[發明專利]一種定容燃燒實驗裝置及包括其的燃燒實驗系統及方法

在審

• 申請號: 201810008056.X
• 申請日: 2018-01-04
• 公開（公告）號: CN108562689A
• 公開（公告）日: 2018-09-21
• 發明（設計）人: 孫作宇
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: G01N31/12
• 分類號: G01N31/12
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 李玉琦;李琳

本發明公開了一種定容燃燒實驗裝置，包括腔體、點火電極、電機、變頻器、控制單元以及安裝于腔體上的多臺扇葉器，其中，點火電極安裝于所述腔體內，放電尖端的中心位于腔體的中心，每臺扇葉器均連接一臺變頻器和一臺電機，控制單元與各變頻器連接，通過向各變頻器發送指令，控制相應的電機的轉速，帶動相應的扇葉器轉動，從而在腔體內形成湍流流場。本發明通過控制單元分別控制多臺扇葉器的轉動方向以及轉動速度，可在腔體內形成各種類型的湍流環境，用于模擬各類真實的燃燒過程，同時又能控制形成的湍流環境的湍流強度。本發明還公開了一種包括上述定容燃燒實驗裝置的定容燃燒實驗系統以及利用該系統進行預混燃燒實驗的方法。

技術領域

本發明涉及燃料燃燒技術領域，具體地，涉及一種定容燃燒實驗裝置及包括其的燃燒實驗系統及方法。

背景技術

對燃燒的利用和控制是人類能夠脫離其他動物、提高生產力、實現美好生活的最重要的生產實踐，燃料的燃燒是人類生產和生活中的主要能量來源。在生產生活實踐中，燃料的燃燒都是發生在湍流環境之中，且燃燒發生時的湍流環境是復雜的而且也是多種多樣的。只有全面認知燃料在各種復雜流動環境中的燃燒過程、深入了解燃料在各種復雜流動環境中的燃燒特性，才能切實有效地根據流動環境的不同來控制和優化燃燒過程，提高熱能及動力設備的動力性和燃料經濟性，并控制燃燒污染物的生成和排放等問題。因此，在燃料的燃燒特性的研究中，湍流環境中的燃燒過程是研究的重點和核心。

目前，在對湍流環境中燃料的燃燒過程的研究中，通常使用本生燃燒器來開展工作，少數則在定容燃燒裝置利用孔板快速運動營造湍流環境開展定容預混燃燒的實驗工作。

利用本生燃燒器開展研究時，主要是通過在本生燃燒器的氣體輸運管中架設孔板，利用氣體通過孔板的尾跡湍流來實現湍流環境的營造，在本生燃燒器氣體輸運管末端對燃料實施點火來實現湍流預混火焰。本生燃燒器雖然可以模擬一些簡單的實際火焰，如靜態環境中燃氣灶上的火焰燃燒過程，但是其工作方式決定了它在模擬更為真實、普遍的燃燒過程時存在很多技術瓶頸。例如，在以汽車發動機為代表的內燃機和以燃氣輪機為代表的外燃機中，燃料的燃燒過程是火焰在復雜流動環境中向空間自由發展的，而本生燃燒器上的火焰是駐定在燃燒器氣體輸運管末端的，本生燃燒器可實現的火焰完全無法模擬這些真實動力裝置中的燃燒過程；本生燃燒器可營造的流動環境是一個有主流的流動脈動，這種流動環境只存在于駐定火焰的根部，然而實際生產生活實踐中極少會發生火焰只有某一個局部位置處于湍流環境中而其他火焰局部處于層流環境中的現象。且本生燃燒器湍流的特性是通過改變孔板的位置和結構以及氣態化的燃料流動速度實現湍流強度的變化的，這種模擬裝置所營造的湍流強度很大程度依賴于孔板孔徑尺寸和燃料流速，湍流強度在燃燒過程中不發生顯著變化，這不符合實際的燃燒過程中火焰外圍的湍流流動環境持續在發生變化。

定容燃燒裝置可以實現模擬內燃機和以燃氣輪機中相類似的球形火焰，但是依靠孔板快速運動所產生的湍流是一個快速衰減的存在單一主流的湍流，通過改變孔板的運動速度來實現湍流強度的變化，這種實驗裝置所營造的湍流強度很大程度依賴于孔板速度。湍流強度是快速衰減，其無法開展各向同性湍流環境下的實驗工作，也難以模擬更為復雜的湍流環境中的燃燒實驗。

綜上，現有的對湍流環境中燃料燃燒過程研究的實驗裝置，無論是本生燃燒器，還是孔板快速運動的定容燃燒裝置，其本質都是尾跡湍流，均無法實現復雜湍流流動用于模擬各類真實的燃燒環境，同時又能控制這種湍流流動的湍流強度。

發明內容

鑒于以上問題，本發明的目的是提供一種定容燃燒實驗裝置及包括其的燃燒實驗系統及方法，以實現復雜湍流流動，用于模擬各類真實的燃燒環境，同時又能控制這種湍流流動的湍流強度。

為了實現上述目的，本發明的一個方面是提供一種定容燃燒實驗裝置，包括腔體、點火電極、電機、變頻器、控制單元以及安裝于所述腔體上的多臺扇葉器，