一种漏斗供粉式粉末燃烧实验装置的制作方法

本发明涉及粉末燃料冲压发动机领域，具体涉及一种漏斗供粉式粉末燃烧实验装置。

背景技术：

粉末燃料冲压发动机是一种以高能非金属粉末或金属粉末为燃料、以冲压空气作为氧化剂和工质的新型冲压发动机。由于采用高能量密度的金属粉末燃料,该发动机具有比冲高、安全性好、成本低及推力可调等优点，但是金属或非金属的燃烧问题始终是粉末燃料冲发动机的关键问题。

硼颗粒具有高质量、高体积热值的特点，是理想的粉末冲压发动机推进剂燃料添加剂。然而硼的高熔点、高沸点以及表面覆盖着一层氧化物，使得硼颗粒的点火燃烧不同于轻金属的气相燃烧。目前研究猜测：硼颗粒的燃烧过程包括两个阶段，第一阶段为氧化层包覆下的燃烧阶段，在此阶段主要为颗粒氧化层的消耗与颗粒的增温，当氧化层被完全消耗时，第一阶段结束，这一阶段又称为点火过程；第二阶段则是“洁净”硼颗粒燃烧，即颗粒表面无氧化层包覆条件下的燃烧，在这一阶段，硼颗粒与环境中的氧化性气体直接反应，直到硼颗粒燃尽，这一阶段又称为燃烧过程。这两个过程需要在可观察，可调控，可观测的条件下进行燃烧实验。铝金属颗粒的潜在优势除了高能量密度、高燃烧温度外，还具有高燃烧速率，而且由于纳米颗粒具有非均相燃烧的特性，通过结构设计来控制燃烧特性比气体和液体燃料更容易实现。不过现在针对纳米尺度金属燃料的研究还处于初级探索阶段，许多基础问题，比如纳米铝颗粒着火的控制机制、燃烧机理、燃烧动力学模型及参数等都还远未达成共识，需要进一步深入研究。

研究金属颗粒的燃烧器有很多，由于平焰燃烧器是利用燃气燃烧产生的后火焰瞬间加热颗粒到火焰温度，为粉末颗粒点火燃烧提供了所需要的高温/富氧条件，并且具有开放可视的高温区，配置光学诊断以及添加各种条件进行实验如环境压强、颗粒直径、气相氧化剂浓度以及环境温度是研究作用于粉末颗粒的最理想的实验装置。进一步的研究通过平焰燃烧器的可视化实现燃烧可控、可观察、可操作、可测量等进而研究纳米铝粉末燃烧特性。因此设计一款光学诊断及运用燃烧器多功能的实验平台和诊断平台具有迫切的需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种漏斗供粉式粉末燃烧实验装置，用以观察粉末燃烧状态。

本发明所采用的技术方案为：

本发明提供一种漏斗供粉式粉末燃烧实验装置，包括粉末供应组件、燃烧供应组件、氮气供应组件、冷却水循环组件、平台组件；

所述粉末供应组件包括安装于漏斗支架的粉末漏斗，所述粉末漏斗下部设置有漏斗出口，用以供应粉末燃料；

所述燃烧供应组件包括甲烷系统、空气系统以及混合管路，所述甲烷系统包括甲烷气瓶以及与所述甲烷气瓶相连的甲烷管路；所述空气系统包括空气气瓶以及与所述空气气瓶相连的空气管路；所述甲烷管路和所述空气管路通过三通与所述混合管路相连；

所述平台组件包括第一平台和第二平台，所述第二平台设于所述第一平台上；所述第二平台上设置有平焰炉，所述平焰炉的顶部设置有多孔介质层，所述多孔介质层包括第一多孔介质层和第二多孔介质层；

所述平焰炉内部设置有混合腔，所述混合管路与所述混合腔相联通，所述混合腔的上部设置有第一多孔介质层。

优选的，还包括光学诊断组件，所述光学诊断组件包括布景板和平光激光器，所述布景板和平光激光器相对设置，所述布景板设置于所述平焰炉的一侧，所述平光激光器设置于所述平焰炉的另一侧；

所述布景板安装于布景板支架上，所述平光激光器安装于激光器支架上。

优选的，所述平焰炉内部还设置有环形的氮气腔，所述氮气腔设于所述混合腔的外侧；

所述氮气供应组件包括氮气瓶以及与所述氮气瓶相连的的氮气管路，所述氮气管路与所述氮气腔相联通；

所述氮气腔的上部设置有第二多孔介质层。

优选的，所述冷却水循环组件包括冷却水循环管路和储水桶，所述冷却水循环管路设置有进口部和出口部；

所述储水桶内设置有驱动件，所述驱动件与所述进口部相连，所述出口部设于所述储水桶的口部。

优选的，所述漏斗支架的下部设置有伸缩机构，所述伸缩机构用以调节所述粉末漏斗的高度。

优选的，所述漏斗出口处设置有传感器和电磁阀，所述传感器和电磁阀为电性连接，用以调节漏斗出口的粉末供应量。

优选的，所述第一平台以及所述第二平台分别设置有第一通孔和第二通孔，用以穿过所述混合管路、氮气管路以及冷却水循环管路。

优选的，所述冷却水循环管路穿过所述第一多孔介质层。

本发明的有益效果在于：

1.本发明提供一种漏斗供粉式粉末燃烧实验装置，用以观察粉末燃烧状态，包括贯穿粉末燃烧的产物颗粒大小，以及产物颗粒是否发生团聚。

2.本发明提供的平焰燃烧器具有氮气保护，液体冷却防止回火的作用，给试验中增加了安全保障。

3.本发明提供的漏斗具有定量控制粉末流量的效果，使得在实验中粉末流量控制准确，对实验收集数据采集样本具有巨大帮助。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种漏斗供粉式粉末燃烧实验装置立体结构示意图；

图2是图1中a处局部放大示意图；

图3是本发明实施例提供的一种漏斗供粉式粉末燃烧实验装置侧视示意图；

图4是本发明实施例中平焰炉俯视结构示意图；

图5是本发明实施例中平焰炉剖视结构示意图。

附图说明：

粉末供应组件：11-粉末漏斗；111-漏斗出口；12-漏斗支架；13-伸缩机构；14-传感器；15-电磁阀；

燃烧供应组件：21-甲烷系统；210-甲烷气瓶；211-甲烷管路；22-空气系统；220-空气气瓶；221-空气管路；23-三通；24-混合管路；

光学诊断组件：31-布景板；32-平光激光器；33-布景板支架；34-激光器支架；

平台组件：41-第一平台；410第一通孔；42-第二平台；

5-平焰炉；51-混合腔；52-第一多孔介质层；53-氮气腔；54-第二多孔介质层；

氮气供应组件：61氮气瓶；62-氮气管路；

冷却水循环组件：71-冷却水循环管路；711-进口部；712-出口部；72储水桶。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明的实施例1提供一种漏斗供粉式粉末燃烧实验装置，包括粉末供应组件、燃烧供应组件、氮气供应组件、冷却水循环组件、平台组件；

所述粉末供应组件包括安装于漏斗支架12的粉末漏斗11，所述粉末漏斗11下部设置有漏斗出口111，用以供应粉末燃料；

本实施例中，所述漏斗出口111处设置有传感器14和电磁阀15，所述传感器14和电磁阀15为电性连接，用以调节漏斗出口111的粉末供应量。

本实施例中，优先控制漏斗出口111的粉末供应量为：一次供应一个粉末燃料颗粒，以便观察单个颗粒的燃烧情况，以及燃烧的产物是否形成团聚等。本实施例粉末燃料颗粒采用硼、铝颗粒等。

进一步，所述漏斗支架12的下部设置有伸缩机构13，其伸缩机构13采用常规的伸缩机构即可，诸如：伸缩杆，具体的，平时常见的升国旗采用的伸缩杆结构即可实现。

所述伸缩机构13用以调节所述粉末漏斗11的高度，从而观察不同高度下供应粉末燃料的燃烧情况，从而找出供应粉末燃料最佳高度。物体下落最终速度由初始高度决定，粉末下落效果一样，若测指定速度的粉末燃烧效果必须要调节粉末漏斗的高度，此时漏斗高度确定了，自然每个高度都会对应不同粉末在燃烧时的下落速度。

所述燃烧供应组件包括甲烷系统21、空气系统22以及混合管路24，所述甲烷系统21包括甲烷气瓶210以及与所述甲烷气瓶210相连的甲烷管路211；所述空气系统22包括空气气瓶220以及与所述空气气瓶220相连的空气管路221；所述甲烷管路211和所述空气管路221通过三通23与所述混合管路24相连；具体的，甲烷管路211内的甲烷与空气管路221内的空气在三通23处汇集、混合，而后进入至混合管路24。

本实施例中，可以通过控制甲烷气瓶210和空气气瓶220的供应量，用以控制甲烷与空气的当量比，从而控制甲烷与空气燃烧的火焰温度，从而可以观察不同燃烧温度下粉末燃料颗粒的燃烧情况。

所述平台组件包括第一平台41和第二平台42，所述第二平台42设于所述第一平台41上；所述第二平台42上设置有平焰炉5，所述平焰炉5的顶部设置有多孔介质层，所述多孔介质层包括第一多孔介质层52和第二多孔介质层54；

所述平焰炉5内部设置有混合腔51，所述混合管路24与所述混合腔51相联通，所述混合腔51的上部设置有第一多孔介质层52。

本实施例中，所述平焰炉5内部还设置有环形的氮气腔53，所述氮气腔53设于所述混合腔51的外侧；所述氮气腔53的上部设置有第二多孔介质层54。

所述第一多孔介质层52选用能使甲烷和空气能够透过的材料，多孔介质材料，所述第二多孔介质层54选用能够使氮气通过的材料，多孔介质材料，两多孔介质材料隔开使得氮气在周围中心为空气和甲烷混合气体，燃烧过程中氮气阻断外界空气与甲烷空气混合物的燃烧。

进一步，还包括光学诊断组件，所述光学诊断组件包括布景板31和平光激光器32，所述布景板31和平光激光器32相对设置，所述布景板31设置于所述平焰炉5的一侧，所述平光激光器32设置于所述平焰炉5的另一侧；本发明实施例设置布景板31和平光激光器32，其作用为：平光激光器打在布景板上会形成一片在布景板上的光束，当粉末颗粒由漏斗中下落时在火焰中燃烧，燃烧现象被激光器的平面光束投影到布景板上使得粉末燃烧的观察效果更清晰。

所述布景板31安装于布景板支架33上，所述平光激光器32安装于激光器支架34上。布景板支架33设于第一平台41的一侧，激光器支架34设于第一平台41的另一侧。

本实施例中，所述冷却水循环组件包括冷却水循环管路71和储水桶72，所述冷却水循环管路71设置有进口部711和出口部712；所述冷却水循环管路71穿过所述第一多孔介质层52。

所述储水桶72内设置有驱动件，所述驱动件与冷却水循环管路71的进口部711相连，所述出口部712设于所述储水桶72的口部。所述驱动件为水泵。在水泵作用下，冷却水经由储水桶72内流出，进入至冷却水循环管路71，经进口部711穿过第一多孔介质层52，将其平焰炉5的顶部进行冷却，而后冷却水循环管路71内的水，由出口部712流出，至储水桶72内，形成冷却水循环。

进一步，所述第一平台41以及所述第二平台42分别设置有第一通孔410和第二通孔(附图未示)，用以穿过所述混合管路24、氮气管路62以及冷却水循环管路71。所述第一通孔410和第二通孔(附图未示)同轴设置。

所述氮气供应组件包括氮气瓶61以及与所述氮气瓶61相连的的氮气管路62，所述氮气管路62与所述氮气腔53相联通；

甲烷与空气燃烧时，为了燃烧的空气全部来自空气气瓶220的供应，防止外部空气的干扰，本发明实施例设置了氮气供应组件。氮气由氮气瓶61供应，经氮气管路62至氮气腔53，而后经第二多孔介质层54至平焰炉5上表面，从而在甲烷与空气燃烧的火焰周围形成一个环形的氮气屏障，用以阻隔外部空气的干扰，保证与甲烷燃烧的空气全部由空气气瓶220的供应。

本发明实施例中的电器件采用电性连接的方式，进行控制，为本领域技术人员公知技术，在此不再赘述。

本发明实施例的工作原理为：

密闭性检查：在进行粉末燃烧实验之前，先对所有的管路进行密闭性检查，操作为：以空气管路221为例，用氮气分别接入空气管路221(因为氮气为安全气体价格也较为便宜)将空气管路221终端用卡套堵头进行封闭，将购买的检漏液滴在各连接部位观察有无气泡产生。甲烷管路211、氮气管路62等，都应用这种方式。

密闭性检查完成后首先进行冷却水循环管路71的工作，水循环的工作原理主要是通过水泵将冷水泵入冷却水循环管路71，然后经由进口部711进入至平焰炉5顶部壁面的冷却水循环管路71里，该冷却水循环管路71通过螺旋状排列在平焰炉5顶部壁面(第一多孔介质层52)内部，形成螺旋式水冷壁面。而后，经冷却水循环管路71的出口部712流出至储水桶72内。

其有益效果为:这种螺旋式水冷壁面可以减少甲烷燃烧时产生的高温对平焰炉5上壁面的影响，防止烧蚀，可以多次使用。当然本发明实施例不局限于螺旋排布，其他的排布方式也属于本发明的保护范围。

接下来进行氮气的通入，氮气由氮气瓶61供应，经氮气管路62至氮气腔53，而后经第二多孔介质层54至平焰炉5上表面，从而在甲烷与空气燃烧的火焰周围形成一个环形的氮气屏障，用以阻隔外部空气的干扰，保证与甲烷燃烧的空气全部由空气气瓶220的供应。

然后进行空气和甲烷路的通入，其顺序是先进行空气管路22的通入，而后进行甲烷管路211的通入；由于甲烷属于易燃易爆燃气，先通入空气极大提高了实验的安全性。

空气气瓶220内的空气经过空气管路221至三通23处，而后，甲烷气瓶210内的甲烷经甲烷管路211至三通23处，然后该甲烷与来自空气管路221的空气在三通23处汇集、混合，经混合后的甲烷与空气混合物由三通23处进入混合管路24，而后至混合腔51内，随后混合腔51内的甲烷与空气混合物经第一多孔介质层52至平焰炉5上表面，经点燃即可燃烧，产生火焰；

经粉末漏斗11的漏斗出口111流出的粉末燃料颗粒，掉落至甲烷与空气燃烧的火焰处，从而将其粉末燃料颗粒燃烧，从而观察粉末颗粒燃烧的状态和性能。

需要说明的是，在整个申请文件中，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。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的试试方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。