一种定容燃烧实验装置及包括其的燃烧实验系统及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种定容燃烧实验装置，包括腔体、点火电极、电机、变频器、控制单元以及安装于腔体上的多台扇叶器，其中，点火电极安装于所述腔体内，放电尖端的中心位于腔体的中心，每台扇叶器均连接一台变频器和一台电机，控制单元与各变频器连接，通过向各变频器发送指令，控制相应的电机的转速，带动相应的扇叶器转动，从而在腔体内形成湍流流场。本发明专利技术通过控制单元分别控制多台扇叶器的转动方向以及转动速度，可在腔体内形成各种类型的湍流环境，用于模拟各类真实的燃烧过程，同时又能控制形成的湍流环境的湍流强度。本发明专利技术还公开了一种包括上述定容燃烧实验装置的定容燃烧实验系统以及利用该系统进行预混燃烧实验的方法。

A constant volume combustion experimental device and a combustion experimental system and method including the same

The invention discloses a constant volume combustion experimental device, which comprises a cavity, an ignition electrode, a motor, a frequency converter, a control unit and a plurality of fan blades mounted on the cavity. The ignition electrode is mounted in the cavity, the center of the discharge tip is located in the center of the cavity, and each fan blade is connected with a frequency converter and a fan blade. The motor, the control unit and the frequency converter are connected. By sending instructions to each frequency converter, the speed of the corresponding motor is controlled, and the corresponding fan blade is driven to rotate, thus forming a turbulent flow field in the cavity. The control unit controls the rotation direction and rotation speed of several fan blades respectively, and forms various kinds of turbulent environment in the cavity, which is used to simulate various real combustion processes, and at the same time can control the turbulent intensity of the turbulent environment formed. The invention also discloses a constant volume combustion experimental system including the constant volume combustion experimental device and a method for premixed combustion experiment using the system.

【技术实现步骤摘要】
一种定容燃烧实验装置及包括其的燃烧实验系统及方法
本专利技术涉及燃料燃烧
，具体地，涉及一种定容燃烧实验装置及包括其的燃烧实验系统及方法。
技术介绍
对燃烧的利用和控制是人类能够脱离其他动物、提高生产力、实现美好生活的最重要的生产实践，燃料的燃烧是人类生产和生活中的主要能量来源。在生产生活实践中，燃料的燃烧都是发生在湍流环境之中，且燃烧发生时的湍流环境是复杂的而且也是多种多样的。只有全面认知燃料在各种复杂流动环境中的燃烧过程、深入了解燃料在各种复杂流动环境中的燃烧特性，才能切实有效地根据流动环境的不同来控制和优化燃烧过程，提高热能及动力设备的动力性和燃料经济性，并控制燃烧污染物的生成和排放等问题。因此，在燃料的燃烧特性的研究中，湍流环境中的燃烧过程是研究的重点和核心。目前，在对湍流环境中燃料的燃烧过程的研究中，通常使用本生燃烧器来开展工作，少数则在定容燃烧装置利用孔板快速运动营造湍流环境开展定容预混燃烧的实验工作。利用本生燃烧器开展研究时，主要是通过在本生燃烧器的气体输运管中架设孔板，利用气体通过孔板的尾迹湍流来实现湍流环境的营造，在本生燃烧器气体输运管末端对燃料实施点火来实现湍流预混火焰。本生燃烧器虽然可以模拟一些简单的实际火焰，如静态环境中燃气灶上的火焰燃烧过程，但是其工作方式决定了它在模拟更为真实、普遍的燃烧过程时存在很多技术瓶颈。例如，在以汽车发动机为代表的内燃机和以燃气轮机为代表的外燃机中，燃料的燃烧过程是火焰在复杂流动环境中向空间自由发展的，而本生燃烧器上的火焰是驻定在燃烧器气体输运管末端的，本生燃烧器可实现的火焰完全无法模拟这些真实动力装置中的燃烧过程；本生燃烧器可营造的流动环境是一个有主流的流动脉动，这种流动环境只存在于驻定火焰的根部，然而实际生产生活实践中极少会发生火焰只有某一个局部位置处于湍流环境中而其他火焰局部处于层流环境中的现象。且本生燃烧器湍流的特性是通过改变孔板的位置和结构以及气态化的燃料流动速度实现湍流强度的变化的，这种模拟装置所营造的湍流强度很大程度依赖于孔板孔径尺寸和燃料流速，湍流强度在燃烧过程中不发生显著变化，这不符合实际的燃烧过程中火焰外围的湍流流动环境持续在发生变化。定容燃烧装置可以实现模拟内燃机和以燃气轮机中相类似的球形火焰，但是依靠孔板快速运动所产生的湍流是一个快速衰减的存在单一主流的湍流，通过改变孔板的运动速度来实现湍流强度的变化，这种实验装置所营造的湍流强度很大程度依赖于孔板速度。湍流强度是快速衰减，其无法开展各向同性湍流环境下的实验工作，也难以模拟更为复杂的湍流环境中的燃烧实验。综上，现有的对湍流环境中燃料燃烧过程研究的实验装置，无论是本生燃烧器，还是孔板快速运动的定容燃烧装置，其本质都是尾迹湍流，均无法实现复杂湍流流动用于模拟各类真实的燃烧环境，同时又能控制这种湍流流动的湍流强度。
技术实现思路
鉴于以上问题，本专利技术的目的是提供一种定容燃烧实验装置及包括其的燃烧实验系统及方法，以实现复杂湍流流动，用于模拟各类真实的燃烧环境，同时又能控制这种湍流流动的湍流强度。为了实现上述目的，本专利技术的一个方面是提供一种定容燃烧实验装置，包括腔体、点火电极、电机、变频器、控制单元以及安装于所述腔体上的多台扇叶器，其中，所述腔体用于提供密闭空间，所述点火电极安装于所述腔体内，所述点火电极放电尖端的中心位于所述腔体的中心，用于点燃所述腔体内的气体，每台扇叶器均连接一台变频器和一台电机，所述控制单元与所述点火电极和各变频器连接，通过向各变频器发送指令，控制相应的电机的转速，从而带动相应的扇叶器转动，从而在所述腔体内形成湍流流场。优选地，所述定容燃烧实验装置还包括磁力联轴器，所述磁力联轴器通过磁力连接所述扇叶器与所述电机。优选地，多台扇叶器的结构相同，以所述腔体的中心为中心，在所述腔体上呈中心对称结构的形式布置。为了实现上述目的，本专利技术的另一个方面是提供一种定容燃烧实验系统，包括：如上所述的定容燃烧实验装置；真空泵，与所述腔体连接，用于将腔体内的气体排出，在腔体内建立真空环境；进排气系统，与所述腔体连接，用于将目标混合气的各组分按照所需的量注入所述腔体内；以及辅助测试装置，与腔体连接，用于测试火焰传播过程中的燃烧特性；其中，所述控制单元与所述点火电极和所述辅助测试装置连接，通过控制单元向所述点火电极和所述辅助测试装置发送指令，获取腔体形成的湍流环境下预混火焰传播过程中的燃烧特性。优选地，所述定容燃烧实验系统还包括加热装置，安装于所述腔体上，所述加热装置用于将所述目标混合气加热到实验预期目标温度。优选地，还包括光学视窗，安装在所述腔体上，所述光学视窗在所述腔体上的安装位置不与所述扇叶器的安装位置发生干涉。为了实现上述目的，本专利技术的再一个方面是提供一种定容燃烧实验方法，利用如上所述的定容燃烧实验系统进行目标湍流预混燃烧实验，包括以下步骤：S1标定出扇叶器的转动速度以及转动方向与湍流强度的对应关系；S2通过真空泵将腔体内的气体排出，建立真空环境；S3通过进排气系统，将目标混合气的各组分气体按照所需的量注入所述腔体内；S4根据目标湍流强度，通过控制单元向变频器发送指令，控制扇叶器的转动速度以及转动方向，在所述腔体内形成目标湍流环境；S5所述目标湍流环境稳定后，通过控制单元向点火电极以及辅助测试装置发送指令，点燃目标混合气，并获取所述目标湍流环境下的预混火焰传播过程中的燃烧特性。优选地，在步骤S4中，所述控制单元通过向多台变频器发送相同指令，使得多台电机转动，带动多台扇叶器以相同转速按照相同方向同步转动，从而在所述腔体内形成无主流的各向同性的湍流流场。优选地，在步骤S4中，所述控制单元通过向一台变频器发送指令，使得一台电机单独转动，带动与所述电机连接的扇叶器转动，其他扇叶器不转动，从而在所述腔体内形成有单一主流的湍流流场。优选地，在步骤S4中，所述控制单元通过向多台变频器中的两台以上发送不同指令，使得多台扇叶器中转动的扇叶器的转动方向和转动速度中至少有一项不同，从而在所述腔体内形成各向异性的湍流流场。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：本专利技术通过控制单元分别控制多台扇叶器的转动方向以及转动速度，在腔体内形成各种类型的湍流环境，可用于模拟各类真实的燃烧过程，同时又能控制形成的湍流环境的湍流强度。本专利技术利用在腔体中形成的各种类型的湍流环境，研究在各类复杂湍流流动环境中的燃烧过程，可获得目标湍流环境下预混火焰传播过程中的各燃烧特性，有利于根据流动环境的不同来控制和优化燃烧过程，提高热能及动力设备的动力性和燃料经济性，从而控制燃烧污染物的生成和排放，节约能源，保护环境。附图说明图1为根据本专利技术的一个优选实施例的定容燃烧实验装置的结构示意图；图2为图1中A部分的放大图；图3为根据本专利技术的一个优选实施例的定容燃烧实验系统示意图；图4为根据本专利技术的一个优选实施例的定容燃烧实验方法流程示意图；图5为根据本专利技术的一个优选实施例的各向同性湍流环境下的湍流强度与扇叶器转动特性之间关系的示意图。具体实施方式下面将参考附图来描述本专利技术所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本专利技术的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种定容燃烧实验装置，其特征在于，包括腔体、点火电极、电机、变频器、控制单元以及安装于所述腔体上的多台扇叶器，其中，所述腔体用于提供密闭空间，所述点火电极安装于所述腔体内，所述点火电极放电尖端的中心位于所述腔体的中心，用于点燃所述腔体内的气体，每台扇叶器均连接一台变频器和一台电机，所述控制单元与所述点火电极和各变频器连接，通过向各变频器发送指令，控制相应的电机的转速，从而带动相应的扇叶器转动，从而在所述腔体内形成湍流流场。

【技术特征摘要】
1.一种定容燃烧实验装置，其特征在于，包括腔体、点火电极、电机、变频器、控制单元以及安装于所述腔体上的多台扇叶器，其中，所述腔体用于提供密闭空间，所述点火电极安装于所述腔体内，所述点火电极放电尖端的中心位于所述腔体的中心，用于点燃所述腔体内的气体，每台扇叶器均连接一台变频器和一台电机，所述控制单元与所述点火电极和各变频器连接，通过向各变频器发送指令，控制相应的电机的转速，从而带动相应的扇叶器转动，从而在所述腔体内形成湍流流场。2.根据权利要求1所述的定容燃烧实验装置，其特征在于，所述定容燃烧实验装置还包括磁力联轴器，所述磁力联轴器通过磁力连接所述扇叶器与所述电机。3.根据权利要求1所述的定容燃烧实验装置，其特征在于，多台扇叶器的结构相同，以所述腔体的中心为中心，在所述腔体上呈中心对称结构的形式布置。4.一种定容燃烧实验系统，其特征在于，包括：如权利要求1至3中任一项所述的定容燃烧实验装置；真空泵，与所述腔体连接，用于将腔体内的气体排出，在腔体内建立真空环境；进排气系统，与所述腔体连接，用于将目标混合气的各组分按照所需的量注入所述腔体内；以及辅助测试装置，与腔体连接，用于测试火焰传播过程中的燃烧特性；其中，所述控制单元与所述辅助测试装置连接，通过控制单元向所述点火电极和所述辅助测试装置发送指令，获取腔体形成的湍流环境下预混火焰传播过程中的燃烧特性。5.根据权利要求4所述的定容燃烧实验系统，其特征在于，所述定容燃烧实验系统还包括加热装置，安装于所述腔体上，所述加热装置用于将所述目标混合气加热到实验预期目标温度。6.根据权利要求4所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙作宇，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11