一种亚\超临界碳氢液滴的蒸发与燃烧研究系统及方法与流程

本发明涉及碳氢燃料蒸发与燃烧特性试验技术领域，尤其涉及一种亚\超临界碳氢液滴的蒸发与燃烧研究系统及方法。

背景技术：

液滴蒸发燃烧过程是喷雾燃烧的基本控制单元，对单滴蒸发与燃烧的深入研究是阐明喷雾燃烧现象和机理的基本需求，故燃料液滴的蒸发与燃烧特性研究是液体燃料应用研究的重要组成部分。直喷式内燃机、液体火箭发动机、新一代燃气轮机、脉冲爆震发动机和液体燃料冲压发动机等高压燃烧设备的燃烧室环境均达到了喷射燃料的热力学临界条件，液体燃料以亚临界初始温度喷射雾化进入燃烧室，雾化形成的燃料液滴在高于其临界压力和临界温度的环境下经历蒸发、与空气混合、着火和燃烧过程，在此持续期内，液滴从亚临界温度迅速加热升温并有可能发生由亚临界状态至超临界状态的迁移，由于超临界状态下流体的密度、粘度、表面张力、蒸发焓、传热系数、溶解度和介电常数等所有流体的物性会发生急剧变化，使得超临界流体具有许多独特的性质。因此超临界环境中燃料液滴蒸发与燃烧特性更是燃烧学领域长期以来备受关注的重要研究内容。国内近些年主要开展了液滴低压(低于燃料临界压力)与常压下的蒸发与燃烧试验研究，以及超临界环境中燃料液滴蒸发与燃烧的数值研究，而开展超临界环境中燃料液滴蒸发与燃烧特性试验的研究较少，针对此问题，本发明提出了一种亚\超临界碳氢液滴的蒸发与燃烧研究系统及方法。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供一种亚\超临界碳氢液滴的蒸发与燃烧研究系统及方法。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

一种亚\超临界碳氢液滴的蒸发与燃烧研究系统，包括：

作为试验容器的定容燃烧弹；

进排气系统，和定容燃烧弹连接，用于试验时向定容燃烧弹内充入高压气体，并在试验完成后将高压气体排出；

挂滴装置，安装于定容燃烧弹内，用于悬挂试验用的液滴；

点火装置，安装于定容燃烧弹内，用于引燃悬挂于挂滴装置上的试验用液滴；

数据采集系统，安装于定容燃烧弹外部，用于采集实验过程中的温度、电压等数据；

图像采集系统，安装于定容燃烧弹外部，用于采集液滴燃烧过程瞬态变化图像。

优选的，所述的一种亚\超临界碳氢液滴的蒸发与燃烧研究系统，所述的定容燃烧弹为长方体状，所述定容燃烧弹的左侧面和右侧面上都设置观察窗，所述定容燃烧弹左侧面的观察窗和定容燃烧弹右侧面的观察窗的高度相同。

优选的，所述的一种亚\超临界碳氢液滴的蒸发与燃烧研究系统，所述进排气系统包括进气管、高压气瓶和排气管，所述进气管和排气管都和定容燃烧弹内部连通，所述高压气瓶和进气管连接，所述的进气管上安装有压力表，所述的进气管和排气管上都安装有阀门。

优选的，所述的一种亚\超临界碳氢液滴的蒸发与燃烧研究系统，所述的挂滴装置为底端为球形的细石英棒，所述细石英棒的底端位于定容燃烧弹观察窗轴心位置。

优选的，所述的一种亚\超临界碳氢液滴的蒸发与燃烧研究系统，所述的点火装置包括点火器和变压器，所述的点火器为镍铬加热线圈，所述的点火器设置于挂滴装置正下部，所述的变压器设置于定容燃烧弹外部，所述变压器和点火器电连接。

优选的，所述的一种亚\超临界碳氢液滴的蒸发与燃烧研究系统，所述的数据采集系统包括数据采集器、计算机i、信号发生器、热电偶i和热电偶ii，所述的数据采集器设置于定容燃烧弹外部，所述的热电偶i嵌入在细石英棒的球形端部位置，所述的热电偶ii安装于定容燃烧弹内部靠近细石英棒球形端部的位置，所述的数据采集器和热电偶i、热电偶ii及变压器电性连接，所述的计算机i和数据采集器电性连接。

优选的，所述的一种亚\超临界碳氢液滴的蒸发与燃烧研究系统，所述的图像采集系统包括背光源、高速相机和计算机ii，所述的背光源设置于定容燃烧弹外部，且所述的背光源位于定容燃烧弹右侧观察窗的中心位置，所述的背光源采用钨卤灯，所述的高速相机设置于定容燃烧弹外部且位于左侧观察窗的中心位置，所述的高速相机和计算机ii电性连接，所述的信号发生器和高速相机、数据采集器电性连接。

一种亚\超临界碳氢液滴的蒸发与燃烧研究系统的试验方法，包括以下步骤：

(1)采用微量注射器将燃料液滴悬挂于细石英棒的球形底端；

(2)密封定容燃烧弹，然后利用高压气瓶和进气管向定容燃烧弹内通入高压气体，并达到指定试验压力，高压气体由氮气和氧气配制，体积分数分别为氮气79％、氧气21％；

(3)打开背光源，打开高速相机和数据采集系统并处于待触发状态，打开信号发生器；

(4)点火器通电点燃液滴，同时信号发生器发出ttl电平信号触发高速相机和数据采集系统，同步记录燃料液滴的蒸发与燃烧过程；

(5)燃烧和记录完成后打开排气管上的阀门将定容燃烧弹内的高压气体放出；

(6)向定容燃烧弹内充分通入新鲜空气以彻底排出残余废气，冷却至室温并准备下一组试验。

本发明的优点在于：本发明通过向定容燃烧弹通入指定压力的高压空气，以实现燃料液滴的亚/超临界压力环境，并在细石英棒悬挂液滴内部嵌入一支热电偶，以获取与高速摄影图像同步的液滴温度数据，开展从亚临界压力至超临界压力范围内多个不同压力环境下的液滴燃烧试验，并可进行不同液滴直径的相关试验，通过分析亚临界和超临界环境下液滴蒸发与燃烧特性的变化来获得对液滴超临界行为的深入认识。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明a处的结构放大图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

一种亚\超临界碳氢液滴的蒸发与燃烧研究系统，包括：

作为试验容器的定容燃烧弹1；

进排气系统2，和定容燃烧弹1连接，用于试验时向定容燃烧弹1内充入高压气体，并在试验完成后将高压气体排出；

挂滴装置3，安装于定容燃烧弹1内，用于悬挂试验用的液滴；

点火装置4，安装于定容燃烧弹1内，用于引燃悬挂于挂滴装置3上的试验用液滴；

数据采集系统，安装于定容燃烧弹1外部，用于采集实验过程中的温度、电压等数据；

图像采集系统，安装于定容燃烧弹1外部，用于采集液滴燃烧过程瞬态变化图像。

优选的，所述的定容燃烧弹1为长方体状，所述定容燃烧弹1的左侧面和右侧面上都设置观察窗5，所述定容燃烧弹1左侧面的观察窗5和定容燃烧弹1右侧面的观察窗5的高度相同。

定容燃烧弹的左侧面和右侧面都设置观察窗，一面用于背光源的透过，一面方便高速相机拍照。

优选的，所述进排气系统2包括进气管6、高压气瓶7和排气管8，所述进气管6和排气管8都和定容燃烧弹1内部连通，所述高压气瓶7和进气管6连接，所述的进气管6上安装有压力表9，所述的进气管6和排气管8上都安装有阀门10。

试验时，高压气瓶将高压气体通过进气管送入定容燃烧弹内，进气管上安装气压表，方便气压的控制。

优选的，所述的挂滴装置3为底端为球形的细石英棒，所述细石英棒的底端位于定容燃烧弹观察窗5轴心位置。

细石英棒的底端设计为球形，方便液滴悬挂。

优选的，所述的点火装置4包括点火器11和变压器12，所述的点火器11为镍铬加热线圈，所述的点火器11设置于挂滴装置3正下部，所述的变压器12设置于定容燃烧弹1外部，所述变压器12和点火器11电连接。

液滴下方的镍铬加热线圈作为点火器；变压器为点火器提供足够大电压以快速引燃液滴。

优选的，所述的数据采集系统包括数据采集器13、计算机i14、信号发生器15、热电偶i16和热电偶ii17，所述的数据采集器13设置于定容燃烧弹1外部，所述的热电偶i16嵌入在细石英棒的球形端部位置，所述的热电偶ii17安装于定容燃烧弹1内部靠近细石英棒球形端部的位置，所述的数据采集器13和热电偶i16、热电偶ii17及变压器12电性连接，所述的计算机i14和数据采集器13电性连接。

热电偶ⅰ嵌入在细石英棒球形端部的位置，测量液滴温度；热电偶ⅱ安装在细石英棒球形端部附近，用于测量液滴附近环境温度；数据采集器采集热电偶ⅰ、热电偶ⅱ、变压器的输出电压并传输到计算机ⅰ。

优选的，所述的图像采集系统包括背光源18、高速相机19和计算机ii20，所述的背光源18设置于定容燃烧弹1外部，且所述的背光源18位于定容燃烧弹1右侧观察窗5的中心位置，所述的背光源18采用钨卤灯，所述的高速相机19设置于定容燃烧弹1外部且位于左侧观察窗5的中心位置，所述的高速相机19和计算机ii20电性连接，所述的信号发生器15和高速相机19、数据采集器13电性连接。

背光源为钨卤灯，其亮度可调节，试验调试阶段需要改变背光亮度以及高速相机的曝光时间来获得更好的拍摄图像；信号发生器用于同步触发高速相机和数据采集器；高速相机拍摄获得液滴燃烧过程瞬态变化图像并传输到计算机ⅱ。

一种亚\超临界碳氢液滴的蒸发与燃烧研究系统的试验方法，包括以下步骤：

(1)采用微量注射器将燃料液滴悬挂于细石英棒的球形底端；

(2)密封定容燃烧弹，然后利用高压气瓶和进气管向定容燃烧弹内通入高压气体，并达到指定试验压力，高压气体由氮气和氧气配制，体积分数分别为氮气79％、氧气21％；

(3)打开背光源，打开高速相机和数据采集系统并处于待触发状态，打开信号发生器；

(4)点火器通电点燃液滴，同时信号发生器发出ttl电平信号触发高速相机和数据采集系统，同步记录燃料液滴的蒸发与燃烧过程；

(5)燃烧和记录完成后打开排气管上的阀门将定容燃烧弹内的高压气体放出；

(6)向定容燃烧弹内充分通入新鲜空气以彻底排出残余废气，冷却至室温并准备下一组试验。

本发明通过向定容燃烧弹通入指定压力的高压空气，以实现燃料液滴的亚/超临界压力环境，并在细石英棒悬挂液滴内部嵌入一支热电偶，以获取与高速摄影图像同步的液滴温度数据，开展从亚临界压力至超临界压力范围内多个不同压力环境下的液滴燃烧试验，并可进行不同液滴直径的相关试验，通过分析亚临界和超临界环境下液滴蒸发与燃烧特性的变化来获得对液滴超临界行为的深入认识。

需要说明的是，在本文中，如若存在第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。