[發(fā)明專利]利用往復(fù)式氣流脈動對撞營造穩(wěn)定湍流的湍流定容燃燒實驗裝置

在審

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• 申請日: 2018-12-27
• 公開（公告）號: CN109781416A
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫作宇
• 申請（專利權(quán)）人: 北京交通大學(xué)
• 主分類號: G01M15/02
• 分類號: G01M15/02;G01M15/05;G01M15/14
• 代理公司: 北京市誠輝律師事務(wù)所 11430
• 代理人: 王玉

本發(fā)明提供了一種利用往復(fù)式氣流脈動對撞營造穩(wěn)定湍流流場的定容燃燒實驗裝置，該裝置包括：封閉的腔體，內(nèi)腔為球形，用于提供燃燒的封閉空間；往復(fù)式運動機構(gòu)，利用連續(xù)的往復(fù)運動產(chǎn)生脈動氣流；脈動源連接孔，各孔尺寸相同且孔的軸線都通過封閉腔體中心，各孔以腔體內(nèi)腔中心為中心構(gòu)成中心對稱的多面體結(jié)構(gòu)，用于將產(chǎn)生的脈動氣流引導(dǎo)至腔體并利用來自不同方向的氣流間碰撞產(chǎn)生湍流；高速響應(yīng)閥門，實現(xiàn)往復(fù)式運動機構(gòu)和封閉的腔體之間流動的聯(lián)通或切斷；電子控制系統(tǒng)，用于對每個往復(fù)式運動機構(gòu)以及每個高速響應(yīng)閥門進(jìn)行獨立控制。在使用本發(fā)明提供的實驗裝置可以開展各向同性湍流中的預(yù)混燃燒實驗研究。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明設(shè)計一種湍流定容燃燒實驗裝置，尤其涉及一種利用往復(fù)式氣流脈沖對撞的湍流定容燃燒實驗裝置。

背景技術(shù)

對于利用燃燒驅(qū)動的動力裝置(如航空發(fā)動機、汽車發(fā)動機、船用燃?xì)廨啓C、特種設(shè)備的直線內(nèi)燃電機等)而言，其動力性能是由燃燒過程所決定的。這些實際設(shè)備中的燃燒過程都發(fā)生在湍流環(huán)境之中，湍流與火焰之間的相互作用直接決定了燃燒的質(zhì)量，并進(jìn)而決定了這些動力裝置的動力性能、燃料經(jīng)濟性能和燃燒排放性能。因此，開展湍流燃燒過程和燃燒性能的基礎(chǔ)性研究對于指導(dǎo)燃燒驅(qū)動動力裝置的優(yōu)化設(shè)計和控制至關(guān)重要。

對于多數(shù)以燃燒驅(qū)動的動力裝置而言，燃燒所發(fā)生的湍流環(huán)境主要是由于裝置內(nèi)機械結(jié)構(gòu)的運動所造成的，這種機械結(jié)構(gòu)的運動多數(shù)情況下是往復(fù)式的沖程運動，因此這些動力裝置內(nèi)的真實湍流流場中存在由于沖程運動所帶來的脈動特征。然而，目前可用于開展湍流燃燒基礎(chǔ)性實驗研究的實驗設(shè)備都無法真正地模擬出這種實際動力設(shè)備中的湍流流場和湍流燃燒過程中。本生燃燒器是目前湍流燃燒實驗研究中應(yīng)用最為廣泛的實驗裝置，這種實驗裝置主要可實現(xiàn)的一些簡單的駐定火焰(如蠟燭火焰、家庭灶具火焰等)模擬，其可獲得的研究結(jié)果在以膨脹火焰發(fā)展為驅(qū)動源的動力裝置上應(yīng)用時難以取得良好的成效。雖然，近年來也出現(xiàn)了可以實現(xiàn)膨脹火焰運動的風(fēng)扇湍流定容燃燒裝置，但是其穩(wěn)定的初始湍流流場是由風(fēng)扇在實驗裝置內(nèi)的攪動而形成的，其湍流流場與實際動力裝置內(nèi)的湍流在成因以及特性上存在很大區(qū)別：其一，這種方式形成的流場實際上是由風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)運動所產(chǎn)生的有序旋流構(gòu)成的，而并非是無序的流動脈動所造成的真正意義上的湍流流場；其二，這種方式所形成的流場中因擾動源是穩(wěn)定的風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，因此其流場中的流動不具備脈沖特征。盡管，也有些前瞻性的研究工作通過在透明材料制備的動力裝置(如光學(xué)發(fā)動機)直接觀察湍流燃燒過程；但是，這類實驗裝置也存在兩項突出的問題：其一，透明材料(目前主要采用石英玻璃)的承壓能力和承溫能力有限，無法模擬動力裝置內(nèi)的高壓高溫環(huán)境下的燃燒實驗；其二，其營造的湍流流場不具備各向同性且存在快速衰減過程中而非穩(wěn)定狀態(tài)，這種湍流流場中獲得燃燒過程研究不具備量化分析的條件，也難以應(yīng)用到燃燒理論的完善、燃燒模型的建立和燃燒裝置設(shè)計和優(yōu)化的理論指導(dǎo)。

綜上，現(xiàn)有的湍流燃燒模擬實驗裝置無法實現(xiàn)應(yīng)用于指導(dǎo)以燃燒驅(qū)動的動力裝置內(nèi)湍流燃燒過程設(shè)計和控制的基礎(chǔ)性研究。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上問題，本發(fā)明的目的是提供一種湍流定容燃燒實驗裝置，其可以實現(xiàn)穩(wěn)定的湍流流場，同時所營造的湍流中存在脈沖的特征。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種利用往復(fù)式氣流脈沖對撞營造穩(wěn)定湍流流場的定容燃燒實驗裝置，該裝置包括：

封閉的腔體，用于提供承載湍流流場和湍流燃燒過程的封閉空間；該腔體的內(nèi)腔設(shè)計為球形結(jié)構(gòu)，從而避免引起脈動波在封閉腔體之間的不均勻傳遞；在該腔體上，以腔體中心為中心正交開設(shè)六個孔，每個安裝孔上安裝有一塊可視化的光學(xué)視窗，一方面用于腔體內(nèi)的密封，另一方面則用于于提供觀測燃燒過程的光學(xué)通路；同時，腔體上安裝有用于配置燃燒實驗混合物以及排出燃燒后廢氣的配氣管路、用于實現(xiàn)腔體中心位置處點火的點火電極、用于測量腔體內(nèi)熱力學(xué)參數(shù)的傳感設(shè)備以及其他輔助功能部件；

往復(fù)式運動機構(gòu)，用于通過連續(xù)的往復(fù)式運動在機構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生具有脈動波的氣流流動，并通過該機構(gòu)上的出口可以實現(xiàn)氣流的導(dǎo)出和吸入；