一种高速气流条件下颗粒着火燃烧实验装置制造方法及图纸

本发明专利技术实施例提供了一种高速气流条件下颗粒着火燃烧实验装置，包括：开窗试验系统、管路供应系统、测量和控制系统；该装置将固体颗粒固定于高温高速燃气中，通过稳流段和实验时序的设计，使颗粒在近似一维均匀高温气流中安全燃烧，采用耐1000度以上高温、透明、且能透过颗粒燃烧特征光谱的石英玻璃作为开窗试验段观察窗的材料，通过窗口来观测颗粒着火燃烧过程，从而研究颗粒在高速气流中着火与燃烧机理，提升对含颗粒富燃料推进剂固冲发动机内部燃烧过程的认识。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃烧实验装置领域，尤其涉及一种高速气流条件下颗粒着火燃烧实验装置。
技术介绍
含金属颗粒富燃料推进剂固冲发动机的燃气发生器中由于缺氧和低温，颗粒不可能充分地实现着火燃烧，含有大量颗粒的富燃燃气在补燃室内与进气道冲压进入的空气高速掺混完成二次燃烧。受一次燃气喷射方式和冲压空气进气方式的影响，颗粒往往处于强迫对流作用下。在强迫对流作用下，颗粒周围形成速度梯度很大的附面层，颗粒周围的燃烧流场也偏离相对静止气氛下球对称结构，这些都与静态气氛下颗粒的着火燃烧过程有很大不同。研究颗粒在高速气流条件下的着火燃烧过程，揭示其内在机理和控制方式，将为进一步研究含颗粒富燃料推进剂固冲发动机的高效能量转化奠定基础，具有重要的学术意义和工程应用价值，但是，国内外针对该过程的试验研究未见公开发表。究其原因，该项实验研究有几个难点，首先高温高速组分浓度、速度以及温度可控可调节的稳定高温燃气的产生存在一定技术困难，其次是将固体颗粒固定于高温高速燃气中具有一定技术难度，最后是高温高速气流下颗粒着火燃烧过程很难观测。目前针对金属颗粒着火燃烧过程的试验研究主要有平面火焰炉、高压燃烧器、激光点火、激波管、电炉、热天平等方式，都集中在相对静止气氛下，通过测量颗粒在不同环境下着火燃烧过程的粒径变化、温度变化、特征光谱变化，研究颗粒的着火燃烧规律。
技术实现思路
针对现有技术中的上述不足之处，本专利技术要解决的技术问题是提供一种可以将固体颗粒固定于高温高速燃气中，并通过窗口来观测颗粒着火燃烧过程的试验装置，从而研究颗粒在高速气流中着火与燃烧机理，提升对含颗粒富燃料推进剂固冲发动机内部燃烧过程的认识。为解决上述技术问题，本专利技术“一种高速气流条件下颗粒着火燃烧实验装置”，包括：开窗试验系统、管路供应系统、测量和控制系统；所述开窗试验系统包括燃气发生器、稳流段、开窗试验段、颗粒固定装置、喷管；所述燃气发生器、稳流段、开窗试验段、喷管依次密封连接；所述颗粒固定装置安装在开窗试验段内部；所述燃气发生器和稳流段壁面均为双层设计，其外层上布置数个冷却水进水孔、出水孔，及压力测点；稳流段壁面外层上还布置有温度测点；所述开窗试验段部分安装有透明观察窗，观察窗内壁面上下两侧布置数个冷却孔；所述管路供应系统主要包括推进剂供应系统、增压吹除气体供应系统及冷却水供应系统；所述推进剂供应系统包括氧化剂和燃料两条通路，每路包含一个气动阀，所述气动阀受测量和控制系统控制；所述推进剂供应系统的出口与燃气发生器入口密封连接；所述冷却水供应系统出口与所述冷却水进水口密封连接；所述增压吹除气体供应系统的出口与观察窗的冷却孔密封连接；所述测量和控制系统包括热电偶、压力传感器、高速摄影仪、红外测温仪、光电倍增管、数据采集处理系统，计算机；所述热电偶的一端与温度测点密封连接，另一端连接数据采集处理系统；压力传感器一端与压力测点密封连接,另一端连接数据采集处理系统；高速摄影仪、红外测温仪、光电倍增管置于观察窗外，其中高速摄影仪直接与计算机相连，红外测温仪、光电倍增管经数据采集系统连接计算机。优选的，所述颗粒固定装置由两根条形金属棒与金属底架组成，其中一根金属棒水平放置，方向与开窗试验系统的中轴线平行，一端插入颗粒预先打好的孔中，一端与金属底架固定连接；另一根金属棒垂直地面放置，一端插入颗粒预先打好的另一个孔中，一端与金属底架固定连接；所述金属棒和金属底架可以耐1000摄氏度以上高温；所述固定装置是可拆卸的。优选的，所述观察窗的材料选择耐1000度以上高温、透明、且能透过颗粒燃烧特征光谱的石英玻璃；优选的，对实验时序进行设计：先通入氧气，再通入燃料，然后用点火器点燃混合气体，使燃气发生器开始工作，利用燃气发生器产生的高温燃气加热颗粒，颗粒加热一段时间后，关掉燃气发生器的燃料和氧气，再另外通入氧气来点燃颗粒；用来点燃颗粒的氧气的含量是可以调节的。根据实验工况需要，实验前调整好空气的压力、氧气和燃料的质量流率以及开窗试验段的喷管喉径，使开窗试验段的气流速度、温度、氧气质量分数和压力等参数达到设计实验值，然后将实验用颗粒通过耐高温合金支架固定于开窗试验段内，最后将整个实验装置各个部件进行安装密封。当各项准备工作完成后，实验过程由计算机按程序控制：向燃气发生器先后通入适当比例的氧气和燃料，利用火花塞点火，使燃气发生器产生稳定的高温燃气，高温燃气经过稳流段后，形成近似一维均匀高温气流，高温气流流经开窗试验段，加热事先固定好的金属颗粒，然后关闭燃料通道，继续通入氧气，点燃金属颗粒。利用热电偶、压力传感器测量开窗试验段内部流场参数(温度、压力等)，利用高速摄影仪、红外测温仪、光电倍增管测量颗粒着火燃烧过程参数变化，即可完成单个毫米级或厘米级金属颗粒在高速气流下着火燃烧过程试验研究。在上述高速气流条件下颗粒着火燃烧实验装置中，颗粒由两根垂直放置的耐高温金属棒及金属底架固定，可以确保在高速气流当中颗粒不会发生移动，便于观察和测量；并且该固定装置的迎风面积很小，对高速高温气流的扰动和颗粒燃烧过程的扰动可以忽略不计。在上述高速气流条件下颗粒着火燃烧实验装置中，通过稳流段设计，使得从燃烧发生器中产生的高温气体，流经稳流段后，形成近似一维均匀高温气流，可以减少紊流、涡流等对流场的影响，便于燃烧机理的研究。在上述高速气流条件下颗粒着火燃烧实验装置中，为避免试验设备被烧坏,在燃气发生器和稳流段两部分的壁面上布置数个冷却水孔，由冷却水供应系统提供冷却水实现冷却。通过该水冷设计，解决了高温气流下实验装置的热防护问题，实现了实验装置在实验时序内安全稳定工作。在上述高速气流条件下颗粒着火燃烧实验装置中，观察窗内壁面四周开有数个冷却孔，用氮气(安全性高，对流场氧气浓度影响小)对石英观察窗进行冷却吹除，一方面可以降低观察窗的温度，防止观察窗在高温下发生破裂，一方面可以避免燃烧产物附着在观察窗壁面上，影响观测。在上述高速气流条件下颗粒着火燃烧实验装置中，由于观察窗选用耐高温的材料，加之冷却孔的吹除冷却作用，所以在试验过程中，观察窗不会发生破裂，保证试验的顺利进行；并且由于观察窗选用透明材料，因此通过在观察窗的外部设置高速摄影仪、红外测温仪，可以直接拍摄燃烧过程的颗粒和火焰的形态变化，测量颗粒的温度变化；再者观察窗选用的材料还能透过颗粒燃烧特征光谱，所以通过在观察窗外设置光电倍增管等测量设备，可以测量燃烧过程中特定波长光谱的变化；因此本专利技术解决了高温高压环境下燃烧过程的观测问题，实现了对高温高压环境下颗粒燃烧过程可见光波段的高速摄影、红外波段的温度测量以及颗粒燃烧特征光谱波段的燃本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速气流条件下颗粒着火燃烧实验装置，包括：开窗试验系统、管路供应系统、测量和控制系统；所述开窗试验系统包括燃气发生器、稳流段、开窗试验段、颗粒固定装置、喷管；所述燃气发生器、稳流段、开窗试验段、喷管依次密封连接；所述颗粒固定装置安装在开窗试验段内部；所述燃气发生器和稳流段壁面均为双层设计，其外层上布置数个冷却水进水孔、出水孔，及压力测点；稳流段壁面外层上还布置有温度测点；所述开窗试验段部分安装有透明观察窗，观察窗内壁面上下两侧布置数个冷却孔；所述管路供应系统主要包括推进剂供应系统、增压吹除气体供应系统及冷却水供应系统；所述推进剂供应系统包括氧化剂和燃料两条通路，每路包含一个气动阀，所述气动阀受测量和控制系统控制；所述推进剂供应系统的出口与燃气发生器入口密封连接；所述冷却水供应系统出口与所述冷却水进水口密封连接；所述增压吹除气体供应系统的出口与观察窗的冷却孔密封连接；所述测量和控制系统包括热电偶、压力传感器、高速摄影仪、红外测温仪、光电倍增管、数据采集处理系统，计算机；所述热电偶的一端与温度测点密封连接，另一端连接数据采集处理系统；压力传感器一端与压力测点密封连接，另一端连接数据采集处理系统；高速摄影仪、红外测温仪、光电倍增管置于观察窗外，其中高速摄影仪直接与计算机相连，红外测温仪、光电倍增管经数据采集系统连接计算机。...

【技术特征摘要】
1.一种高速气流条件下颗粒着火燃烧实验装置，包括：开窗试验系统、管路供应系统、测量和控制系
统；所述开窗试验系统包括燃气发生器、稳流段、开窗试验段、颗粒固定装置、喷管；所述燃气发生器、
稳流段、开窗试验段、喷管依次密封连接；所述颗粒固定装置安装在开窗试验段内部；所述燃气发生器和
稳流段壁面均为双层设计，其外层上布置数个冷却水进水孔、出水孔，及压力测点；稳流段壁面外层上还
布置有温度测点；所述开窗试验段部分安装有透明观察窗，观察窗内壁面上下两侧布置数个冷却孔；所述
管路供应系统主要包括推进剂供应系统、增压吹除气体供应系统及冷却水供应系统；所述推进剂供应系统
包括氧化剂和燃料两条通路，每路包含一个气动阀，所述气动阀受测量和控制系统控制；所述推进剂供应
系统的出口与燃气发生器入口密封连接；所述冷却水供应系统出口与所述冷却水进水口密封连接；所述增
压吹除气体供应系统的出口与观察窗的冷却孔密封连接；所述测量和控制系统包括热电偶、压力传感器、
高速摄影仪、红外测温仪、光电倍增管、数据采集处理系统，计算机；所述热电偶的一端与温度测点密封
连接，另一端连接数据采集处...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏智勋，胡建新，黄利亚，方传波，刘道平，肖云雷，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43