一种可变边界条件的微尺度爆震系统技术方案

本发明专利技术提出一种可变边界条件的微尺度爆震系统，包括滑轨组件、可滑动DDT段、障碍物销钉和光滑壁面组件。该装置使用可滑动的DDT段与可更换的障碍物销钉，可以对爆震管中DDT段的位置与障碍物的形状进行改变，从而实现在使用过程中根据情况随时调整装置的爆震边界。该类型装置在国内外尚属首创，具有结构简单、使用方便、可以较好地适应变化的使用环境、提高燃烧效率并节约时间与成本等优势。可在爆震推进、热喷涂及爆震研究领域得到应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及爆震燃烧和微尺度爆震应用领域，具体为可变边界条件的微尺度爆震系统。
技术介绍
燃烧作为一种释放能量的氧化反应，一直都在被人类研究和利用着，并作为目前社会能源与动力的主要来源。燃烧包括许多形式，如果按化学反应传播的特性和方式，可以分为强烈热分解、缓燃和爆震等形式。目前，在实际应用中最普遍的燃烧方式是缓燃燃烧，这一燃烧方式经过长时间的研究，其潜力已基本上得到了充分的挖掘，采用缓燃的热机效率很难进一步提高。因此，采用爆震燃烧的动力装置因为其燃烧过程中很高的热效率及较低的熵增，成为当前研究的热点。由于爆震燃烧过程过于剧烈，对其应用的设想主要集中于航空航天喷气推进装置与热喷涂方面。爆震燃烧的理论热循环效率明显优于缓燃。但是，由于爆震波固有的不稳定性，其可燃极限要窄于缓燃燃烧，正常起爆的条件也较为苛刻。因此，对于爆震反应装置，保证爆震波的起始与正常传播有着重要意义。爆震的可燃极限主要受到压力、管径、温度和爆震管内壁粗糙程度影响。不同的条件下，爆震极限不同。尤其是对于微尺度爆震，由于其燃烧过程受壁面传热的影响较大，故其爆震极限受爆震管尺寸、壁面粗糙度及阻塞比等因素影响较大。通过对爆震管进行微调，可以较明显地改变爆震装置的工作边界。同时，如何稳定、有效地产生爆震波也是爆震装置研究与应用的难点之一。爆震波的起始可通过直接起爆、缓燃向爆震转变(Deflagration-to-DetonationTransition，简称DDT)和激波聚焦起爆(Shock-to-DetonationTransition，简称SDT)等几种方式实现。其中直接起爆对巨大点火能量的需求和激波聚焦起爆过度复杂的点火控制装置使得目前这二者很少得到应用；而可以利用较小的点火能量和简单的DDT段有效地产生爆震波的DDT过程则成为了当前主流的爆震起始手段。然而，DDT段在一定程度上会降低爆震装置的放热效率。因此，如何尽可能减少DDT段带来的能量损失，是爆震燃烧装置设计中面临的主要问题之一。在航空航天推进领域与热喷涂等领域，微尺度爆震有着较为广泛的应用前景。但在极端工况下，爆震的不稳定性可能导致装置失效。而目前国内外尚未出现可以改变微尺度爆震边界条件的爆震装置。因此，设计一套可以灵活地改变爆震管尺寸及爆震管中DDT段障碍物种类与位置，从而改变其工作边界条件的爆震装置，对于其实现在多种环境下，尤其是在极端环境下的正常、高效工作有着重要意义。
技术实现思路
要解决的技术问题相对于目前广泛应用的缓燃燃烧而言，爆震燃烧虽然有着更高的热循环效率，但其正常起爆的边界条件却相对较窄。在压力、温度较低，或当量比超出可燃极限的情况下，需要改变爆震管壁面粗糙度或爆震管直径才能够保证其正常工作。但壁面粗糙度的增加会降低爆震波的传播速度，在一些工况下会产生效率的损失。由于传热等因素的影响，这一局限在微尺度爆震燃烧装置中更加明显。为解决高放热效率与宽可爆范围不兼容的问题，本专利技术提出了在方形爆震管中使用带可调整安装位置的滑轨组件、可滑动DDT段和障碍物销钉的爆震装置，从而实现对爆震装置壁面粗糙度、爆震管阻塞比和爆震管尺寸的灵活调整，可以应用于爆震推进、热喷涂装置及爆震实验领域。本专利技术的技术方案为：一种可变边界条件的微尺度爆震系统，包括滑轨组件、可滑动DDT段、障碍物销钉和光滑壁面组件，其特征在于：光滑壁面组件通过螺栓直接安装在滑轨组件上，提供爆震管前后壁面；可滑动DDT段通过燕尾槽安装在滑轨组件上，位于方形爆震管中部的上下壁面内，可沿爆震管轴向滑动并从装置右端滑出；障碍物销钉固定于可滑动DDT段上的销钉孔上。通过改变滑轨组件的安装位置、可滑动DDT段的位置与障碍物销钉的种类，在使用时，可以快速改变爆震管阻塞比与壁面粗糙度，并在一定范围内调整DDT段位置与爆震管尺寸，从而扩大爆震系统可以正常工作的工况范围，使之在正常工况下的工作效率得到提高，而在贫富油极限附近和低压、低温等极端工况下亦可正常工作。所述滑轨组件由长方形钢板制成，分上下两部分；长方形钢板上设有用于安装可滑动DDT段的滑轨，滑轨截面为燕尾形，与可滑动DDT段相配合；滑轨组件的上下两侧分别有一排用于安装于光滑壁面组件的螺栓孔，通过改变安装位置，上下两部分滑轨组件之间的距离可以改变，从而使得爆震槽道宽度发生变化。所述可滑动DDT段分为上下两部分，分别通过燕尾槽安装于滑轨组件的上下滑轨上，两部分形状相同，厚度与滑轨组件一致，两部分的间距会随上下滑轨组件位置的改变而改变；可滑动DDT段的上下两部分之间为爆震管槽道，方形爆震管的另外两个壁面由光滑壁面组件提供；其上靠近槽道的一面开有用于安装障碍物销钉的销钉孔，而其另一表面刻有刻度，可以在实验中测量其相对滑轨组件的位置；上下可滑动DDT段相互独立，且均可在滑轨上自由滑动。所述障碍物销钉上端为圆形，用于将障碍物销钉固定在可滑动DDT段上；中部为三角形，三角形底部平面与爆震管管壁平齐，其底部平面上加工出实验所使用的障碍物；通过更换不同种类、尺寸及数量的障碍物销钉，可以改变爆震管内壁面的粗糙度与爆震管的阻塞比，从而适应不同的工况。所述光滑壁面组件由长方形钢板制成，其内壁面要求有较高的光滑度，在该装置用于实验组件时，可使用有机玻璃或石英玻璃等透明材质；光滑壁面组件通过螺栓固定于滑轨组件的前后两侧，其上的两排螺栓孔为槽道形，螺栓处于未拧紧状态时可在其中滑动，而其在拧紧状态时位置固定不变，从而保证滑轨组件的安装位置可调；光滑壁面组件用于提供爆震管的前后光滑壁面，并可提供实验中高速摄影、纹影法等测量手段所需的视窗。所述可滑动DDT段、障碍物销钉和光滑壁面组件之间相互接触的加工面必须具有较高的加工精度，并在部分位置使用过盈配合，以保证爆震槽道具有良好的气密性。有益效果采用本专利技术提供的可变边界条件的微尺度爆震系统，通过灵活地改变滑轨组件和可滑动DDT段位置，以及障碍物销钉种类，可以根据应用需求及工作环境改变爆震装置的工作边界条件或获得最高效率。本系统只需改变滑轨组件安装位置、可滑动DDT段位置和障碍物销钉，就可通过对其进行排列组合实现多种爆震管样式，相对于传统的爆震系统可更好地适应多变的工作环境。因为无需更换整个爆震管即可适应不同工况，尤其在是航空航天推进装置中经常出现的低压、低温工况，在气源供给不足的条件下也可通过调整工作极限以保证正常工作，因此在成本上有着显著的优势。同时，若将其作为实验系统，在一系列相关的实验中，可以根据阶段性实验结果直接对相关尺寸进行调整，而无需重新加工，从而节省时间，提高实验效率。附图说明图1：本专利技术的系统示意图图2：滑轨组件示意图图3：可滑动DDT段示意图图4：光滑壁面组件示意图图5：几种障碍物销钉示意图其中，1-1为可滑动DDT段，1-2为障碍物销钉，1-3为滑轨组件，1-4为障碍物销钉孔，1-5为螺栓孔，1-6为爆震槽道，1-7为光滑壁面组件，1-8为螺栓，1-9为刻度。具体实施方式下面结合具体实例和附图对本专利技术作进一步描述一种可变边界条件的微尺度爆震系统，各部分组件按照附图1中所示的结构进行组装，如附图1所示方向，左侧为爆震装置头部，右侧为爆震装置尾部，点火装置应安装于头部。安装完成后，如需要更换障碍物销钉1-2而不改变爆震槽道1-6的尺寸，仅需将对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可变边界条件的微尺度爆震系统，包括滑轨组件、可滑动DDT段、障碍物销钉和光滑壁面组件，其特征在于：光滑壁面组件通过螺栓直接安装在滑轨组件上，提供爆震管前后壁面；可滑动DDT段通过燕尾槽安装在滑轨组件上，位于方形爆震管中部的上下壁面内，可沿爆震管轴向滑动并从装置右端滑出；障碍物销钉固定于可滑动DDT段上的销钉孔上。

【技术特征摘要】
1.一种可变边界条件的微尺度爆震系统，包括滑轨组件、可滑动DDT段、障碍物销钉和光滑壁面组件，其特征在于：光滑壁面组件通过螺栓直接安装在滑轨组件上，提供爆震管前后壁面；可滑动DDT段通过燕尾槽安装在滑轨组件上，位于方形爆震管中部的上下壁面内，可沿爆震管轴向滑动并从装置右端滑出；障碍物销钉固定于可滑动DDT段上的销钉孔上。2.根据权利要求1所述的一种可变边界条件的微尺度爆震系统，其特征在于：通过改变滑轨组件的安装位置、可滑动DDT段的位置与障碍物销钉的种类，在使用时，可以快速改变爆震管阻塞比与壁面粗糙度，并在一定范围内调整DDT段位置与爆震管尺寸，从而扩大爆震系统可以正常工作的工况范围，使之在正常工况下的工作效率得到提高，而在贫富油极限附近和低压、低温等极端工况下亦可正常工作。3.根据权利要求1所述的一种可变边界条件的微尺度爆震系统，其特征在于：所述滑轨组件由长方形钢板制成，分上下两部分；长方形钢板上设有用于安装可滑动DDT段的滑轨，滑轨截面为燕尾形，与可滑动DDT段相配合；滑轨组件的上下两侧分别有一排用于安装于光滑壁面组件的螺栓孔，通过改变安装位置，上下两部分滑轨组件之间的距离可以改变，从而使爆震槽道宽度发生变化。4.根据权利要求1所述的一种可变边界条件的微尺度爆震系统，其特征在于：所述可滑动DDT段分为上下两部分，分别通过燕尾槽安装于滑轨组件的上下滑轨上，两部分形状相同，厚度与滑轨组件一致，两部分的间距会随上下滑轨组件位置的改变...

【专利技术属性】
技术研发人员：范玮，迟烨青，何建男，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61