本發(fā)明涉及內(nèi)燃機燃燒測試技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種高溫高壓高湍流單液滴蒸發(fā)的實驗裝置。

背景技術(shù)：

內(nèi)燃機技術(shù)的發(fā)展,不僅給人類帶來了物質(zhì)文明,同時也對人類賴以生存的環(huán)境產(chǎn)生著巨大影響。隨著世界范圍內(nèi)的能源危機和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重,人們對于發(fā)動機在節(jié)約能源和控制污染物排放方面的要求日趨嚴(yán)格。因此,開展清潔替代燃料的研究是目前解決能源危機和環(huán)境污染最有效的措施。替代燃料的研究必須提高其燃燒特性，而燃料的燃油-空氣混合特性是制約燃燒性能的關(guān)鍵因素，進(jìn)一步地，燃油-空氣混合特性受制于噴入氣缸內(nèi)燃油液滴的蒸發(fā)速率。

內(nèi)燃機缸內(nèi)液滴的蒸發(fā)過程是一個很復(fù)雜的過程，缸內(nèi)液滴受到很大的湍流影響其蒸發(fā)特性，而目前研究液滴蒸發(fā)的實驗裝置都是在高溫條件或高溫高壓條件，沒有研究湍流對液滴蒸發(fā)的影響裝置，更沒有研究在高溫高壓條件下湍流對單液滴蒸發(fā)影響的裝置，為深入研究湍流在高溫高壓條件下對燃料液滴蒸發(fā)速率的影響，設(shè)計了高溫高壓湍流對單液滴蒸發(fā)影響的裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有技術(shù)無法研究湍流對單液滴蒸發(fā)影響的問題以及湍流在高溫高壓條件下對單液滴蒸發(fā)影響的問題，提供了一種高溫高壓高湍流單液滴蒸發(fā)實驗裝置及其方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種高溫高壓高湍流單液滴蒸發(fā)實驗裝置，包括供氣裝置、蒸發(fā)定容彈體、風(fēng)扇、伸縮式液滴懸掛裝置和控制單元；所述供氣裝置包括高壓氮氣瓶、減壓閥、微量質(zhì)量流量計和進(jìn)氣閥；所述高壓氮氣瓶通過管路與所述蒸發(fā)定容彈體上開設(shè)的氮氣進(jìn)氣閥安裝孔連接，所述高壓氮氣瓶與所述蒸發(fā)定容彈體之間的管路上依次設(shè)有減壓閥、微量質(zhì)量流量計和進(jìn)氣閥，所述微量質(zhì)量流量計通過導(dǎo)線與流量計控制器連接，所述流量計控制器位于所述控制單元內(nèi)；

所述蒸發(fā)定容彈體為包括球狀殼體、風(fēng)扇安裝接口和觀察窗口，所述蒸發(fā)定容彈體的球狀殼體表面均勻開設(shè)8個風(fēng)扇安裝接口，所述8個風(fēng)扇安裝接口安裝位置兩兩相隔90度，且兩兩正對，所述風(fēng)扇安裝接口與電機座通過螺紋連接，所述伺服電機設(shè)于電機座上；所述蒸發(fā)定容彈體的球狀殼體表面開設(shè)4個觀察窗口，所述4個觀察窗口位于蒸發(fā)定容彈體的球體赤道上，相鄰觀察窗口相隔90度，所述4個觀察窗口內(nèi)嵌有透明光學(xué)材料密封連接；所述風(fēng)扇共有8個，安裝在蒸發(fā)定容彈體本體14內(nèi)部風(fēng)扇座4上，并通過伺服電機驅(qū)動；所述壓力傳感器通過開設(shè)在所述蒸發(fā)定容彈體的球狀殼體內(nèi)壁的壓力傳感器安裝孔與所述蒸發(fā)定容彈體連接，所述壓力傳感器通過導(dǎo)線與所述控制單元連接；多根不銹鋼加熱棒均布于蒸發(fā)定容彈體本體內(nèi)部，所述不銹鋼加熱棒通過導(dǎo)線與溫度控制器連接，所述溫度控制儀位于所述控制單元內(nèi)；所述伸縮式液滴懸掛裝置置于蒸發(fā)定容彈體內(nèi)壁最頂端；所述觀察窗口分別位于所述燃燒蒸發(fā)彈體本體的側(cè)面；所述蒸發(fā)定容彈體底部設(shè)有排氣閥安裝孔，排氣閥安裝孔中安裝排氣閥，所述排氣閥與真空泵連接。

所述蒸發(fā)定容彈體的球狀殼體內(nèi)壁設(shè)置溫度傳感器，所述溫度傳感器通過導(dǎo)線與控制單元連接。

本發(fā)明的裝置還包括圖像采集裝置和計算機；所述圖像采集裝置包括光源、高速攝像機和信號同步控制器；所述高速攝像機位于所述蒸發(fā)定容彈體赤道上正對觀察窗口、并背對光源；所述信號同步控制器位于控制單元內(nèi)，所述高速攝像機通過導(dǎo)線與所述信號同步控制器連接；所述計算機與所述控制單元通過導(dǎo)線連接。

所述觀察窗內(nèi)部嵌有的透明光學(xué)材料為光學(xué)石英玻璃，所述觀察窗與所述光學(xué)石英玻璃之間采用增強柔性墊密封。

所述氮氣進(jìn)氣閥安裝孔位于所述蒸發(fā)定容彈體側(cè)面。

所述蒸發(fā)定容彈體的球狀殼體選用耐高溫的304不銹鋼材料，外表面噴涂保溫材料。

所述蒸發(fā)定容彈體的球狀殼體頂部布置液滴懸掛接口，用于設(shè)置伸縮式液滴懸掛裝置；所述蒸發(fā)定容彈體的球狀殼體側(cè)面布置溫度傳感器安裝接口，用于設(shè)置溫度傳感器；所述溫度傳感器安裝接口周圍布置壓力傳感器安裝接口，用于設(shè)置壓力傳感器。

所述裝置各部件之間均采用螺紋連接，以保證在高溫高壓下工作時部件的穩(wěn)定性。

所述蒸發(fā)定容彈體的內(nèi)徑380mm—400mm，外徑405mm—425mm；相鄰所述風(fēng)扇之間的距離為200—210mmmm；所述觀察窗外徑130mm—140mm。所述光學(xué)石英玻璃的厚度為20mm—25mm。

本發(fā)明的方法為，首先，使用所述真空泵將所述蒸發(fā)定容彈體內(nèi)部空氣抽空，然后打開所述高壓氮氣瓶的進(jìn)氣閥閥門，將所述蒸發(fā)定容彈體內(nèi)部充滿氮氣；然后，將液滴懸掛于伸縮式液滴懸掛裝置末端的石英絲上，將其置于蒸發(fā)定容彈體內(nèi)部合適的位置；之后，設(shè)定目標(biāo)溫度，利用所述不銹鋼加熱棒對所述蒸發(fā)定容彈體進(jìn)行加熱，并通過所述溫度傳感器測量所述蒸發(fā)定容彈體內(nèi)部的溫度，通過導(dǎo)線將測量的溫度數(shù)據(jù)傳送到位于所述控制單元內(nèi)的溫度控制儀，所述溫度控制儀根據(jù)傳送的溫度數(shù)據(jù)控制所述不銹鋼加熱棒的加熱功率；當(dāng)加熱到設(shè)定溫度時，向蒸發(fā)定容彈體充氮氣，觀察所述壓力傳感器測量的所述蒸發(fā)定容彈體內(nèi)部的壓力，若大于目標(biāo)壓力，控制單元打開所述排氣閥進(jìn)行排氣降壓；最后，調(diào)整所述高速攝像機的工作位置和光源的位置后，開始進(jìn)行拍攝，記錄整個蒸發(fā)過程中的數(shù)據(jù)，通過對圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到蒸發(fā)過程中液滴尺寸隨時間的變化曲線。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明包括以下優(yōu)點：

本發(fā)明的高溫高壓高湍流單液滴蒸發(fā)裝置實現(xiàn)了在湍流條件下微小液滴蒸發(fā)過程的研究，該裝置可以模擬柴油機缸內(nèi)高溫高壓環(huán)境和高湍流環(huán)境，從而得到單液滴蒸發(fā)整個過程，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明包括以下優(yōu)點：

首先，本發(fā)明中，在蒸發(fā)定容彈體中設(shè)置了8個均勻布置的風(fēng)扇，可以產(chǎn)出各向同性均勻湍流，能近似模擬液滴在實際柴油機缸內(nèi)的湍流環(huán)境；

其次，將蒸發(fā)定容彈體設(shè)計為球形，解決了目前無法同時實現(xiàn)高溫高壓高湍流環(huán)境的難題；

最后，本發(fā)明采用蒸發(fā)定容彈體內(nèi)部均布加熱棒的方式，可以迅速加熱，加熱效率高，加熱均勻。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意。

圖2是蒸發(fā)定容彈體的裝配圖。

圖3是蒸發(fā)定容彈體沿球體直徑的剖視圖。

圖4是本發(fā)明的用于產(chǎn)生各向同性湍流的風(fēng)扇。

圖中，1-高速攝像機、2-控制單元、3-計算機、4-風(fēng)扇座、5-風(fēng)扇、6-壓力傳感器、7-伸縮式液滴懸掛裝置、8-溫度傳感器、9-進(jìn)氣閥、10-微量質(zhì)量流量計、11-減壓閥、12-高壓氮氣瓶、13-光源、14-蒸發(fā)定容彈體、15-不銹鋼加熱棒、16-排氣閥、17-真空泵、18-溫度傳感器安裝接口、19-風(fēng)扇安裝接口、20-電機座、21-伺服電機、22-液滴懸掛接口、23-壓力傳感器安裝接口、24-觀察窗口。

具體實施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1是本發(fā)明實施例所述的一種高溫高壓高湍流單液滴蒸發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，一種高溫高壓高湍流單液滴蒸發(fā)裝置包括：供氣裝置、蒸發(fā)定容彈體14、風(fēng)扇5、伸縮式液滴懸掛裝置7、控制單元2和計算機3。

所述供氣裝置還包括：連接在所述高壓氮氣瓶12和所述蒸發(fā)定容彈體14之間的減壓閥11、微量質(zhì)量流量計10和進(jìn)氣閥9。

所述高壓氮氣瓶12用于提供蒸發(fā)實驗所需的惰性氣體環(huán)境和壓力。所述高壓氮氣瓶12提供的高壓氮氣通過管路進(jìn)入所述減壓閥11進(jìn)行減壓，減壓后的氮氣依次流經(jīng)所述微量質(zhì)量流量計10和所述進(jìn)氣閥9后進(jìn)入所述燃燒蒸發(fā)彈體14內(nèi)部；所述微量質(zhì)量流量計10用來測量所述高壓氮氣瓶12的供氣速率，并通過導(dǎo)線與位于所述控制單元2內(nèi)的流量控制器連接；進(jìn)一步地，通過所述流量控制器可以控制所述高壓氮氣瓶12的供氣速率。

本發(fā)明的一種實施例中，單液滴的蒸發(fā)過程在所述蒸發(fā)定容彈體14內(nèi)進(jìn)行。為了使所述蒸發(fā)定容彈體14能夠承受高溫高壓環(huán)境，所述蒸發(fā)定容彈體14選用耐高溫的304不銹鋼材料，外表面噴涂保溫材料；為了使所述蒸發(fā)定容彈體14能夠產(chǎn)生各項同性均勻湍流，設(shè)計8個均勻布置的風(fēng)扇；所述蒸發(fā)定容彈體設(shè)計為球形結(jié)構(gòu)：所述蒸發(fā)定容彈體14的內(nèi)徑380mm—400mm，外徑405mm—425mm；

圖2是圖1所示一種蒸發(fā)定容彈體的裝配圖。參照圖2，本發(fā)明中，所述蒸發(fā)定容彈體14包括蒸發(fā)定容彈體本體14、風(fēng)扇安裝接口19、觀察窗口24、電機座20、伺服電機21、液滴懸掛接口22、壓力傳感器安裝接口23和溫度傳感器安裝接口18。

所述蒸發(fā)定容彈體14有2個半球焊接在一起的，所述蒸發(fā)定容彈體14外表面設(shè)置8個法蘭盤，用于安裝電機座20和伺服電機21；

所述蒸發(fā)定容彈體14的8個風(fēng)扇安裝位置兩兩相隔90度，且兩兩正對；進(jìn)一步地，所述蒸發(fā)定容彈體14外表面布置4個觀察窗24，位于球體直徑位置，兩兩相隔90度；

所述蒸發(fā)定容彈體14外表面還布置10個輔助端口，其中上端4個安裝壓力傳感器，側(cè)面4個安裝溫度傳感器，其余2個用于檢測所產(chǎn)生的湍流強度。

在所述蒸發(fā)定容彈體本體14直徑上設(shè)有所述觀察窗24，所述觀察窗外徑130mm，進(jìn)一步地，將厚度為20mm的光學(xué)石英玻璃密封在所述觀察窗24內(nèi)部。

參照圖2，本發(fā)明的一種實施例中，所述蒸發(fā)燃燒彈體14還包括：溫度傳感器8、壓力傳感器6、排氣閥16、真空泵17和不銹鋼加熱棒15。

本發(fā)明的一種實施例中，所述不銹鋼加熱棒15均布在所述蒸發(fā)定容彈體14內(nèi)部，采用蒸發(fā)定容彈體14內(nèi)部均布加熱棒的方式，可以迅速加熱，加熱效率高，加熱均勻。

所述排氣閥16一端通過排氣閥安裝孔與蒸發(fā)定容彈體14采用螺栓連接，一端與所述真空泵17采用螺紋連接；所述進(jìn)氣閥9通過所述氮氣進(jìn)氣閥安裝孔與所述蒸發(fā)定容彈體14之間采用螺栓連接；所述排氣閥16通過所述排氣閥安裝孔與所述蒸發(fā)定容彈體14之間采用螺栓連接；所述溫度傳感器8通過所述溫度傳感器安裝孔與所述蒸發(fā)定容彈體14之間采用螺紋連接；所述壓力傳感器6通過所述壓力傳感器安裝孔與所述蒸發(fā)定容彈體14之間采用螺紋連接。

圖3是圖2蒸發(fā)定容彈體本體的剖視圖。由圖可知，所述電機座20通過蒸發(fā)定容彈體14外表面風(fēng)扇安裝接口19上面均勻布置的8個螺紋孔通過螺紋連接相連接；所述電機座20上面有6個均勻布置的螺紋孔，伺服電機21通過螺紋連接與電機座相連接。

所述觀察窗24上設(shè)有8個均勻布置的螺紋孔，中間安裝石英玻璃；所述壓力傳感器安裝接口23周圍均勻布置8個螺紋小孔用于安裝檢測裝置；所述溫度傳感器安裝接口18周圍均勻布置8個螺紋小孔用于安裝檢測裝置。

所述伸縮式液滴懸掛裝置7設(shè)計為可伸縮式，能適應(yīng)調(diào)整液滴安放位置的需要，液滴懸掛于石英絲上。

圖4為能產(chǎn)生各項同性均勻湍流的風(fēng)扇。風(fēng)扇共有8個，安裝在蒸發(fā)定容彈體本體14內(nèi)部風(fēng)扇座4上，兩兩正對，相鄰風(fēng)扇之間的距離為200mm～210mm；進(jìn)一步地，每個風(fēng)扇設(shè)有6個風(fēng)扇葉片，每個葉片與風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)的軸線成一夾角，且每個葉片上端均切除一弧形的區(qū)域。

結(jié)合本發(fā)明的一種實施例，對本發(fā)明的一種高溫高壓湍流對單液滴蒸發(fā)影響的裝置的工作流程進(jìn)行詳細(xì)介紹。

首先，使用所述真空泵16將所述蒸發(fā)定容彈體14內(nèi)部空氣抽空，然后打開所述高壓氮氣瓶12的進(jìn)氣閥閥門，將所述蒸發(fā)定容彈體14內(nèi)部充滿氮氣。然后，將液滴懸掛于伸縮式液滴懸掛裝置7末端的石英絲上，將其置于蒸發(fā)定容彈體14內(nèi)部合適的位置，由于伸縮式液滴懸掛裝置7可以自由伸縮，這可以很方便的調(diào)整液滴的位置。之后設(shè)定目標(biāo)溫度，利用所述不銹鋼加熱棒15對所述蒸發(fā)定容彈體14進(jìn)行加熱，并通過所述溫度傳感器測量所述蒸發(fā)定容彈體14內(nèi)部的溫度，通過導(dǎo)線將測量的溫度數(shù)據(jù)傳送到位于所述控制單元2內(nèi)的溫度控制儀，所述溫度控制儀根據(jù)傳送的溫度數(shù)據(jù)控制所述不銹鋼加熱棒15的加熱功率；當(dāng)加熱到設(shè)定溫度時，向蒸發(fā)定容彈體14充氮氣，觀察所述壓力傳感器6測量的所述蒸發(fā)定容彈體14內(nèi)部的壓力，若大于目標(biāo)壓力，即打開所述排氣閥16進(jìn)行排氣降壓。調(diào)整好所述高速攝像機1的工作位置和光源13的位置后，開始進(jìn)行拍攝，由于所述高速攝像機1拍攝速率很高，所以采用所述光源13進(jìn)行背部打光，增加圖像亮度，從而得到清晰的圖像，并記錄整個蒸發(fā)過程中的數(shù)據(jù)，通過對圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到蒸發(fā)過程中液滴尺寸隨時間的變化曲線(液滴直徑平方比)。

以上是對本發(fā)明所提供的一種高溫高壓湍流對單液滴蒸發(fā)影響的裝置進(jìn)行了詳細(xì)介紹，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例子而已，并不用于限制本發(fā)明。對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應(yīng)用范圍上均會有改進(jìn)之處。