基于超声悬浮的不同环境下燃烧诊断系统

技术领域

本发明属于声悬浮以及燃烧诊断技术领域，尤其涉及基于超声悬浮的不同环境下燃烧诊断系统。

背景技术

超声悬浮利用若干超声波发射器产生高频振动，在介质中产生声场，在空间中反复多次叠加并形成辐射声压，置于声场中的物体在辐射声压的作用下，将达到悬浮状态，形成的声场在轴向和径向上均存在一定的声压梯度，使物体在轴向和径向上均受到回复力的作用，当被悬浮物受到轻微扰动偏移平衡位置时，能够在回复力的作用下再次回到平衡位置。超声悬浮因其结构相对简单、生产成本不高且对材料特性无特殊要求等优点，已被广泛应用于生物医药、材料冶炼、材料运输等领域。如某文章《声悬浮运输小车设计》将超声悬浮应用于材料运输领域；某文章《超声驻波悬浮及材料无容器处理研究》将超声悬浮应用于材料冶炼领域。推进剂燃烧过程及燃烧效率直接影响了火箭发动机性能，通过推进剂燃烧诊断获得其燃烧特点，有针对性的开展研究是火箭发动机研究的重要组成部分。传统燃烧诊断方法存在与外界装置接触与流化气干扰燃烧过程等问题，悬浮系统具有不与被操作材料接触等优势，目前，气动悬浮、电磁悬浮、光悬浮等悬浮方法已被应用于推进剂燃烧诊断中，但存在一些不足。如电磁悬浮要求悬浮样品导电，气动悬浮稳定性较差，光悬浮提供的悬浮力较小为纳牛顿量级。

为了解决上述问题，将超声悬浮引入推进剂燃烧诊断中，拟最大程度上排除被诊断材料外其他组分的干扰。相比其他悬浮方法而言，声悬浮可以对材料实现无容器处理，并且悬浮时材料稳定性好，阵列式排布也使得悬浮材料受外界影响小，具有结构简单、应用成本低等特点且对被悬浮材料的物理性质和外部环境无特殊要求，具有良好的悬浮能力和灵活的操控性。本申请拟使燃烧诊断的结果更加精确，对材料物理化学反应的过程进行真实地模拟；同时为不同压力与不同气体氛围条件下材料的燃烧机理研究提供思路。

发明内容

本发明的目的在于针对现有燃烧诊断系统存在被诊断材料与外界接触以及无法真实模拟材料实际燃烧过程的技术现状，提出了基于超声悬浮的不同环境下燃烧诊断系统，所述系统可以实现对不同材料在不同环境下的燃烧诊断，排除外界材料对燃烧诊断的干扰，真实还原材料燃烧过程。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

所述基于超声悬浮的不同环境下燃烧诊断系统，包括高压燃烧室、供气系统、超声悬浮阵列、测试系统与激光点火系统。

所述高压燃烧室，为燃烧诊断提供环境压力氛围与气体氛围，高压燃烧室周围留有测试与图像采集系统的连接口；

所述供气系统与高压燃烧室相连，高压燃烧室与测试系统相连，超声悬浮阵列固定于高压燃烧室底部，激光点火系统与高压燃烧室相连，计算机控制超声悬浮阵列、电磁阀以及测试系统；

所述超声悬浮阵列及压力传感器位于高压燃烧室内部，所述激光点火器、供气系统、高速相机、红外热像仪、光谱仪以及计算机位于高压燃烧室外部；

所述高压燃烧室配观察窗和玻璃窗；所述观察窗是方便测试系统的高速相机工作，高速相机通过位于高压燃烧室侧面的观察窗对图像进行拍摄；红外热像仪和光谱仪透过观察窗观测且观察窗的材料为石英玻璃，玻璃窗的材质是硒化锌能有效降低激光透入的损失，激光点火器通过玻璃窗将激光照射进高压燃烧室；

所述供气系统包括高压气瓶，减压阀，电磁阀，高压气瓶为高压燃烧室供气，创造不同环境压力与组分下的燃烧诊断环境，减压阀控制来流，使进气通道中的气体平稳进入高压燃烧室中；电磁阀控制进气通道开关，使高压燃烧室中气体达到试验条件；

所述测试系统包括压力传感器、高速相机、红外热像仪与光谱仪，传感器记录高压燃烧室内压力情况，为后续工作提供压力数据；高速相机用于记录材料从点火开始直到完全燃烧的全过程，为后续分析提供数据支撑；红外热像仪利用红外探测器和光学成像物镜接收悬浮材料红外辐射能量分布图形并反馈到光敏元件上，从而获得红外热像图；光谱仪应用光学原理，对悬浮材料的结构和成分进行观测、分析和处理；

所述激光点火系统主要包含激光点火器，提供足够的能量点燃被诊断材料，完成激光点火；

所述高压燃烧室由金属材料制成，左侧安装有观察窗，用于图像采集系统中的高速相机拍摄，右侧配备有硒化锌光学玻璃，用于激光投射点燃悬浮材料；

所述高压燃烧室的底部设有进气通道与出气通道，进气通道由电磁阀单元控制，出气通道由普通阀门控制，高压燃烧室内压力由压力传感器测定；

所述高压燃烧室上方留有小孔，目的在于实现超声悬浮阵列模块的电路连接，同时也便于压力传感器的安装；

所述超声悬浮阵列由18个超声换能器探头到120个超声换能器探头组成；

所述超声悬浮阵列具体实施时，由72个超声换能器探头时效果最好；

所述超声悬浮阵列的频率为20-40kHz，可调电压范围为10V-50V。

所述超声悬浮阵列为双面超声波阵列，配驱动机构，受计算机控制调节超声悬浮阵列的相位与距离，产生特定声场使材料悬浮；

所述驱动机构受计算机控制，用于调整超声悬浮阵列之间的距离，使被悬浮材料能够稳定在超声波阵列产生的声场中，为后续工作奠定基础。

所述基于超声悬浮的不同环境下燃烧诊断系统，包含以下步骤：

S1、连接燃烧诊断系统电路，超声悬浮阵列正常工作，将被诊断材料置于阵列中；

S2、等待材料稳定悬浮后，打开进气通道的电磁阀，由供气系统向高压燃烧室中持续供气，当压力传感器示数达到试验需求时，关闭电磁阀；

S3、超声悬浮阵列受计算机控制，根据外界环境变化调节超声悬浮阵列的相位与阵列之间的距离，实现材料稳定悬浮；

S4、当材料稳定悬浮后，由计算机控制打开激光点火器，通过计算机控制激光点火器的点火功率，对被诊断材料进行激光点火；

S5、由高速摄像通过观察窗记录材料悬浮以及从激光点火器点火开始到材料完全燃烧的全过程；

S6、使用计算机中处理得到的数据并开展分析。

当进行不同气氛下材料燃烧诊断研究时，需要先关闭激光点火器，并断开超声悬浮阵列的电源，打开出气通道的阀门，将高压燃烧室气体排出，等待压力传感器示数为一个大气压时关闭阀门，重复步骤S1-S6。

有益效果

本发明提出的基于超声悬浮的不同环境下燃烧诊断系统，与现有燃烧诊断系统相比，具有如下有益效果：

1.所述系统将超声悬浮应用于推进剂燃烧诊断领域，避免了燃烧诊断时被诊断材料与外界装置的接触，使燃烧诊断的结果更加精确，扩展了超声悬浮的应用范围；

2.所述系统可以实现不同压力以及不同氛围下各种材料的燃烧诊断，能够更加真实模拟材料从点火至燃烧的全过程，为材料燃烧诊断提供新思路。

附图说明

图1为本发明基于超声悬浮的不同环境下燃烧诊断系统的组成与连接框图；

图2为本发明基于超声悬浮的不同环境下燃烧诊断系统的组成示意图；

图3为本发明基于超声悬浮的不同环境下燃烧诊断系统高压燃烧室的结构图；

图示说明：

1-高压燃烧室金属壳体；2-电源接线孔；3-压力传感器接线孔；4-高压燃烧室端盖；5-玻璃窗；6-玻璃窗端盖；7-悬浮材料；8-观察窗；9-超声悬浮阵列。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明基于超声悬浮的不同环境下燃烧诊断系统做进一步的介绍。

实施例1

基于超声悬浮的不同环境下燃烧诊断系统主要应用于常温条件下，高压燃烧室中气体压力范围可调节，高压燃烧室内气体环境可以调整为二氧化碳，氧气，空气与氮气，悬浮材料为固体推进剂，液体推进剂与金属颗粒。下面结合发明内容以及附图详细阐述具体实施过程。在火箭发动机领域中，推进剂是不可或缺的部分，对推进剂的机理研究过程中燃烧诊断是一种非常重要的手段。在过去研究中，有以下几种方法：被诊断材料置于载玻片上，将载玻片固定于支撑装置上，置于燃烧室中，采用激光点火的方式对含能材料进行诊断如某论文《压力对纳米铝粉/RDX混合物聚光点火燃烧特性的影响》；将被诊断材料固定于夹持装置上，并用支撑装置保证夹持装置的稳定，使用激光点火的方式对材料进行诊断，如某论文《单液滴和金属铝颗粒的燃烧特性研究》；将被诊断材料与流化气混合，通入燃烧室中，通过改变流化气的流速调整被诊断材料在燃烧室中的位置，使用激光点火的方式对材料进行燃烧诊断如某论文《铝及铝基固体推进剂能量释放特性研究》。以上几种方式均存在缺陷，一方面，被诊断材料与夹持装置和支撑装置相接触，材料受到污染，当激光照射材料时，高温条件下被诊断材料的组分发生改变，得到的诊断结果会出现误差，影响后续对材料燃烧机理的研究；另一方面，向燃烧室中通入流化气时，流化气的流速无法精确控制，若流速过小，被诊断材料无法到达理想位置，无法开展后续工作；若气流流速过大，会阻碍激光点火，无法实现材料的燃烧，后续研究也无法进行。当燃烧诊断进行的过程中，材料会因为自身重力作用而下落，导致高速摄像无法记录完整过程。本申请提出的基于超声悬浮的不同环境下燃烧诊断系统中，被诊断材料处于超声悬浮阵列形成的声场中，介质为气体，不与夹持装置和支撑装置接触，保证了激光点火时材料不受到污染；通入燃烧室中的气体由电磁阀控制，在进行燃烧诊断时避免了气体流速对燃烧诊断过程中的影响，燃烧室中气体氛围与压力均可控；在进行燃烧诊断时，处于超声悬浮阵列产生声场中的被诊断材料是处于运动状态而非静止状态，可以实现被诊断材料燃烧完整过程均能够被高速摄像记录，相对于传统的燃烧诊断方法能够更加真实地模拟材料实际状态下的燃烧过程，使燃烧诊断结果更加精确。

如图1所示，所述基于超声悬浮的不同环境下燃烧诊断系统，包括高压燃烧室、供气系统、超声悬浮阵列、测试系统与激光点火系统；

所述供气系统与高压燃烧室相连，高压燃烧室与测试系统相连，超声悬浮阵列固定于高压燃烧室底部，激光点火系统与高压燃烧室相连，计算机控制超声悬浮阵列、电磁阀以及测试系统；

具体实施时，所述超声悬浮阵列及压力传感器位于高压燃烧室内部，所述激光点火器、供气系统、高速相机、红外热像仪、光谱仪以及计算机位于高压燃烧室外部；所述高压燃烧室，为燃烧诊断提供环境压力氛围与气体氛围，高压燃烧室周围留有测试与图像采集系统的连接口；所述高压燃烧室配观察窗和玻璃窗；所述观察窗是方便测试系统的高速相机工作，高速相机通过位于高压燃烧室侧面的观察窗对图像进行拍摄；红外热像仪和光谱仪透过观察窗观测且观察窗的材料为石英玻璃，玻璃窗的材质是硒化锌能有效降低激光透入的损失，激光点火器通过玻璃窗将激光照射进高压燃烧室；

所述供气系统包括高压气瓶，减压阀，电磁阀，高压气瓶为高压燃烧室供气，创造不同环境压力与组分下的燃烧诊断环境，减压阀控制来流，使进气通道中的气体平稳进入高压燃烧室中；电磁阀控制进气通道开关，使高压燃烧室中气体达到试验条件；

所述测试系统包括压力传感器、高速相机、红外热像仪与光谱仪，传感器记录高压燃烧室内压力情况，为后续工作提供压力数据；高速相机用于记录材料从点火开始直到完全燃烧的全过程，为后续分析提供数据支撑；红外热像仪利用红外探测器和光学成像物镜接收悬浮材料红外辐射能量分布图形并反馈到光敏元件上，从而获得红外热像图；光谱仪应用光学原理，对悬浮材料的结构和成分进行观测、分析和处理；

所述激光点火系统主要包含激光点火器，提供足够的能量点燃被诊断材料，完成激光点火；

所述高压燃烧室由金属材料制成，左侧安装有观察窗，用于图像采集系统中的高速相机拍摄，右侧配备有硒化锌光学玻璃，用于激光投射点燃悬浮材料；

所述高压燃烧室的底部设有进气通道与出气通道，进气通道由电磁阀单元控制，出气通道由普通阀门控制，高压燃烧室内压力由压力传感器测定；

所述高压燃烧室上方留有小孔，目的在于实现超声悬浮阵列模块的电路连接，同时也便于压力传感器的安装；

所述超声悬浮阵列由18个超声换能器探头到120个超声换能器探头组成；

所述超声悬浮阵列具体实施时，由72个超声换能器探头时效果最好；

所述超声悬浮阵列的频率为20-40kHz，可调电压范围为10V-50V。

所述超声悬浮阵列为双面超声波阵列，配驱动机构，受计算机控制调节超声悬浮阵列的相位与距离，产生特定声场使材料悬浮；

所述驱动机构受计算机控制，用于调整超声悬浮阵列之间的距离，使被悬浮材料能够稳定在超声波阵列产生的声场中，为后续工作奠定基础。

所述基于超声悬浮的不同环境下燃烧诊断系统，包含以下步骤：

S1、连接燃烧诊断系统电路，超声悬浮阵列正常工作，将被诊断材料置于阵列中；

S2、等待材料稳定悬浮后，打开进气通道的电磁阀，由供气系统向高压燃烧室中持续供气，当压力传感器示数达到试验需求时，关闭电磁阀；

S3、超声悬浮阵列受计算机控制，根据外界环境变化调节超声悬浮阵列的相位与阵列之间的距离，实现材料稳定悬浮；

S4、当材料稳定悬浮后，由计算机控制打开激光点火器，通过计算机控制激光点火器的点火功率，对被诊断材料进行激光点火；

S5、由高速摄像通过观察窗记录材料悬浮以及从激光点火器点火开始到材料完全燃烧的全过程；

S6、使用计算机中处理得到的数据并开展分析。

当进行不同气氛下材料燃烧诊断研究时，需要先关闭激光点火器，并断开超声悬浮阵列的电源，打开出气通道的阀门，将高压燃烧室气体排出，等待压力传感器示数为一个大气压时关闭阀门，重复步骤S1-S6。

如图2所示，超声悬浮阵列电源、压力传感器、测试系统中的高速相机、红外热像仪、光谱仪与高压气瓶相连的电磁阀均与计算机相连，在系统工作时均受计算机控制。在诊断过程中，先连接好电路，超声悬浮阵列正常工作，将被诊断材料置于阵列中，等待材料稳定悬浮后，打开进气通道的电磁阀，由供气系统向高压燃烧室中持续供气，供气系统由高压气瓶与减压阀组成，高压气瓶充满时可提供15MPa气体，减压阀接口尺寸为M8，能够稳定控制高压气瓶中输出的气体压力，量程为0-10MPa；压力传感器采用AE-S微型压力传感器，工作范围为0-10MPa，适用温度范围为-10℃-200℃，固有频率为150kHz-2MHz，综合精度为0.5％FS，外壳材质为304不锈钢，外接放大电路，防护等级IP65。当压力传感器示数达到试验需求时，关闭电磁阀，超声悬浮阵列根据高压燃烧室内环境变化，通过计算机对阵列的相位与阵列间的距离进行调节，实现被诊断材料的稳定悬浮，材料稳定悬浮后，通过计算机控制打开激光点火器，激光点火器功率在0-6W范围内精确可调，能够2W可调连续出光，稳定性＜1％，束腰直径≤2mm，发散角≤1.5，光斑模式为TEM00，工作模式有CW，TTL，Analog可选，预热时间小于10s，调制频率为30kHz。调节激光点火器的点火功率，对被诊断材料进行激光点火，由高速摄像通过观察窗记录燃烧的完整过程，高速摄像采用PHANTOM VEO710，最高拍摄帧率为1000000帧/秒，内存容量为72GB，最小曝光时间为1μs，两次曝光最小时间间隔为395ns在计算机中处理得到的数据。当进行不同气氛下材料燃烧诊断研究时，需要先关闭激光点火器，并断开超声悬浮阵列的电源，打开出气通道的阀门，将高压燃烧室气体排出，等待压力传感器示数为一个大气压时关闭阀门，启动超声悬浮阵列，重复上述诊断过程。

如图3所示，1为高压燃烧室金属壳体，提供了足够的强度与刚度；2为电源接线孔，将超声悬浮阵列与电源连接；3为压力传感器接线孔，方便压力传感器的安装；4为高压燃烧室端盖；5为由硒化锌材料制成的玻璃窗，激光透过玻璃窗对悬浮材料进行点火；6为玻璃窗端盖；7为悬浮材料；8为由石英玻璃制成的观察窗；9为超声悬浮阵列。在诊断过程中，先通过电源接线孔2将电源与超声悬浮阵列9相连，使得超声悬浮阵列9正常工作，将被诊断材料7置于超声悬浮阵列中，等待材料稳定悬浮后，打开进气通道的电磁阀，由供气系统向高压燃烧室中持续供气，当通过压力传感器接线孔3连接的压力传感器的示数达到试验需求的参数时，通过电脑控制关闭电磁阀，当超声悬浮阵列的相位与距离调节完毕，即材料实现稳定悬浮后，激光点火器发射激光，通过由硒化锌材料制成的玻璃窗辐射在悬浮材料7表面，进行激光点火，由高速摄像通过石英玻璃制成的观察窗8记录悬浮材料7从点火至燃烧完成的全过程，将记录得到的数据存储在计算机中，后续对得到的数据进行处理与分析。

以上所述仅是本申请部分可选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请的方案技术构思的前提下，采用基于本申请技术思想的其他类似实施手段，同样属于本申请实施例的保护范畴。