同时实现预混火焰撞击湿壁和窄通道内传播的实验系统的制作方法

本发明涉及燃烧技术，特别涉及一种同时实现预混火焰撞击湿壁和窄通道内传播的实验系统，用于测试与分析预混火焰撞击湿壁和窄通道内传播的实验过程。

背景技术：

以发动机为基础的火焰与壁面相互作用是不可避免的。在密闭空间内，火焰与壁面相互作用对火焰具有重要影响。一方面，火焰到达壁面时会发生淬熄现象，造成热量损失。另一方面，火焰与壁面相互作用还会对中间产物及生成物造成一定影响。同时，由于壁面的存在，对火焰传播也会造成一定影响。使用定容燃烧弹配合各种光学技术如高速相机，高速纹影仪，激光器等可以对密闭空间内火焰进行一系列的研究，例如火焰传播，颗粒物生成研究等。

现阶段的定容燃烧弹大部分针对一种或者两种科研目的进行加工制造。出于实验目的考虑，定容燃烧弹以简单高效见长。但是能够同时多种测量目的的定容燃烧弹是十分必要的，既能完成多种测量目的的需要，同时可以比较不同因素对火焰影响关系。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种同时实现预混火焰撞击湿壁和窄通道内传播的实验系统，主要是为了实现一方面记录和观察预混火焰与湿壁撞击过程中的相互作用，另一方面观察预混火焰在窄通道内传播的情况。对预混火焰撞击湿壁和在窄通道内传播过程中压力，火焰形貌等进行记录和分析，对预混火焰与湿壁相互作用的机理及火焰在窄通道传播进行深入研究，为燃烧计算模型的改进和燃烧动力装置的优化提供数据和理论支持。

本发明所采用的技术方案是：一种同时实现预混火焰撞击湿壁和窄通道内传播的实验系统，包括：

定容燃烧弹；

容弹加热系统，所述容弹加热系统用于对所述定容燃烧弹进行加热，并对所述定容燃烧弹内部的温度和压力进行监测；

进气控制系统，所述进气控制系统将空气和可燃气体进行混合形成混合气体，并将所述混合气体喷入所述定容燃烧弹的工作腔中；

点火系统，所述点火系统用于将所述定容燃烧弹的工作腔中的所述混合气体点燃；以及，

纹影系统，所述纹影系统对所述定容燃烧弹的工作腔内火焰的发展过程进行记录。

进一步地，所述定容燃烧弹的内部设置有填充装置，所述填充装置整体呈圆柱形结构，所述填充装置的上部开设有向下的第一凹槽，所述第一凹槽包括第一侧和第二侧，所述第一凹槽的底部、位于所述第一凹槽的第二侧处开设有向下的第二凹槽，所述第二凹槽包括第一侧和第二侧，所述第二凹槽的第一侧上端部与所述第一凹槽的底部连接，所述第二凹槽的第二侧与所述第一凹槽的第一侧共面；所述第二凹槽的宽度小于所述第一凹槽的宽度；所述第一凹槽和所述第二凹槽组成了所述定容燃烧弹的工作腔，所述第一凹槽的第一侧为所述工作腔的第一侧，所述第一凹槽的第二侧和所述第二凹槽的第二侧共同组成了所述工作腔的第二侧。

其中，所述第一凹槽的宽度为62.5mm，所述第二凹槽的宽度为10mm。

进一步地，，所述容弹加热系统包括：

加热板，所述加热板对所述定容燃烧弹进行加热；

热电偶，所述热电偶设置在所述定容燃烧弹内部，用于测量所述定容燃烧弹内部温度；

压力变送器，所述压力变送器设置在所述定容燃烧弹内部，用于测量所述定容燃烧弹内部压力；以及，

温度压力控制箱，所述加热板、所述热电偶和所述压力变送器均与所述温度压力控制箱相连接；所述温度压力控制箱包括用于显示所述定容燃烧弹内部温度的温度数显表和用于显示所述定容燃烧弹内部压力的压力数显表。

进一步地，所述进气控制系统包括：

混合腔，所述混合腔体的下部连接有两条第一进气管道，其中一条所述第一进气管道连接压缩空气气瓶，另一条所述第一进气管道连接燃料气体气瓶；所述混合腔的上部连接有第二进气管道，所述第二进气管道的端部连接有进气喷嘴，所述进气喷嘴伸入至所述定容燃烧弹的工作腔内；两条所述第一进气管道和所述第二进气管道上均设置有电动球阀、防爆电磁阀和针阀，当两条所述第一进气管道和所述第二进气管道完全开启后，所述压缩空气气瓶中的空气和所述燃料气体气瓶中的可燃气体按照一定比例经所述混合腔后、通过所述进气喷嘴喷入所述定容燃烧弹的工作腔中；以及，

进气控制箱，两条所述第一进气管道和所述第二进气管道上的电动球阀和防爆电磁阀均与所述进气控制箱连接，由所述进气控制箱控制所述电动球阀和防爆电磁阀的启闭。

其中，两条所述第一进气管道与所述混合腔的相连处和所述第二进气管道与所述混合腔的相连处均设置有防止混合气体回流的单向阀。

其中，所述空气和所述可燃气体的比例为1:1或1:2。

进一步地，所述点火系统包括：

火花塞，所述火花塞设置在所述定容燃烧弹的工作腔的第一侧；

瞬时缸压传感器，所述瞬时缸压传感器设置在所述定容燃烧弹的工作腔的第一侧；

同步控制器，所述同步控制器与所述火花塞、所述瞬时缸压传感器和所述纹影系统相连接，同时控制点火、采集缸压和记录火焰发展过程；

控制电脑，所述控制电脑连接所述同步控制器，将控制指令发送给所述同步控制器。

进一步地，所述纹影系统设置在所述定容燃烧弹外部，包括相机和纹影仪，所述纹影仪的光路穿过所述定容燃烧弹的视窗，所述相机的镜头对准所述纹影仪的其中一个反光镜。

进一步地，所述定容燃烧弹的工作腔上连接排气管路，所述排气管路上设置有用于将所述定容燃烧弹内部的废气进行排放的真空泵和排气控制阀，以及用于保证实验系统安全的安全阀。

进一步地，在所述定容燃烧弹的工作腔的第二侧上布置不同厚度的第一壁面，所述第一壁面位于所述第一凹槽内或所述第二凹槽内，以达到火焰与不同距离的壁面相互作用的实验目的。

其中，在所述第一壁面上涂抹不同种类的燃油或者润滑油，用以研究火焰与附壁油膜相互作用的结果。

进一步地，在所述定容燃烧弹的工作腔的底部上等间距布置竖直挡板，以分析和研究所述定容燃烧弹内部湍流火焰的相关性质及发展过程。

其中，在所述定容燃烧弹的工作腔的第二侧上涂抹油膜，用以研究湍流火焰与附壁油膜相互作用的结果。

进一步地，在所述定容燃烧弹的工作腔的第二侧上布置不同厚度的第二壁面，所述第二壁面位于所述第二凹槽内，用于研究所述第二凹槽内火焰与不同厚度壁面之间的相互作用关系，以模拟发动机压缩过程中活塞与上顶盖间火焰与壁面相互作用过程。

本发明的有益效果是：

针对基于定容燃烧弹的火焰研究，目前的实验器材大部分只能实现某一种研究目的，尚未有可以集多种研究于一身的实验装置。这就造成了科研过程中，由于设备更换等因素使得实验数据或者结果与真实情况存在较大的误差，为改善这一情况，本发明可以在同一定容燃烧弹设备上实现对不同要求密闭空间内火焰进行研究，在一定程度上可以减少误差，同时节省实验支出。该装置配合不同的实验器材，可完成针对密闭空间内火焰的大部分研究。使用高速相机和纹影设备，能够比较密闭空间内层流火焰与湍流火焰的差异。配合高速相机及光学诊断技术可以观察记录层流或湍流火焰在密闭空间内部与附壁油膜或者是壁面的相互作用情况。

附图说明

图1：本发明同时实现预混火焰撞击湿壁和窄通道内传播的实验系统结构示意图；

图2a：本发明的定容燃烧弹内部填充装置主视图；

图2b：本发明的定容燃烧弹内部填充装置右视图；

图2c：本发明的定容燃烧弹内部填充装置俯视图；

图2d：本发明的定容燃烧弹内部填充装置三维立体图；

图3：本发明的定容燃烧弹内部工作腔示意图(针对火焰与不同距离壁面相互作用)；

图4：本发明的定容燃烧弹内部工作腔示意图(针对定容燃烧弹内部湍流火焰的研究)；

图5：本发明的定容燃烧弹内部工作腔示意图(针对狭缝窄通道内部火焰与不同厚度壁面相互作用)。

附图标注：1-定容燃烧弹；2-加热板；3-控制电脑；4-温度压力控制箱；5-压力数显表；6-温度数显表；7-排气控制阀；8-安全阀；9-电动球阀；10-防爆电磁阀；11-混合腔；12-进气喷嘴；13-热电偶；14-压力变送器；15-进气控制箱；16-压缩空气气瓶；17-燃料气体气瓶；18-火花塞；19-同步控制器；20-纹影仪；21-单向阀；22-针阀；23-瞬时缸压传感器；24-真空泵；25-填充装置；26-第一凹槽；27-第二凹槽；28-第一壁面单体；29-竖直挡板；30-油膜；31-第二壁面单体。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如附图1所示，一种同时实现预混火焰撞击湿壁和窄通道内传播的实验系统，包括定容燃烧弹1，容弹加热系统，进气控制系统，点火系统和纹影系统。

所述定容燃烧弹1的工作腔上连接排气管路，所述排气管路上设置有用于将所述定容燃烧弹1内部的废气进行排放的真空泵24和排气控制阀7，以及用于保证实验系统安全的安全阀8。

所述容弹加热系统用于对所述定容燃烧弹1进行加热，并对所述定容燃烧弹1内部的温度和压力进行监测。所述容弹加热系统包括加热板2，热电偶13，压力变送器14和温度压力控制箱4；所述加热板2对所述定容燃烧弹1进行加热；所述热电偶13设置在所述定容燃烧弹1内部，用于测量所述定容燃烧弹1内部温度；所述压力变送器14设置在所述定容燃烧弹1内部，用于测量所述定容燃烧弹1内部压力；所述加热板2、所述热电偶13和所述压力变送器14均与所述温度压力控制箱4相连接；所述温度压力控制箱4包括用于显示所述定容燃烧弹1内部温度的温度数显表6和用于显示所述定容燃烧弹1内部压力的压力数显表5。

所述进气控制系统将空气和可燃气体进行混合形成混合气体，并将所述混合气体后喷入所述定容燃烧弹1的工作腔中。所述进气控制系统包括混合腔11和进气控制箱15。所述混合腔11的下部连接有两条第一进气管道，其中一条所述第一进气管道连接压缩空气气瓶16，另一条所述第一进气管道连接燃料气体气瓶17；所述混合腔11的上部连接有第二进气管道，所述第二进气管道的端部连接有进气喷嘴12，所述进气喷嘴12伸入至所述定容燃烧弹1的工作腔内；两条所述第一进气管道和所述第二进气管道上均设置有电动球阀9、防爆电磁阀10和针阀22；两条所述第一进气管道与所述混合腔11的相连处和所述第二进气管道与所述混合腔11的相连处均设置有防止混合气体回流的单向阀21。两条所述第一进气管道和所述第二进气管道上的电动球阀9和防爆电磁阀10均与所述进气控制箱15连接，由所述进气控制箱15控制所述电动球阀9和防爆电磁阀10的启闭。当两条所述第一进气管道和所述第二进气管道完全开启后，所述压缩空气气瓶16中的空气和所述燃料气体气瓶17中的可燃气体按照一定比例(1:1或1:2)经所述混合腔11后、通过所述进气喷嘴12喷入所述定容燃烧弹1的工作腔中。

所述点火系统用于将所述定容燃烧弹1的工作腔中的所述混合气体点燃。所述点火系统包括火花塞18，瞬时缸压传感器23，同步控制器19和控制电脑3。所述火花塞18设置在所述定容燃烧弹1的工作腔的第一侧；所述瞬时缸压传感器23设置在所述定容燃烧弹1的工作腔的第一侧；所述同步控制器19与所述火花塞18、所述瞬时缸压传感器23和所述纹影系统相连接，同时控制点火、采集缸压和记录火焰发展过程；所述控制电脑3连接所述同步控制器19，将控制指令发送给所述同步控制器19。

所述纹影系统对所述定容燃烧弹1的工作腔内火焰的发展过程进行记录。所述纹影系统设置在所述定容燃烧弹1外部，包括相机和纹影仪20，所述纹影仪20的光路穿过所述定容燃烧弹1的视窗，所述相机的镜头对准所述纹影仪20的其中一个反光镜。

本发明的工作过程为：当本发明系统工作时，首先加热板2对定容燃烧弹1整体进行加热，加热情况由温度数显表6显示，设定加热板2将定容燃烧弹1加热至150℃，并保持该温度不变，加热过程中，定容燃烧弹1工作腔内由于温度上升，压力逐渐增高，压力示数由压力数显表5显示，确保加热过程中，容弹内部压力不会过高。当定容燃烧弹1内温度和压力到达设定数值时，由进气控制箱15开启混合腔11下部的第一进气管道的防爆电磁阀10及电动球阀9以及针阀22。进气通道完全开启后，压缩空气气瓶16及燃料气体气瓶17中的空气和可燃气体按照一定比例(1:1或1:2)经混合腔11在定容燃烧弹1内混合。进气管道与混合腔11相连处装有单向阀21，防止混合气体回流。混合腔11上部的阀门由进气控制箱15单独控制，进气控制箱15控制混合腔11上部的防爆电磁阀10，电动球阀9开启，空气和可燃气体经第二进气管道，由进气喷嘴12喷入定容燃烧弹1内部工作腔中。同时关闭进气管道上阀门。此时工作腔内的混合气体在继续由加热板2加热至设定温度，同时压力变送器14记录工作腔内压力数值，并在压力数显表5上显示压力示数。进入定容燃烧弹1内部的混合气体加热至设定温度，由火花塞18在控制电脑3的操作下以40ms点火时长将混合气体点燃，同时同步控制器19在控制电脑3的指令下控制瞬时缸压传感器23对点火后工作腔内压力变化情况进行瞬时采集和记录；纹影仪20对工作腔内火焰的发展过程进行记录。记录结果由控制电脑3保存。点火过程完成后，打开排气控制阀7及真空泵24，定容燃烧弹1内部废气经排气管路排放至周围环境中，同时向定容燃烧弹1内部通入清洁空气完成扫气过程。本发明系统在工作过程中尤其是点火过程中，若定容燃烧弹1工作腔内压力超过一定数值，为避免出现仪器损坏及其他危险情况的发生，安全阀8会自动开启，保证系统的安全。

除上述结构及用途外，本发明还可以用作其他实验。首先，针对所述定容燃烧弹1内部作进一步改进。

如图2a至图2d所示，在所述定容燃烧弹1的内部设置有填充装置25，所述填充装置25整体呈圆柱形结构，所述填充装置25的上部开设有向下的第一凹槽26，所述第一凹槽26包括第一侧和第二侧，所述第一凹槽26的底部、位于所述第一凹槽26的第二侧处开设有向下的第二凹槽27，所述第二凹槽27包括第一侧和第二侧，所述第二凹槽27的第一侧上端部与所述第一凹槽26的底部连接，所述第二凹槽27的第二侧与所述第一凹槽26的第一侧共面；所述第二凹槽27的宽度小于所述第一凹槽26的宽度；所述第一凹槽26和所述第二凹槽27组成了所述定容燃烧弹1的工作腔，所述第一凹槽26的第一侧为所述工作腔的第一侧，所述第一凹槽26的第二侧和所述第二凹槽27的第二侧共同组成了所述工作腔的第二侧。其中，所述第一凹槽26的宽度为62.5mm；所述第二凹槽27的宽度为10mm，为狭缝窄通道。

本发明所述定容燃烧弹1的内部工作腔为二次加工所得。在之前传统定容燃烧弹1的基础之上，额外增加金属制成的填充装置25。利用本发明填充装置25所形成的工作腔可以进行一系列研究，主要应用在燃烧领域。

(一)针对火焰与不同距离壁面相互作用

如图3所示，在所述定容燃烧弹1的工作腔的第二侧上布置不同厚度的第一壁面，所述第一壁面位于所述第一凹槽26内或所述第二凹槽27内，以达到火焰与不同距离的壁面相互作用的实验目的。本实施例中，所述第一壁面为不锈钢钢板，不同厚度的第一壁面通过若干块第一壁面单体28的组合形成，如图3所示，本发明可采用一块第一壁面单体28或两块第一壁面单体28的组合或三块第一壁面单体28的组合，来表示不同厚度的第一壁面。当火花塞18点燃定容燃烧弹1工作腔内混合可燃气后，火焰在传播过程中与第一壁面相遇，配合纹影系统等各种光学诊断技术可以观测火焰与不同位置壁面相互作用的结果。除此之外，在第一壁面上涂抹不同种类的燃油或者润滑油，用于研究火焰与附壁油膜相互作用的结果。

(二)针对定容燃烧弹内部湍流火焰的研究

如图4所示，在所述定容燃烧弹1的工作腔的底部上等间距布置竖直挡板29，以分析和研究所述定容燃烧弹1内部湍流火焰的相关性质及发展过程。自电火花点火装置起，在工作腔底部放置等间距的竖直挡板29，当火花塞18点燃工作腔内部混合气体后，火焰在传播过程中与竖直挡板29会发生相互作用，火焰在竖直挡板29的扰动作用下，由之前的层流火焰转变为湍流火焰，配合纹影系统对湍流火焰进行拍摄和记录，以便进一步分析和研究定容燃烧弹1内部湍流火焰的相关性质及发展过程。同时，在工作腔的第一侧涂抹一定厚度的油膜30，可以研究湍流火焰与附壁油膜之间的相互作用。

(三)针对狭缝窄通道内部火焰与不同厚度壁面相互作用

如图5所示，在所述定容燃烧弹1的工作腔的第二侧上布置不同厚度的第二壁面，所述第二壁面位于所述第二凹槽27内，即，位于狭缝窄通道内，用于研究狭缝窄通道内火焰与不同厚度壁面之间的相互作用关系，可据此来模拟发动机压缩过程中活塞与上顶盖间火焰与壁面相互作用过程。本实施例中，不同厚度的第二壁面通过若干块第二壁面单体31的组合形成，如图5所示，本发明可采用一块第二壁面单体31或两块第二壁面单体31的组合或三块第二壁面单体31的组合，来表示不同厚度的第二壁面。

本发明实验系统以定容燃烧弹1为基础，在内部空腔内增加可根据实验需要确定工作腔大小的填充装置25。除此之外，可根据实验需求，在工作腔内部进行进一步的加工改造以满足不同实验需求。同时配合高速相机和高速纹影仪20可对工作腔内火焰形貌进行记录。配合瞬时缸压传感器23可以实时记录腔体内压力变化。使用iccd相机及激光器可对燃烧产物及中间产物进行分析和研究，尤其是火焰与壁面相互作用之后产物变化情况进行进一步的研究分析。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。