定容預混燃燒測試裝置的製作方法
2023-10-06 00:23:14
專利名稱：定容預混燃燒測試裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃燒測試裝置，尤其涉及一種定容預混燃燒的測試裝置。
背景技術：
燃料(如氫氣、甲烷、乙炔、汽油等)是社會發展的基石，是人類生產和生活中最重要的能量來源。了解各種燃料的預混燃燒特性對於如何更好地應用或控制燃燒至關重要。 例如，在全面掌握燃料燃燒特性的基礎上，控制和優化燃燒過程，可以提高內燃機動力性、 燃料經濟性，並控制汙染物的排放。在上述預混燃料特性的研究中，初始時刻的化學當量比、初始壓力、初始溫度、混合氣成分和湍流參數對燃燒過程的影響規律是研究的重點。目前，在對預混燃燒過程的研究中，定容燃燒測試裝置起到了重要的作用。研究人員通常使用定容燃燒測試裝置研究燃料本身的燃燒特性，特別是可以使用高速數據採集系統和高速攝影機等儀器設備獲取燃料燃燒的相關數據、圖像等信息，以此來分析研究燃料在不同初始條件下的預混燃燒特性。但是，定容燃燒測試裝置還存在很多亟待改進的技術問題。例如，在預混燃燒過程中，定容燃燒測試裝置內部的壓力會逐漸升高，從而改變了燃燒的初始條件；此外，燃燒放熱後使定容裝置內產生較高的壓力，如果該燃燒壓力在燃燒過程中無法及時得以釋放，會給定容燃燒測試裝置的安全性帶來一定的影響。因此，如何能實現在封閉系統中剝離燃燒壓力的影響成為了預混燃燒研究中的一個難點。此外，湍流燃燒是自然界中燃料燃燒的主要形式，如何能夠產生穩定可控的湍流燃燒環境是研究燃料的燃燒特性的重點。以往的定容燃燒裝置主要以層流燃燒為主，個別湍流燃燒裝置雖然能產生湍流，但湍流強度以及尺度都無法實現穩定控制。
發明內容
本發明的目的是提供一種定容預混燃燒測試裝置，其可以釋放裝置內的燃燒壓力，不但可以有效地減小由燃燒壓力對燃燒特性所帶來的影響，還可以提高預混燃燒測試裝置的安全性。本發明提供了一種定容預混燃燒測試裝置，該裝置包括內腔體，用於進行預混燃燒，在該內腔體的腔壁上開設有排出燃燒壓力的連通孔；外腔體，其位於所述內腔體外部，用於支撐所述內腔體並吸納自所述連通孔排出的燃燒壓力，在所述外腔體的腔壁上開設有進排氣口 ；安裝在內外腔體上用於連接內外腔體的固定件；安裝在內外腔體上用於觀察預混燃燒的觀察窗；以及安裝在所述外腔體並延伸到所述內腔體內部的點火電極。與現有技術相比，本發明具有以下優點該定容預混燃燒測試裝置具有內腔體和外腔體雙層結構，且該內腔體和外腔體通過多個連通孔相連通。這樣設計的預混燃燒的測試裝置，利用內外腔結構，控制燃燒在內腔完成，火焰不傳播到外腔，外腔體僅用於洩壓，即，將預混氣體在內腔體中燃燒時所產生的燃燒壓力通過所述多個連通孔迅速地被釋放至外腔體中，從而控制了燃燒終了的壓力，保證了定容預混燃燒測試裝置自身的安全性。此外，本發明的燃燒測試裝置還具有連接湍流營造系統的預留口，即不但可以組織層流燃燒，而且可以組織穩定可控的湍流燃燒，因此可以用於全面研究燃料的預混燃燒特性。
通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯圖1為根據本發明一個優選實施例的定容預混燃燒測試裝置的結構示意圖；圖2為根據本發明一個優選實施例的用於測試湍流燃燒的定容預混燃燒測試裝置的結構示意圖；以及圖3為使用圖2示出的燃燒測試裝置的預混燃燒測試系統示意圖。附圖中相同或相似的附圖標記代表相同或相似的部件。
具體實施例方式下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。首先，請參考圖1，對本發明一個優選實施例的定容預混燃燒測試裝置的結構進行具體說明。具體地，所述定容預混燃燒測試裝置(下文中簡稱為燃燒測試裝置)包括內腔體 1、外腔體2以及連通孔3。在本實施例中，所述內腔體1為球型腔體，該球型腔體的直徑為 100mm。由於球型腔體內部為全方位對稱結構，因此可以消除腔體結構對火焰傳播速度和火焰結構的影響。在其它的實施例中，內腔體還可以採取其它形式的對稱結構，如柱型或正多面體腔體。所述外腔體2位於內腔體1之外，與所述內腔體1形成雙層腔體結構。所述外腔體2的作用如下一是用來支撐位於其內部的所述內腔體1 (例如通過固定螺栓)，二是用來吸收內腔體1中所釋放的燃燒壓力。在本實施例中，所述外腔體2為與內腔體1同心的球型腔體，該球型腔體的直徑為300mm。在其它實施例中，該外腔體2可以是橢圓型或正多面體腔體。在所述內腔體1的腔壁上存在多個連通孔3，用於連通所述內腔體1和外腔體2的內部空間。在本實施例中，所述連通孔3的數量為M個，均勻分布在內腔體1的腔壁上，所述連通孔3為圓形的小孔，其直徑為2mm。在預混氣體燃燒的過程中，內腔體1中的燃燒壓力可以通過所述連通孔3釋放到所述外腔體2中，從而保證內腔體1中的預混燃燒可以在近似恆壓的環境下進行，減小由於燃燒壓力的變化對內腔體中觀測到的火焰傳播速度和火焰結構的影響。內腔體1內的可燃氣體在完全燃燒之後，由於連通孔3的淬熄作用，火焰將不再傳播到外腔體2中，從而控制了燃燒終了的壓力，提高了裝置的安全性。上述內腔體1的形狀以及尺寸，是基於經驗公式對火焰傳播速度和火焰結構進行估算後得到的。外腔體2的形狀以及尺寸，是所需經驗公式對壓力傳遞大小及速度等進行估算得到的。連通孔3的形狀、尺寸、數量以及分布，是根據不同燃料的淬熄特性確定的。在其它實施例中，根據研究條件的要求，內腔體1、外腔體2以及連通孔3的設計還存在其它形式，例如，內外腔體的直徑可以更大或更小，連通孔的數量可以更多或者更少，在此不再
一一贅述。為了在所述燃燒測試裝置的內腔體1中實現預混湍流燃燒，可以從所述燃燒測試裝置外部引入預混湍流氣體。具體地，在外腔體2上設置有湍流營造系統預留口 14，當需要在內腔體1中實現湍流燃燒時，只需利用外部的湍流營造系統產生預混湍流氣體，然後通過所述湍流營造系統預留口 14，將該預混湍流氣體傳輸至所述內腔體1中，在所述內腔體1 中產生湍流環境。在本實施例中，所述湍流營造系統為運動活塞4 (如圖2所示)，該運動活塞4通過活塞運動向外腔體充氣或從外腔體抽氣(按照圖2中箭頭40所示的方向)，使內腔體和外腔體之間產生壓差，預混氣體通過所述連通孔3在所述內腔體與外腔體之間的壓差作用下，在內腔體和外腔體之間進行交變的射流流動(按照圖2中箭頭30所示的方向)， 從而在所述內腔體1內生成穩定的湍流環境。通過改變運動活塞4的運動行程或者運動頻率，改變內外腔體的壓差的變化幅度和變化頻率，從而改變內腔體1內的湍流尺度和強度。另外，可以通過調整連通孔3的有效流通截面積，來改變內腔體1內的湍流尺度。此外，所述燃燒測試裝置中還設置有觀測視窗、光學通路視窗、進氣管、排氣管、傳感器、點火電極以及熱線探頭等。其中，所述觀測視窗密封地嵌在所述內腔體1和外腔體2的腔壁上，位於同一直線上，用於觀察內腔體1中預混燃燒的過程。所述光學通路視窗不但與所述內腔體1和外腔體 2密封連接，而且位於同一直線上，形成通路，便於將光線引入所述燃燒測試裝置內部，為預混燃燒火焰的成像提供必要條件。設置在這些視窗和裝置內、外腔體之間的密封裝置可保證測試裝置的絕對密封，以使得燃燒測試裝置中各種初始壓力和初始溫度可以達到試驗要求。在本發明的一個實施例中，燃燒測試裝置的設計壓力為3MPa。在燃燒測試裝置外腔體的上下左右四個觀察面上通過固定螺栓和密封墊片各固定了 1塊厚度為40mm，直徑為 80mm的石英玻璃作為對燃燒測試裝置中燃燒過程的光學通路或觀測視窗。在燃燒測試裝置內腔體的對應端面上通過固定螺栓和密封墊片各固定了 1塊厚20mm，直徑60mm的石英玻璃作為光學通路或觀測視窗。密封墊片的作用是保證燃燒測試裝置在高溫條件下工作時無漏氣現象產生，同時減輕燃燒產生的振動對石英窗造成的衝擊，防止石英玻璃破碎。燃燒測試裝置還包括進氣管和排氣管，其中，進氣管用於向定容測試裝置內充入預混氣體；排氣管用於釋放燃燒後的殘餘廢氣，以免影響以後的預混燃燒。燃燒測試裝置還包括各種狀態參數採集單元，例如傳感器，包括溫度傳感器以及壓力傳感器(可分為內腔壓力傳感器和外腔壓力傳感器)，用於測量並傳遞所述燃燒測試裝置中溫度和壓力的相關狀態參數。所述燃燒測試裝置還可以包括熱線探頭，其可以安裝在外腔體上並延伸到內腔體上，用於測量並傳遞所述燃燒測試裝置中湍流強度的相關狀態參數。此外，燃燒測試裝置還包括點火電極，其可以安裝在外腔體上並延伸到內腔體的內部，以便在點火控制單元的信號控制下適時地將預混氣體點燃。上述燃燒測試裝置的組成部分均為本領域技術人員的公知內容，在此不再逐一進行說明。請參考圖3，圖3為使用圖2示出的燃燒測試裝置的預混燃燒測試系統示意圖，下面將結合預混測試燃燒系統，對本發明所提出的燃燒測試裝置的工作過程進行具體說明。首先，通過分壓定律，確定待燃燒的目標氣體中各氣體組分所需的量值；然後，分別打開耐高溫耐高壓開關閥6，將各氣體組分按照確定的量值注入至所述燃燒測試裝置中。 待所述測試裝置內的氣體達到穩定後，通過同步信號控制單元8啟動點火控制單元9對所述內腔體中的預混可燃氣體實施點火，同時啟動圖像記錄單元10和參數測量儀12對燃燒過程中的圖像以及各項參數進行採集，以獲得目標氣體的層流燃燒特性。所述圖像採集單元10優選為高速攝影機，用於記錄預混燃燒過程的圖像，所述點火控制單元9用於激勵位於內腔體1中心的點火電極，對所述燃燒測試裝置內的預混氣體進行點火，觸發預混燃燒。當預混燃燒觸發後，在內腔體1中心處先形成火核，並且該火核向四周進行傳播。 在傳播過程中，內腔體1中的燃燒壓力可以通過位於腔壁上的連通孔3快速地釋放到外腔體2中。由於所述燃燒測試裝置為雙腔體結構，且所述預混燃燒是在內腔體1中進行的，連通孔3的存在可以使該燃燒壓力快速得以釋放，從而有效地保證了所述燃燒測試裝置的安全性能。如果要實現預混湍流燃燒，則需預先標定出運動活塞4的運動速度以及運動行程與湍流強度及尺度的對應關係。在進行目標氣體預混湍流燃燒的研究時，根據目標湍流強度及尺度，控制運動活塞4的運動速度以及運動行程，從而在所述內腔體中形成預期的湍流環境。然後，通過同步信號控制單元8啟動點火控制單元9對所述內腔體中的預混可燃氣體實施點火，同時啟動圖像記錄單元10和參數測量儀12對燃燒過程中的圖像以及各項參數進行採集，以獲得目標氣體在設定湍流條件下的湍流燃燒特性。特別地，在所述燃燒測試裝置中形成目標環境的過程中，會出現預混氣體洩漏的情況，例如推拉運動活塞4的時候，從而導致了所述燃燒測試裝置內的壓力發生變化。為了保證燃燒過程可以在恆壓狀態下進行，將所述燃燒測試裝置與穩壓單元相連接，通過該穩壓單元使所述燃燒測試裝置內的壓力得以保持穩定。在本實施例中，所述穩壓單元可以為一穩壓氣源13，當所述燃燒測試裝置內的壓力低於初始壓力時，則向內腔體1中補充預混氣體，直至所述燃燒測試裝置內的壓力等於初始壓力。在其它實施例中，所述穩壓單元還可以為容積補償腔，通過調節該容積補償腔與所述燃燒測試裝置相連通的空間的大小，達到使所述燃燒測試裝置保持恆壓的目的。對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其它的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化涵括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。此外，顯然「包括」 一詞不排除其它單元或步驟，單數不排除複數。系統權利要求中陳述的多個單元或裝置也可以由一個單元或裝置通過軟體或者硬體來實現。
權利要求
1.一種定容預混燃燒測試裝置，包括內腔體，用於組織預混燃燒，在該內腔體的腔壁上開設有排出燃燒壓力的連通孔；外腔體，其位於所述內腔體外部，用於支撐所述內腔體並吸納自所述連通孔排出的燃燒壓力，在所述外腔體的腔壁上開設有進排氣口 ；安裝在內外腔體上用於連接內外腔體的固定件；安裝在內外腔體上用於觀察預混燃燒的觀察窗；以及安裝在所述外腔體並延伸到所述內腔體內部的點火電極。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述內腔體為球型、柱型或正多面體腔體。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中，具有多個所述連通孔，並且所述多個連通孔均勻分布在所述內腔體的腔壁上。
4.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述連通孔的截面積可以根據所需湍流尺度進行調整。
5.根據權利要求1所述的裝置，還包括湍流營造系統，用於在所述內腔體中產生湍流環境。
6.根據權利要求5所述的裝置，其中所述測試裝置的外腔體上還設置有連接外部湍流營造系統的預留口。
7.根據權利要求5或6所述的裝置，其中所述湍流營造系統為運動活塞，該運動活塞通過活塞運動向外腔體充氣或從外腔體抽氣，使內腔體和外腔體之間產生壓差，從而使所述連通孔處產生交變的氣體流動，誘發內腔體內生成湍流。
8.根據權利要求7所述的裝置，其中所述運動活塞的運動行程或者運動頻率可以根據所需湍流尺度或者強度進行調整。
9.根據權利要求1所述的裝置，還包括穩壓單元，通過該穩壓單元使所述內腔體保持恆壓的狀態。
10.根據權利要求9所述的裝置，其中所述穩壓單元為所述裝置的容積補償腔，或者是用於向所述裝置內補充預混氣體的穩壓氣源。
全文摘要
本發明提供了一種定容預混燃燒測試裝置，該測試裝置包括內腔體，用於進行預混燃燒，在所述內腔體的腔壁上開設有排出燃燒壓力的連通孔；外腔體，其位於所述內腔體外部，用於支撐所述內腔體並吸納自所述連通孔排出的燃燒壓力，在所述外腔體的腔壁上開設有進排氣口；安裝在內外腔體上用於連接內外腔體的固定件；安裝在內外腔體上用於觀察預混燃燒的觀察窗；以及安裝在所述外腔體並延伸到所述內腔體內部的點火電極。與傳統的定容燃燒測試裝置相比，在使用本發明提供的測試裝置進行預混燃燒的時候，預混氣體在內腔體中燃燒時所產生的燃燒壓力，可以通過所述多個連通孔迅速地被釋放至外腔體中，提高了燃燒裝置安全性。同時通過相應的設置，還可以穩定可控的湍流燃燒。
文檔編號G01N33/22GK102323390SQ201110231930
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月12日 優先權日2011年8月12日
發明者劉福水, 孫作宇, 孫柏剛, 暴秀超 申請人:北京理工大學