[发明专利]一种定容燃烧实验装置及包括其的燃烧实验系统及方法

说明书

本发明公开了一种定容燃烧实验装置，包括腔体、点火电极、电机、变频器、控制单元以及安装于腔体上的多台扇叶器，其中，点火电极安装于所述腔体内，放电尖端的中心位于腔体的中心，每台扇叶器均连接一台变频器和一台电机，控制单元与各变频器连接，通过向各变频器发送指令，控制相应的电机的转速，带动相应的扇叶器转动，从而在腔体内形成湍流流场。本发明通过控制单元分别控制多台扇叶器的转动方向以及转动速度，可在腔体内形成各种类型的湍流环境，用于模拟各类真实的燃烧过程，同时又能控制形成的湍流环境的湍流强度。本发明还公开了一种包括上述定容燃烧实验装置的定容燃烧实验系统以及利用该系统进行预混燃烧实验的方法。

技术领域

本发明涉及燃料燃烧技术领域，具体地，涉及一种定容燃烧实验装置及包括其的燃烧实验系统及方法。

背景技术

对燃烧的利用和控制是人类能够脱离其他动物、提高生产力、实现美好生活的最重要的生产实践，燃料的燃烧是人类生产和生活中的主要能量来源。在生产生活实践中，燃料的燃烧都是发生在湍流环境之中，且燃烧发生时的湍流环境是复杂的而且也是多种多样的。只有全面认知燃料在各种复杂流动环境中的燃烧过程、深入了解燃料在各种复杂流动环境中的燃烧特性，才能切实有效地根据流动环境的不同来控制和优化燃烧过程，提高热能及动力设备的动力性和燃料经济性，并控制燃烧污染物的生成和排放等问题。因此，在燃料的燃烧特性的研究中，湍流环境中的燃烧过程是研究的重点和核心。

目前，在对湍流环境中燃料的燃烧过程的研究中，通常使用本生燃烧器来开展工作，少数则在定容燃烧装置利用孔板快速运动营造湍流环境开展定容预混燃烧的实验工作。

利用本生燃烧器开展研究时，主要是通过在本生燃烧器的气体输运管中架设孔板，利用气体通过孔板的尾迹湍流来实现湍流环境的营造，在本生燃烧器气体输运管末端对燃料实施点火来实现湍流预混火焰。本生燃烧器虽然可以模拟一些简单的实际火焰，如静态环境中燃气灶上的火焰燃烧过程，但是其工作方式决定了它在模拟更为真实、普遍的燃烧过程时存在很多技术瓶颈。例如，在以汽车发动机为代表的内燃机和以燃气轮机为代表的外燃机中，燃料的燃烧过程是火焰在复杂流动环境中向空间自由发展的，而本生燃烧器上的火焰是驻定在燃烧器气体输运管末端的，本生燃烧器可实现的火焰完全无法模拟这些真实动力装置中的燃烧过程；本生燃烧器可营造的流动环境是一个有主流的流动脉动，这种流动环境只存在于驻定火焰的根部，然而实际生产生活实践中极少会发生火焰只有某一个局部位置处于湍流环境中而其他火焰局部处于层流环境中的现象。且本生燃烧器湍流的特性是通过改变孔板的位置和结构以及气态化的燃料流动速度实现湍流强度的变化的，这种模拟装置所营造的湍流强度很大程度依赖于孔板孔径尺寸和燃料流速，湍流强度在燃烧过程中不发生显著变化，这不符合实际的燃烧过程中火焰外围的湍流流动环境持续在发生变化。

定容燃烧装置可以实现模拟内燃机和以燃气轮机中相类似的球形火焰，但是依靠孔板快速运动所产生的湍流是一个快速衰减的存在单一主流的湍流，通过改变孔板的运动速度来实现湍流强度的变化，这种实验装置所营造的湍流强度很大程度依赖于孔板速度。湍流强度是快速衰减，其无法开展各向同性湍流环境下的实验工作，也难以模拟更为复杂的湍流环境中的燃烧实验。

综上，现有的对湍流环境中燃料燃烧过程研究的实验装置，无论是本生燃烧器，还是孔板快速运动的定容燃烧装置，其本质都是尾迹湍流，均无法实现复杂湍流流动用于模拟各类真实的燃烧环境，同时又能控制这种湍流流动的湍流强度。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种定容燃烧实验装置及包括其的燃烧实验系统及方法，以实现复杂湍流流动，用于模拟各类真实的燃烧环境，同时又能控制这种湍流流动的湍流强度。

为了实现上述目的，本发明的一个方面是提供一种定容燃烧实验装置，包括腔体、点火电极、电机、变频器、控制单元以及安装于所述腔体上的多台扇叶器，