本發明涉及內燃機燃燒測試技術領域，特別是涉及一種高溫高壓高湍流單液滴蒸發的實驗裝置。

背景技術：

內燃機技術的發展,不僅給人類帶來了物質文明,同時也對人類賴以生存的環境產生著巨大影響。隨著世界范圍內的能源危機和環境污染問題的日益嚴重,人們對于發動機在節約能源和控制污染物排放方面的要求日趨嚴格。因此,開展清潔替代燃料的研究是目前解決能源危機和環境污染最有效的措施。替代燃料的研究必須提高其燃燒特性，而燃料的燃油-空氣混合特性是制約燃燒性能的關鍵因素，進一步地，燃油-空氣混合特性受制于噴入氣缸內燃油液滴的蒸發速率。

內燃機缸內液滴的蒸發過程是一個很復雜的過程，缸內液滴受到很大的湍流影響其蒸發特性，而目前研究液滴蒸發的實驗裝置都是在高溫條件或高溫高壓條件，沒有研究湍流對液滴蒸發的影響裝置，更沒有研究在高溫高壓條件下湍流對單液滴蒸發影響的裝置，為深入研究湍流在高溫高壓條件下對燃料液滴蒸發速率的影響，設計了高溫高壓湍流對單液滴蒸發影響的裝置。

技術實現要素：

本發明的目的是為解決現有技術無法研究湍流對單液滴蒸發影響的問題以及湍流在高溫高壓條件下對單液滴蒸發影響的問題，提供了一種高溫高壓高湍流單液滴蒸發實驗裝置及其方法。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種高溫高壓高湍流單液滴蒸發實驗裝置，包括供氣裝置、蒸發定容彈體、風扇、伸縮式液滴懸掛裝置和控制單元；所述供氣裝置包括高壓氮氣瓶、減壓閥、微量質量流量計和進氣閥；所述高壓氮氣瓶通過管路與所述蒸發定容彈體上開設的氮氣進氣閥安裝孔連接，所述高壓氮氣瓶與所述蒸發定容彈體之間的管路上依次設有減壓閥、微量質量流量計和進氣閥，所述微量質量流量計通過導線與流量計控制器連接，所述流量計控制器位于所述控制單元內；

所述蒸發定容彈體為包括球狀殼體、風扇安裝接口和觀察窗口，所述蒸發定容彈體的球狀殼體表面均勻開設8個風扇安裝接口，所述8個風扇安裝接口安裝位置兩兩相隔90度，且兩兩正對，所述風扇安裝接口與電機座通過螺紋連接，所述伺服電機設于電機座上；所述蒸發定容彈體的球狀殼體表面開設4個觀察窗口，所述4個觀察窗口位于蒸發定容彈體的球體赤道上，相鄰觀察窗口相隔90度，所述4個觀察窗口內嵌有透明光學材料密封連接；所述風扇共有8個，安裝在蒸發定容彈體本體14內部風扇座4上，并通過伺服電機驅動；所述壓力傳感器通過開設在所述蒸發定容彈體的球狀殼體內壁的壓力傳感器安裝孔與所述蒸發定容彈體連接，所述壓力傳感器通過導線與所述控制單元連接；多根不銹鋼加熱棒均布于蒸發定容彈體本體內部，所述不銹鋼加熱棒通過導線與溫度控制器連接，所述溫度控制儀位于所述控制單元內；所述伸縮式液滴懸掛裝置置于蒸發定容彈體內壁最頂端；所述觀察窗口分別位于所述燃燒蒸發彈體本體的側面；所述蒸發定容彈體底部設有排氣閥安裝孔，排氣閥安裝孔中安裝排氣閥，所述排氣閥與真空泵連接。

所述蒸發定容彈體的球狀殼體內壁設置溫度傳感器，所述溫度傳感器通過導線與控制單元連接。

本發明的裝置還包括圖像采集裝置和計算機；所述圖像采集裝置包括光源、高速攝像機和信號同步控制器；所述高速攝像機位于所述蒸發定容彈體赤道上正對觀察窗口、并背對光源；所述信號同步控制器位于控制單元內，所述高速攝像機通過導線與所述信號同步控制器連接；所述計算機與所述控制單元通過導線連接。

所述觀察窗內部嵌有的透明光學材料為光學石英玻璃，所述觀察窗與所述光學石英玻璃之間采用增強柔性墊密封。

所述氮氣進氣閥安裝孔位于所述蒸發定容彈體側面。

所述蒸發定容彈體的球狀殼體選用耐高溫的304不銹鋼材料，外表面噴涂保溫材料。

所述蒸發定容彈體的球狀殼體頂部布置液滴懸掛接口，用于設置伸縮式液滴懸掛裝置；所述蒸發定容彈體的球狀殼體側面布置溫度傳感器安裝接口，用于設置溫度傳感器；所述溫度傳感器安裝接口周圍布置壓力傳感器安裝接口，用于設置壓力傳感器。

所述裝置各部件之間均采用螺紋連接，以保證在高溫高壓下工作時部件的穩定性。

所述蒸發定容彈體的內徑380mm—400mm，外徑405mm—425mm；相鄰所述風扇之間的距離為200—210mmmm；所述觀察窗外徑130mm—140mm。所述光學石英玻璃的厚度為20mm—25mm。

本發明的方法為，首先，使用所述真空泵將所述蒸發定容彈體內部空氣抽空，然后打開所述高壓氮氣瓶的進氣閥閥門，將所述蒸發定容彈體內部充滿氮氣；然后，將液滴懸掛于伸縮式液滴懸掛裝置末端的石英絲上，將其置于蒸發定容彈體內部合適的位置；之后，設定目標溫度，利用所述不銹鋼加熱棒對所述蒸發定容彈體進行加熱，并通過所述溫度傳感器測量所述蒸發定容彈體內部的溫度，通過導線將測量的溫度數據傳送到位于所述控制單元內的溫度控制儀，所述溫度控制儀根據傳送的溫度數據控制所述不銹鋼加熱棒的加熱功率；當加熱到設定溫度時，向蒸發定容彈體充氮氣，觀察所述壓力傳感器測量的所述蒸發定容彈體內部的壓力，若大于目標壓力，控制單元打開所述排氣閥進行排氣降壓；最后，調整所述高速攝像機的工作位置和光源的位置后，開始進行拍攝，記錄整個蒸發過程中的數據，通過對圖像和數據進行處理，得到蒸發過程中液滴尺寸隨時間的變化曲線。

與現有技術相比，本發明包括以下優點：

本發明的高溫高壓高湍流單液滴蒸發裝置實現了在湍流條件下微小液滴蒸發過程的研究，該裝置可以模擬柴油機缸內高溫高壓環境和高湍流環境，從而得到單液滴蒸發整個過程，與現有技術相比，本發明包括以下優點：

首先，本發明中，在蒸發定容彈體中設置了8個均勻布置的風扇，可以產出各向同性均勻湍流，能近似模擬液滴在實際柴油機缸內的湍流環境；

其次，將蒸發定容彈體設計為球形，解決了目前無法同時實現高溫高壓高湍流環境的難題；

最后，本發明采用蒸發定容彈體內部均布加熱棒的方式，可以迅速加熱，加熱效率高，加熱均勻。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意。

圖2是蒸發定容彈體的裝配圖。

圖3是蒸發定容彈體沿球體直徑的剖視圖。

圖4是本發明的用于產生各向同性湍流的風扇。

圖中，1-高速攝像機、2-控制單元、3-計算機、4-風扇座、5-風扇、6-壓力傳感器、7-伸縮式液滴懸掛裝置、8-溫度傳感器、9-進氣閥、10-微量質量流量計、11-減壓閥、12-高壓氮氣瓶、13-光源、14-蒸發定容彈體、15-不銹鋼加熱棒、16-排氣閥、17-真空泵、18-溫度傳感器安裝接口、19-風扇安裝接口、20-電機座、21-伺服電機、22-液滴懸掛接口、23-壓力傳感器安裝接口、24-觀察窗口。

具體實施方式

為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

圖1是本發明實施例所述的一種高溫高壓高湍流單液滴蒸發裝置的結構示意圖。如圖1所示，一種高溫高壓高湍流單液滴蒸發裝置包括：供氣裝置、蒸發定容彈體14、風扇5、伸縮式液滴懸掛裝置7、控制單元2和計算機3。

所述供氣裝置還包括：連接在所述高壓氮氣瓶12和所述蒸發定容彈體14之間的減壓閥11、微量質量流量計10和進氣閥9。

所述高壓氮氣瓶12用于提供蒸發實驗所需的惰性氣體環境和壓力。所述高壓氮氣瓶12提供的高壓氮氣通過管路進入所述減壓閥11進行減壓，減壓后的氮氣依次流經所述微量質量流量計10和所述進氣閥9后進入所述燃燒蒸發彈體14內部；所述微量質量流量計10用來測量所述高壓氮氣瓶12的供氣速率，并通過導線與位于所述控制單元2內的流量控制器連接；進一步地，通過所述流量控制器可以控制所述高壓氮氣瓶12的供氣速率。

本發明的一種實施例中，單液滴的蒸發過程在所述蒸發定容彈體14內進行。為了使所述蒸發定容彈體14能夠承受高溫高壓環境，所述蒸發定容彈體14選用耐高溫的304不銹鋼材料，外表面噴涂保溫材料；為了使所述蒸發定容彈體14能夠產生各項同性均勻湍流，設計8個均勻布置的風扇；所述蒸發定容彈體設計為球形結構：所述蒸發定容彈體14的內徑380mm—400mm，外徑405mm—425mm；

圖2是圖1所示一種蒸發定容彈體的裝配圖。參照圖2，本發明中，所述蒸發定容彈體14包括蒸發定容彈體本體14、風扇安裝接口19、觀察窗口24、電機座20、伺服電機21、液滴懸掛接口22、壓力傳感器安裝接口23和溫度傳感器安裝接口18。

所述蒸發定容彈體14有2個半球焊接在一起的，所述蒸發定容彈體14外表面設置8個法蘭盤，用于安裝電機座20和伺服電機21；

所述蒸發定容彈體14的8個風扇安裝位置兩兩相隔90度，且兩兩正對；進一步地，所述蒸發定容彈體14外表面布置4個觀察窗24，位于球體直徑位置，兩兩相隔90度；

所述蒸發定容彈體14外表面還布置10個輔助端口，其中上端4個安裝壓力傳感器，側面4個安裝溫度傳感器，其余2個用于檢測所產生的湍流強度。

在所述蒸發定容彈體本體14直徑上設有所述觀察窗24，所述觀察窗外徑130mm，進一步地，將厚度為20mm的光學石英玻璃密封在所述觀察窗24內部。

參照圖2，本發明的一種實施例中，所述蒸發燃燒彈體14還包括：溫度傳感器8、壓力傳感器6、排氣閥16、真空泵17和不銹鋼加熱棒15。

本發明的一種實施例中，所述不銹鋼加熱棒15均布在所述蒸發定容彈體14內部，采用蒸發定容彈體14內部均布加熱棒的方式，可以迅速加熱，加熱效率高，加熱均勻。

所述排氣閥16一端通過排氣閥安裝孔與蒸發定容彈體14采用螺栓連接，一端與所述真空泵17采用螺紋連接；所述進氣閥9通過所述氮氣進氣閥安裝孔與所述蒸發定容彈體14之間采用螺栓連接；所述排氣閥16通過所述排氣閥安裝孔與所述蒸發定容彈體14之間采用螺栓連接；所述溫度傳感器8通過所述溫度傳感器安裝孔與所述蒸發定容彈體14之間采用螺紋連接；所述壓力傳感器6通過所述壓力傳感器安裝孔與所述蒸發定容彈體14之間采用螺紋連接。

圖3是圖2蒸發定容彈體本體的剖視圖。由圖可知，所述電機座20通過蒸發定容彈體14外表面風扇安裝接口19上面均勻布置的8個螺紋孔通過螺紋連接相連接；所述電機座20上面有6個均勻布置的螺紋孔，伺服電機21通過螺紋連接與電機座相連接。

所述觀察窗24上設有8個均勻布置的螺紋孔，中間安裝石英玻璃；所述壓力傳感器安裝接口23周圍均勻布置8個螺紋小孔用于安裝檢測裝置；所述溫度傳感器安裝接口18周圍均勻布置8個螺紋小孔用于安裝檢測裝置。

所述伸縮式液滴懸掛裝置7設計為可伸縮式，能適應調整液滴安放位置的需要，液滴懸掛于石英絲上。

圖4為能產生各項同性均勻湍流的風扇。風扇共有8個，安裝在蒸發定容彈體本體14內部風扇座4上，兩兩正對，相鄰風扇之間的距離為200mm～210mm；進一步地，每個風扇設有6個風扇葉片，每個葉片與風扇旋轉的軸線成一夾角，且每個葉片上端均切除一弧形的區域。

結合本發明的一種實施例，對本發明的一種高溫高壓湍流對單液滴蒸發影響的裝置的工作流程進行詳細介紹。

首先，使用所述真空泵16將所述蒸發定容彈體14內部空氣抽空，然后打開所述高壓氮氣瓶12的進氣閥閥門，將所述蒸發定容彈體14內部充滿氮氣。然后，將液滴懸掛于伸縮式液滴懸掛裝置7末端的石英絲上，將其置于蒸發定容彈體14內部合適的位置，由于伸縮式液滴懸掛裝置7可以自由伸縮，這可以很方便的調整液滴的位置。之后設定目標溫度，利用所述不銹鋼加熱棒15對所述蒸發定容彈體14進行加熱，并通過所述溫度傳感器測量所述蒸發定容彈體14內部的溫度，通過導線將測量的溫度數據傳送到位于所述控制單元2內的溫度控制儀，所述溫度控制儀根據傳送的溫度數據控制所述不銹鋼加熱棒15的加熱功率；當加熱到設定溫度時，向蒸發定容彈體14充氮氣，觀察所述壓力傳感器6測量的所述蒸發定容彈體14內部的壓力，若大于目標壓力，即打開所述排氣閥16進行排氣降壓。調整好所述高速攝像機1的工作位置和光源13的位置后，開始進行拍攝，由于所述高速攝像機1拍攝速率很高，所以采用所述光源13進行背部打光，增加圖像亮度，從而得到清晰的圖像，并記錄整個蒸發過程中的數據，通過對圖像和數據進行處理，得到蒸發過程中液滴尺寸隨時間的變化曲線(液滴直徑平方比)。

以上是對本發明所提供的一種高溫高壓湍流對單液滴蒸發影響的裝置進行了詳細介紹，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例子而已，并不用于限制本發明。對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改進之處。