一种用于液态燃料莱顿效应研究的单液滴悬挂系统

摘要

本发明公开了一种用于液态燃料莱顿效应研究的单液滴悬挂系统，涉及液态燃料扩散燃烧技术领域，其特征在于，包括加热炉体、燃料液滴悬挂系统、伺服传输系统、控制箱、高速摄像系统、支架组件和软件控制及图像数据采集系统。本发明通过设计燃料液滴在发动机室内空气流模拟环境中的蒸发和燃烧，探明液态燃料在非壁面常压环境下莱顿效应对燃烧性能的影响，本发明所设计的系统具有液滴悬挂和传送稳定、宽温度加热控温能力强、防护装置保温效果好等优点，操控简单易行，功能性强，可实现非壁面常压环境下液态燃料莱顿效应、宽温度燃烧特性以及碳烟排放特性的研究。

说明书

技术领域

本发明涉及液态燃料扩散燃烧技术领域，尤其涉及一种用于液态燃料莱顿效应研究的单液滴悬挂系统。

背景技术

航空动力系统中，碳氢、醇类等液态航空燃料的燃烧组织形式多为扩散燃烧，燃料从注入燃烧室到燃烧发生时，由燃料喷射形成的雾化液滴与燃烧室的内部环境主要存在两类接触方式，一类是雾化液滴在燃烧室内热空气流中(非壁面条件)经历蒸发(包括液相加热、液-气相变)、着火、燃烧；另一类是雾化液滴碰撞燃烧室热壁面产生不同形式的动态行为而进行燃烧。由于热空气与热壁面导热系数的显著差异，两种接触方式下燃料的雾化蒸发、着火燃烧特性也因此不同。

目前，通过单液滴-热板碰撞试验已对液态燃料的燃烧特性有了较为系统性地认识，其中，发明专利CN111500326A公开了一种基于无莱顿效应的液态碳氢燃料低温稳定燃烧方法，考察了壁面碰撞下燃料莱顿效应对于燃烧性能的影响，在此基础上，迫切需要探究热空气流工况下莱顿效应对于燃料蒸发、燃烧特性的影响，为进一步解决恶劣工况下航空燃料的可靠着火、低污染稳定燃烧的工程瓶颈问题提供支持。然而，目前模拟热空气流条件的悬挂液滴燃烧技术存在悬挂液滴传送不稳定、液滴定位难控制、传送过程中的液滴控温效果差等缺点，不利于燃料液滴实际燃烧特性的研究，难以进行莱顿效应及其对燃烧特性影响的探究。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种悬挂液滴燃烧装置，为热空气流工况下莱顿效应对于燃烧性能的影响研究提供技术支撑。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于热空气流工况下液态燃料莱顿效应研究的单液滴悬挂系统，可模拟探究非壁面常压环境下液态燃料的莱顿效应、宽温度燃烧特性以及碳烟排放特性。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于液态燃料莱顿效应研究的单液滴悬挂系统，其特征在于，包括加热炉体、燃料液滴悬挂系统、伺服传输系统、控制箱、高速摄像系统、支架组件和软件控制及图像数据采集系统，其中，所述加热炉体的顶部开有圆柱形通孔用于悬挂液滴导入，所述加热炉体上设有观察视窗，所述高速摄像系统包括高速相机，所述高速相机设置于所述观察视窗一侧；所述燃料液滴悬挂系统包括滴液支杆和测温热电偶挂丝，所述测温热电偶挂丝安装在所述滴液支杆的一侧；所述伺服传输系统包括伺服控制器、直线模组丝杠和伺服电机，所述伺服传输系统安装在所述支架组件上，所述伺服传输系统与所述燃料液滴悬挂系统相连；所述加热炉体还包括加热器，所述加热器由所述控制箱中的温控单元控制。

进一步地，所述加热炉体为长方体结构，所述观察视窗有2个，2个所述观察视窗对称布置于所述加热炉体的正反两面，所述高速摄像系统还包括照明光源，所述高速相机和所述照明光源分别置于2个所述观察视窗一侧。

进一步地，所述加热炉体内还设有探针式热电偶，所述探针式热电偶与所述温控单元相连。

进一步地，所述燃料液滴悬挂系统还包括防护装置，所述防护装置在燃料液滴到达所述加热炉体内的目标位置时可以自动与所述滴液支杆脱离，使所述燃料液滴暴露于炉腔环境中。

进一步地，所述防护装置为双层石英玻璃管，所述双层石英玻璃管外表面涂覆隔热涂料。

进一步地，所述加热器为碳化硅加热棒，4根所述碳化硅加热棒对称嵌于所述加热炉体的左右两面。

进一步地，所述伺服传输系统还包括电机支座、联轴器和导轨，所述导轨上安装有行程开关。

进一步地，所述支架组件中布置有散热风扇，所述散热风扇用于试验后所述滴液支杆和所述测温热电偶挂丝的散热。

进一步地，所述加热炉体腔内的宽温度范围为25℃至1000℃。

进一步地，所述加热炉体腔内的环境压力为0.1MPa。

本发明针对现有悬挂液滴燃烧技术的方法局限性和拓展探究莱顿效应影响液态燃料燃烧性能的必要性，提出一种用于热空气流工况下液态燃料莱顿效应研究的单液滴悬挂系统，具有液滴悬挂和传送稳定、宽温度加热控温能力强、防护装置保温效果好等优点，操作控制简单易行，功能性强，可模拟探究非壁面常压环境下下液态燃料的莱顿效应、宽温度燃烧特性以及碳烟排放特性。与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、悬挂系统中采用的温度防护装置，可有效避免液态燃料在达到炉腔目标位置之前发生理化性质的变化，保证燃料体系蒸发燃烧前的稳定性。同时，采用上位机软件系统，实现炉体温度和燃料液滴温度的同步显示和监控，便于获取完善精准的数据信息。

2、在双层石英玻璃套管保护作用下，可降低悬挂液滴燃烧技术对于燃料液滴传送速度高的要求，避免悬挂液滴下降过程中的显著振荡以及掉落，满足不同表面张力和黏性的液态燃料如乙醇、煤油、柴油等的稳定悬挂、降落和定位，保证了试验的有效性和完成度。

3、液态燃料燃烧伴随的不完全燃烧产物特别是碳烟颗粒可附着于距离液滴试验目标位置不远处的双层石英玻璃套管上，可用于燃料碳烟排放特性的评估。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的一种用于液态燃料莱顿效应研究的单液滴悬挂系统的结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的一种用于液态燃料莱顿效应研究的单液滴悬挂系统的加热炉体局部结构示意图；

图3是是本发明的一个较佳实施例的一种用于液态燃料莱顿效应研究的单液滴悬挂系统的燃料液滴悬挂系统结构示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的85％煤油/15％乙醇燃料悬挂液滴的伴有显著碳烟颗粒形成的瞬态燃烧过程示意图；

其中，1-加热炉体，2-燃料液滴悬挂系统，3-伺服传输系统，4-控制箱，5-高速相机，6-照明光源，7-软件控制及图像数据采集系统，8-支架组件，9-散热风扇，10-观察视窗，11-加热器，12-圆柱形通孔，13-滴液支杆，14-测温热电偶挂丝，15-防护装置，16-燃料液滴。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，单液滴悬挂实验系统主要包括加热炉体1、燃料液滴悬挂系统2、伺服传输系统3、控制箱4、高速摄像系统(包括高速相机5和照明光源6)、软件控制和图像数据采集系统7。

燃料液滴悬挂系统2中的防护装置15使用双层石英玻璃管用于滴液支杆13上的燃料液滴16的温度防护，玻璃管外涂覆隔热涂料，避免燃料液滴16下降过程中受环境温度的影响，防护装置15到达加热炉体1内的目标位置后可自动脱离滴液支杆13，使燃料液滴16暴露于炉腔环境，便于高速拍摄。

加热炉体1为长方体结构，包含两个石英玻璃观察视窗10对称布置于加热炉体1的正反两面，4根加热器11对称嵌于炉体左右两面，加热器为碳化硅加热棒，加热炉体1的顶部中心开有圆柱形通孔12用于悬挂液滴导入。

高速摄像系统包括高速相机5和照明光源6，分别置于两个石英玻璃观察视窗10一侧，高速相机5拍摄焦点正对燃料液滴16在炉腔内的目标位置处。

支架组件8中布置有散热风扇9，用于试验后燃料液滴悬挂系统2中滴液支杆13和测温热电偶挂丝14的快速散热。

伺服传输系统3包含伺服控制器、直线模组丝杠、伺服电机、电机支座、联轴器和导轨。导轨上安装行程开关，用于零位、目标位置精确控制和安全保护。伺服传输系统3中滑块移动速度可调范围为0至500mm/s，伺服传输系统3采用进口20mm导程高精度丝杠，传输过程中，用于降低滴液支杆13下降过程中的震动。下降速度需同时考虑避免燃料液滴悬挂系统2下降过程中的震动和防护装置15的保温能力，在此基础上确定最高下降速度

温控单元由温控模块和K型热电偶组成。为使实验温度达到预期，在靠近加热炉体1的炉腔内液滴测试位置附近安装1支探针式热电偶(测温精度：±1℃)，热电偶与外部控温模块连接，根据设定温度与实际温度偏差，温控模块经过PID算法直输出加热控制信号，温控模块选用固态继电器输出形式，可以直接与加热器进行连接。

加热炉体1炉腔内的宽温度范围为室温25℃至1000℃，通过控制箱中的温控单元进行设定，加热炉腔内的环境压力为常压0.1MPa。炉腔内部及液滴温度均使用高灵敏度热电偶进行测试监控，液滴温度变化通过上位机软件显示并采集，可导出数据用于后续分析。

如图2所示，加热炉体1顶端开直径36mm的圆柱形通孔12用于燃料液滴悬挂系统2导入，炉体内部长宽高尺寸分别为：150*150*200mm，炉体外部长宽高尺寸为：270*270*400mm；

如图3所示，燃料液滴悬挂系统2主要包含滴液支杆13、防护装置15以及测温热电偶挂丝14。

本发明的实施步骤：

首先，接通控制箱4的电源，设定加热炉体1的加热温度，当加热炉体1内提升至实验温度时，用医用注射泵将同一大小的燃料液滴16在同一位置处注射附着于测温热电偶挂丝14上，并将防护装置15复位(视为零位)，完全罩住燃料液滴16，准备试验；

随后，按动控制箱4下降键，启动伺服传输系统3，以设定速度将悬挂液滴稳定输送至加热炉体1正面石英玻璃观察视窗内(视为目标位置)，防护装置15到达加热炉体1内的目标位置后可自动脱离滴液支杆13，使燃料液滴16暴露于炉腔环境，视窗一面采用LED照明光源补光照明，另一正对面采用高速COMS相机对悬挂液滴在炉腔内的蒸发、着火和燃烧过程进行同步拍摄，相机空间分辨率为512×512像素点，根据悬挂液滴全寿命时间设置不同成像速度，包括200、500或1000帧每秒；在此过程中，通过温度采集软件记录燃料液滴16的温度数据；

最后，当悬挂液滴蒸发、燃烧完成后，按动控制箱4上升键，将燃料液滴悬挂系统2缓慢传送返回零位，并开启散热风扇9降温，待温度降至室温时，即可按上述步骤进行下一次试验。

通过悬挂液滴试验可提取试验燃料的特征燃烧参数，包括蒸发时间，着火延迟时间以及燃烧持续时间等，用于验证非壁面常压环境下抑制液态燃料莱顿效应对于增强燃烧和降低污染物排放的促进作用。

实施例1：

本实施例考察了一个典型煤油/乙醇燃料悬挂液滴的燃烧特性，具体步骤如下：

步骤一、向燃料瓶中加入乙醇，质量百分含量为15％；

步骤二、向上述添加乙醇的燃料瓶中加入RP-3航空煤油，质量百分含量为85％；

步骤三、采取简单的物理方式将燃料瓶中的燃料组分混合均匀，即可得到相应的85％煤油/15％乙醇二元复合燃料，此处采取的物理方式可以是但不限于：手动摇匀和静置扩散。

本实施例采用本发明设计的单液滴悬挂系统探究热空气流工况下燃料悬挂液滴的蒸发、着火和燃烧特性。进一步地，基于发明专利CN111500326A公开的一种基于无莱顿效应的液态碳氢燃料低温稳定燃烧方法，通过在燃料体系中添加不同比例、类型的燃烧促进剂，可进一步探究热空气流工况下抑制莱顿效应对于改善燃料蒸发、燃烧特性的作用。

如图4所示，本实施例中85％煤油/15％乙醇悬挂液滴的燃烧温度为855℃；着火延迟时间时间为2876ms；燃烧后期伴随清晰可见的黑色碳烟轮廓，燃烧结束后玻璃管壁残留黑色颗粒；而由于二元燃料组分莱顿效应的客观存在，抑制液滴组分在莱顿温区内的液相加热、液-气相变以及蒸汽扩散，使得蒸发时间在670℃至820℃温区内呈现负增长行为。

实施例2：

本实施例考察了一种含增强剂的煤油/乙醇改性燃料悬挂液滴的燃烧特性，具体步骤如下：

步骤一、向燃料瓶中加入乙醇，质量百分含量为13.5％；

步骤二、向上述添加乙醇的燃料瓶中加入RP-3航空煤油，质量百分含量为76.5％；

步骤三、向上述添加煤油/乙醇的燃料瓶中加入发明专利申请CN112984504A中公开的浓度为4M的二乙基甲氧基硼烷溶液，质量百分含量为10％；

步骤四、采取简单的物理方式将燃料瓶中的燃料组分混合均匀，即可得到相应的煤油/乙醇改性燃料，此处采取的物理方式可以是但不限于：手动摇匀和静置扩散。

本实施例采用本发明设计的单液滴悬挂系统测试热空气流工况下煤油/乙醇改性燃料悬挂液滴的蒸发、着火和燃烧特性以说明增强剂驱动下的燃料莱顿效应抑制作用及其对宽温度燃烧特性的促进作用。

实施例2与作为对比的实施例1相比，含增强剂的煤油/乙醇改性燃料的着火温度、着火延迟时间和蒸发时间均同步降低；855℃燃烧温度时的着火延迟时间降低约500ms；670℃至820℃特征温区内的蒸发时间负增长行为消失，原负增长特征温度735℃时的蒸发时间降低约43.7％(7211ms vs.11203ms)，表明非壁面环境下增强剂对于由低导热空气及基底燃料组分局部蒸汽层支配的莱顿效应的有效抑制。进一步地，燃烧后期伴随的碳烟排放明显减弱，突出改性燃料在发动机相关室内非壁面环境中低污染、完全燃烧的趋势。

综上，本发明通过液滴防护装置的优化设计，能够有效保证燃料液滴的稳定悬挂和传输过程中理化性质不发生变化，常压下温度可控的炉腔环境可模拟恶劣工况下发动机燃烧室内的空气流环境，为探究非壁面常压环境下燃烧促进剂对于液态燃料的蒸发传热和燃烧性能的增强作用提供试验条件，可服务于基于液态航空燃料宽温度燃烧稳定性提升和污染物排放有效控制的燃料反应性设计研究。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。