[发明专利]加速火焰与多壁面边界相互作用的可视化系统

说明书

本发明公开了一种加速火焰与多壁面边界相互作用的可视化系统，包括：燃烧室腔体，被第一横向挡板和第二横向挡板分为干壁面均质燃烧区域、火焰加速区域和湿壁/非均质混合区域，且平行于该燃烧室腔体的三个区域的腔面具有透明窗口设计；高速纹影组件，包括光源、纹影光路和高速相机，光源发出的光经纹影光路传达至高速相机实现纹影拍摄，且纹影光路穿过燃烧室腔体的透明窗口；以及外控设备，控制高速相机的启动并接收及显示其纹影拍摄结果。本发明提供的该加速火焰与多壁面边界相互作用的可视化系统，控制简便，操作简单，能够为火焰加速及爆轰燃烧可控理论以及燃烧器结构优化等提供数据支持。

技术领域

本发明涉及燃烧技术领域，包括光学、热力学、电学以及控制技术等领域，尤其涉及一种加速火焰与多壁面边界相互作用的可视化系统。

背景技术

封闭空间内预混火焰的加速及爆轰过程一直是一个广受关注的问题，一方面，合理控制利用爆燃转爆轰的过程能够将燃料燃烧产生的能量最大限度地应用于工程机械，如爆轰发动机及其他爆炸装置等；而另一方面，对于难以控制的爆轰燃烧过程，其不仅会使燃烧过程恶化及资源浪费，更会导致设备的损坏及人员伤害，如内燃机内的爆震现象和矿井中的瓦斯爆炸等。因此，深入理解预混火焰加速及爆轰过程的机理并制订相应的控制策略至关重要。

一般来说，在火焰加速的过程中，燃烧压力波遇到障碍物发生反弹，反弹波在火焰前锋处叠加使局部混合气浓度梯度和压力梯度升高而发生自燃现象，产生的高温热点进一步点燃混合气，促使爆轰现象的发生。而当爆轰现象发生后，强烈的爆轰波会迅速占领未燃区域，同时在空间内发生多次反弹叠加，使空间压力出现多个震荡峰值，压力波传播速度可达 2000m/s，压力峰值可高达10兆帕。在内燃机当中，由于末端混合气自燃，会产生爆震现象，爆震波不仅会使燃烧过程失稳，还会不同程度地损坏缸套及活塞表面，减少发动机寿命。另一方面，近年来的一些研究表明，由于发动机的早喷燃油撞壁及壁面润滑所产生的湿壁现象，可能会由于不同的浓度梯度和传热效应对近壁区域混合气自燃及爆震产生影响。同时，发动机缸内存在干湿壁面及不同温度分布等复杂壁面条件，因此针对缸内爆轰波产生后，不同的壁面条件与加速火焰之间的相互作用机理还需要进一步探究。

综上，在当前的加速燃烧动力装置中，存在多种干湿壁面的边界条件，不同的壁面边界对火焰传播、焠熄，压力波反弹、叠加，壁面材料使用寿命等均有着一定的影响，目前，对于实际内燃机及其他燃烧动力装置中加速火焰及爆轰波与壁面相互作用的复杂过程，进行直接诊断观测的难度很大，此外，现有的模拟燃烧装置可控条件单一，难以对相同初始条件下的火焰与不同壁面作用的过程进行同步比较。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种加速火焰与多壁面边界相互作用的可视化系统，以至少部分解决上述问题。

(二)技术方案

本发明提供了一种加速火焰与多壁面边界相互作用的可视化系统，包括：

燃烧室腔体，被第一横向挡板和第二横向挡板分为干壁面均质燃烧区域、火焰加速区域和湿壁/非均质混合区域，且平行于该燃烧室腔体的三个区域的腔面具有透明窗口设计；

高速纹影组件，包括光源、纹影光路和高速相机，光源发出的光经纹影光路传达至高速相机实现纹影拍摄，且该纹影光路穿过燃烧室腔体的透明窗口；以及

外控设备，控制高速相机的启动并接收及显示其纹影拍摄结果；

其中，第一横向挡板的下壁面和第二横向挡板的上壁面均连接一加速扰动板，该两个加速扰动板之间形成火焰加速区域。

进一步的，其中：

一些实施例中，第一横向挡板和/或第二横向挡板的同一端通过一斜挡板固定于燃烧室腔体的内壁，且该斜挡板围成一个从内壁至火焰加速区域的逐渐缩口区域。

一些实施例中，加速扰动板上设置有扰动障碍物。