[發(fā)明專利]一種非接觸式航空煤油液滴蒸發(fā)裝置

在審

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• 申請日: 2019-04-26
• 公開（公告）號: CN110044951A
• 公開（公告）日: 2019-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 范瑋;賈文杰;鄭家煒;董榮曉;孫云龍
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01N25/12
• 分類號: G01N25/12;B01D1/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明涉及航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，具體為一種非接觸式航空煤油液滴蒸發(fā)裝置。針對現(xiàn)有接觸式航空煤油液滴懸停方法存在的不足之處，采用超聲懸浮原理，在聲場中將發(fā)射波和反射波疊加形成穩(wěn)定駐波，調(diào)節(jié)反射端與發(fā)射端的距離使得駐波某一位置處聲輻射力與液滴重力大小相等，方向相反，從而將液滴穩(wěn)定懸停在聲場內(nèi)，可避免現(xiàn)有接觸式液滴懸停裝置對液滴蒸發(fā)過程的影響，準(zhǔn)確模擬燃燒室中液滴真實蒸發(fā)過程；同時，利用非接觸式液滴懸停方式，液滴幾何外形規(guī)則對稱，可用高速攝像機(jī)直接獲得液滴直徑隨時間變化規(guī)律，無需通過后期圖像處理得到液滴直徑，顯著提高實驗精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，具體為一種非接觸式航空煤油液滴蒸發(fā)裝置。

背景技術(shù)

航空發(fā)動機(jī)主要通過航空煤油的霧化燃燒來獲取動力，霧化性能決定了燃料燃燒效率，因此有必要對燃料的霧化性能進(jìn)行探究，而單個液滴的蒸發(fā)是燃油霧化蒸發(fā)的基礎(chǔ)，對單個燃油液滴蒸發(fā)規(guī)律的研究是探索噴霧燃燒的關(guān)鍵。

目前，航空煤油液滴蒸發(fā)實驗探究的主要難點在于液滴的懸停，現(xiàn)有的液滴懸停方式主要為采用帶頭部纖維絲懸停液滴和采用熱電偶絲交點懸停液滴兩種方式，但上述方法均存在缺陷：采用帶頭部纖維絲懸停液滴時，液滴包裹在纖維球頭部的外部，無法觀察到液滴完整的蒸發(fā)過程，很難準(zhǔn)確模擬實際發(fā)動機(jī)中的霧化過程，從而降低了所得實驗結(jié)論的科學(xué)性；采用熱電偶絲交點懸停液滴的方法，雖然可以在一定程度上解決上述問題，同時測量出液滴內(nèi)部溫度，但該方法極大地提高了液滴懸停的難度，同時金屬熱電偶絲的導(dǎo)熱效應(yīng)會影響液滴的蒸發(fā)過程，導(dǎo)致無法得到液滴真實的蒸發(fā)規(guī)律。另外，由于燃油液滴的吸附效應(yīng)，懸停在熱電偶絲上的液滴呈現(xiàn)出不規(guī)則的幾何形狀，因此實驗中很難準(zhǔn)確獲得液滴的直徑。

綜上所述，現(xiàn)有的實驗研究中采用的液滴懸停方式主要為接觸式液滴懸停方式，由于該方法本身的局限性，目前還沒有較好的方法能夠完全排除懸垂器頭部對蒸發(fā)過程的干擾。

鑒于現(xiàn)有接觸式液滴蒸發(fā)裝置所存在的不足，本發(fā)明提出了一種利用超聲懸浮的非接觸式航空煤油液滴蒸發(fā)裝置。

發(fā)明內(nèi)容

要解決的技術(shù)問題

針對現(xiàn)有接觸式液滴懸停方式中，懸垂器頭部干擾液滴蒸發(fā)過程從而無法模擬真實燃燒室中液滴蒸發(fā)過程的問題，本發(fā)明提供了一種利用超聲懸浮的非接觸式液滴懸停裝置，通過聲輻射力平衡液滴重力，將液滴穩(wěn)定懸停在介質(zhì)中。

對空氣中的介質(zhì)施加聲波作用后，相當(dāng)于在介質(zhì)微粒的無規(guī)律擾動中加入了一種規(guī)律的運(yùn)動，使得介質(zhì)變得稠密或稀疏，從而使介質(zhì)的壓強(qiáng)發(fā)生變化，把這種由于聲擾動而引起壓強(qiáng)變化的現(xiàn)象叫做聲壓，聲擾動通過聲壓對介質(zhì)中的液滴產(chǎn)生作用力。

已知理想流體中平面駐波對小球的聲輻射力F為：

其中，A為入射波速度勢的復(fù)振幅，k為超聲波波數(shù)，r為小球半徑，d為小球中心到發(fā)射端的鉛垂距離，λ_p為介質(zhì)密度ρ_a與小球密度ρ_s的比值。

由于介質(zhì)密度遠(yuǎn)小于被懸浮小球的密度，可將上式簡化為：

在固定空間內(nèi)，溫度變化會導(dǎo)致介質(zhì)密度變化，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，有：

其中，ρ₀為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和溫度為273.15K時的介質(zhì)密度，T為溫度。

將上式代入公式(2)中，可得到聲懸浮力與溫度的關(guān)系為：

小球在介質(zhì)中只受到鉛垂方向的重力G和聲輻射力F，滿足小球穩(wěn)定懸停的充要條件為兩者大小相等，方向相反。其中，小球的重力G可表示為：