一种气体燃料预混旋流粒子发生装置

技术领域

本发明涉及超声速燃烧室地面试验领域，特别涉及一种气体燃料预混旋流粒子发生装置。

背景技术

在超声速燃烧室的研究工作中，为了测量燃烧室气体燃料与来流的速度分布和混合特性，需要采用诸如粒子图像测速(Particle image velocimetry)和米散射(Miescattering)等片光测量技术，需要在被测气体燃料中添加较小尺度的微粒作为示踪粒子，通过测量添加粒子的速度及浓度来表征被测气体燃料与来流作用后的特性，这就要求添加粒子要具有很好的跟随性和混合均匀性，以及注入气体具有很好的流量稳定性。其中粒子的跟随性通过选择粒子的种类和粒径来实现，而粒子混合的均匀性与注入前混合状态相关联，但粒子注入前的混合状态和流量稳定性成为亟待解决的问题，也就是说粒子在注入时，需要使其在气体燃料中混合均匀，不沉淀、不团聚，同时气体燃料注入燃烧室的流量控制稳定。不仅局限于超声速燃烧室的测量研究，在其它应用中也涉及到粒子添加前的混合和注入问题，例如带碳粉粒子催化剂、带金属粉末助燃粒子的气体燃料燃烧试验等，这些情况都是气体燃料添加粒子的需要解决的普遍问题。

发明内容

本发明意在提供一种气体燃料预混旋流粒子发生装置，解决了超声速燃烧室地面试验中粒子注入前的混合状态和流量稳定性的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种气体燃料预混旋流粒子发生装置，包括连接管路，所述连接管路采用金属软管，所述连接管路的出口端与超声速燃烧室连接，所述连接管路的进口端与高压气体燃料储存罐连接，所述连接管路上由进口处至出口处依次设有第一电磁阀、粒子储存腔体、预混旋流气缸和第二电磁阀，所述粒子储存腔体内填充有粒子。

技术方案的原理及效果：通过第一电磁阀控制高压气体燃料储存罐内的燃料进入本装置的时间，在燃料进入粒子储存腔体内后与其中的粒子混合并将其预混旋流气缸，高速流动的气体燃料在预混旋流气缸与其带出的粒子进一步混合，当预混旋流气缸内气体燃料填充完成后则开启第二电磁阀，混合均匀后带粒子的气体燃料则从连接管路的出口端经超声速燃烧室的燃料喷嘴进入模型内，本装置通过第一电磁阀和第二电磁阀共同协调完成，通过固定时序控制电磁阀的开闭，此时序可以保证出口处的喷注压力和流量稳定。

进一步的，所述粒子储存腔体内还设有一端封闭的孔隙网，所述孔隙网包覆在粒子外，所述孔隙网与粒子储存腔体的内壁之间设有间隙。

通过上述设置，在气流通过粒子储存腔体时会增加流体流动的湍流度，从而达到增强混合效果的目的。

进一步的，所述预混旋流气缸的设有磁转子和磁场发生器，所述磁转子转动连接在靠近粒子储存腔体一侧的连接管路下方的预混旋流气缸内，所述磁场发生器用于为磁转子提供磁场。

通过上述设置，磁转子通过旋转磁场发生器在预混旋流气缸内旋转，当气体燃料通过预混旋流气缸侧壁面底部的入口进入时，会在磁转子的带动下产生旋流，进一步增强混合效果。

与现有技术相比，本方案的有益效果：

1、本方案获得的装置可以获得均匀混合的带指定粒子的气体燃料；

2、本方案获得的装置操作时序简单，可控性强，出口处喷注压力和流量稳定；

3、本方案获得的装置采用纯机械结构，强度高，成本低，重复利用率高。

附图说明

图1是实施例1的一种气体燃料预混旋流粒子发生装置的示意图；

图2是本实施例1中粒子储存腔体的剖视图；

图3是本实施例1中获得的喷前压力曲线；

图4是实施例2中燃料喷入初始状态获得的MieScatter测量结果图；

图5是实施例2中燃料喷入后稳定状态下获得的MieScatter测量结果图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

说明书附图中的附图标记包括：连接管路1、第一电磁阀2、粒子储存腔体3、预混旋流气缸4、磁场发生器5、第二电磁阀6、孔隙网7。

实施例1

如附图1和图2所示：一种气体燃料预混旋流粒子发生装置，包括连接管路1，连接管路1采用金属软管，连接管路1的出口端(即本实施例中的最左侧)与UI超声速燃烧室连接，在连接管路1的进口端(即本实施例中的最右侧)与高压气体燃料储存罐连接，连接管路1上由进口端至出口端依次设有第一电磁阀2、粒子储存腔体3、预混旋流气缸4和第二电磁阀6，粒子储存腔体3内还设有左端封闭的孔隙网7，孔隙网7的侧壁上开有多个通孔，孔隙网7的右端与粒子储存腔体3的进口连通，孔隙网7与粒子储存腔体3的内壁之间留有间隙，孔隙网7内填充有粒子，从而借助间隙可在气流通过粒子储存腔体3时，增加流体流动的湍流度，可达到增强混合效果的作用。预混旋流气缸4的设有磁转子和磁场发生器5，磁转子为胶囊型，磁转子转动连接在靠近粒子储存腔体3一侧的连接管路1下方的预混旋流气缸4内，磁场发生器5安装在预混旋流气缸4的底部，磁场发生器5用于为磁转子提供磁场。

本方案的工作过程：本实施例中连接管路1采用型号代号为XJR6BL1-200，连接管路1的直径为6mm，粒子储存腔体3的内径为50mm，其长度为125mm，预混旋流气缸4的内径为90mm，其高度为144mm，第一电磁阀2和第二电磁阀6均采用型号代号为：G2/2DCF10-0的高压直角式二位二通电磁阀，高压气体燃料储存罐内采用氢气作为燃料。

在实验过程中，燃料喷注时长控制在400ms，且高压气体燃料储存罐出口处的压力为2.0MPa，从而可获得如附图3所示的压力曲线。当第一电磁阀2开启后，氢气燃料通过粒子储存腔体3进入预混旋流气缸4，当氢气燃料进入粒子储存腔体3时，高速的氢气燃料会卷携粒子储存腔体3中储存的大量团聚的粒子，然后流经孔隙网7并从粒子储存腔体3的侧壁面与孔隙网7之间的间隙中流向粒子储存腔体3的出口。当卷携大量团聚的粒子的高速流动的氢气燃料流经孔隙网7时，使得团聚粒子与孔隙网7发生碰撞而解体成为微小的粉末状粒子，从而达到预混的效果；同时在气流通过间隙时会增加流体流动的湍流度，从而达到增强混合效果的目的。

当初步混合后的氢气燃料进入预混旋流气缸4后，在磁转子的带动下形成旋流，磁子旋转的动力来自于旋转磁场发生器5。磁转子在旋转磁场发生器5驱动下旋转带动氢气燃料产生旋流，预混旋流气缸4经过1037ms后填充完毕；在预混旋流气缸4被填满的过程中，氢气燃料的不断旋转可进一步增强粒子与氢气燃料的混合效果。当填充完毕达到预设压力后开启第二电磁阀6，此时在连接管路1出口处测得的平均喷前压力为1.65MPa，其符合试验要求。试验过程中，喷注进入燃烧室内的氢气燃料与粒子混合效果良好，氢燃料在燃烧室内稳定燃烧。

本实施例中，采用本装置进行试验时，以氢气作为燃料，燃料入口输入的喷注压力为2.0Mpa，搭载于来流为Ma＝2.0，总温Pt＝950k，总压Pt＝0.8MPa的超声速燃烧室地面试验模型上。在试验过程中，借助传感器采集获得的压力信号显示燃料喷注时长为386ms，喷注压力稳定，平均的喷前压力为1.65MPa，本次试验数据良好。

本方案可以通过调节第一电磁阀2和第二电磁阀6的时序来控制燃料喷注的时间，并且此时序可以保证预混旋流气缸4出口处的喷注压力和流量稳定。同时，还可以通过改变燃料出口的直径来调整流量大小，连接管路1的出口直径大小与流量大小成正相关。

实施例2

本实施例与实施例1的区别仅在于工作条件的改变：

本实施例应用于某型号超声速燃烧室地面试验中，根据测量需求采用与氢气分子量相同的氦气作为不燃烧的替代气体，并在粒子储存腔体3中加入0.4μm的三氧化二铝作为示踪粒子，燃料喷注时长为400ms，连接管路1入口处高压气体燃料储存罐的压力为3.5MPa。试验中获得了如图4所示的MieScatter测量结果，当第一电磁阀2开启后，氦气通过粒子储存腔体3并携带大量示踪粒子(三氧化二铝)进入预混旋流气缸4，同时磁转子在旋转磁场发生器5驱动下旋转带动氦气产生旋流，将示踪粒子均匀地在预混旋流气缸4充分搅拌混合均匀。当预混旋流气缸4内压力达到预设压力后第二电磁阀6开启，氦气携带示踪粒子经燃料喷嘴进入燃烧室内，通过波长为532nm，脉宽为10ns，厚度为0.5mm的激光片光使得示踪粒子产生散射光，最终通过高速相机采集获得图5所示的MieScatter测量结果，非常清楚的展示了氢燃料(氦气示踪)点火前在燃烧室中的空间位置分布。

本实施例中，采用本装置进行试验时，以氢气作为燃料，燃料入口输入的喷注压力为3.5Mpa，搭载于来流为Ma＝2.0，总温Pt＝950k，总压Pt＝0.8MPa的超声速燃烧室地面试验模型上。从MieScatter测量结果来看，采用本方案获得的示踪气体内粒子与气体混合均匀，说明本装置达到了预期效果。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。