[发明专利]一种微米级金属颗粒点火燃烧试验装置

说明书

本发明实施例提供了一种微米级金属颗粒点火燃烧试验装置，所述装置包括：金属颗粒离散装置、供粉细管、高温燃气点火系统、观测系统和粒子取样装置；所述金属颗粒离散装置位于所述高温燃气点火系统下方，通过供粉细管与所述高温燃气点火系统连接；所述观测系统设置在所述高温燃气点火系统上方；粒子取样装置在所述高温燃气点火系统上方移动实现取样。本发明能够直接获得单个微米级的金属颗粒点火燃烧状态，同时，通过平面火焰炉营造的金属颗粒点火燃烧环境更接近于实际金属颗粒的点火燃烧环境，所获实验数据的工程应用价值高。

技术领域

本发明涉及一种点火燃烧试验装置，特别涉及一种微米级金属颗粒点火燃烧试验装置。

背景技术

为提高发动机性能，现有技术通常会在推进剂中添加高能金属添加剂。添加高能金属添加剂，不仅可以提高推进剂的能量密度和发动机的比冲，还可以显著抑制推进系统的不稳定燃烧。因此，金属添加剂在固体推进系统中有着广泛应用。另外，面对日益严峻的能源安全问题，人们越来越重视新能源的开发利用。相比氢能、生物燃料和电池等，金属粉末燃料具有来源丰富、携带安全可靠、燃烧热值高以及环保等特点，有望成为未来化石燃料替代的解决方案。目前，研究以金属粉末为燃料的新型内燃机和外燃机已经成为新的重要研究方向。

由于镁、铝金属颗粒的能量密度较高、燃烧温度高等优点，在固体推进剂中有着较为广泛的应用；由于铝颗粒和铁颗粒的来源广泛、价格低廉等优点，有望成为未来新型内燃机和外燃机的高能燃料。不论是固体推进装置还是新型的内燃机、外燃机，其内部流场都是高温燃烧火焰场。金属颗粒作为上述发动机的主要燃料，其很大一部分能量是来自于金属颗粒在高温流场中点火燃烧过程释放出来的。因此，深入认识金属颗粒的点火燃烧特性，探究金属颗粒点火延迟、点火温度、燃烧时间、燃烧温度等性能参数的变化规律，对准确预示发动机的性能具有重要意义。

目前针对金属颗粒点火燃烧的研究主要有数值仿真和试验两种研究方法。数值仿真相对试验研究耗时较短、成本低，但由于在建模过程中进行了相应的简化处理，计算结果的准确度难以保证。试验研究是获得金属颗粒点火燃烧特性最直接的方法，目前常用的金属颗粒点火燃烧试验研究方法有采用高能激光/氙灯点火、激波点火、电加热点火以及热分析法等。

高能激光/氙灯点火方式是利用激光或氙灯辐射处的能量进行加热颗粒并使其温度升高至着火点进而实现颗粒的点火燃烧。由于这种加热方式是通过光源的辐射进行加热的，因此使得金属颗粒的加热不均匀，且受颗粒表面吸收率影响较大，难以有效模拟发动机中金属颗粒的加热过程。此外，由于只有在光源焦点处存在较高的热流密度，难以对运动过程中的颗粒进行持续加热。

激波点火方式是利用激波波后的高温高压气体使颗粒迅速升至高温并点燃。此试验方法可以有效模拟颗粒点火的高压环境，但是由于瞬间点火，难以清楚观测到金属颗粒点火的详细过程。

电加热点火方式是利用电流热效应将金属颗粒点火。但通常由于金属颗粒处于电热片上通过热传导实现温度升高，这使得颗粒点火过程受到干扰，同时也存在受热非均匀的问题。

热分析法主要是通过热重特性来间接反映金属颗粒的点火燃烧特性，颗粒是在密闭燃烧器内加热，无法观测其点火和燃烧过程中颗粒和火焰形态，难以获得丰富的试验数据。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高温燃气环境中单个微米级金属颗粒点火燃烧试验装置，它能够模拟不同燃气组分、不同燃烧温度的工作环境，实现不同粒径的单个金属颗粒在火焰场中的点火燃烧；获得颗粒的运动轨迹、点火延迟时间、燃烧时间等参数以及不同时刻的金属颗粒燃烧中止状态。

本发明“一种微米级金属颗粒点火燃烧试验装置”主要包括：金属颗粒离散装置、供粉细管、高温燃气点火系统、观测系统和粒子取样装置。