模拟湍流火焰与壁面油膜相互作用的实验系统技术方案

本公开提供一种模拟湍流火焰与壁面油膜相互作用的实验系统，包括：定容燃烧弹体，包括：两面观察视窗；湿壁面组件，其一壁面与所述定容燃烧弹体构成燃烧腔体，该壁面上形成有所述附壁油膜；湍流火焰生成装置，与所述定容燃烧弹体连接，用于生成向附壁油膜方向传播的湍流火焰；光学采集装置，通过所述观察视窗采集近壁区的湍流火焰燃烧过程；温度采集装置，设置在所述壁面和所述近壁区内，用于测量湍流火焰与附壁油膜相互作用的过程中所述壁面及所述近壁区的温度变化；以及电子控制装置，分别与所述湍流火焰生成装置、所述光学采集装置和所述温度采集装置信号连接，用于控制协调各个部件的工作状态。

Experimental system for simulating interaction between turbulent flame and wall oil film

The present disclosure provides an experimental system for simulating the interaction between a turbulent flame and a wall oil film, including: a constant volume combustion bomb body, including a two-sided observation window; a wet wall assembly, a wall surface thereof and the constant volume combustion bomb body constituting a combustion chamber, the wall surface forming the wall oil film; and a turbulent flame generating device, and the same. A constant volume combustion projectile is connected to form a turbulent flame propagating toward a wall-attached oil film; an optical acquisition device is used to collect the turbulent flame combustion process in the near-wall region through the observation window; and a temperature acquisition device is arranged on the wall and the near-wall region for measuring the interaction between the turbulent flame and the wall-attached oil film. In the process, the wall surface and the temperature change in the near wall area are connected with the turbulent flame generating device, the optical acquisition device and the temperature acquisition device respectively for controlling and coordinating the working state of each component.

【技术实现步骤摘要】
模拟湍流火焰与壁面油膜相互作用的实验系统
本公开涉及发动机
，尤其涉及一种模拟湍流火焰与壁面油膜相互作用的实验系统。
技术介绍
在现代新型燃烧动力装置的材料与结构设计当中，燃烧火焰与壁面的相互作用是一个关键性的考虑因素，因为壁面的流动以及近壁区域的燃烧反应对燃料消耗、热量损失以及污染物的生成有重要的影响。因此许多研究者对于火焰与壁面作用的过程和影响因素开展了一系列的试验与仿真研究，为新型燃烧技术的发展提供了更加全面的理论基础。然而，在实际的发动机当中，缸套壁面往往附着一层油膜，呈现湿壁面的状态。对于车用发动机，缸套表面本身附着一层润滑油膜，另外由于早喷、后喷、汽油机缸内直喷以及机体小型化等措施，会导致部分燃油撞击缸套和活塞头部，形成燃油湿壁现象；船用柴油机由于缸内较大的润滑需求以及多个喷油器及多喷孔的设置，附壁油膜的存在会更为明显；此外，随着航空发动机技术的发展，许多新的燃烧模式得到应用，其中包括稀薄预混预蒸发(LPP)技术，其需要壁面附着一层油膜蒸发以形成稀薄的预混合气参与燃烧。而且发动机内几乎均为湍流燃烧，因而在实际发动机的燃烧过程中，必然存在湍流火焰与壁面油膜相互作用的过程，这一过程对近壁区域的混合气浓度分布、壁面热应力形成以及碳烟等污染物的生成有着重要影响。因此，有必要对湍流火焰与壁面油膜的相互作用进行深入研究，揭示火焰-油膜反应的机理，为发动机燃烧技术的改进和结构优化提供相应参考。然而，在实现本公开的过程中，本公开专利技术人发现，由于发动机工作过程复杂，进行实际缸内燃烧过程的可视化观察难度较大。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题基于上述技术问题，本公开提供一种模拟湍流火焰与壁面油膜相互作用的实验系统，以缓解现有的研究中由于发动机工作过程复杂，进行实际缸内燃烧过程的可视化观察难度较大的技术问题。(二)技术方案本公开提供一种模拟湍流火焰与壁面油膜相互作用的实验系统，包括：定容燃烧弹体，用于为湍流火焰提供燃烧场所，包括：两面观察视窗，相对设置在所述定容燃烧弹体的两侧，用于观察湍流火焰与附壁油膜相互作用的过程；湿壁面组件，其一壁面与所述定容燃烧弹体构成燃烧腔体，该壁面上形成有所述附壁油膜；湍流火焰生成装置，与所述定容燃烧弹体连接，用于生成向附壁油膜方向传播的湍流火焰；光学采集装置，通过所述观察视窗采集近壁区的湍流火焰燃烧过程；温度采集装置，设置在所述壁面和所述近壁区内，用于测量湍流火焰与附壁油膜相互作用的过程中所述壁面及所述近壁区的温度变化；以及电子控制装置，分别与所述湍流火焰生成装置、所述光学采集装置和所述温度采集装置信号连接，用于控制协调各个部件的工作状态。在本公开的一些实施例中，所述湿壁面组件包括：撞壁板，嵌合于所述定容燃烧弹体内，其一壁面用于涂抹所述附壁油膜；冷却水槽，开设于所述撞壁板上所述附壁油膜的背侧，并通过密封板密封，用于冷却所述撞壁板；进水管和出水管，穿过所述密封板与所述冷却水槽连通，用于循环冷却水；以及耐热套筒，分别与所述撞壁板和所述定容燃烧弹体的端部连接，用于保护所述进水管和所述出水管。在本公开的一些实施例中，所述温度采集装置包括：壁内温度传感器，其探针埋设于所述撞壁板内部，用于测量所述撞壁板内部的温度；壁面温度传感器，其探针延伸至所述撞壁板与附壁油膜交界处，用于测量所述撞壁板壁面的温度；以及近壁区温度传感器，其探针设置于近壁区，用于测量近壁区的温度；其中，所述近壁区为与所述附壁油膜间距小于1mm的区域，所述壁内传感器和所述壁面传感器的引线由所述耐热套筒中引出。在本公开的一些实施例中，所述湍流火焰生成装置包括：燃料气体生成装置，与所述定容燃烧弹体连接，用于生成燃料气体并输送至所述定容燃烧弹体内；点火装置，与所述定容燃烧弹体连接，用于点燃所述燃料气体，并生成向附壁油膜方向传播的湍流火焰。在本公开的一些实施例中，所述燃料气体生成装置包括：复数个高压气瓶，分别用于盛放氢气与空气；预混腔，与复数个所述高压气瓶连接，用于混合氢气和空气形成燃料气体；其中，所述预混腔与所述高压气瓶之间设置有截止阀门，所述预混腔与所述定容燃烧弹体连通，且所述预混腔与所述定容燃烧弹体之间设置有单向阀和电磁阀。在本公开的一些实施例中，所述点火装置包括：点火线圈；火花塞，与所述点火线圈连接，用于产生火花；以及透明传播管，伸入所述定容燃烧弹体体内，与所述湿壁面组件分别设置在所述定容燃烧弹体的两端，且与所述火花塞连接，用于控制湍流火焰的形态和传播方向。在本公开的一些实施例中，其中：所述定容燃烧弹体内还设置有压电传感器；所述电子控制装置与所述压电传感器连接并执行如下操作：步骤A：通过所述燃料气体生成装置向所述定容燃烧弹体内充入燃料气体；步骤B：通过所述压电传感器实时监测所述定容燃烧弹体内的压力，直至所述定容燃烧弹体内的压力值达到设定值；步骤C：切断所述燃料气体生成装置和所述定容燃烧弹体之间的连接，且维持该状态至少1s，利用所述点火装置点燃所述定容燃烧弹体内的燃料气体，并通过所述光学采集装置和所述温度采集装置记录湍流火焰的燃烧过程。在本公开的一些实施例中，所述光学采集装置包括高速纹影系统，包括：光源；以及高速相机，与所述光源分别设置于两面所述观察视窗的外侧，该高速相机用于采集湍流火焰的光学图像；其中，所述高速纹影系统的纹影光路分别透过两面所述观察视窗，且覆盖所述近壁区。在本公开的一些实施例中，其中：所述定容燃烧弹体还包括：顶部视窗，设置在所述定容燃烧弹体的顶部；所述光学采集装置还包括激光荧光诱导设备，包括：脉冲激光器，用于发出脉冲激光；滤波器；以及放大镜，与所述滤波器匹配设置，用于将所述脉冲激光器发出的脉冲激光调制成片光源，并通过所述顶部视窗照射至所述定容燃烧弹体内。在本公开的一些实施例中，还包括：计算机，与所述光学采集装置和所述温度采集装置连接，用于存储和/或显示所述光学采集装置和所述温度采集装置采集的数据。在本公开的一些实施例中，所述计算机和所述温度采集装置之间还设置有信号放大器。在本公开的一些实施例中，所述定容燃烧弹体还包括：排气口，其与真空泵连接，用于排出所述定容燃烧弹体内的气体；温度表，用于实时显示所述定容燃烧弹体内的温度；压力表，用于实时显示所述定容燃烧弹体内的压力；以及安全阀，用于在所述定容燃烧弹体内压力过高时排出所述定容燃烧弹体内的气体。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开提供的模拟湍流火焰与壁面油膜相互作用的实验系统具有以下有益效果其中之一或其中一部分：(1)通过定容燃烧弹体模拟发动机内部实际发动机缸内火焰撞壁过程；同时可以利用电子控制装置控制多个变量条件，实现对火焰-油膜反应过程的全面细致研究，而搭配光学采集装置和温度采集装置能够直观反映火焰撞击附壁油膜过程中微观变量的变化规律，因此，本公开提供的模拟湍流火焰与壁面油膜相互作用的实验系统可以实现对发动机近壁面燃烧过程的深入研究，且实验装置操作简便，其测量结果是对发动机燃烧性能与结构设计进行改进的重要参考；(2)通过在撞壁板内部设置冷却水槽，并通过进水管和出水管实现冷却水循环，可以对撞壁板进行冷却，同时也可减少点火前附壁油膜的蒸发；(3)将温度传感器探针封装在撞壁板内部和与壁面平齐处，可以同时得到壁面瞬时温度变化和壁面热量传递特性及热本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟湍流火焰与壁面油膜相互作用的实验系统，包括：定容燃烧弹体，用于为湍流火焰提供燃烧场所，包括：两面观察视窗，相对设置在所述定容燃烧弹体的两侧，用于观察湍流火焰与附壁油膜相互作用的过程；湿壁面组件，其一壁面与所述定容燃烧弹体构成燃烧腔体，该壁面上形成有所述附壁油膜；湍流火焰生成装置，与所述定容燃烧弹体连接，用于生成向附壁油膜方向传播的湍流火焰；光学采集装置，通过所述观察视窗采集近壁区的湍流火焰燃烧过程；温度采集装置，设置在所述壁面和所述近壁区内，用于测量湍流火焰与附壁油膜相互作用的过程中所述壁面及所述近壁区的温度变化；以及电子控制装置，分别与所述湍流火焰生成装置、所述光学采集装置和所述温度采集装置信号连接，用于控制协调各个部件的工作状态。

【技术特征摘要】
1.一种模拟湍流火焰与壁面油膜相互作用的实验系统，包括：定容燃烧弹体，用于为湍流火焰提供燃烧场所，包括：两面观察视窗，相对设置在所述定容燃烧弹体的两侧，用于观察湍流火焰与附壁油膜相互作用的过程；湿壁面组件，其一壁面与所述定容燃烧弹体构成燃烧腔体，该壁面上形成有所述附壁油膜；湍流火焰生成装置，与所述定容燃烧弹体连接，用于生成向附壁油膜方向传播的湍流火焰；光学采集装置，通过所述观察视窗采集近壁区的湍流火焰燃烧过程；温度采集装置，设置在所述壁面和所述近壁区内，用于测量湍流火焰与附壁油膜相互作用的过程中所述壁面及所述近壁区的温度变化；以及电子控制装置，分别与所述湍流火焰生成装置、所述光学采集装置和所述温度采集装置信号连接，用于控制协调各个部件的工作状态。2.根据权利要求1所述的模拟湍流火焰与壁面油膜相互作用的实验系统，所述湿壁面组件包括：撞壁板，嵌合于所述定容燃烧弹体内，其一壁面用于涂抹所述附壁油膜；冷却水槽，开设于所述撞壁板上所述附壁油膜的背侧，并通过密封板密封，用于冷却所述撞壁板；进水管和出水管，穿过所述密封板与所述冷却水槽连通，用于循环冷却水；以及耐热套筒，分别与所述撞壁板和所述定容燃烧弹体的端部连接，用于保护所述进水管和所述出水管。3.根据权利要求2所述的模拟湍流火焰与壁面油膜相互作用的实验系统，所述温度采集装置包括：壁内温度传感器，其探针埋设于所述撞壁板内部，用于测量所述撞壁板内部的温度；壁面温度传感器，其探针延伸至所述撞壁板与附壁油膜交界处，用于测量所述撞壁板壁面的温度；以及近壁区温度传感器，其探针设置于近壁区，用于测量近壁区的温度；其中，所述近壁区为与所述附壁油膜间距小于1mm的区域，所述壁内传感器和所述壁面传感器的引线由所述耐热套筒中引出。4.根据权利要求1所述的模拟湍流火焰与壁面油膜相互作用的实验系统，所述湍流火焰生成装置包括：燃料气体生成装置，与所述定容燃烧弹体连接，用于生成燃料气体并输送至所述定容燃烧弹体内；点火装置，与所述定容燃烧弹体连接，用于点燃所述燃料气体，并生成向附壁油膜方向传播的湍流火焰。5.根据权利要求4所述的模拟湍流火焰与壁面油膜相互作用的实验系统，所述燃料气体生成装置包括：复数个高压气瓶，分别用于盛放氢气与空气；预混腔，与复数个所述高压气瓶连接，用于混合氢气和空气形成燃料气体；其中，所述预混腔与所述高压气瓶之间设置有截止阀门，所述预混腔与所述定容燃烧弹体连通，且所述预混腔与所述定容燃烧弹体之间设置有单向阀和电磁阀。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁兴雨，张洪升，王亚军，舒歌群，卫海桥，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12