高压和振荡环境下燃料液滴蒸发燃烧实验装置及使用方法

摘要

本发明公开了一种高压和振荡环境下燃料液滴蒸发燃烧实验装置及使用方法，包括压力容器、压力调节系统、压力测试系统、注射器、燃料液滴相位调整装置、点火装置和高速摄影系统。压力容器包括燃烧室、左舱段和右舱段；左舱段的长度大于右舱段的长度；燃料液滴相位调整装置包括声学系统和声学系统位置调整装置；声学系统位置调整装置用于调节燃料液滴所处声波的相位；燃烧室的两侧对称设置有两块可拆卸的观察窗；高速摄影系统包括背景光源和高速摄像机。本发明试验可视化，观察窗可拆装、方便更换点火头；另外，能够实现快速调节扬声器的相对位置，使燃料液滴处于需要的相位；并能实现高压环境下的挂滴操作。

说明书

技术领域

本发明涉及液体火箭发动机和航空喷气发动机等研究领域，特别是一种高压和振荡环境下燃料液滴蒸发燃烧实验装置及使用方法。

背景技术

燃料液滴的蒸发燃烧实验装置一般应用于液体火箭发动机和航空喷气发动机等研究领域。

液体火箭发动机是通过将飞行器自身携带的液体推进剂的化学能转变为热能进而转变为动能来为飞行器提供动力，对航天和国防领域有着重要的影响。液体火箭发动机的可靠性、稳定性、相容性，一直是其研制过程中要解决的主要问题，与发动机推力室内液体推进剂的喷雾燃烧过程密切相关。

液体火箭发动机推力室内的喷雾燃烧过程十分复杂，包括喷注、雾化、蒸发、混合、燃烧等物理/化学子过程。在发动机热试车过程中，难以捕捉到各子过程的物理化学特性，更难以获得描述这些子过程机理的确定性模型。当这些子过程相互耦合时，作用机理变得更加复杂，可能产生燃烧不稳定使发动机处于恶劣的工作过程中，甚至对发动机产生破坏性影响。为了揭示最基本的物理化学现象，需要针对各个子过程建立实验系统进行研究。在各子过程中，推进剂喷雾液滴在推力室中的蒸发燃烧是重要的部分，对发动机的性能有很大的影响，对蒸发燃烧过程建立实验系统进行研究，对提高发动机的可靠性、稳定性、相容性具有重要的意义。

由于液体推进剂具有挥发性，所以实验前要求液滴首先与实验环境分离，以避免液滴提前挥发造成实验结果不准确，并满足液滴一旦进入高压环境在尽可能短的时间内点火测量燃烧过程的要求。研究高压和声学振荡环境对蒸发燃烧过程的影响时，需要控制振荡幅值、振荡频率以及振荡发生的时间来营造不同的声学振荡环境。但是，现有的实验装置难以同时满足多种工况下进行实验的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种高压和振荡环境下燃料液滴蒸发燃烧实验装置及使用方法，该高压和振荡环境下燃料液滴蒸发燃烧实验装置及使用方法能够在试验可视化的同时，观察窗可拆装，能方便更换点火头且点火方便；另外，能够实现快速调节扬声器的相对位置，使燃料液滴处于需要的相位；两个舱段长度不同，其中左舱段较长，右舱段较短，可以满足不同频率下试验的要求。进一步，能在高压环境下稳定悬挂的注射器能在较宽的压力范围内简便的实现挂滴操作，特别是可以简便的实现高压环境下的挂滴操作。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种高压和振荡环境下燃料液滴蒸发燃烧实验装置，包括压力容器、压力调节系统、压力测试系统、注射器、燃料液滴相位调整装置、点火装置和高速摄影系统。

压力容器包括燃烧室、左舱段、右舱段、左端盖和右端盖。

左舱段和右舱段同轴密封设置在燃烧室的左右两侧。且左舱段的长度大于右舱段的长度。左端盖密封盖合在左舱段的左侧端，右端盖密封盖合在右舱段的右侧端。

压力调节系统用于向压力容器内注入高压气体，并形成所需的高压环境。

压力测试系统用于实时监测压力容器内的环境压力。

注射器安装在燃烧室顶部，用于向燃烧室内提供悬挂的燃料液滴。

点火装置用于燃料液滴的点火，点火装置包括安装在燃烧室顶部的点火头接线柱，点火头接线柱底部可拆卸连接式连接有点火头或电弧放电装置。

燃料液滴相位调整装置包括声学系统和声学系统位置调整装置。

声学系统包括声发生器和均与声发生器相连接的左扬声器和右扬声器。左扬声器设置在左舱段中，右扬声器设置在右舱段中。左扬声器和右扬声器的中心与燃料液滴位于同一轴线。

声学系统位置调整装置用于调节燃料液滴所处声波的相位。

燃烧室的两侧对称设置有两块可拆卸的观察窗。

高速摄影系统包括背景光源和高速摄像机。背景光源设置在其中一块观察窗的外侧，高速摄像机设置在另一块观察窗的外侧。

点火装置还包括点火头接线柱、点火头接线柱内压线螺母、点火头接线柱用绝缘陶瓷、点火头接线柱与燃烧室联接螺栓、点火头接线柱压紧螺母、点火头接线柱外压线螺母、内绝缘垫片和外绝缘垫片。

点火头接线柱用绝缘陶瓷同轴压紧套设在点火头接线柱的外周，点火头接线柱与燃烧室联接螺栓同轴压紧套设在点火头接线柱用绝缘陶瓷的中上部。点火头接线柱与燃烧室联接螺栓的上部设置有圆筒状外螺纹，点火头接线柱与燃烧室联接螺栓的下部设置有倒圆锥型外螺纹。

点火头接线柱压紧螺母螺纹连接在圆筒状外螺纹上，倒圆锥型外螺纹与燃烧室顶部设置的圆锥内螺纹密封螺纹连接。位于燃烧室外侧的点火头接线柱顶端上从下至上依次套设有外绝缘垫片和点火头接线柱外压线螺母，位于燃烧室内侧的点火头接线柱底端上从下至上依次套设有外绝缘垫片和点火头接线柱内压线螺母。

观察窗包括观察窗内框、观察窗外框和观察窗玻璃。观察窗外框安装在燃烧室壳体上，观察窗内框嵌套在观察窗外框中并通过内外框联接螺栓相连接，观察窗内框朝向观察窗外框的一侧设置有凹槽，用于嵌套观察窗玻璃。观察窗玻璃与观察窗内框和观察窗外框的接触面间均设置有垫片。

声学系统位置调整装置包括均与燃烧室轴线平行的左扬声器推杆和右扬声器推杆，左扬声器推杆的长度大于右扬声器推杆的长度。

左扬声器推杆的右侧端与左扬声器直接或间接连接，左扬声器推杆的左侧端从左端盖中伸出，并形成左扬声器推杆的左伸出端。左扬声器在左扬声器推杆的推动控制下，沿轴向移动。

右扬声器推杆的左侧端与右扬声器直接或间接连接，右扬声器推杆的右侧端从右端盖中伸出，并形成右扬声器推杆的右伸出端。右扬声器在右扬声器推杆的推动控制下，沿轴向移动。

当更换声波频率时，只需调整控制左扬声器推杆中左伸出端的长度和右扬声器推杆中右伸出端的长度，进而使得燃料液滴位于声波的驻波波节位置或波腹位置。

左扬声器推杆和右扬声器推杆均与燃烧室同轴设置。

左舱段内同轴设置有筒状的左扬声器支撑圈，左扬声器支撑圈外壁面与左舱段内壁面滑动配合。左扬声器同轴安装在左扬声器支撑圈的右侧端面上。左扬声器推杆的右侧端与左扬声器支撑圈的左侧端相连接。

右舱段内同轴设置有筒状的右扬声器支撑圈，右扬声器支撑圈外壁面与右舱段内壁面滑动配合。右扬声器同轴安装在右扬声器支撑圈的左侧端面上。右扬声器推杆的左侧端与右扬声器支撑圈的左侧端相连接。

注射器包括注射器腔体、注射器尾部螺纹套、活塞杆螺纹推力头、活塞、活塞杆、注射器头部螺纹套、导管和石英挂丝。

注射器腔体中同轴设置有顶端开口的燃料容纳腔。

注射器腔体的头部密封嵌套安装在燃烧室顶部，且伸入燃烧室内。注射器腔体头部中同轴设置有与燃料容纳腔相贯通的燃料喷注通道。

注射器头部螺纹套密封设置在燃料喷注通道底部。

导管顶端同轴密封插设在注射器头部螺纹套中，并与燃料喷注通道相连通。导管底端通过转接头与石英挂丝顶端相连接，石英挂丝底端用于悬挂燃料液滴。导管内径不超过1mm。

活塞密封滑动安装在燃料容纳腔中，并与活塞杆底端相连接。位于活塞下方的燃料容纳腔中填充有液体的燃料。

注射器尾部螺纹套同轴密封安装在燃料容纳腔的顶端开口处。注射器尾部螺纹套中同轴设置有顶端开口的活塞杆伸缩推进腔。活塞杆伸缩推进腔的内壁面设置有内螺纹。

活塞杆螺纹推力头同轴安装在活塞杆伸缩推进腔的顶端开口处，活塞杆螺纹推力头外壁面具有与活塞杆伸缩推进腔内壁面中内螺纹相匹配的外螺纹。活塞杆螺纹推力头底端通过滚子同轴套设在活塞杆的顶端。

当活塞杆螺纹推力头旋转时，能推动活塞杆及活塞沿轴向向下滑移，进而挤压活塞下方的燃料依次经过燃料喷注通道、导管和石英挂丝后，形成悬挂在石英挂丝底端的燃料液滴。

注射器尾部螺纹套和活塞杆螺纹推力头的材料均为不锈钢，注射器尾部螺纹套和活塞杆螺纹推力头之间形成的滑动螺旋副的许用应力能达到13Mpa。燃烧室内的压力适应环境为0-3MPa。

位于活塞下方的注射器腔体外壳上设置有液体燃料加注口，液体燃料加注口的外口为呈漏斗状的内凹圆锥面。液体燃料加注口上还设置有密封头和密封螺母。密封头具有球部和圆柱部。球部与液体燃料加注口的内凹圆锥面相切，液体燃料加注口的外口外壁面和圆柱部的外壁面均设置有外螺纹，分别与密封螺母螺纹连接。

一种高压和振荡环境下燃料液滴蒸发燃烧实验装置的使用方法，包括如下步骤。

步骤1、调整燃料液滴的相位：推动左扬声器推杆和右扬声器推杆，使得燃料液滴处于所要求的声波相位。

步骤2、营造压力环境：采用压力调节系统向压力容器内注入高压气体，同时采用压力测试系统实时监测压力容器内的环境压力，直至形成所需的高压环境。

步骤3、生成燃料液滴：旋转注射器上的活塞杆螺纹推力头，在石英挂丝头部生成燃料液滴。

步骤4、启动高速摄影：先调整高速摄影机的角度，使高速摄影机的镜头轴线与观察窗玻璃的几何中心、石英挂丝底端、背景光源位于同一轴线上。在步骤3的燃料液滴生成同时，

启动高速摄影机，开始记录试验现象。

步骤5、点火：触发电池放电，瞄准燃料液滴的点火头点燃，进而引燃燃料液滴。

步骤6、营造声学环境：首先设置声发生器的信号模式、振幅以及频率，为营造声学振荡环境做好准备。在完成点火后，迅速打开声发生器的信号输出按钮，通过左扬声器和右扬声器，将声学电信号转化为物理声波，进而在压力容器中营造出声学振荡环境。

步骤7、排除容器废气：整个实验过程中，均采用高速摄影机，记录试验现象。实验完成后，排出压力容器中的高压废气。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明能够在试验可视化的同时，观察窗可拆装，能方便更换点火头且点火方便。

2、本发明能够实现快速调节扬声器的相对位置，使燃料液滴处于需要的相位；两个舱段长度不同，其中左舱段较长，右舱段较短，可以满足不同频率下试验的要求。、

3、本发明能在高压环境下稳定悬挂的注射器能在较宽的压力范围内简便的实现挂滴操作，特别是可以简便的实现高压环境下的挂滴操作。

附图说明

图1显示了本发明一种高压和振荡环境下燃料液滴蒸发燃烧实验装置的正面立体图。

图2显示了本发明一种高压和振荡环境下燃料液滴蒸发燃烧实验装置的侧面立体图。

图3显示了本发明一种高压和振荡环境下燃料液滴蒸发燃烧实验装置的正面剖视图。

图4显示了本发明一种高压和振荡环境下燃料液滴蒸发燃烧实验装置的侧面剖视图。

图5显示了1000Hz时声学系统位置调整装置的相位调整过程示意图。

图6显示了1000Hz、800Hz和1250Hz时声学系统位置调整装置的相位调整对比图。

图7显示了本发明中注射器的放大结构示意图。

图8显示了本发明中观察窗的结构示意图。

图9显示了本发明中点火装置的结构示意图。

其中有：

1.左端盖；2.端盖定位销；3.端盖密封圈；4.端盖与舱段联接螺栓；

5.左扬声器与接线柱负极线；6.声发生器与接线柱左负极线；7.扬声器螺纹推杆保护罩与端盖联接螺栓；8.扬声器螺纹推杆保护罩密封圈；9.扬声器螺纹推杆限位螺母；10.左扬声器螺纹推杆保护罩；11.左扬声器螺纹推杆；12.左扬声器正极接线柱；13.声发生器与接线柱左正极线；14.扬声器接线柱外压线螺母；15.扬声器接线头；16.外绝缘纸片；17.扬声器接线柱压紧螺母；18. 绝缘陶瓷管；19.扬声器接线柱压紧螺母密封圈；20.扬声器接线柱用绝缘陶瓷垫片；21.内绝缘纸片；22.扬声器接线柱内压线螺母；23.左扬声器与接线柱正极线；24.扬声器螺纹推杆与扬声器支撑圈连接板；25.左扬声器支撑圈；26.左扬声器；

27.左舱段；28.舱段与燃烧室联接螺母；29.舱段定位销；30.燃烧室；31.注射器与燃烧室联接螺栓；32. 降压管道接头；33. 增压管道接头；34.右舱段；

35.右扬声器与接线柱正极线；36.声发生器与接线柱右正极线；37.右扬声器螺纹推杆保护罩；38.右扬声器螺纹推杆；39.声发生器与接线柱右负极线；40.右扬声器与接线柱负极线；

41.石英挂丝；42.石英挂丝与导管转接头；43.导管；44.点火头；45.点火头接线柱；46.点火头接线柱内压线螺母；47.点火头接线柱用绝缘陶瓷；48.点火头接线柱与燃烧室联接螺栓；49. 点火头接线柱压紧螺母；50点火头接线柱外压线螺母；51.电池正极导线；52.电池负极导线；53.电池；54.球头螺纹杆密封圈；55.球头螺纹杆；56.管道接头螺母；57.三通管接头；

58.注射器腔体；59.注射器头部螺纹套密封圈；60.注射器尾部螺纹套；61.活塞杆螺纹推力头；62.滚子；63.活塞杆密封圈；64.活塞杆限位螺母；65.活塞杆；66.活塞压紧螺母；67.活塞压紧螺母垫片；68.活塞上压板；69.活塞；70.活塞下压板；71.加压孔密封螺母；72.注射器密封圈；73.注射器头部密封圈；74.注射器头部螺纹套；

75.观察窗外框垫片；76.观察窗内框垫片；77.观察窗玻璃；78.观察窗内外框联接螺栓；79.观察窗内框；80.观察窗与燃烧室联接螺栓；81.观察窗外框；82.观察窗密封圈；83.扬声器与支撑圈联接螺栓；

84.燃料液滴；

85.计算机主机；86.显示器；87.压力传感器；88.压力传感器数据线；89.压力传感器显示器；90.降压管道；91.液体燃料加注口；92.加注口密封螺母；93.加注口密封头；94.增压管道；95.压力控制柜；96. 0-5MPa压力表；97. 压力容器截止阀；98. 0-20MPa压力表；99.减压阀；100. 高压气瓶截止阀；101.高压管道；102.扳手；103.高压气瓶；104. 带螺纹安装接口的压力表；105.仪器安装座；

106.高速摄影机；107.高速摄影机数据线；108.声发生器；109.仪器安装座密封帽；110.背景光源；111.废气排出管道；112.点火头接线柱内绝缘垫片；113. 点火头接线柱外绝缘垫片；

212.左扬声器负极接线柱；225.右扬声器支撑圈；226.右扬声器；245.点火头负极接线柱；281.后观察窗外框；312.右扬声器正极接线柱；412.右扬声器负极接线柱。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1至图4所示，一种高压和振荡环境下燃料液滴蒸发燃烧实验装置，包括压力容器、压力调节系统、压力测试系统、注射器、燃料液滴相位调整装置、点火装置和高速摄影系统。

压力容器包括燃烧室30、左舱段27、右舱段34、左端盖1和右端盖。

左舱段和右舱段均优选通过舱段与燃烧室联接螺母28、以及舱段定位销29同轴密封设置在燃烧室的左右两侧，且左舱段的长度大于右舱段的长度。

左端盖优选通过端盖定位销2、端盖密封圈3和端盖与舱段联接螺栓4密封盖合在左舱段的左侧端，右端盖优选通过端盖定位销、端盖密封圈和端盖与舱段联接螺栓密封盖合在右舱段的右侧端。

燃烧室30上方加工有安装注射器的孔且有两个用于联接加压装置的螺纹孔，前后加工有安装观察窗的孔，左右加工有安装舱段的孔。优选的，左舱段27和右舱段34设计成圆筒状，以适应左扬声器26、右扬声器226、左扬声器支撑圈25、右扬声器支撑圈225的圆形外形，并为其提供支撑且承载实验环境压力。

压力调节系统用于向压力容器内注入高压气体，并形成所需的高压环境。

上述压力调节系统主要由高压气瓶103、高压管道101、压力控制柜95、增压管道94、增压管道接头33、管道接头螺母56、三通管接头57、降压管道接头32、降压管道90、废气排出管道111、扳手102组成。优选的，将0-5MPa压力表96、压力容器截止阀97、0-20MPa压力表98、减压阀99、高压气瓶截止阀100安装在压力控制柜95上，可方便快捷的移动，以满足适应实验场地的需求。优选的，高压气瓶103提供高压气源，在压力控制柜95的控制下为压力容器中营造所需的压力环境。

压力测试系统用于实时监测压力容器内的环境压力。

压力测试系统主要由带螺纹安装接口的压力表104、压力传感器87、压力传感器数据线88和压力传感器显示器89组成的压力测试系统。优选的，实施例中采用带螺纹安装接口的压力表104和压力传感器87两种压力检测装置，以更加精确的测量上述压力容器中的压力。

注射器安装在燃烧室顶部，用于向燃烧室内提供悬挂的燃料液滴。

如图7所示，一种能使燃料液滴在高压环境下稳定悬挂的注射器，也即本发明的注射器，主要由注射器腔体58、注射器头部螺纹套密封圈59、注射器尾部螺纹套60、活塞杆螺纹推力头61、滚子62、活塞杆密封圈63、活塞杆限位螺母64、活塞杆65、活塞压紧螺母66、活塞压紧螺母垫片67、活塞上压板68、活塞69、活塞下压板70加压孔密封螺母71、注射器密封圈72、注射器头部密封圈73、注射器头部螺纹套74、石英挂丝41、石英挂丝与导管转接头42、导管43、液体燃料加注口91、加注口密封螺母92和加注口密封头93组成。

注射器腔体中同轴设置有顶端开口的燃料容纳腔，用于容纳液体燃料，其材料为304不锈钢，具有耐腐蚀、韧性好等优点，满足容纳正庚烷、酒精等不同种类液体燃料的需求。

注射器腔体的头部优选呈迷宫式密封嵌套安装在燃烧室顶部，且伸入燃烧室内。注射器腔体头部中同轴设置有与燃料容纳腔相贯通的燃料喷注通道。

注射器头部螺纹套密封设置在燃料喷注通道底部。

导管顶端同轴密封插设在注射器头部螺纹套中，并与燃料喷注通道相连通。导管底端通过转接头与石英挂丝顶端相连接，石英挂丝底端用于悬挂燃料液滴。导管内径不超过1mm，进一步优选为0.5mm。

活塞密封滑动安装在燃料容纳腔中，并与活塞杆底端相连接。位于活塞下方的燃料容纳腔中填充有液体的燃料。

注射器尾部螺纹套同轴密封安装在燃料容纳腔的顶端开口处。注射器尾部螺纹套中同轴设置有顶端开口的活塞杆伸缩推进腔。活塞杆伸缩推进腔的内壁面设置有内螺纹。注射器尾部螺纹套60通过自身外螺纹与注射器腔体58形成固定联接，且其中间为螺纹孔，规格为M20×1.5，与活塞杆螺纹推力头61上的外螺纹构成螺纹副。

活塞杆螺纹推力头同轴安装在活塞杆伸缩推进腔的顶端开口处，活塞杆螺纹推力头外壁面具有与活塞杆伸缩推进腔内壁面中内螺纹相匹配的外螺纹。活塞杆螺纹推力头底端通过滚子同轴套设在活塞杆的顶端。活塞杆65在活塞杆螺纹推力头61的推动下，并经过滚子62消除旋转后，沿注射器腔体58中心线做轴向运动，进一步的，带动活塞69做轴向运动。由于滚子62消除了旋转，活塞没有沿圆周方向的转动，减小了注射器腔体对活塞的磨损，增长了活塞的使用寿命。

活塞杆螺纹推力头61顶部设计有内六角盲孔，可以用内六角扳手使其转动，进一步使其与注射器尾部螺纹套60发生轴向运动，从而带动活塞杆做轴向运动。注射器尾部螺纹套60和活塞杆螺纹推力头61的材料均为不锈钢，在转动速度较低的情况下，钢-钢组合的滑动螺旋副许用应力可达13MPa。而所述导管43的内径仅为0.5mm，横截面积较小，因此在较高的压力下所传递的轴向力仍然较小，经过受力分析可知，本发明的注射器完全满足在密闭容器压力为3MPa时的挂滴操作。由于螺纹副的运动连续性较好，所以可以实现0-3MPa范围内任意压力环境下的挂滴操作。

注射器尾部螺纹套的底端面中心同轴设置有开口向下的活塞杆限位凹槽。活塞杆限位凹槽内从上至下依次设置有活塞杆密封圈和活塞杆限位螺母。活塞杆密封圈同轴密封滑动式套设在活塞杆外周，活塞杆限位螺母同轴间隙式套设在在活塞杆外周，且与活塞杆限位凹槽之间螺纹连接。

活塞杆限位螺母64通过螺纹联接固定在注射器尾部螺纹套60上，一方面限制活塞杆65的左右移动，保证活塞杆沿注射器腔体58中心线做轴向运动；另一方面压紧活塞杆密封圈63，以保证轴向密封的可靠性。

位于活塞下方的注射器腔体外壳上设置有液体燃料加注口，液体燃料加注口的外口为呈漏斗状的内凹圆锥面。液体燃料加注口上还设置有密封头和密封螺母。密封头具有球部和圆柱部。球部与液体燃料加注口的内凹圆锥面相切，液体燃料加注口的外口外壁面和圆柱部的外壁面均设置有外螺纹，分别与密封螺母螺纹连接。

上述燃料液体加注口91优选焊接在注射器腔体58，外口呈漏斗状的内凹圆锥面，便于向注射器腔体内加注燃料。加注口密封头93的球头与燃料液体加注口91的内凹圆锥面相切，且在加注口密封螺母92 的作用下压紧，形成紧密接触，实现良好的密封条件。通过加注口加注燃料液体，可以避免反复拆装注射器，节省了实验时间，减少了实验人员的体力劳动。

另外，采用注射器头部螺纹套密封圈59、注射器密封圈72和注射器头部密封圈73实现径向密封，保证密封的可靠性。

通过旋转活塞杆螺纹推力头61，可使其与注射器尾部螺纹套60发生相对运动，经过滚子62消除旋转并带动活塞杆65沿注射器轴向运动。进一步的，活塞杆65带动活塞69运动，从而将注射器腔体58中的燃料液体挤出。进一步的，被挤出的液体顺着注射器头部螺纹套74上的导管43，流经石英挂丝与导管转接头42，在表面张力的作用下在石英挂丝41头部形成燃料液滴84。优选的，注射器与燃烧室30通过6个注射器与燃烧室联接螺栓31进行联接，装配过程中，为了联接紧密要注意对紧。

点火装置用于燃料液滴的点火，可以实现密封条件下导电的要求。

如图9所示，点火装置包括点火头44、点火头接线柱45、点火头接线柱内压线螺母46、点火头接线柱用绝缘陶瓷47、点火头接线柱与燃烧室联接螺栓48、点火头接线柱压紧螺母49、点火头接线柱外压线螺母50、点火头接线柱内绝缘垫片112、点火头接线柱外绝缘垫片113、电池正极导线51、电池负极导线52和电池53。

点火头接线柱用绝缘陶瓷同轴压紧套设在点火头接线柱的外周，点火头接线柱用绝缘陶瓷47优选为特制绝缘陶瓷，其中间为圆孔，与点火头接线柱45形成过盈配合，且在装配时在点火头接线柱上涂胶，以保证联接的紧密性，保证与压力容器配合后的密闭密封良好。

上述点火头接线柱与燃烧室联接螺栓48材料为不锈钢，同轴压紧套设在点火头接线柱用绝缘陶瓷的中上部。其上部加工有圆筒状外螺纹，下部加工有倒圆锥型外螺纹。上部圆筒状外螺纹与点火头接线柱压紧螺母49配合，将点火头接线柱用绝缘陶瓷47的外圆锥面、与点火头接线柱与燃烧室联接螺栓48的内圆锥面压紧，并在螺纹上涂胶，使得配合紧密，形成良好的密封条件。下部倒圆锥型外螺用于与燃烧室上的圆锥内螺纹联接，在装配过程中越拧越紧，形成紧密配合，实现密封的要求。

位于燃烧室外侧的点火头接线柱顶端上从下至上依次套设有外绝缘垫片和点火头接线柱外压线螺母，位于燃烧室内侧的点火头接线柱底端上从下至上依次套设有外绝缘垫片和点火头接线柱内压线螺母。

上述点火头接线柱45材料为红铜，两端加工有螺纹，可以与压线螺母46、50配合压紧导线。

进一步，点火头接线柱用绝缘陶瓷47中上部有一段圆锥体外形，用于点火头接线柱与燃烧室联接螺栓48内部圆锥型面配合。

上述点火头接线柱内绝缘垫片112和点火头接线柱外绝缘垫片113的材质优选为纸，其作用是使得导线在压线螺母的作用下受力均匀。

将本发明的点火头接线柱安装在燃烧室上后，其上部与提供能量的电源连接，其下部与点火头导线连接，如通过电池正极导线51、电池负极导线52和电池53相连接。避免了点火装置中的导线直接与压力容器接触而对点火装置造成的影响，保证了密闭条件下点火的可靠性，同时实现了密封的要求。

上述点火头接线柱用绝缘陶瓷压紧螺母49和点火头接线柱与燃烧室联接螺栓48构成螺纹连接，将点火头接线柱用绝缘陶瓷47紧密压在中间，在满足承压的条件下，将位于点火头接线柱用绝缘陶瓷47中的点火头接线柱45和点火头接线柱与燃烧室联接螺栓48绝缘，进一步的与燃烧室30绝缘。在电池53被触发时，上述点火装置中形成闭合回路，可将点火头44头部点燃。

进一步，使用本发明的点火装置时，更换点火头较为方便，只需将与下部相连的旧的点火头取下，再将新的点火头与下部连接即可。无需进行整体拆装的操作，减少了对密封要求较高的联接部位的拆装，更好的保证了联接的可靠性，更节省了实验时间，提高了试验效率。

进一步，本发明的点火装置可以适应多种点火方式的需求，除了满足上述点火头点火的方式外，还可以满足电弧点火的需求。其操作为，将与接线柱下部连接的点火头更换为电弧放电装置即可，操作简单，使用方便。

一种高压和声学振荡环境下燃料液滴的相位调整装置，包括声学系统和声学系统位置调整装置。

声学系统主要由扬声器接线装置、声发生器108、声发生器与接线柱左负极线6、声发生器与接线柱左正极线13、左扬声器26、扬声器螺纹推杆与扬声器支撑圈连接板24、左扬声器支撑圈25、扬声器与支撑圈联接螺栓83、声发生器与接线柱右负极线39、声发生器与接线柱右正极线36、右扬声器226、右扬声器支撑圈225和扬声器螺纹推杆限位螺母9等组成。

优选的，扬声器通过扬声器与支撑圈联接螺栓83固定在扬声器支撑圈上，扬声器支撑圈外形呈圆筒状与上述舱段内部构成同轴关系，保证两个扬声器中心与燃料液滴84在同一轴线上。优选的，左扬声器螺纹推杆、右扬声器螺纹推杆设计成不同的长度，以快速调节液滴在驻波所处相位，扬声器螺纹推杆限位螺母9限制扬声器支撑圈的轴向位置。

左扬声器设置在左舱段中且与声发生器相连接，右扬声器设置在右舱段中且与声发生器相连接，用于向燃料液滴输出方向相反但振幅与频率相同的声波。左扬声器和右扬声器之间的轴向距离等于压力容器内声波的波长λ。

声学系统位置调整装置包括均与燃烧室轴线平行（优选均与燃烧室同轴）的左扬声器推杆和右扬声器推杆，左扬声器推杆的长度大于右扬声器推杆的长度。

左扬声器推杆为左扬声器螺纹推杆11，右扬声器推杆为左扬声器螺纹推杆38。左端盖左侧的左扬声器螺纹推杆上和右端盖右侧的右扬声器螺纹推杆上均套设有扬声器螺纹推杆限位螺母。

左扬声器推杆的右侧端与左扬声器直接或间接连接，左扬声器推杆的左侧端从左端盖中伸出，并形成左扬声器推杆的左伸出端。左扬声器在左扬声器推杆的推动控制下，沿轴向移动。左扬声器推杆保护罩10同轴套设在左扬声器推杆的左伸出端外周，并优选采用扬声器螺纹推杆保护罩与端盖联接螺栓7、以及扬声器螺纹推杆保护罩密封圈，与左端盖密封连接。

右扬声器推杆的左侧端与右扬声器直接或间接连接，右扬声器推杆的右侧端从右端盖中伸出，并形成右扬声器推杆的右伸出端。右扬声器在右扬声器推杆的推动控制下，沿轴向移动。右扬声器推杆保护罩37同轴套设在右扬声器推杆的右伸出端外周，并优选采用扬声器螺纹推杆保护罩与端盖联接螺栓7、以及扬声器螺纹推杆保护罩密封圈，与右端盖密封连接。

左舱段内同轴设置有筒状的左扬声器支撑圈，左扬声器支撑圈外壁面与左舱段内壁面滑动配合。左扬声器同轴安装在左扬声器支撑圈的右侧端面上。左扬声器推杆的右侧端与左扬声器支撑圈的左侧端相连接。

右舱段内同轴设置有筒状的右扬声器支撑圈，右扬声器支撑圈外壁面与右舱段内壁面滑动配合。右扬声器同轴安装在右扬声器支撑圈的左侧端面上。右扬声器推杆的左侧端与右扬声器支撑圈的左侧端相连接。

左端盖和右端盖上均设置有若干个扬声器接线装置，左扬声器和右扬声器分别通过对应的扬声器接线装置与声发生器相连接。每个扬声器接线装置均包括扬声器接线柱、外压线螺母、外绝缘纸片、压紧螺母、绝缘陶瓷管、压紧螺母密封圈、绝缘陶瓷垫片、内绝缘纸片和内压线螺母。绝缘陶瓷管同轴压紧套设在扬声器接线柱的中部外周，绝缘陶瓷管密封嵌套在左端盖或右端盖中。扬声器接线柱的两端均形成扬声器接线头。位于外侧的扬声器接线头上依次同轴套设有压紧螺母密封圈、压紧螺母、外绝缘纸片和外压线螺母。位于内侧的扬声器接线头上依次同轴套设有内绝缘纸片和内压线螺母。

优选的，扬声器接线柱用绝缘陶瓷管18将左扬声器正极接线柱12裹于内部，将左扬声器正极接线柱12于端盖绝缘，避免了信号的损失。扬声器接线柱压紧螺母17通过与左端盖1上螺纹配合，将扬声器接线柱用绝缘陶瓷管18压紧形成型面密封。

由上述扬声器接线装置、左端盖1、端盖密封圈3、扬声器螺纹推杆保护罩与端盖联接螺栓7、扬声器螺纹推杆保护罩密封圈8、左扬声器螺纹推杆保护罩10、仪器安装座105和仪器安装座密封帽109组成的端盖体。优选的，左端盖1上有两个仪器安装座105，为安装仪器提供了充足的接口，实施例中多余的接口用仪器安装座密封帽109密封。

当更换声波频率时，只需调整控制左扬声器推杆中左伸出端的长度和右扬声器推杆中右伸出端的长度，进而使得燃料液滴位于声波的驻波波节位置或波腹位置。

燃烧室的两侧对称设置有两块可拆卸的观察窗。

如图8所示，每块观察窗均优选包括观察窗外框垫片75、观察窗内框垫片76、观察窗玻璃77、观察窗内外框联接螺栓78、观察窗内框79、观察窗与燃烧室联接螺栓80、观察窗外框81和观察窗密封圈82 等。

观察窗玻璃77优选是一块特制的光学玻璃，其厚度为30mm，且透光度较好，满足观察试验现象的要求，并能承受一定的压力，当压力容器中压力为3MPa时仍能保证可靠性。

观察窗内框79材料优选为304不锈钢，上面铣有与观察窗玻璃77外形相同的槽，用于安装观察窗玻璃并限制其移动，使其保持理想而稳定的位置。在观察窗内框79上，除了铣有用于安装观察窗玻璃的槽外，还铣有与观察窗内框垫片76形状相同的槽，用于观察窗内框安装垫片76，其目的是保护观察窗玻璃77，避免冲击对观察窗玻璃造成的损害，同时保证接触紧密来满足密闭的要求。

观察窗外框81的材料优选为304不锈钢，上面铣有与观察窗内框79外形相同的槽，用于安装观察窗内框。在用于安装观察窗内框79的槽的底部，铣有与观察窗外框垫片75形状相同的槽，用于安装观察窗外框垫片75，其目的是保护观察窗玻璃77，并满足接触紧密实现密封的要求。

观察窗内框79与观察窗外框81通过8颗观察窗内外框联接螺栓78进行联接，使上述所有零件组成一个整体。在装配过程中，螺栓拧紧时要对角操作，以避免倾斜造成的联接不紧密。在向压力容器上安装的过程中，观察窗作为一个整体与压力容器配合，避免了直接接触观察窗玻璃而对其造成划伤、擦伤等损害，进一步的，增长了观察窗的使用寿命。观察窗的内外框之间通过螺栓进行联接，便于拆卸，因此便于对观察窗玻璃的清洗与更换，避免了胶粘装配方式中不宜更换观察窗玻璃而对整体造成的浪费。

由上所述，本发明的观察窗满足在一定压力环境下观察、记录试验现象的需求，并且结构简单，使用方便，便于清洗和更换部分零件，避免了因某一零件损坏而造成的整体浪费。

高速摄影系统包括高速摄影机106、高速摄影机数据线107、计算机主机85、显示器86、背景光源110。背景光源设置在其中一块观察窗的外侧，高速摄像机设置在另一块观察窗的外侧。

优选的，高速摄影机轴线与观察窗玻璃77几何中心、燃料液滴84、背景光源110在同一轴线上。

一种高压和振荡环境下燃料液滴蒸发燃烧实验装置的使用方法，包括如下步骤。

步骤1、调整燃料液滴的相位：推动左扬声器推杆和右扬声器推杆，使得燃料液滴处于所要求的声波相位。

本发明中，假设压力容器的优选设置尺寸为：燃烧室30轴向宽度为210mm，左舱段27长度为500mm，右舱段34长度为360mm，左端盖1和右端盖201厚度均为30mm；液滴84处于所述燃烧室30的中心位置；所述左扬声器26以及包含左扬声器螺纹推杆在内的支撑装置共580mm，右扬声器226以及包含右扬声器螺纹推杆在内的支撑装置共440mm。

一种高压和声学振荡环境下燃料液滴的相位调整方法，包括如下步骤：

步骤1、计算声波波长λ：根据声速c和试验待研究的声波频率f（优选为600Hz~1300Hz。），计算出声波波长λ。

步骤2、计算扬声器到燃料液滴的距离：根据燃料液滴所要求处于声波中的位置，分别计算出左扬声器到燃料液滴的距离a1和右扬声器到燃料液滴的距离a2。

当燃料液滴处于驻波波节位置时，则a1= a2=λ/2。当燃料液滴处于声波的左波腹位置时，则a1=λ/4，a2=3λ/4。当燃料液滴处于声波的右波腹位置时，则a1=3λ/4，a2=λ/4。

步骤3、计算燃料液滴到端盖外侧的距离：采用如下公式（1）计算燃料液滴至左端盖外侧的距离b1，采用如下公式（2）计算及燃料液滴至右端盖外侧的距离b2。其中：

公式（1）：b1=燃烧室轴向长度/2+左舱段轴向长度+左端盖厚度。

公式（2）：b2=燃烧室轴向长度/2+右舱段轴向长度+右端盖厚度。

步骤4、计算扬声器装置处于压力容器中的长度：采用如下公式（3）计算左扬声器装置处于压力容器中的长度d1，采用如下公式（4）计算右扬声器装置处于压力容器中的长度d2。其中：

公式（3）：d1= b1- a1。

公式（4）：d2=b2- a2。

步骤5、计算扬声器推杆的伸出端长度：采用如下公式（5）计算左扬声器推杆的左伸出端长度L1，采用如下公式（5）计算右扬声器推杆的右伸出端长度L2。其中：

公式（5）：L1=左扬声器装置总长度- d1，其中，左扬声器装置总长度为左扬声器右端面至左扬声器推杆左端面之间的总长度。

公式（6）：L2=右扬声器装置总长度- d2，其中，右扬声器装置总长度为右扬声器左端面至右扬声器推杆右端面之间的总长度。

步骤6、声学系统位置调整装置移动调整：推动左扬声器推杆，使得左扬声器推杆的左伸出端的长度等于步骤5计算的L1值。推动右扬声器推杆，使得右扬声器推杆的右伸出端的长度等于步骤5计算的L2值，则将使得燃料液滴处于所要求的声波位置。其中，左扬声器推杆的推动距离为右扬声器推杆推动距离的3倍。

本申请采用如下两个优选实施例，对本发明的高压和声学振荡环境下燃料液滴的相位调整方法，进行详细说明如下。

实施例1

如图5所示，当声速在340m/s、频率为1000Hz时，声波波长为340mm。附图中所涉及的尺寸单位均为mm。

（1）当液滴要求处于驻波波节时，首先，计算左右扬声器到液滴的距离：

340÷2=170（mm）

其次，计算液滴到左右端盖外侧的距离：

210÷2+500+30=635（mm）（左）

210÷2+360+30=495（mm）（右）

再次，计算扬声器装置处于密闭容器内的长度：

635-170=465（mm）（左）

495-170=325（mm）（右）

最后，计算扬声器螺纹推杆漏出端盖的长度：

580-465=115（mm）（左）

440-325=115（mm）（右）

即，当左扬声器螺纹推杆和右扬声器螺纹推杆漏在端盖外侧长度均为115mm时，使得液滴在声速为340m/s、频率1000Hz的声学环境中处于驻波波节的位置。

（2）当液滴要求处于附图5右侧波腹时，首先，计算左右扬声器到液滴的距离：

340÷4=85（mm）（右）

85×3=255（mm）（左）

其次，计算扬声器装置处于密闭容器内的长度：

495-85=410（mm）（右）

635-255=380（mm）（左）

最后，计算扬声器螺纹推杆漏出端盖的长度：

440-410=30（mm）（右）

580-380=200（mm）（左）

即，当右扬声器螺纹推杆漏在端盖外侧长度为30mm，且左扬声器螺纹推杆漏在端盖外侧长度为200mm时，使得液滴在声速为340m/s、频率1000Hz的声学环境中处于附图5驻波右侧波腹的位置。

（3）当液滴要求处于附图5左侧波腹时，首先，计算左右扬声器到液滴的距离：

340÷4=85（mm）（左）

85×3=255（mm）（右）

其次，计算扬声器装置处于密闭容器内的长度：

635-85=550（mm）（左）

495-255=240（mm）（右）

最后，计算扬声器螺纹推杆漏出端盖的长度：

580-550=30（mm）（左）

440-240=200（mm）（右）

即，当右扬声器螺纹推杆漏在端盖外侧长度为200mm，且左扬声器螺纹推杆漏在端盖外侧长度为30mm时，使得液滴在声速为340m/s、频率1000Hz的声学环境中处于附图5驻波左侧波腹的位置。

由上所述，通过计算测量扬声器螺纹推杆漏出端盖的长度，即可得知扬声器相对于液滴的位置。避免了拆开端盖调整好后扬声器位置再安装回端盖的操作，节省了实验时间，节省了实验人员的体力劳动。

实施例2

本实施例的一种高压和振荡环境下燃料液滴蒸发燃烧实验装置，其结构同实施例1，区别在于，本实施例用于在不同声学频率下的调节扬声器的相对位置。当研究不同声学频率下驻波波腹处的问题时，仅调节扬声器相对上一步的位置即可。为更加清晰的描述本实施例，结合附图6说明具体实施步骤：

当声速为340m/s、频率为1000Hz时，声波波长为340mm。当液滴处于右侧波腹时，其情况上述实施例1中（2）。

（1）当声速为340m/s、调整频率到800Hz时，波长仍为425mm。当研究右侧波腹处的情况时，首先计算左右扬声器到液滴的距离：

425-106=319（mm）（左）

其次，计算扬声器装置处于密闭容器内的长度：

495-106=389（mm）（右）

635-319=316（mm）（左）

最后，计算扬声器螺纹推杆漏出端盖的长度：

440-389=51（mm）（右）

580-316=264（mm）（左）

即，当右扬声器螺纹推杆漏在端盖外侧长度为51mm，且左扬声器螺纹推杆漏在端盖外侧长度为264mm时，使得液滴在声速为340m/s、频率800Hz的声学环境中处于右侧波腹的位置。

此时相对于实施例1中（2）而言，有：51-30=21（mm）

264-200=64（mm）

即，只需在实施例1（2）的基础上，将右扬声器螺纹推杆向端盖外侧拉出21mm、且将左侧扬声器螺纹推杆向外拉出64mm即可，调节过程中发现左侧扬声器移动的距离是右侧扬声器移动距离的3倍。

（2）当声速为340m/s、调整频率到1250Hz时，波长仍为272mm。当研究右侧波腹处的情况时，首先计算左右扬声器到液滴的距离：

272÷4=68（mm）（右）

272-68=204（mm）（左）

其次，计算扬声器装置处于密闭容器内的长度：

495-68=427（mm）（右）

635-204=431（mm）（左）

最后，计算扬声器螺纹推杆漏出端盖的长度：

440-327=13（mm）（右）

580-431=149（mm）（左）

即，当右扬声器螺纹推杆漏在端盖外侧长度为13mm，且左扬声器螺纹推杆漏在端盖外侧长度为149mm时，使得液滴在声速为340m/s、频率1250Hz的声学环境中处于右侧波腹的位置。

此时相对于实施例1中（2）而言，有：

13-30=-17（mm）（负号表示向端盖内侧移动）

149-200=-51（mm）（负号表示向端盖内侧移动）

（-51）÷（-17）=3

即，只需在实施例1（2）的基础上，将右扬声器螺纹推杆向端盖内侧推进17mm、且将左侧扬声器螺纹推杆向端盖内侧推进51mm即可，调节过程中发现左侧扬声器移动的距离仍是右侧扬声器移动距离的3倍。

由上所述，在不同频率下调节扬声器的位置时，只需调整扬声器螺纹推杆与上一步实验中的相对位置即可，从而实现快速调节。经过分析发现，在调整的过程中，左侧扬声器移动的距离是右侧扬声器移动距离的3倍，说明左舱段设计得比右侧舱段长是合理的，并基于这种关系和扬声器螺纹推杆长度的限制，本发明可以实现声学频率在600Hz-1300Hz范围内的声学条件下的实验。

步骤2、营造压力环境：采用压力调节系统向压力容器内注入高压气体，同时采用压力测试系统实时监测压力容器内的环境压力，直至形成所需的高压环境。

步骤3、生成燃料液滴：旋转注射器上的活塞杆螺纹推力头，在石英挂丝头部生成燃料液滴。燃料液体具有挥发性，为避免液滴长时间暴露在压力环境中挥发而造成误差，优选的，将液滴生成放在压力环境生成后。在挂滴过程中操作要缓慢柔和，动作太快可能会使挤出的液体在惯性作用下滑落，导致挂滴失败。

步骤4、启动高速摄影：先调整高速摄影机的角度，使高速摄影机的镜头轴线与观察窗玻璃的几何中心、石英挂丝底端、背景光源位于同一轴线上。在步骤3的燃料液滴生成同时，

启动高速摄影机，开始记录试验现象。

步骤5、点火：触发电池放电，瞄准燃料液滴的点火头点燃，进而引燃燃料液滴。

步骤6、营造声学环境：首先设置声发生器的信号模式、振幅以及频率，为营造声学振荡环境做好准备。在完成点火后，迅速打开声发生器的信号输出按钮，通过左扬声器和右扬声器，将声学电信号转化为物理声波，进而在压力容器中营造出声学振荡环境。

步骤7、排除容器废气：整个实验过程中，均采用高速摄影机，记录试验现象。实验完成后，排出压力容器中的高压废气。高压废气排出的目的，为了避免观察窗玻璃长期处于高压环境中发生变形对试验观测造成不良影响。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。