雾化激波管预混气溶胶制备和充气方法

本发明属于激波管实验气体动力学和燃烧化学动力学激光诊断的，具体涉及一种雾化激波管预混气溶胶制备和充气方法。

背景技术：

1、液体或粉尘燃料点火延时在液体燃料火箭、航空发动机和内燃机等燃烧室设计和燃烧组织是重要的参数，也是验证化学动力学机理的重要常数。激波管是研究非定常气体动力学、激波动力学、燃料自点火和化学动力学机理、气相和多相爆炸现象等常用的实验设备，能提供指定的反射激波后压力、温度和静止气流的均匀流场，可用于液体或粉尘燃料点火延时实验。

2、燃料气溶胶当量比是影响点火、燃烧的重要参数。激波管采用雾化方法包含管内的喷射雾化和超声雾化。管内喷射雾化采用高压喷射液体燃料进入激波管低压段，激波管尺寸有限，燃料喷射速度高，燃料射流和壁面撞击会产生严重的吸附和集聚，造成燃料当量比失控分布非均匀，存在空间梯度，难以雾化均匀性的气溶胶，该方法目前已被淘汰。美国stanford大学ron hanson教授研究组采用激光消光法测量气溶胶(两相流)粒径和数密度，间接计算出当量比，但是，两相流粒径和数密度是一种分布函数，不是真实的液滴物理直径，得到的粒径只是一种表征(如smd，即sauter mean diameter)，因此，据此计算的煤油质量(所有液滴质量之和)和物理质量就有偏差，导致当量比和实际值也有偏差，此外，采用超声雾化器将液体燃料雾化，和氩气混合形成气溶胶，通过小直径管道进入激波管低压段，采用小直径管道(10毫米量级)，会造成液滴在管壁内壁的集聚，也会导致激波管低压段内气溶胶当量比不准确。尽管hanson教授和其他研究人员采用在激波管之间用闸板阀隔离气溶胶室和激波管低压段，甚至加上风扇作为搅拌器，受到激波管结构尺寸的限制，气溶胶室体积较小，风扇叶片的转动还会加剧气溶胶液滴与叶片、气溶胶室内壁面的吸附。同时，一次制备的气溶胶体积偏少，当激波管低压段内壁面吸附液滴后，内壁面达不到润湿状态，液滴吸附量也改变了气溶胶当量比。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决液体或粉尘燃料存在的气溶胶当量比未知或分布不均匀的问题。为此，本发明目的在于提出一种雾化激波管预混气溶胶制备和充气方法，能够在激波管外制备气溶胶，气溶胶当量比准确、均匀性好，气溶胶点火延时实验数据也更符合实际工况，更准确。

2、根据本发明实施例的雾化激波管预混气溶胶制备和充气方法，包括如下步骤：

3、气溶胶制备：采用声速喷嘴和进气声速气流的剪切作用，将液体燃料射流雾化并分散在预先抽真空的混气罐内，以产生预定当量比的预混气溶胶(雾霾)，用激光mie散射测量气溶胶smd粒径为3～4微米，其中，液体燃料质量或体积是根据理想气体状态方程、气溶胶预定压力及预定的当量比计算得到；

4、充气：使所述混气罐内气溶胶连续进入预先抽真空的激波管低压段，同时，抽出所述激波管低压段内的气溶胶，使所述激波管低压段内壁面润湿，直到后续进入所述激波管低压段内的气溶胶在内壁面达到气液相平衡，然后停止进气，将所述激波管低压段的气溶胶抽至预定压力。

5、根据本发明实施例的雾化激波管预混气溶胶制备和充气方法，和现有激波管雾化技术相比，具有如下的优点：(1)通过气溶胶制备方法，可获得均匀的气溶胶(雾霾)，且能准确地获得气溶胶当量比；(2)通过气溶胶预先“冲洗”气溶胶进气通道的内壁面和激波管低压段的内壁面，保证了气溶胶进气通道的内壁面和激波管低压段的内壁面的润湿，两相流和润湿内壁面达到气液相平衡，保证了后续进入的气溶胶不被气溶胶进气通道的内壁面和激波管低压段的内壁面吸附，有效地保证了后续进入激波管低压段内的气溶胶当量比不变。(3)在激波管低压段内的气溶胶达到气液相平衡后，将激波管低压段的气溶胶抽至预定压力。当预定压力较低，例如，低于0.1mpa，也可为几到几十kpa，有利于液体燃料汽化。本发明充分考虑了两相流动和气溶胶的物理属性，方法简单，气溶胶当量比确定、均匀性好，气溶胶也是和各种液体燃料发动机燃烧室最接近状态的，点火延时数据等更符合实际工况。

6、在一些实施例中，所述声速喷嘴包括液体燃料带声速喉道和同轴相连的进气端、出气端，所述声速喉道孔径小于所述进气端和所述出气端的孔径，所述进气端与高压气源连接，所述出气端与所述混气罐连接，所述液体燃料通过液体燃料通孔与所述声速喉道侧面连接；

7、气溶胶制备时，打开所述高压气源，向所述进气端通入气流，并调节所述进气端的气流压力使所述声速喉道处的气流达到临界声速，形成稳定的流速和流量，同时向所述液体燃料量筒充入预定质量或体积的液体燃料，经所述液体燃料通孔进入所述声速喉道，随声速气流进入所述混气罐中混合并形成气溶胶。

8、在一些实施例中，所述混气罐轴向两端具有盲板，其中一个所述盲板连接所述出气端，其中另一个所述盲板设有真空阀门，所述真空阀门通过气溶胶进气管与所述激波管低压段相连；

9、在制备气溶胶过程中，所述真空阀门处于关闭状态；在充气过程中，所述真空阀门处于打开状态。

10、在一些实施例中，所述盲板采用透明材质(亚克力)制成。

11、在一些实施例中，所述激波管低压段尾端加装有活塞阀，所述活塞阀与所述气溶胶进气管连接；

12、在制备气溶胶的过程中，所述活塞阀处于关闭状态；在充气过程中，所述活塞阀处于打开状态。

13、在一些实施例中，所述活塞阀包括活塞缸、活塞和手轮，所述活塞缸一端与所述激波管低压段尾端连接，所述活塞可在所述活塞缸内前后移动地设置在活塞缸内，通过控制所述手轮使得所述活塞位于所述活塞缸的不同位置，使所述活塞阀与所述激波管低压段或者所述气溶胶进气管处于打开或关闭状态。

14、在一些实施例中，所述活塞通过丝杠与所述手轮连接。

15、在一些实施例中，所述活塞缸具有侧面开口，所述侧面开口与所述激波管低压段和所述气溶胶进气管连接，所述侧面开口与所述气溶胶进气管之间通过三通件连接，所述三通件还具有气溶胶进气管接口和真空阀接口，所述进气管接口与所述气溶胶进气管连接，所述真空阀接口与真空泵连接。

16、在一些实施例中，所述激波管低压段侧壁设有抽气阀，在充气过程中，通过所述抽气阀抽出所述激波管低压段内的气溶胶。

17、在一些实施例中，所述混气罐的容积需保证能容纳足够的气溶胶量，以“清洗”好气溶胶进气通道及所述激波管低压段的内壁面，使所述气溶胶进气通道及所述激波管低压段的内壁面湿润；所述气溶胶进气通道及所述激波管低压段的内径尺寸均不小于60mm，以降低气溶胶流速，避免粒径为3～4微米液滴吸附在所述进气通道与激波管低压段的内壁面，特别是气溶胶进气拐弯处。

18、本发明的附加方面和优点将在下面描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种雾化激波管预混气溶胶制备和充气方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的雾化激波管预混气溶胶制备和充气方法，其特征在于，所述声速喷嘴包括液体燃料带声速喉道和同轴相连的进气端、出气端，所述声速喉道孔径小于所述进气端和所述出气端的孔径，所述进气端与高压气源连接，所述出气端与所述混气罐连接，所述液体燃料通过液体燃料通孔与所述声速喉道侧面连接；

3.根据权利要求2所述的雾化激波管预混气溶胶制备和充气方法，其特征在于，所述混气罐轴向两端具有盲板，其中一个所述盲板连接所述出气端，其中另一个所述盲板设有真空阀门，所述真空阀门通过气溶胶进气管与所述激波管低压段相连；

4.根据权利要求3所述的雾化激波管预混气溶胶制备和充气方法，其特征在于，所述盲板采用透明材质制成。

5.根据权利要求3所述的雾化激波管预混气溶胶制备和充气方法，其特征在于，所述激波管低压段尾端加装有活塞阀，所述活塞阀与所述气溶胶进气管连接；

6.根据权利要求5所述的雾化激波管预混气溶胶制备和充气方法，其特征在于，所述活塞阀包括活塞缸、活塞和手轮，所述活塞缸一端与所述激波管低压段尾端连接，所述活塞可在所述活塞缸内前后移动地设置在活塞缸内，通过控制所述手轮使得所述活塞位于所述活塞缸的不同位置，使所述活塞阀与所述激波管低压段或者所述气溶胶进气管处于打开或关闭状态。

7.根据权利要求6所述的雾化激波管预混气溶胶制备和充气方法，其特征在于，所述活塞通过丝杠与所述手轮连接。

8.根据权利要求6所述的雾化激波管预混气溶胶制备和充气方法，其特征在于，所述活塞缸具有侧面开口，所述侧面开口与所述激波管低压段和所述气溶胶进气管连接，所述侧面开口与所述气溶胶进气管之间通过三通件连接，所述三通件还具有气溶胶进气管接口和真空阀接口，所述进气管接口与所述气溶胶进气管连接，所述真空阀接口与真空泵连接。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的雾化激波管预混气溶胶制备和充气方法，其特征在于，所述激波管低压段侧壁设有抽气阀，在充气过程中，通过所述抽气阀抽出所述激波管低压段内的气溶胶。

10.根据权利要求1-8中任意一项所述的雾化激波管预混气溶胶制备和充气方法，其特征在于，所述混气罐的容积需保证能容纳足够的气溶胶量，以“清洗”好气溶胶进气通道及所述激波管低压段的内壁面，使所述气溶胶进气通道及所述激波管低压段的内壁面湿润；所述气溶胶进气通道及所述激波管低压段的内径尺寸均不小于60mm，以降低气溶胶流速，避免粒径为3～4微米液滴吸附在所述进气通道与激波管低压段的内壁面，特别是气溶胶进气拐弯处。

技术总结本发明公开了一种雾化激波管预混气溶胶制备和充气方法，包括如下步骤：气溶胶制备：采用声速喷嘴和进气声速气流的剪切作用，将液体燃料射流雾化并分散在预先抽真空的混气罐内，以产生预定当量比的预混气溶胶，其中，液体燃料质量或体积是根据理想气体状态方程、气溶胶预定压力及预定当量比计算得到；充气：使混气罐内气溶胶连续进入预先抽真空的激波管低压段，同时抽出激波管低压段内的气溶胶，使激波管低压段内壁面润湿，直到后来进入激波管低压段内的气溶胶达到气液相平衡，然后停止进气，将激波管低压段的气溶胶抽至预定压力。本发明能够在激波管外制备气溶胶，气溶胶当量比准确、均匀性好，且气溶胶点火延时实验数据更符合实际工况。技术研发人员：龚景松,徐胜利,徐纲,刘存喜受保护的技术使用者：清华大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23