基於介質阻擋放電的液滴蒸發與著火試驗裝置的製作方法

2023-12-06 10:51:21 2

本發明涉及等離子體輔助燃燒技術領域，特別是一種基於介質阻擋放電的液滴蒸發與著火試驗裝置。

背景技術：

推進劑是運輸工具動力裝置的能量來源，在常見的各類推進劑中，液體推進劑因較氣體密度大，使得有限容積的儲箱能攜帶的燃料或者氧化劑更多，且與固體推進劑相比，採用液體推進劑具有可多次重複點火、易於控制等優勢，使得以汽油和煤油為代表的液體推進劑在汽車、船舶、飛機、火箭上得到了最為廣泛的應用。然而液體燃料的燃燒不像氣體燃料簡單的混合和點火即實現燃燒，而是經過一系列子過程才得以燃燒。具體包括：霧化、蒸發、混合、燃燒，這些子過程進行的快慢、充分程度等都直接或間接影響了整個點火過程，進而影響了發動機的啟動性能。不論是在汽車發動機、傳統航空發動機，還是火箭發動機、超燃衝壓發動機中，實現快速、高效、穩定的點火都顯得十分關鍵，可是在實際工況下，液體燃料的點火過程常常偏離理想情況，輕則導致點火延遲太長，對具有高速來流的吸氣式發動機難以接受，重則直接導致點火失敗，因此亟待解決液體推進劑蒸發和著火中存在的慢與不穩定問題。

現有的研究表明通過介質阻擋放電產生的等離子體具有熱力學非平衡特性，其活化效應強、電離效率高，且該放電方式的電極可長時間運行，整個電極裝置無運動機械部件、響應迅速，已在流動和燃燒控制領域顯示出了卓越的性能。然而當前絕大多數放電等離子體點火、助燃裝置都僅針對氣體推進劑，且多採用較為成熟的電弧放電方式，即等離子體炬，這類點火方式會產生極其高溫的等離子體，放電裝置需要額外的水冷，對燃料的電離效率也比較低下，能耗十分高。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，而提供一種基於介質阻擋放電的液滴蒸發與著火試驗裝置，該基於介質阻擋放電的液滴蒸發與著火試驗裝置能改善液體推進劑，尤其是碳氫液體燃料點火慢、點火難以及火焰不穩定的現狀。

為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：

一種基於介質阻擋放電的液滴蒸發與著火試驗裝置，包括試驗艙、高壓電源、液滴噴注器、三根l形金屬杆、金屬網狀圓筒、兩根金屬棒、高壓金屬網板和低壓金屬板。

試驗艙為密閉艙體，試驗艙的頂蓋上設置有液滴噴注器安裝孔和兩個電極安裝孔；兩個電極安裝孔對稱設置在液滴噴注器安裝孔的兩側。

高壓電源包括高壓輸出端和接地端。

液滴噴注器包括液滴噴注器本體和液滴掛杆；液滴噴注器本體安裝在液滴噴注器安裝孔上，液滴掛杆伸入試驗艙內，液體掛杆包括液滴通道，位於液滴通道外周的杆芯內設置有金屬絲；液滴掛杆的外周包覆有石英或陶瓷，液滴掛杆的底端懸掛滴液。

三根l形金屬杆分別為l形金屬杆一、l形金屬杆二和l形金屬杆三。

每根l形金屬杆的頂端均設置有支撐接頭，每個支撐接頭均能與電極安裝孔可拆卸連接。

l形金屬杆一的外周包覆有絕緣塗層，l形金屬杆一的底端與金屬網狀圓筒固定連接。

兩根金屬棒分別為低壓金屬棒和高壓金屬棒，其中，至少一根金屬棒的外周包覆有石英或陶瓷。

低壓金屬板的一側包覆有石英或玻璃；高壓金屬網板包括不鏽鋼板和設置在不鏽鋼板一側的銅網。

l形金屬杆二的底端和l形金屬杆三的底端均能與金屬棒、高壓金屬網板或低壓金屬板可拆卸連接。

連接有低壓金屬棒或低壓金屬板的l形金屬杆頂端的支撐接頭或液滴噴注器本體能與高壓電源的接地端相連接，形成地電極。

連接有高壓金屬棒或高壓金屬網板的l形金屬杆頂端的支撐接頭或l形金屬杆一頂端的支撐接頭能與高壓電源的高壓輸出端相連接，形成高壓電極。

通過改變l形金屬杆的安裝方式以及高壓電源的連接方式，能實現三種電極布置方式，分別為：同軸電極布置、平行柱頭電極布置和平行網板電極布置。

同軸電極布置時，l形金屬杆一頂端的支撐接頭安裝在其中一個電極安裝孔上，並使與l形金屬杆一底端相連接的金屬網狀圓筒位於滴液的外周；高壓電源的高壓輸出端與l形金屬杆一頂端的支撐接頭相連接，形成高壓電極；高壓電源的接地端與液滴噴注器本體相連接，形成地電極。

金屬網狀圓筒的內徑為10-20mm。

l形金屬杆一外周包覆的絕緣塗層為特氟龍材料。

平行柱頭電極布置時，低壓金屬棒與l形金屬杆二底端可拆卸連接，高壓金屬棒與l形金屬杆三底端可拆卸連接；l形金屬杆二頂端的支撐接頭安裝在其中一個電極安裝孔上，l形金屬杆三頂端的支撐接頭安裝在另一個電極安裝孔上，兩根金屬棒平行且對稱設置在滴液的外周；高壓電源的高壓輸出端與l形金屬杆三頂端的支撐接頭相連接，形成高壓電極；高壓電源的接地端與l形金屬杆二頂端的支撐接頭相連接，形成地電極。

低壓金屬棒和高壓金屬棒的外周均包覆有石英或陶瓷，石英或陶瓷的包覆厚度均為0.5-1.5mm。

每根金屬棒的軸向長度均為5-15mm，外徑均為3-8mm。

平行網板電極布置時，低壓金屬板與l形金屬杆二底端可拆卸連接，高壓金屬網板與l形金屬杆三底端可拆卸連接；l形金屬杆二頂端的支撐接頭安裝在其中一個電極安裝孔上，l形金屬杆三頂端的支撐接頭安裝在另一個電極安裝孔上，高壓金屬網板和低壓金屬板平行且對稱設置在滴液的外周；高壓電源的高壓輸出端與l形金屬杆三頂端的支撐接頭相連接，形成高壓電極；高壓電源的接地端與l形金屬杆二頂端的支撐接頭相連接，形成地電極。

低壓金屬板和高壓金屬網板的尺寸均為10mm×10mm。

試驗艙內設置有加熱器和壓力調節器。

本發明具有如下有益效果：

1.上述介質阻擋放電電極結構簡單，並通過調節或更換高壓電源能實現不同模式、強度的電激勵，能耗較低，實現了對液體推進劑工質蒸發、著火過程的主動控制。

2.上述三種介質阻擋放電電極布置方式均充分利用了常見的密閉式液滴蒸發、著火試驗艙結構特點，電極設計為可更換模塊極大方便了電極本身的更換以及三种放電方案的切換，降低了加工等成本，所採用的l形金屬杆既發揮了導線作用，又因其外包裹特氟龍材料，還起到了絕緣與加強剛性的作用，並且通過考慮介質阻擋放電激勵區域與液滴之間的相互位置關係，使得對液滴的加熱作用和活化作用更顯著。

3.上述推進劑液滴蒸發與著火試驗艙內壓力和溫度可調，使得整個裝置能較有效地模擬不同發動機或同一發動機不同工況下其液體推進劑所處工作環境。

4.上述基於介質阻擋放電的等離子體輔助推進劑液滴蒸發、著火試驗裝置較傳統的機械式、被動式蒸發、燃燒控制裝置控制範圍更寬、響應更迅速、作用方式更靈活。

5.本放電裝置相比電弧放電溫度低得多，一般溫度不超過400k，而電弧則3000-10000k，故屬於低溫等離子體，效率上目前文獻表明常規點火應用方面能高出30%-80%，能耗一般在十幾瓦到幾十瓦。

附圖說明

圖1顯示了本發明一種基於介質阻擋放電的液滴蒸發與著火試驗裝置的結構示意圖。

圖2顯示了本發明中同軸式電極布置方式下電極的安裝示意圖。

圖3顯示了本發明中同軸布置方式下高壓電極的結構示意圖。

圖4顯示了本發明中平行柱頭電極布置方式下電極的安裝示意圖。

圖5顯示了本發明中平行柱頭電極布置方式下高壓電極的結構示意圖。

圖6顯示了本發明中平行柱頭電極布置方式下地電極的結構示意圖。

圖7顯示了本發明中平行網板電極布置方式下電極的安裝示意圖。

圖8顯示了本發明中平行網板電極布置方式下高壓電極的結構示意圖。

圖9顯示了本發明中平行網板電極布置方式下地電極的結構示意圖。

其中有：1.頂蓋；11.液滴噴注器安裝孔；12.電極安裝孔；2.液滴噴注器；21.液滴噴注器本體；22.液滴掛杆；3.試驗艙；4.觀察窗；5.l形金屬杆一；51.支撐接頭；6.金屬網狀圓筒；7.l形金屬杆二；8.低壓金屬棒；9.高壓金屬棒；10.高壓金屬網板；11.低壓金屬板；12.臺架；13.高壓電源；14.l形金屬杆三。

具體實施方式

下面結合附圖和具體較佳實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

如圖1至圖9所示，一種基於介質阻擋放電的液滴蒸發與著火試驗裝置，包括試驗艙3、高壓電源13、液滴噴注器2、三根l形金屬杆、金屬網狀圓筒6、兩根金屬棒、高壓金屬網板11和低壓金屬板10。

試驗艙為密閉艙體，試驗艙優選放置在臺架12上。

試驗艙的頂蓋上設置有液滴噴注器安裝孔11和兩個電極安裝孔12；兩個電極安裝孔對稱設置在液滴噴注器安裝孔的兩側。

試驗艙優選由不鏽鋼製成，試驗艙的側壁上設置有觀察窗4，優選兩個相平行的側壁上各設置一個觀察窗，兩個觀察窗優選位於同一軸線上。觀察窗用於對液滴著火現象進行觀察。

觀察窗優選為石英玻璃觀察窗。

試驗艙內優選設置有加熱器和壓力調節器，能夠實現試驗艙體3內溫度、壓力的測量與調節。加熱器優選為蓄熱式電阻加熱器。

高壓電源13為高頻高壓交流電源或納秒脈衝高壓電源，高壓電源包括高壓輸出端和接地端。

液滴噴注器包括液滴噴注器本體21和液滴掛杆22。

液滴噴注器本體安裝在液滴噴注器安裝孔上，液滴掛杆伸入試驗艙內，液體掛杆包括液滴通道，位於液滴通道外周的杆芯內設置有金屬絲；液滴掛杆的外周包覆有石英或陶瓷，液滴掛杆的底端懸掛滴液。

三根l形金屬杆分別為l形金屬杆一5、l形金屬杆二7和l形金屬杆三14。

每根l形金屬杆的頂端均設置有支撐接頭51，每個支撐接頭均能與電極安裝孔可拆卸連接，優選為螺紋連接。

每根l形金屬杆的外周均優選包裹特氟龍材料。

通過改變l形金屬杆的安裝方式以及高壓電源的連接方式，能實現三種電極布置方式，分別為：同軸電極布置、平行柱頭電極布置和平行網板電極布置。

電極布置方式一：同軸電極布置

如圖2所示，l形金屬杆一頂端的支撐接頭安裝在其中一個電極安裝孔上，並使與l形金屬杆一底端相連接的金屬網狀圓筒位於滴液的外周。

具體安裝時，可先將金屬網狀圓筒套設在滴液的外周，l形金屬杆一頂端從其中一個電極安裝孔中穿出後，並螺紋固定連接。同時，另一個電極安裝孔可使用堵頭或支撐接頭密封。

高壓電源的高壓輸出端與l形金屬杆一頂端的支撐接頭優選通過導線相連接，形成高壓電極；高壓電源的接地端與液滴噴注器本體相連接，形成地電極。

進一步，上述l形金屬杆一的外周包覆有絕緣塗層，絕緣塗層優選為特氟龍材料。

如圖2和圖3所示，l形金屬杆一的底端與金屬網狀圓筒固定連接，優選為焊接。金屬網狀圓筒的內徑優選為10-20mm。

試驗時，首先調節試驗艙體3內的壓力、溫度至要求值，然後通過液滴噴注器2產生液滴並使得液滴懸掛於液滴掛杆22末端。當採用同軸電極布置方式時，開啟高壓電源13，在金屬網狀圓筒6和液滴掛杆2末端之間發生體式介質阻擋放電，推進劑液滴受放電作用吸收熱量，並伴隨裂解、活化，從而加快其蒸發、著火過程。

本發明中的介質阻擋放電的工作原理介紹如下：

介質阻擋放電產生非平衡等離子體過程中涉及了多種物理化學過程，在高壓交流電源或者納秒脈衝電源的驅動下，電極之間的區域會發生一系列放電反應，經過各類粒子的碰撞等過程，在焦耳加熱等過程作用下，放電氣體的溫度會有所上升；而且納秒脈衝電源激勵下能帶來離子風等動量傳輸效應。

理論上整個推進劑液滴可以假設初始為圓球狀，其蒸發過程首先開始於氣液交界面。當施加放電時，放電發生於兩電極之間的區域。放電首先改變的是液滴周圍的氣體介質，經過前述的一系列物理化學過程，包圍氣體裂解為豐富的活性粒子，整個氣體溫度有所升高，然後包圍氣體向液滴表面傳熱，進而促進了球狀液滴外層液體介質的蒸發，蒸發後的推進劑迅速與被電離的活性粒子發生摻混，當達到一定條件後開始著火；著火後釋放的熱量又進一步促進了剩餘液滴介質的蒸發與燃燒，從而達到了加快整個推進劑液滴蒸發、著火的目的。

當採用上述同軸電極布置方式時，整個液滴表面都將同步直接受到放電的作用，即液滴表面近乎均勻地受到放電的作用。

電極布置方式二：平行柱頭電極布置

如圖4、圖5和圖6所示，低壓金屬棒與l形金屬杆二底端可拆卸連接，優選為螺紋連接。高壓金屬棒與l形金屬杆三底端可拆卸連接，優選為螺紋連接。

l形金屬杆二頂端的支撐接頭安裝在其中一個電極安裝孔上，l形金屬杆三頂端的支撐接頭安裝在另一個電極安裝孔上，兩根金屬棒平行且對稱設置在滴液的外周，也即液滴位於兩根金屬棒的幾何中心。

高壓電源的高壓輸出端與l形金屬杆三頂端的支撐接頭相連接，形成高壓電極；高壓電源的接地端與l形金屬杆二頂端的支撐接頭相連接，形成地電極。

兩根金屬棒分別為低壓金屬棒8和高壓金屬棒9，其中，至少一根金屬棒的外周包覆有石英或陶瓷，石英或陶瓷的包覆厚度優選為0.5-1.5mm。

每根金屬棒的軸向長度均優選為5-15mm，外徑均優選為3-8mm。

另外，當採用平行柱頭電極布置方式時，液體掛杆可以採用杆芯內無金屬絲的普通液滴掛杆，均在本發明的保護範圍之內。

當採用平行柱頭電極布置方式時，開啟高壓電源13，在平行柱頭電極間發生面式介質阻擋放電，電極表面阻擋層可以選擇三種布置方案，即僅高壓金屬棒9上或僅低壓金屬棒8上以及兩個金屬棒均包覆石英或陶瓷，從而達到改變放電效果的作用。

當採用平行柱頭放電方案時，發生的是面放電形式，直接作用在球狀液滴與該放電平面相交處，直接作用面積較小，但是由於放電通道小，約化場強高，電離強度大，溫升更明顯。

電極布置方式三：平行網板電極布置

如圖7、圖8和圖9所示，低壓金屬板10與l形金屬杆二底端可拆卸連接，優選為螺紋連接；高壓金屬網板11與l形金屬杆三底端可拆卸連接，優選為螺紋連接。

l形金屬杆二頂端的支撐接頭安裝在其中一個電極安裝孔上，l形金屬杆三頂端的支撐接頭安裝在另一個電極安裝孔上。

低壓金屬板的一側包覆有石英或玻璃；高壓金屬網板包括不鏽鋼板和設置在不鏽鋼板一側的銅網。

低壓金屬板和高壓金屬網板的尺寸均優選為10mm×10mm。

高壓金屬網板和低壓金屬板平行且對稱設置在滴液的外周，也即液滴位於高壓金屬網板和低壓金屬板的幾何中心。同時，高壓金屬網板上設置的銅網以及低壓金屬板上包覆的石英或陶瓷均朝向液滴一側設置。

高壓電源的高壓輸出端與l形金屬杆三頂端的支撐接頭相連接，形成高壓電極；高壓電源的接地端與l形金屬杆二頂端的支撐接頭相連接，形成地電極。

另外，當採用平行網-板電極布置方式時，液體掛杆可以採用杆芯內無金屬絲的普通液滴掛杆，均在本發明的保護範圍之內。

當採用平行網-板電極布置方式時，開啟高壓電源13，放電發生與金屬網11與金屬平板10之間，屬於體式放電。

當採用平行網板方案時，液滴表面受到放電的作用面積大小介乎另外兩者之間，局部電離強度大於同軸式方案，但小於平行柱頭方案。

整套試驗裝置除了以上具體特點外，由於採用了模塊化設計，所採用的l形金屬杆既發揮了導線功能，又起到了支撐電極的作用。此外，結合相關傳感器採集的數據，整個裝置可以實時地根據液滴蒸發、著火效果通過電源控制系統進行調節，也能更換電極等部件，實現多套工作方案。另外，本申請的裝置結構緊湊、模塊化程度高、拆卸裝配便捷，通過簡單的變化就能實現多套放電方案，並可在較大範圍內調節放電參數，具有較強的應變控制能力。

以上詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明並不限於上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思範圍內，可以對本發明的技術方案進行多種等同變換，這些等同變換均屬於本發明的保護範圍。