基于对冲燃烧的等离子体增强液体燃料可燃极限研究装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种可用于研究等离子体增强液体燃料可燃极限的实验装置，基本组成主要包括对冲燃烧台部分、液体燃料雾化部分、等离子体加注部分、和测量装置部分。其中对冲燃烧台部分包括燃烧器本体(包括密闭腔体、上/下喷管)、流量控制系统、预热保温系统和水冷系统；其中预热保温系统和水冷系统安装在液体燃料喷管外围。液体燃料雾化部分包括液体注射泵、石英雾化器和保温输送管路；其中保温输送管路与对冲燃烧台燃料喷管相连接。等离子体加注部分包括等离子体电极和电源。测量装置部分包括高速摄像机和采集系统。

Plasma enhanced flammable limit research device for liquid fuels based on opposed combustion

The invention provides a plasma enhanced experimental device can be used to study the liquid fuel flammability limit, the basic composition includes opposed firing table part, liquid fuel atomization, plasma filling part, and a measuring device. The table includes opposed firing burner body (including a sealed cavity, the upper / lower nozzle), flow control system, preheating system and water cooling system; the preheating system and water cooling system installed in the periphery of liquid fuel nozzle. The atomizing part of the liquid fuel comprises a liquid injection pump, a quartz atomizer and a heat insulation conveying pipeline; wherein, the heat insulating delivery pipeline is connected with the opposed combustion platform and the fuel nozzle. The plasma filling portion includes a plasma electrode and a power supply. The measuring device section includes a high-speed camera and an acquisition system.

【技术实现步骤摘要】
基于对冲燃烧的等离子体增强液体燃料可燃极限研究装置
本专利技术属于推进
，是一种研究等离子体增强液体燃料可燃极限的实验装置。
技术介绍
超燃冲压发动机是人类不断追求高速飞行的产物，目前主要通过碳氢类液体燃料喷雾进入发动机燃烧提供动力。但液体燃料燃烧过程中包含有复杂的物理和化学过程及其相互作用，尤其在恶劣的超声速燃烧环境中亟需有效改善燃烧效果。已经验证等离子体辅助燃烧是一种有效的改善方法，但对基本助燃机理的研究还需基于特别的研究平台深入开展。对冲燃烧台作为一种基础燃烧实验平台，通过上下相向喷注的燃料和氧化剂气流在滞止面附近建立起近似一维的平面火焰，可进行火焰温度、拉伸率、点火/熄火温度、可燃极限等基本燃烧特性的影响研究。目前国内外针对等离子体助燃碳氢燃料机理的研究主要针对气体燃料，尤其在近些年普林斯顿大学的YiguangJu教授团队以对冲燃烧台为基础，研究了滑移弧放电、介质阻挡放电、纳秒脉冲放电等产生的等离子体对CH4等气体碳氢燃料的点火温度、熄火拉伸率、活性组分生成等产生的影响(YiguangJu，WentingSun.Plasmaassistedcombustion:Dynamicsandchemistry[J],ProgressinEnergyandCombustionScience,2015,48:21-83)，获取丰富实验现象和数据的同时，对等离子体助燃机理的数值模拟研究也起到了巨大推动作用。基于对冲燃烧台对液体燃料开展的研究多集中在研究添加不同组分、不同火焰结构下生成的主要组分、PAH、NOx、SOx的区别以及基本点火温度等特性的影响(P.Berta,S.K.Aggarwal,IshwarK.Puri,etal.ExperimentalandNumericalInvestigationofn-Heptane/AirCounterflowNonpremixedFlameStructure[J].JournalofPropulsionandPower,Vol.24,No.4,2008:797-804；NingLiu,FokionN.Egolfopoulos.IgnitionofNon-PremixedFlamesofEthylene/n-DodecaneBlends[J].JournalofPropulsionandPower,Vol.31,No.3,2015:889-895)。在超燃冲压发动机这样恶劣的工作环境中，液体燃料的可燃极限若能有效拓展将非常有助于改善发动机的工作状态，所以从基础燃烧角度出发进行等离子体拓展效果的研究非常必要，但目前还缺乏可用于研究等离子体特别是冷等离子体对液体燃料可燃极限影响的研究平台，本专利技术可针对上述问题开展有效研究，提高等离子体辅助燃烧机理及应用层面的研究能力。
技术实现思路
本专利技术将液体燃料雾化装置、冷等离子体放电装置与对冲燃烧台耦合为一套系统，通过控制液体燃料喷雾与氧化剂气流流量实现全局当量比可调，在氧化剂喷管一侧进行介质阻挡放电，从而可开展等离子体对液体燃料可燃极限影响的研究工作。本专利技术提供了一种用于研究等离子体辅助液体燃料喷雾燃烧的实验装置，主要特征包括对冲燃烧台部分、液体燃料雾化部分、等离子体加注部分、和测量装置部分。其中对冲燃烧台部分包括燃料(上)/氧化剂(下)气流喷管、流量控制系统、预热保温系统、水冷系统和数据采集系统；其中上下喷管相对喷出燃料、氧化剂气流及周围的伴流；预热保温系统和水冷系统安装在液体燃料喷管外围，在避免雾化燃料液化的同时保证燃烧台可长时间运行；液体燃料雾化部分包括液体注射泵、石英雾化器和保温输送管路；其中注射泵将液体燃料注入雾化器中，然后经保温输送管路与对冲燃烧台燃料喷管相连接。等离子体加注部分包括等离子体电极和电源；其中等离子体系统的针形阳极安装在氧化剂石英喷管中心，阴极为外部伴流的金属管壁，通过调整电压和放电频率可研究不同介质阻挡放电形式产生的影响。测量装置部分包括高速摄像机和电脑，高速摄像机实时记录不同工况下火焰出现的情况，并在电脑上显示。工作时，从泵体进入雾化器的燃料被充入的氮气流带出，并一同进入保温输送管路和对冲燃烧台燃料喷管中，输送过程中要保证气流温度足够高，从而使燃料蒸汽分压不低于其饱和蒸汽压；同时又要使气流温度不高于液体燃料的热裂解温度。首先在无等离子体放电条件下通过改变燃料-氧气当量比得出该实验台中的贫燃和富燃极限；然后在化学恰当比火焰条件下分别逐步减小或增大当量比，同时开启等离子体放电对火焰施加影响，分别在原贫燃和富燃极限附近通过高速摄像机观察火焰的情况，分别判读出施加等离子体后的贫燃和富燃极限变化。本专利技术应用于等离子体辅助液体燃料喷雾燃烧研究的优点有：(1)完备的液体燃料喷雾等离子体助燃基础研究装置。将液体燃料雾化装置与等离子体放电装置集成进对冲燃烧实验台中，可针对等离子体对液体燃料贫燃与富燃极限的拓展效果开展细致研究。(2)等离子体放电模块调整方便。通过合理设计放电电极与氧化剂喷管的耦合方式，可方便更换等离子体放电形式，以研究不同等离子体的辅助燃烧效果。(3)便于通过多种光学测量手段开展更丰富的基础燃烧特性研究。对冲燃烧台四周均装有石英窗口，通过激光多普勒测速LDV、激光诱导荧光LIF、激光吸收谱测量等先进的光学测量手段，可进一步开展等离子体在液体燃料喷雾燃烧中对火焰温度、熄火拉伸率、火焰面结构、中间态组分等多种因素影响的研究。附图说明图1为本专利技术的基于对冲燃烧的等离子体辅助液体燃料喷雾燃烧研究装置的结构示意图。图2为图1所示装置中的等离子体放电部分侧视图。图3为研究等离子体对可燃极限影响的实验流程图。具体实施方式现结合附图1、2，通过介质阻挡放电等离子对液体燃料喷雾燃烧可燃极限的影响研究，对本专利技术装置做进一步详细描述。本专利技术装置包括对冲燃烧台部分、液体燃料雾化部分、等离子体加注部分、和测量装置部分。其中对冲燃烧台部分包括燃料(上)11/氧化剂(下)气流喷管14、流量控制系统5、预热保温系统10、水冷系统13；其中上下喷管相对喷出燃料、氧化剂气流及周围的伴流；上喷管周围同时安装有加热系统12和水冷系统13，在避免雾化燃料液化的同时保证燃烧台可长时间运行；液体燃料雾化部分包括液体注射泵1、石英雾化器6和保温输送管路10；实验开始时首先通过注射泵1将液体燃料注入雾化器6中，同时将N2载气通过雾化器6将燃料喷雾带出，然后经保温输送管路10与对冲燃烧台燃料喷管11相连接。O2气流3与N2载气4同时注入混合腔7中，然后经输送管路与氧化剂喷管14相连接；等离子体加注部分包括等离子体电极16和电源9；其中等离子体系统阴极为限制外部伴流的金属管壁14，阴极16为铜杆电极，通过铜杆套17安装在氧化剂石英喷管15的中心，两者与等离子体电源9相连接，通过调整电压和频率实现等离子体放电；测量装置部分包括高速摄像机8和电脑，高速摄像机8可实时记录不同工况下火焰出现的情况，并在电脑上显示。结合附图3描述实验研究的具体步骤。在该平台上开展等离子体对液体燃料可燃极限影响的研究具体实施步骤如下：步骤一、实验确定无放电条件下液体燃料贫燃/富燃极限针对选定的液体燃料(如正癸烷)，在该实验台上确定其贫燃/富燃极限是第一步，实施方案如下：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可开展等离子体增强液体燃料可燃极限研究的实验装置，主要包括对冲燃烧台部分、液体燃料雾化部分、等离子体加注部分、和测量装置部分，其特征在于：(1)对冲燃烧台部分包括燃烧器本体、流量控制系统、预热保温系统和水冷系统；其中燃烧器本体由密闭腔体和上(燃料)/下(氧化剂)气流喷管组成，通过相向喷射的气流形成准一维的平面扩散火焰；流量控制系统由质量流量计、控制软件组成，控制燃料气流、氧化剂气流、上/下伴流、等离子体原料气流的流量；预热保温系统由加热带、温控装置组成，通过加热燃烧器本体中上喷管内燃料喷管管壁使燃料气流温度保持在200℃左右，避免液体燃料喷雾液化；水冷系统由水冷管路、水冷槽组成，对燃烧器腔体进行冷却，保证实验台稳定工作时间不短于30分钟；(2)液体燃料雾化部分包括液体注射泵、石英雾化器和保温输送管路；液体燃料通过注射泵进入雾化器中，然后经保温输送管路与对冲燃烧台燃料喷管相连接；(3)等离子体加注部分包括放电电极和电源；其中放电装置阳极为针形铜杆，安装在氧化剂石英喷管中心的铜杆套中，阴极为外部伴流的铜质金属管壁，电源为高频高压电源；(4)测量装置部分包括高速摄像机和电脑，可以3000帧/秒的频率记录不同工况下火焰出现的情况，作为点火成功与否的判据。...

【技术特征摘要】
1.一种可开展等离子体增强液体燃料可燃极限研究的实验装置，主要包括对冲燃烧台部分、液体燃料雾化部分、等离子体加注部分、和测量装置部分，其特征在于：(1)对冲燃烧台部分包括燃烧器本体、流量控制系统、预热保温系统和水冷系统；其中燃烧器本体由密闭腔体和上(燃料)/下(氧化剂)气流喷管组成，通过相向喷射的气流形成准一维的平面扩散火焰；流量控制系统由质量流量计、控制软件组成，控制燃料气流、氧化剂气流、上/下伴流、等离子体原料气流的流量；预热保温系统由加热带、温控装置组成，通过加热燃烧器本体中上喷管内燃料喷管管壁使燃料气流温度保持在200℃...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪延姬，李兰，赵文涛，徐庆尧，李倩，
申请(专利权)人：中国人民解放军装备学院，
类型：发明
国别省市：北京,11