本发明专利技术公开了一种实现湍流火焰和冲击波的可视化定容燃烧试验装置，包括燃烧弹体、燃料供给系统、加热系统、点火系统、高速摄影系统、进排气系统、压力采集系统、同步控制器和单片机控制系统；还包括有一组孔隙率和孔径不同的孔板，每次试验时，在燃烧弹体横断面上通过孔板插槽设置有上述其中一块孔板。本发明专利技术以氢气作为燃料，通过加装不同孔径和孔隙率的孔板，来实现不同强度的湍流火焰，并产生可见冲击波。研究反射冲击波与火焰的相互作用，及其对缸内压力波动的影响。理论上为封闭空间中压力波动现象以及小型强化汽油机的爆震问题提供思路。除此之外，本发明专利技术实现整个燃烧室全透明可视化，能够清晰直观地拍摄到整个火焰发展过程。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于湍流燃烧、内燃机燃烧
，尤其涉及一种用于研究湍流火焰和冲击波相互作用以及冲击波诱导末端气体自燃的试验装置，主要用于研究点火后，湍流火焰和冲击波的相互作用、冲击波诱导末端气体自燃及其对缸内压力波动的影响。
技术介绍
为了进一步提高发动机效率、经济性能和动力性能，通过增压、提高压缩比等手段来实现发动机小型强化得到广泛应用。发动机爆震是制约发动机小型强化技术的主要瓶颈，爆震会使发动机缸内压力大幅振荡，输出功率、热效率降低，发动机经济性和动力性大打折扣，甚至损坏发动机。一般认为爆震是由于末端气体自燃产生的，自燃是指火花塞正常点火，混合气开始燃烧，在火焰锋面传播到整个燃烧室之前，燃烧室末端的混合气体自发着火的现象。湍流火焰产生冲击波，诱导末端气体急剧燃烧并导致巨大的能量释放，引起缸内压力波动。本质上，发动机的爆震总是伴随着火焰和冲击波的相互作用以及末端混合气急剧的能量释放。因此，探索火焰和压力波的相互作用有着重要的意义，这是揭示爆震机理的关键。Xiao等人通过试验研究了在封闭管路中郁金香火焰的动力学问题。他们发现压力波会导致火焰周期性减速，以及火焰传播速度的振荡和压力增长率是一致的。但是他们没有获得直观的图像来阐释火焰和冲击波之间的相互作用。在快速压缩机和光学发动机中的许多实验证明爆震时气缸内存在末端气体自燃和爆轰现象，爆轰火焰传播速度在1500-2300m/s之间，接近Chapman-Jouget速度。但是在这些实验中压力波或者冲击波没有被清晰地观察到，而且自燃产生的原因没有得到充分的解释。汽油机的实际循环过程比较复杂，直接在汽油机上进行末端气体自燃的研究比较困难，鉴于汽油混合及燃烧的时间很短，可以认为汽油机的燃烧过程为定容燃烧，因此，定容燃烧弹是模拟汽油机燃烧的最有效工具。国内外已经有很多学者在定容燃烧弹中进行了汽油机燃烧过程的试验模拟研究。但是对于湍流火焰和冲击波的相互作用、末端气体自燃以及爆震的研究很少。北京工业大学、北京理工大学分别专利技术了内置横隔板定容燃烧室，其采用内置横隔板，将燃烧室分为上、下两个燃烧室，上燃烧室用于火花点燃燃烧研究，下燃烧室用于压燃燃烧或引燃燃烧研究。但是，二者均不能产生冲击波与火焰相互作用的现象，进而研究其对缸内压力波动的影响。
技术实现思路
由于汽油机内的燃烧属于中低雷诺数湍流燃烧，而在定容燃烧弹中产生的火焰属于层流火焰范畴。本专利技术在定容弹横断面上加装孔板使得层流火焰转变为湍流火焰，通过调节孔板孔径和孔隙率来产生不同强度的湍流火焰。由于氢气的性质活泼，火焰传播快，易于产生冲击波，本专利技术采用氢气-空气混合气作为燃料。提供一种研究湍流火焰和冲击波相互作用以及冲击波诱导末端气体自燃的实验装置。采用不同的孔板产生不同强度的湍流火焰和冲击波，研究不同强度湍流火焰和冲击波的相互作用、冲击波对末端气体自燃的影响，以及末端气体自燃对缸内压力波动的影响，理论上为封闭空间中压力波动现象以及小型强化汽油机的爆震问题提供思路。为了解决上述技术问题，本专利技术提出的一种实现湍流火焰和冲击波的可视化定容燃烧试验装置，包括燃烧弹体、燃料供给系统、加热系统、点火系统、高速摄影系统、进排气系统、压力采集系统、同步控制器和单片机控制系统；所述燃烧弹体的外形为是一长方体，所述燃烧弹体的腔体为一圆柱形腔体，所述圆柱形腔体的前后端面分别安装对称布置的前视窗和后视窗，所述前视窗和所述后视窗均为一块椭圆形的石英玻璃，圆柱形腔体的一端侧壁的中心位置设有火花塞孔，所述火花塞孔的下方设有进气孔，圆柱形腔体的另一端通过法兰安装有封堵板，所述封堵板与所述圆柱形腔体之间设有轴向挡环，所述封堵板的中心位置设有排气管，所述排气管上设有泄压阀和排气孔，所述圆柱形腔体的上端安装有高频缸压传感器、压力变送器和温度变送器；所述加热系统包括外部加热器和内部加热器，所述外部加热器采用压缩空气加热器，加热的最高温度为400℃，所述内部加热器由分别布置在所述燃烧装置顶面和底面的1000W的陶瓷加热板构成，所述陶瓷加热板中布置有热电偶，将加热温度数值反馈给所述单片机，控制电磁继电器实现电源的开断，从而使燃烧弹温度保持恒定；所述点火系统包括12V直流电源、脉冲发生控制电路、点火线圈和火花塞，所述火花塞安装在燃烧弹的火花塞孔中，所述单片机控制所述火花塞点火；所述高速摄影系统采用250K帧/秒以上的高速摄像机，通过前视窗直接拍摄末端气体的自燃和火焰的传播；所述前视窗和后视窗形成一相通的光路；结合纹影法拍摄缸内压力波的传播；所述压力采集系统由安装在所述圆柱形腔体上端的高频缸压传感器构成，所述高频缸压传感器与所述封堵板的距离为35mm，所述高频缸压传感器的探头与所述圆柱形腔体的顶壁面平齐；所述单片机控制系统包括单片机、驱动器、执行器和信号反馈系统；所述执行器包括与驱动器相联的点火器、喷油器和用于控制排气的第一电磁继电器、用于控制进气的第二电磁继电器、用于控制陶瓷加热板的第三电磁继电器、用于控制高速摄像机的第四电磁继电器和用于控制泄压阀的第五电磁继电器；所述高频缸压传感器依次通过信号输出线、电荷放大器和采集卡连接至所述单片机，所述单片机结合Labview软件记录和处理数据；该可视化定容燃烧试验装置还包括有一组孔板，该组孔板中各孔板板面上设置有孔隙率分别为6％、12％、18％及24％，孔径分别为1.5mm、2.5mm、3.5mm及4.5mm的圆孔；在圆柱形腔体内、且垂直于圆柱形腔体轴线的位置通过孔板插槽设置有上述其中一块孔板。利用上述实现湍流火焰和冲击波的可视化定容燃烧试验装置进行试验，包括以下步骤：步骤一：将其中一块孔板安装在燃烧弹腔体中部孔板插槽内；步骤二：将可视化定容燃烧试验装置连接好，检查燃烧弹腔体内部，确保清洁，将前视窗和后视窗擦拭干净，确保燃料供给系统、加热系统、点火系统、高速摄影系统、进排气系统、压力采集系统以及单片机控制系统准备就绪；步骤三：预先通过分压法计算出试验工况所需的空气和氢气的压力，打开空气通路，关闭氢气通路；触发单片机，控制进气通道上的进气阀开启，向燃烧弹腔体内充入空气，充入空气后压力变送器测得燃烧弹腔体内的压力信号，经A/D模数转换器转换为数字信号传给单片机，所述单片机分析计算后与设定值比较；当压力值达到设定值时，单片机经驱动器发出信号，由第二电磁继电器关闭进气通道上的电磁阀；打开氢气通路，关闭空气通路；触发单片机，控制进气通道19上进气阀25开启，向燃烧弹体内充入氢气至目标压力；步骤四：接通陶瓷加热板，对燃烧弹腔体内部的压缩空气进行加热；热电偶、温度变送器测得燃烧弹腔体内部温度信号，经A/D模数转换器转换为数字信号，传给单片机，单片机分析计算后与设定值比较，当温度值达到设定值时，单片机经驱动器发出信号，控制第三电磁继电器断开加热电路，停止对燃烧弹腔体内部的压缩空气加热；步骤五：燃烧弹腔体内部气体达到所设定的压力和温度后，手动触发单片机发出信号，经驱动器传给点火线圈，控制火花塞点火；与此同时，单片机触发信号，经驱动器传给第四电磁继电器，使高速摄影机工作，拍摄火焰传播图像，并且数据采集系统记录燃烧弹腔体内压力、温度；步骤六：通过前视窗观察到燃烧完成后，手动触发单片机发出信号，由第一电磁继电器打开排气孔上的排气阀本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种实现湍流火焰和冲击波的可视化定容燃烧试验装置，包括燃烧弹体(4)、燃料供给系统、加热系统、点火系统、高速摄影系统、进排气系统、压力采集系统、同步控制器和单片机控制系统；所述燃烧弹体(4)的外形为是一长方体，所述燃烧弹体(4)的腔体为一圆柱形腔体(17)，所述圆柱形腔体(17)的前后端面分别安装对称布置的前视窗(7)和后视窗(10)，所述前视窗(7)和所述后视窗(10)均为一块椭圆形的石英玻璃，圆柱形腔体(17)的一端侧壁的中心位置设有火花塞孔(18)，所述火花塞孔(18)的下方设有进气孔(19)，圆柱形腔体(17)的另一端通过法兰(21)安装有封堵板(22)，所述封堵板(22)与所述圆柱形腔体(17)之间设有轴向挡环(20)，所述封堵板(22)的中心位置设有排气管，所述排气管上设有泄压阀(9)和排气孔(8)，所述圆柱形腔体(17)的上端安装有高频缸压传感器(1)、压力变送器(2)和温度变送器(3)；所述加热系统包括外部加热器和内部加热器，所述外部加热器采用压缩空气加热器，加热的最高温度为400℃，所述内部加热器由分别布置在所述燃烧装置顶面和底面的1000W的陶瓷加热板构成，所述陶瓷加热板中布置有热电偶，将加热温度数值反馈给所述单片机，控制电磁继电器实现电源的开断，从而使燃烧弹温度保持恒定；所述点火系统包括12V直流电源、脉冲发生控制电路、点火线圈和火花塞(5)，所述火花塞(5)安装在燃烧弹体的火花塞孔(18)中，所述单片机控制所述火花塞(5)点火；所述高速摄影系统采用250K帧/秒以上的高速摄像机，通过前视窗(7)直接拍摄末端气体的自燃和火焰的传播；所述前视窗(7)和后视窗(10)形成一相通的光路；结合纹影法拍摄缸内压力波的传播；所述压力采集系统由安装在所述圆柱形腔体(17)上端的高频缸压传感器(1)构成，所述高频缸压传感器与所述封堵板(22)的距离为35mm，所述高频缸压传感器(1)的探头与所述圆柱形腔体(17)的顶壁面平齐；所述单片机控制系统包括单片机、驱动器、执行器和信号反馈系统；所述执行器包括与驱动器相联的点火器、喷油器和用于控制排气的第一电磁继电器、用于控制进气的第二电磁继电器、用于控制陶瓷加热板的第三电磁继电器、用于控制高速摄像机的第四电磁继电器和用于控制泄压阀的第五电磁继电器；所述高频缸压传感器依次通过信号输出线、电荷放大器和采集卡连接至所述单片机，所述单片机结合Labview软件记录和处理数据；其特征在于：该可视化定容燃烧试验装置还包括有一组孔板，该组孔板中各孔板板面上设置有孔隙率分别为6％、12％、18％及24％，孔径分别为1.5mm、2.5mm、3.5mm及4.5mm的圆孔；在圆柱形腔体内、且垂直于圆柱形腔体轴线的位置通过孔板插槽(16)设置有上述其中一块孔板。...
【技术特征摘要】
1.一种实现湍流火焰和冲击波的可视化定容燃烧试验装置，包括燃烧弹体(4)、燃料供给系统、加热系统、点火系统、高速摄影系统、进排气系统、压力采集系统、同步控制器和单片机控制系统；所述燃烧弹体(4)的外形为是一长方体，所述燃烧弹体(4)的腔体为一圆柱形腔体(17)，所述圆柱形腔体(17)的前后端面分别安装对称布置的前视窗(7)和后视窗(10)，所述前视窗(7)和所述后视窗(10)均为一块椭圆形的石英玻璃，圆柱形腔体(17)的一端侧壁的中心位置设有火花塞孔(18)，所述火花塞孔(18)的下方设有进气孔(19)，圆柱形腔体(17)的另一端通过法兰(21)安装有封堵板(22)，所述封堵板(22)与所述圆柱形腔体(17)之间设有轴向挡环(20)，所述封堵板(22)的中心位置设有排气管，所述排气管上设有泄压阀(9)和排气孔(8)，所述圆柱形腔体(17)的上端安装有高频缸压传感器(1)、压力变送器(2)和温度变送器(3)；所述加热系统包括外部加热器和内部加热器，所述外部加热器采用压缩空气加热器，加热的最高温度为400℃，所述内部加热器由分别布置在所述燃烧装置顶面和底面的1000W的陶瓷加热板构成，所述陶瓷加热板中布置有热电偶，将加热温度数值反馈给所述单片机，控制电磁继电器实现电源的开断，从而使燃烧弹温度保持恒定；所述点火系统包括12V直流电源、脉冲发生控制电路、点火线圈和火花塞(5)，所述火花塞(5)安装在燃烧弹体的火花塞孔(18)中，所述单片机控制所述火花塞(5)点火；所述高速摄影系统采用250K帧/秒以上的高速摄像机，通过前视窗(7)直接拍摄末端气体的自燃和火焰的传播；所述前视窗(7)和后视窗(10)形成一相通的光路；结合纹影法拍摄缸内压力波的传播；所述压力采集系统由安装在所述圆柱形腔体(17)上端的高频缸压传感器(1)构成，所述高频缸压传感器与所述封堵板(22)的距离为35mm，所述高频缸压传感器(1)的探头与所述圆柱形腔体(17)的顶壁面平齐；所述单片机控制系统包括单片机、驱动器、执行器和信号反馈系统；所述执行器包括与驱动器相联的点火器、喷油器和用于控制排气的第一电磁继电器、用于控制进气的第二电磁继电器、用于控制陶瓷加热板的第三电磁继电器、用于控制高速摄像机的第四电磁继电器和用于控制泄压阀的第五电磁继电器；所述高频缸压传感器依次通过信号输出线、电荷放大器和采集卡连接至所述单片机，所述单片机结合Labview软件记录和处理数据；其特征在于：该可视化定容燃烧试验装置还包括有...
【专利技术属性】
技术研发人员：卫海桥，赵健福，高东志，周磊，李楠，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
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