一种用于自燃型燃料点火特性研究的实验装置及方法与流程

1.本发明涉及燃烧实验技术领域，具体涉及一种用于自燃型燃料点火特性研究的实验装置及方法。


背景技术：

2.液体推进剂作为一种特殊的高能化学物质，通过燃料在燃烧室内发生放热反应来产生高温高压的气体，之后利用喷嘴形成一定的推力，从而达到推动航天飞机等航天器的目的。
3.目前，液体推进剂主要分为两大类：常温的肼类双组元推进剂(自燃型燃料)和低温的液氢、液氧、液氧煤油推进剂(低温推进剂)。低温推进剂储存困难，需要独立的点火系统，否则试验失败的风险会增加。肼类双组元推进剂是以肼类为燃料，以硝基类为氧化剂的自点火液体推进剂，这类推进剂可以通过燃料与氧化剂接触后的化学反应释放能量实现自点火，因此不需要辅助的点火系统。与低温推进剂相比较，肼类双组元推进剂(自燃型燃料)的点火更加可靠，由于不需要冷却系统和点火系统，肼类双组元推进剂(自燃型燃料)的推重比更高，并且可以实现多次重复启动，可广泛应用于各类航天器。
4.为了研究自燃型燃料的点火特性，需对自燃型燃料进行相应的点火及燃烧实验。而现有实验装置，例如定容燃烧弹、激波管、快速压缩机等，对于一般碳氢燃料来说，能够精确的研究燃料的各种性能，火焰传播过程，温度变化，可燃气体、可燃粉尘的燃烧性能。但自燃型燃料点火过程中，燃料和氧化剂一旦相遇，就马上会发生点火现象，无法像普通碳氢燃料一样，可预先制备燃料氧化剂混合气再进行相应的点火及燃烧实验。
5.因此，目前不存在一种有效的实验装置，能够用于自燃型燃料的点火特性实验研究。


技术实现要素：

6.为了解决现有自燃型燃料点火过程中，燃料和氧化剂一旦相遇会发生点火现象，无法采用普通碳氢燃料的实验装置进行点火特性研究的技术问题，本发明提供了一种用于自燃型燃料点火特性研究的实验装置及方法。
7.为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
8.一种用于自燃型燃料点火特性研究的实验装置，其特殊之处在于：包括燃烧室、进样系统、排气系统、温控系统以及数据采集与处理系统；
9.所述燃烧室采用不锈钢材质，其端部设有视窗口，侧壁开设有沿燃烧室同一周向布置的燃料进气口和氧化剂进气口；
10.所述进样系统包括燃料供应单元和氧化剂供应单元；
11.所述燃料供应单元包括燃料罐、单向阀、燃料质量流量计和燃料供应管；燃料供应管设置在燃料进气口上，出口端伸向燃烧室中心，且处于视窗口可观测范围内，入口端通过依次设置的燃料质量流量计、单向阀与燃料罐相连通；
12.所述氧化剂供应单元包括氧化剂罐、第一机械阀和氧化剂供应管；氧化剂供应管设置在氧化剂进气口上，出口端朝向燃烧室中心，并处于视窗口可观测范围内，入口端通过依次设置的第一机械阀与氧化剂罐相连通；
13.所述排气系统位于燃烧室外，并与燃烧室内腔连通；
14.所述温控系统包括加热带和温度调节器，加热带包裹在燃烧室外侧壁上，温度调节器与加热带相连；
15.所述数据采集与处理系统包括高速摄像机和计算机；高速摄像机用于通过视窗口拍摄燃料供应管出口端出射的燃料与氧化剂供应管出口端出射的氧化剂从进入燃烧室内到二者相遇，再到点火过程的图像数据；所述计算机获取高速摄像机的图像数据并处理，获得自燃型燃料的点火延迟时间。
16.进一步地，所述燃烧室为两端开口的空腔结构，其两端开口处均设置有视窗口；
17.所述燃料进气口和氧化剂进气口位于燃烧室侧壁的中部，且燃料进气口和氧化剂进气口沿燃烧室同一圆周方向均布；
18.所述燃烧室上还设有压力计，用于测量实验开始前燃烧室的初始压力值。
19.进一步地，还包括压力采集系统；
20.所述压力采集系统包括压力传感器、电荷放大器和数据采集系统；压力传感器设置在燃烧室侧壁上，并通过电荷放大器与数据采集系统相连；
21.所述计算机获取数据采集系统的数据，用于获得点火及燃烧过程中燃烧室的压力变化，作为判别点火是否发生的条件。
22.进一步地，还包括设置在燃烧室外侧的纹影仪；
23.所述纹影仪包括光源以及沿光源出射方向依次设置的狭缝、第一平面镜、第一凹面镜、第二凹面镜、第二平面镜和刀口；
24.所述第一凹面镜和第二凹面镜分别设置在两个视窗口的外侧，且第一凹面镜和和第二凹面镜均为背向燃烧室方凸的反射镜；
25.所述高速摄像机位于刀口的出口光路上。
26.进一步地，还包括光纤和单色仪；
27.所述燃烧室侧壁还设有窗口，光纤的一端抵靠在窗口上，另一端与燃烧室外的单色仪相连，所述计算机与单色仪相连；
28.光纤通过窗口采集燃烧室内点火和燃烧过程中自由基发射光谱，并传输给单色仪，单色仪将光信号转换为电压信号，并传输给计算机，计算机根据该电压信号判别点火是否发生。
29.进一步地，所述燃烧室侧壁的靠近视窗口的端部开设有排气口；
30.所述排气系统包括第二机械阀、排气阀、真空泵和真空计，真空泵通过依次设置的排气阀、第二机械阀与排气口相连通，真空计设置在第二机械阀和排气阀之间的管路上。
31.进一步地，所述视窗口采用石英光学玻璃材质。
32.进一步地，所述温控系统还包括与温度调节器相连的温度显示仪。
33.进一步地，所述燃料供应管采用可拆卸连接方式设置在燃料进气口上；
34.所述氧化剂供应管采用可拆卸连接方式设置在氧化剂进气口上。
35.同时，本发明提供了一种用于自燃型燃料点火特性研究的实验方法，其特殊之处
在于，采用上述用于自燃型燃料点火特性研究的实验装置，包括以下步骤：
36.步骤一、抽真空处理
37.1.1)将燃烧室水平放置，氧化剂进气口位于底部，燃料进气口置于顶部；
38.1.2)打开排气系统，使燃烧室的真空度达到实验所需条件，关闭排气系统；
39.步骤二、燃料和氧化剂进入燃烧室
40.2.1)打开氧化剂罐的开口阀门和第一机械阀，氧化剂进气完毕后关闭第一机械阀；
41.以及，打开燃料罐的开口阀门和单向阀，调节燃料质量流量计，使燃料罐中的燃料按实验设计流量进入燃烧室；
42.2.2)根据燃料质量流量计的流量和燃料供应管长度，获得燃料质量流量计的流速；
43.步骤三、实验
44.3.1)开启计算机和高速摄像机；
45.3.2)根据步骤2.2)所确定的燃料质量流量计的流速，以及燃料供应管的长度，计算燃料进入燃烧室的时间；
46.3.3)高速摄像机在步骤3.2)时间之前采集图像，直至燃料供应管出口端喷出的燃料与燃烧室内氧化剂相遇点火；
47.3.4)计算机对高速摄像机采集到的数据进行分析处理，从中截取二者相遇到点火的时间历程，获得自燃型燃料的点火延迟时间。
48.与现有技术相比，本发明的优点是：
49.1、本发明实验装置采用燃料供应单元和氧化剂供应单元分别供应燃料和氧化剂，实验过程单独控制燃料和氧化剂的进入，控制燃料和氧化剂同时进样，使二者在燃烧室中间的位置相遇，能够实现自燃型燃料的点火实验，高速摄像机能够精确测量自燃型燃料的点火过程，并对其点火特性进行研究，可测定燃料的点火延迟时间。
50.2、本发明实验装置在实验过程中分别控制燃料和氧化剂进样的方式，解决自燃型燃料点火燃烧实验过程燃料无法和氧化剂共存(预先制备混合气)的问题。
51.3、本发明高速摄像机以及纹影仪配合，使得实验装置能够精确测量自燃型燃料的点火全过程，可定量测量自燃型燃料的点火过程，并对其点火特性进行研究。
52.4、本发明高速摄像机就能够清楚的看到点火现象的发生，若点火现象不明显，或者有其他因素的影响，通过压力传感器数据采集也能作为点火判别的一个依据。
53.5、本发明光纤和单色仪可以对点火发生以后的各种自由基光谱进行采集，从而作为判别点火是否发生的一个依据。
54.6、本发明视窗口采用石英光学玻璃材质，具有成本低，且透光率好，提高实验准确度。
55.7、本发明燃料供应管和氧化剂供应管均采用拆卸连接方式连接，可根据实验需要更换不同长度大小的燃料供应管和氧化剂供应管，适用范围广且便于维修进样系统。
56.8、本实施例实验装置具有操作简单、精密度高、安全性好的特点，在实验过程中分别控制燃料和氧化剂进样的方式，有效解决了低温条件下燃料在点火过程中无法和氧化剂共存的问题，对自燃型燃料的点火研究具有重要意义。
附图说明
57.图1是本发明用于自燃型燃料点火特性研究的实验装置实施例一的结构示意图；
58.图2是本发明实施例一中燃烧室的结构示意图；
59.图3是本发明实施例一中燃料供应管处的结构示意图；
60.图4a是本发明实施例一中法兰的结构示意图；
61.图4b是本发明实施例一中法兰沿轴向的剖视图；
62.图5本发明用于自燃型燃料点火特性研究的实验装置实施例二的结构示意图；
63.其中，附图标记如下：
64.1-燃烧室，11-视窗口，12-燃料进气口，13-氧化剂进气口，14-排气口，15-窗口，16-压力计接口，17-传感器接口，18-压力计，19-法兰，191-螺纹孔；
65.21-燃料罐，22-单向阀，23-燃料质量流量计，24-燃料供应管，25-连接法兰盘；
66.31-氧化剂罐，32-第一机械阀，33-氧化剂质量流量计，34-氧化剂供应管；
67.41-加热带，42-温度调节器，43-温度显示仪；
68.51-第二机械阀，52-排气阀，53-真空泵，54-真空计；
69.61-光纤，62-单色仪；
70.71-压力传感器，72-电荷放大器，73-数据采集系统；
71.81-光源，82-狭缝，83-第一平面镜，84-第一凹面镜，85-第二凹面镜，86-第二平面镜，87-刀口；
72.9-高速摄像机，10-计算机。
具体实施方式
73.以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
74.实施例一
75.如图1所示，本发明一种用于自燃型燃料点火特性研究的实验装置，包括燃烧室1、进样系统、排气系统、温控系统以及数据采集与处理系统五大部分，各部分结构具体如下：
76.1)燃烧室1
77.如图2所示，燃烧室1为一个两端开口的空心筒体结构，并采用耐热不锈钢材质制成，燃烧室1两端开口处装有视窗口11，并通过法兰19和多根螺栓来实现密封连接，具体的，如图4a和图4b所示，将视窗口11安装在法兰19上，通过16根圆周布置的螺栓贯穿法兰19的螺纹孔191并与燃烧室1上的螺纹孔连接，实现视窗口11与燃烧室1的连接。
78.由于石英玻璃具有良好的透光性以及耐高温性，自身的硬度也比较高，石英玻璃既可以透过远紫外光谱，是所有透紫外材料更优者，又可透过可见光和近红外光谱；以及石英玻璃耐高温，热膨胀系数较小，化学热稳定性好，气泡、条纹、均匀性、双折射又可与一般光学玻璃媲美，因此本实施例视窗口11采用光学石英玻璃，且成本低。
79.燃烧室1侧壁中部沿径向开设有燃料进气口12和氧化剂进气口13，燃料进气口12和氧化剂进气口13沿燃烧室1同一圆周方向布置，燃料进气口12和氧化剂进气口13的中心线可以成任意角相交，可根据实际情况自行调整，本实施例优选圆周均布，即燃料进气口12和氧化剂进气口13呈180
°
夹角的对称布置。
80.本实施例燃烧室1侧壁还设有压力计接口16、传感器接口17、排气口14和窗口15；
排气口14位于燃烧室1侧壁靠近视窗口11的位置；压力计接口16上安装有压力计18，用于测量燃烧室1的压力，压力计18实际上是一个数显压力表，主要是为了观察实验开始前燃烧室1的初始压力值，以满足开展不同初始压力实验的需求，同时压力计18可以获得充燃料和氧化剂的过程中，燃烧室1的压力，以提高充料过程的安全性；窗口15是一个小的光学石英玻璃窗口。
81.2)进样系统
82.进样系统包括燃料供应单元和氧化剂供应单元；
83.燃料供应单元包括燃料罐21、单向阀22、燃料质量流量计23和燃料供应管24；燃料供应管24设置在燃料进气口12上，燃料供应管24的出口端伸向燃烧室1中心，且燃料供应管24的出口端与燃烧室1中心之间存在距离，并处于视窗口11可观测范围内，保证高速摄影机能清楚拍到整个实验过程；燃料供应管24的入口端通过依次设置的燃料质量流量计23、单向阀22与燃料罐21相连通；根据燃料质量流量计23测量的燃料流量大小，实时调节燃料罐21的开口阀门，精确控制燃料进入燃烧室1的供应流量，以满足实验设计要求，也可通过燃料质量流量计23控制燃料的流量大小；单向阀22可避免燃料和氧化剂点火产生的高温燃气，经单向阀22流至燃料罐21，造成实验事故；
84.氧化剂供应单元包括氧化剂罐31、第一机械阀32、氧化剂质量流量计33和氧化剂供应管34；氧化剂供应管34设置在氧化剂进气口13上，氧化剂供应管34的出口端与燃烧室1内腔连通，并处于视窗口11可观测范围内，保证高速摄影机能清楚拍到整个实验过程，氧化剂供应管34的入口端通过依次设置的氧化剂质量流量计33、第一机械阀32与氧化剂罐31相连通；根据氧化剂质量流量计33测量的氧化剂流量大小，实时调节氧化剂罐31的开口阀门，精确控制氧化剂进入燃烧室1的供应流量，以满足实验设计要求，也可通过氧化剂质量流量计33控制氧化剂的流量大小。
85.燃料供应管24采用可拆卸连接方式设置在燃料进气口12上；氧化剂供应管34也是采用可拆卸连接方式设置在氧化剂进气口13。如图3所示，本实施例在燃料供应管24上固定套装一个连接法兰盘25，连接法兰盘25外圆面采用螺纹连接方式设置在燃料进气口12上；氧化剂供应管34上也固定套装一个连接法兰盘25，连接法兰盘25外圆面采用螺纹连接方式设置在氧化剂进气口13上，则燃料进气口12和氧化剂进气口13均为螺纹孔，连接法兰盘外圆面为与该螺纹孔配合的外螺纹。
86.本实施例燃料进气口12和氧化剂进气口13均采用螺纹活口设计，便于燃料供应管24和氧化剂供应管34的拆卸，并可根据实验需要更换不同长度大小的燃料供应管24和氧化剂供应管34。
87.3)排气系统
88.排气系统位于燃烧室1外，并与燃烧室1内腔连通；排气系统包括第二机械阀51、排气阀52、真空泵53和真空计54，真空泵53通过依次设置的排气阀52、第二机械阀51与燃烧室1侧壁的排气口14相连通，真空计54设置在第二机械阀51和排气阀52之间的管路上。
89.4)温控系统
90.温控系统为一种可控温加热系统，可根据实验条件调节燃烧室1所需温度，来满足实验设计要求。温控系统包括加热带41、温度调节器42和温度显示仪43，加热带41包裹在燃烧室1外侧壁上，温度调节器42与加热带41相连，温度调节器42调节加热带41温度，以满足
实验温度需求，并且通过一个温度显示仪43与温度调节器42相连，用于实现显示温度。
91.5)数据采集与处理系统
92.数据采集与处理系统包括高速摄像机9和计算机10；
93.高速摄像机9通过视窗口11拍摄记录摄燃料供应管24出口端出射的燃料和氧化剂供应管34出口端出射的氧化剂从进入燃烧室1内部开始，直至二者相遇到点火现象发生整个过程的图像数据；
94.计算机10获取高速摄像机9的图像数据，并从中截取时间历史，就得到自燃型燃料的点火延迟时间；具体的，高速摄像机9完整的记录整个实验过程，从燃料和氧化剂进入到燃烧室1内那一刻开始，到燃料和氧化剂相遇，直到点火发生，高速摄像机9是连续拍摄的，截取燃料和氧化剂相遇到点火过程所用时间，即为点火延时时间。
95.6)压力采集系统
96.压力采集系统包括压力传感器71、电荷放大器72和数据采集系统73，压力传感器71设置在燃烧室1侧壁的传感器接口17上，并通过电荷放大器72与数据采集系统73相连。
97.燃料与氧化剂相遇点火发生以后，燃烧室1内的压力会发生变化，产生火焰，该点火过程燃烧室1内的压力必然会发生变化，因此，本实施例通过压力传感器71采集点火过程中的压力变化，压力传感器71测得的压力变化，可作为点火是否发生的一个依据；以及通过压力传感器71记录点火及后续燃烧过程中整个体系的压力时间历史。
98.本实施例中压力传感器71主要是动态压力测量，测的是点火发生时及其后续燃烧过程中燃烧室1内的压力信号。而压力计18实际上就是一个数显压力表，主要是为了观察实验开始前燃烧室的初始压力值，可直接读取实验开始前燃烧室内的压力数值。
99.7)光谱采集系统
100.光谱采集系统包括光纤61和单色仪62，光纤61的一端抵靠在上述窗口15处，另一端与燃烧室1外的单色仪62相连，单色仪62将获得的数据通过数据采集卡传输给计算机10；
101.点火发生后会生成自由基(oh、ch等)，自由基会产生特征光谱，被光纤61采集到，光纤61是将燃烧室1内采集到的点火和燃烧过程中目标自由基的光信号传输到单色仪62，单色仪62再将光信号转换成电压信号，最后通过数据采集卡连接计算机的配套软件显示出来。计算机上面获得是与光信号对应转化过来的电压信号。如果点火发生的话，在计算机上的采集软件里面就可以清楚的看到光栅信号一个明显的上升，作为判别点火是否发生的一个条件；
102.正常情况下，点火发生后会，燃烧室1会产生一个压力的明显上升，与压力上升对应的单色仪62采集到的光信号也有一个上升。因此，压力传感器71测的是压力上升，单色仪62测点火发生以后的光信号，二者是同步的。压力采集系统和光谱采集系统都可以作为点火发生的判别依据，二者基本是同步，压力的上升意味着点火的发生，点火发生必然会产生一系列自由基，光谱采集系统就会采集到光信号，一般为了实验的严谨性和准确性，优选压力采集系统和光谱采集系统同时存在。
103.本实施例实验装置采用燃料供应单元和氧化剂供应单元分别供应燃料和氧化剂，实验过程单独控制燃料和氧化剂的进入，让二者在实验的过程中接触，能够实现自燃型燃料的点火实验，解决了自燃型燃料点火燃烧实验过程无法预先制备混合气的弊端，高速摄像机能够精确测量自燃型燃料的点火全过程，并通过计算机定量测量自燃型燃料的点火过
程，对其点火特性进行研究。以及，控制燃料和氧化剂同时进样，使二者在燃烧室1中间的位置相遇，可测定燃料的点火性能，以及点火延迟时间。
104.由于自燃型燃料不仅有巨毒和强腐蚀性，并且少量的燃料泄漏会严重危及人身安全，还会对环境造成严重污染。因此本技术在密闭的燃烧室1中进行实验，能够保证实验的密封性和安全性。
105.本实施例实验装置具有操作简单、精密度高、安全性好的特点，有效解决了低温条件下燃料在点火过程中无法和氧化剂共存的问题，对自燃型燃料的点火研究具有重要意义。
106.基于上述的实验装置，本实施例提供了一种用于自燃型燃料点火特性研究的实验方法，包括以下步骤：
107.步骤一、抽真空处理
108.1.1)将燃烧室1水平放置，氧化剂进气口13位于底部，燃料进气口12置于顶部；
109.1.2)在实验前先打开真空泵53，然后打开排气阀52和第二机械阀51，将整个燃烧室1抽至真空条件下，真空计54测得的真空度达到实验所需的真空条件后，关闭第二机械阀51，然后关闭排气阀52和真空泵53；
110.步骤二、燃料和氧化剂进入燃烧室1
111.2.1)根据预先设定的实验条件，打开氧化剂罐31的开口阀门，打开第一机械阀32到一定压力，氧化剂进气完毕后关闭第一机械阀32，调节氧化剂质量流量计33，使氧化剂罐31中氧化剂按实验设计的流量进入燃烧室1；
112.同时，打开燃料罐21的开口阀门，打开单向阀22，调节燃料质量流量计23，使燃料罐21中的燃料按实验设计的流量进入燃烧室1；
113.2.2)根据燃料质量流量计23的流量和燃料供应管24的长度，获得燃料质量流量计23的流速，具体燃料质量流量计23可以测出一定时间内的流量，燃料供应管24的长度，根据管体长度和时间即可计算出流速；
114.步骤三、实验
115.3.1)开启计算机10和高速摄像机9的电源，高速摄像机9位于燃烧室1视窗口11的外侧；
116.3.2)根据步骤2.2)所获得燃料质量流量计23的流速，以及燃料供应管24的长度(已知的)，计算燃料刚好到达出口(进入燃烧室1)的时间；
117.3.3)在步骤3.2)时间之前高速摄像机9开始采集图像，直至燃料供应管24出口端喷出的燃料与燃烧室1内氧化剂相遇点火以及产生火焰整个完整的实验过程被记录下来；
118.其中，高速摄像机9在步骤3.2)时间之前可为：在氧化剂尚未到达燃料供应管24出口端前的某一时刻高速摄像机9开始采集图像；
119.3.4)通过计算机10对高速摄像机9采集到的数据进行分析处理，从中截取二者相遇到点火的时间历程，即获得自燃型燃料的点火延迟时间。
120.实施例二
121.与实施例不同之处在于：如图5所示，数据采集与处理系统还包括设置在燃烧室1外侧的纹影仪；
122.纹影仪包括光源81以及沿光源81出射方向依次设置的狭缝82、第一平面镜83、第
一凹面镜84、第二凹面镜85、第二平面镜86和刀口87；第一凹面镜84和第二凹面镜85对称设置在两个视窗口11的外侧，且第一凹面镜84和和第二凹面镜85均为背向燃烧室1方凸的反射镜，高速摄像机9位于刀口87的出口光路。
123.高速摄像机9可以拍到整个燃烧室1内的真实情况，通过观察实验记录就可以观察到整个实验过程火焰的持续时间，火焰的位置，火焰的厚度。纹影仪是根据光线通过不同密度的气流而产生的角偏转来显示其折射率，是一种测量光线微小偏转角的装置；其将流场中密度梯度的变化转变为记录平面上相对光强的变化，使可压缩流场中的激波、压缩波等密度变化剧烈的区域成为可观察、可分辨的图像。高速摄像机9配合纹影仪使用，可以使拍摄到的结果更加的清楚。
124.以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。