摄影仪观测区域中心调整至金属颗粒出口上方40mm处；高速摄影仪1与数据采集系统相连。

本实施例中所述粒子取样装置如图10所示，包括压紧螺钉58、铜块56、导电双面胶57、调节垫块55和取样杆54。所述取样杆54整体为长条形，取样杆上开有凹槽，调节垫块55、铜块56放置在凹槽内，铜块56的两端各放置一块调节垫块55；取样杆的一端开有螺孔，压紧螺钉58从所述螺孔插入，与调节垫块55接触，用于固定调节垫块和金属块的位置；导电双面胶57粘贴在铜块56表面。粒子取样杆可以直接在平面火焰炉上方不同位置扫过，获取不同燃烧时刻的金属颗粒。通过粒子取样杆获得到的金属颗粒燃烧中间产物可以进行场发射扫描电镜SEM和能谱分析EDS，获得颗粒燃烧不同时刻的颗粒结构和组分。

试验过程如下：

设定平面火焰炉氧化剂和燃料的流量，打开阀门，氧化剂与燃料经由供应管路进入平面火焰炉的混合腔，之后通过炉盘喷出，火花塞点火，产生高温燃气；

打开高压直流电源，待正负极板之间电压稳定之后，金属颗粒在两电极板之间被离散并均匀分布在电场中，打开流化气阀门，金属颗粒随流化气流动并被带入高温燃气中实现点火燃烧；

同时打开高速摄影仪，捕捉燃烧中的金属颗粒，记录颗粒燃烧时间和运动轨迹；

调整取样杆位置，并将取样杆扫过燃烧火焰，燃烧中的金属颗粒撞击到冷的金属块和导电双面胶后，被淬灭并吸附在双面胶上。采样过程持续2秒，之后迅速将采样杆撤离高温火焰区，防止导电双面胶和取样杆被高温燃气烧坏。

收集吸附有燃烧产物的冷铜块，并开展燃烧产物分析试验研究。

金属颗粒的点火燃烧过程受高温燃气氧化剂/燃料配比和流量的影响，通过调节氧化剂/燃料配比和流量，可以为金属颗粒的点火燃烧提供不同的流场环境。

考虑到目前固体推进剂中应用最为广泛的金属添加剂为几十微米的铝颗粒，因此本实施例采用铝颗粒作为燃烧颗粒，颗粒直径为30±5μm。试验中典型工况如表1所示。

表1典型试验工况

获得的单个铝颗粒燃烧序列图像如图11所示，横坐标是时间，纵坐标表示粒子与炉盘表面的距离。铝颗粒燃烧中间产物结构如图12所示。

由实施例可知，本发明提供的高温燃气中微米级固体颗粒点火燃烧试验装置可以较好地实现单个金属颗粒的离散，在高温燃气中可以将金属颗粒点火燃烧，能够观察到金属颗粒燃烧整个过程，并能够对金属颗粒燃烧产物进行取样分析，因而实现了对单个微米级金属颗粒在高温燃气环境中点火燃烧过程研究。