本发明属于燃烧实验设备技术领域，具体涉及一种研究高压下燃料液滴燃烧特性的可视化实验模拟装置。
背景技术：
液体燃料热值高，易储存和运输，安全性高，广泛应用于汽车工业和航天工业中。研究某种燃料单液滴的点火和燃烧特性对该燃料的实际应用具有非常重要的意义。在实际应用中，燃料液滴经常在高压下、湍流、特殊气氛环境实现燃烧，因此，研究液体燃料的点火和着火特性，必须结合具体的使用条件和工况进行相关测试。传统的模拟装置只能进行单一的工况探究，测试的结果并不具有代表性，范围面小，难以符合要求。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明提出一种研究高压下燃料液滴燃烧特性的可视化实验模拟装置。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种研究高压下燃料液滴燃烧特性的可视化实验模拟装置，包括燃烧室，其特征在于：所述燃烧室腔壁上设有透视窗，在所述燃烧室的内部设有燃料液滴取样组件，经取样组件取样后的燃料液滴位于所述透视窗所观察的区域内，在所述燃烧室的外侧对应于所述透视窗的位置还设置了图像采集模块和照射光源，所述的图像采集模块透过所述的透视窗采集液滴燃烧的图像；还包括作用于所述燃料液滴的点火装置单元，所述的点火装置单元包括多种根据燃料液滴的起火方式进行点火的点火器。
作为本发明的进一步改进，所述的点火装置包括设置在所述燃烧室内的电火花点火器，所述的点火花点火器靠近所述的sic纤维丝的下端。
作为本发明的进一步改进，所述的点火装置包括激光点火器，所述的激光点火器设置在所述燃烧室外侧，从所述激光点火器中的所发射出来的激光穿过所述的透视窗与所述sic纤维丝的下端相交。
作为本发明的进一步改进，所述的点火装置包括设置在所述燃烧室内部的加热电阻丝，还包括温度传感器。
作为本发明的进一步改进，还包括加压单元，所述的加压单元包括设置在所述燃烧室尾端的气体压缩装置和设置在所述燃烧室内部的压力传感器，所述的气体压缩装置和所述的燃烧室之间设有气体控制阀。
作为本发明的进一步改进，还包括高度调节支架组件，所述的高度调节支架组件包括第一支架、第二支架和第三支架，所述的第一支架与所述的图像采集模块相连，所述的第二支架与所述的照射光源相连，所述的第三支架与所述的激光点火器相连，所述的第一支架、第二支架和第三支架采用的是升降支架。
作为本发明的进一步改进，所述的取样组件包括竖直设置的第一刚玉管和sic纤维丝，以及送样通道，所述第一刚玉管的上端固定在所述的燃烧室中，所述第一刚玉管的下端与所述的sic纤维丝连接，所述的燃料液滴悬挂在所述sic纤维丝的下端，所述的送样通道的其中一段贯穿在所述燃烧室腔壁中，所述送样通道的延伸方向与所述sic纤维丝的下端相交。
作为本发明的进一步改进，还包括第二刚玉管和热电偶，所述的第二刚玉管与所述的第一刚玉管平行设置，所述的热电偶连接在第二刚玉管的下端，所述的热电偶的端部与所述的sic纤维丝的下端几近共面。
作为本发明的进一步改进，所述的图像采集模块采用的是高速摄像机，所述图像采集模块聚焦在的所述sic纤维丝的下端。
作为本发明的进一步改进，在所述的燃烧室的内部还设有若干个风机。
本发明的有益效果：
1．本装置能够有机的将具有多种点火方式的点火器融合到同一个装置中，一方面能够模拟不同点火模式的液滴燃烧，更能实现高压、湍流、特殊气体氛围环境，便于对液滴的燃烧特性进行系统的采集，保证实验数据的准确性；另一方面当更换工况时，不需要重新拆卸、组装，减少有效地简化实验流程，减少科研人员实验前的准备时间。
2.本发明通过设置在装置中一体连接的高度调节装置，对相关设备的高度进行调节，降低对焦和补光的难度，降低了辅助外接设备发生倾覆的风险。
附图说明
图1是本发明最优实施例中燃烧室及底座结构示意图；
图2是本发明最优实施例的燃烧室、压气室及动力设备室的结构示意图；
图3是本发明最优实施例中主体结构的三维示意图；
图4是本发明最优实施例中液滴悬挂和温度测量机构示意图；
其中：1、底座，2、第一支架，3、第二支架，4、第三支架，5、图像采集模块，6、照射光源，7、激光点火器，8、燃烧室，9、排气通道，10、送样通道，11、透视窗，12、石英玻璃，13、电机，14、齿轮，15、推动杆，16、连杆，17、进气通道，18、活塞，19-1、第一刚玉管，19-2、第二刚玉管，20、电火花点火器，21、风机，22、压力传感器，23、加热电阻丝，24、温度传感器，25、气体控制阀，26、端盖，27、压气室，28、动力设备室，29、sic纤维丝，30、热电偶，31、燃料液滴。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示的实验模拟装置，底座1和燃烧室8，所述的燃烧室8为两端开口的空心圆柱形腔体。外壳为不锈钢并填充氧化铝纤维隔热层，与底座通过螺丝连接，故障时可拆卸。所述燃烧室左端配有端盖26，端盖26通过若干个螺丝与燃烧室8连接，当实验时可密封燃烧室8。所述燃烧室8的腔壁上开有两个用于观火的透视窗11，窗体的位置镶嵌耐高温高压的石英玻璃12制作而成。
在所述燃烧室8的外侧对应于透视窗11的位置设置了采用高速摄像机的作为图像采集模块5和采用led强光源作为照明装置6，以及安装在底座1上的第一支架2和第二支架3，所述的高速摄像机设置在所述的第一支架上2，所述的led强光源设置在所述的第二支架3上。
如图2-图4所示，所述的燃烧室8内部的上壁面布置有两根平行设置的第一刚玉管19-1和第二刚玉管19-2，分别固定sic纤维丝29和热电偶30。所述sic纤维丝29的作用是固定燃料液滴31，所述热电偶30作用是记录液滴31在燃烧过程中的气相温度变化。所述燃料液滴31应在透视窗11的可视范围内。在燃烧室8的腔壁上开设有送样通道10和排气通道9，所述送样通道10布置在刚玉管19附近，直径非常小，只能让微量取样器的针尖插入，以保证在炉膛门密封的情况下实现送样。所述排气通道9和送样通道10都有外螺纹结构，有配套的螺帽，可根据需要通过螺帽实现密封。所述送样通道10的长度延伸方向与所述sic纤维丝29的下端的尖端位置相交，便于通过将液滴悬挂在sic纤维丝29的尖端。
为了能够模拟不同的工况，采用了不同的点火方式，主要有电火花，高温自燃、和激光三种点火方式，对应的分别设置了以下点火器：设置于燃烧室8内部的电火花点火器20，设置在所述燃烧室8内部的加热电阻丝23，设置与燃烧室8外侧的激光点火器7。同时还设置了加压装置，用于对燃烧室8内部的气压进行调整。其中所述的电火花点火器20布置在刚玉管的附近，保证产生的电火花能点燃燃料液滴。所述的燃烧室8的内部还设置了用于与加热电阻丝23相互配合的温度传感器24，用于准确调整发生自燃的着火点。所述激光点火器7的设置需要保证从中发射出来的激光需从所述的透视窗11穿过并与所述sic纤维丝29的下端相交。
其中，所述的底座1上还设置了用于调节激光点火器7高度的第三支架4。在本发明中，所述的第一支架2、第二支架3和第三支架4均采用的是稳定性高的升降支架。可根据具体需要方便的调节高度。且本支架和底座为一体结构，不存在辅助设备倾倒的风险。
另外对于模拟过程中的燃烧室8中的压力的控制主要包括依次设置在右侧开口端的压气室27和动力设备室28。
所述的压气室27包括活塞18和进气通道17，所述活塞的作用是压缩气体并将气体输送到燃烧室8，进气通道17布置在活塞18的起始点之前，当活塞位于起始点时，外界气体与压气室27处于联通状态。如实验条件对气体氛围没有要求则直接暴露于空气中，如对气体氛围有要求则通过软管将进气通道17和对应的气瓶连接。所述的燃烧室8和所述压气室27的端面设置了气体控制阀25，所述的气体控制阀25为单向控制阀，由弹簧和金属垫圈组成，金属垫圈不受外力时和壁面贴合。外界的压缩气体可压缩金属垫圈使弹簧发生形变，从而通过金属垫圈和内壁面形成的间隙进入燃烧室8，由于弹簧不能反向拉伸，从而保证燃烧室8内的气体无法溢出。
所述的动力设备室28包括了为活塞18提供动力的机械设备，包括电机13、齿轮14、推动杆15、连杆16。所述推动杆15上有和齿轮14配合的齿槽，当设备启动后，在齿轮14的作用下，电机13转动带动推动杆15运动，从而推动连杆16水平运动，最终实现活塞18水平运动，当活塞18运动到止点后，电机13反转，活塞18回到起始点。
同时，在所述的燃烧室8的内部还设置了若干个风机21，可用于模拟室内的湍流环境，每一个风机21单独控制，可按照所需设定21风机的启停个数和运行功率。
下面以酒精液滴在40%氧气环境、具有初始温度、湍流、高压环境下的激光点火燃烧实验为例，对本发明作进一步详细的说明，具体包括以下步骤：
步骤1，打开端盖26，将sic纤维丝29悬挂在其中第一刚玉管19-1上，关闭并密封端盖26。将塑料软管装有氧气的高压气瓶和氮气高压气瓶按照所需的流量比例接入三通，再接入进气通道17。通过调整第一、第二、第三支架来调高速摄像机5，led光源6，激光点火器7的高度，调整led光源6的光射入燃烧室8且不会挡住高速摄像机的镜头，led光源6的强度在合理的范围，高速摄像机5和激光点火头7的焦距在sic纤维丝29头部位置。向加热电阻丝23通入电流，直至温度传感器24监测到燃烧室8达到实验所需初始温度。
步骤2，打开送样通道10的螺帽，插入微量取样器的针尖，将液滴31悬挂在纤维丝头部后，取出微量取样器并拧紧螺帽实现密封。启动电机13带动推动杆15运动，从而推动连杆16水平运动，最终实现活塞18水平运动。配好的气体推动气体控制阀25的金属垫圈使弹簧变形，从而通过金属垫圈和内壁面的间隙进入燃烧室8。当压力传感器22检测到燃烧室8内压力达到设定值时，电机13反转使活塞18回到起始点。如果活塞18到达止点，仍然达不到所需压力，电机13反转使活塞18回到起始点后停留一段时间，待高压气瓶中的气流重新流入压气室27，再进行下一次压缩。
步骤3，按照所需湍流环境设定风机21的启停个数和运行功率，实现燃烧室内湍流环境。启动激光点火器7，从激光点火器7中发出高能激光，引燃液滴。高速摄像机5将拍摄液滴燃烧的完整过程，热电偶30记录液滴31燃烧过程中的温度变化。
步骤4，打开排气通道9，排气泄压。
采用上述结构的可视化实验装置，还可以在不拆卸实验器材的情况下，进一步研究液滴在电火花点火和高温自燃点火方式下的燃烧，不同之处在于：在步骤3中，不启动激光点火器，启动电火花点火器20对燃料液滴31点火，或继续对加热电阻丝23提供大电流。
采用上述结构的可视化实验装置，还具有丰富的拓展功能，将微量取样器换成燃料泵，即可研究大量的液滴的燃烧过程。燃烧实验结束后，可打开排气通道9，通过塑料软管接入烟气分析仪，并启动风机21辅助排气，即可对燃烧产生的烟气进行分析。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
1.一种研究高压下燃料液滴燃烧特性的可视化实验模拟装置，包括燃烧室，其特征在于：所述燃烧室腔壁上设有透视窗，在所述燃烧室的内部设有燃料液滴取样组件，经取样组件取样后的燃料液滴位于所述透视窗所观察的区域内，在所述燃烧室的外侧对应于所述透视窗的位置还设置了图像采集模块和照射光源，所述的图像采集模块透过所述的透视窗采集液滴燃烧的图像；
还包括作用于所述燃料液滴的点火装置单元，所述的点火装置单元包括多种根据燃料液滴的起火方式进行点火的点火器。
2.根据权利要求1所述的一种研究高压下燃料液滴燃烧特性的可视化实验模拟装置，其特征在于：所述的点火装置包括设置在所述燃烧室内的电火花点火器，所述的点火花点火器靠近所述的sic纤维丝的下端。
3.根据权利要求1所述的一种研究高压下燃料液滴燃烧特性的可视化实验模拟装置，其特征在于：所述的点火装置包括激光点火器，所述的激光点火器设置在所述燃烧室外侧，从所述激光点火器中的所发射出来的激光穿过所述的透视窗与所述sic纤维丝的下端相交。
4.根据权利要求2或3所述的一种研究高压下燃料液滴燃烧特性的可视化实验模拟装置，其特征在于：所述的点火装置包括设置在所述燃烧室内部的加热电阻丝，还包括温度传感器。
5.根据权利要求4所述的一种研究高压下燃料液滴燃烧特性的可视化实验模拟装置，其特征在于：还包括加压单元，所述的加压单元包括设置在所述燃烧室尾端的气体压缩装置和设置在所述燃烧室内部的压力传感器，所述的气体压缩装置和所述的燃烧室之间设有气体控制阀。
6.根据权利要求3所述的一种研究高压下燃料液滴燃烧特性的可视化实验模拟装置，其特征在于：还包括高度调节支架组件，所述的高度调节支架组件包括第一支架、第二支架和第三支架，所述的第一支架与所述的图像采集模块相连，所述的第二支架与所述的照射光源相连，所述的第三支架与所述的激光点火器相连，所述的第一支架、第二支架和第三支架采用的是升降支架。
7.根据权利要求1所述的一种研究高压下燃料液滴燃烧特性的可视化实验模拟装置，其特征在于：所述的取样组件包括竖直设置的第一刚玉管和sic纤维丝，以及送样通道，所述第一刚玉管的上端固定在所述的燃烧室中，所述第一刚玉管的下端与所述的sic纤维丝连接，所述的燃料液滴悬挂在所述sic纤维丝的下端，所述的送样通道的其中一段贯穿在所述燃烧室腔壁中，所述送样通道的延伸方向与所述sic纤维丝的下端相交。
8.根据权利要求7所述的一种研究高压下燃料液滴燃烧特性的可视化实验模拟装置，其特征在于：还包括第二刚玉管和热电偶，所述的第二刚玉管与所述的第一刚玉管平行设置，所述的热电偶连接在第二刚玉管的下端，所述的热电偶的端部与所述的sic纤维丝的下端几近共面。
9.根据权利要求1所述的一种研究高压下燃料液滴燃烧特性的可视化实验模拟装置，其特征在于：所述的图像采集模块采用的是高速摄像机，所述图像采集模块聚焦在的所述sic纤维丝的下端。
10.根据权利要求1所述的一种研究高压下燃料液滴燃烧特性的可视化实验模拟装置，其特征在于：在所述的燃烧室的内部还设有若干个风机。
技术总结