CN108562689A - 一种定容燃烧实验装置及包括其的燃烧实验系统及方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种定容燃烧实验装置及包括其的燃烧实验系统及方法

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，

其中，所述腔体用于提供密闭空间，所述点火电极安装于所述腔体内，所述点火电极放电尖端的中心位于所述腔体的中心，用于点燃所述腔体内的气体，每台扇叶器均连接一台变频器和一台电机，所述控制单元与所述点火电极和各变频器连接，通过向各变频器发送指令，控制相应的电机的转速，从而带动相应的扇叶器转动，从而在所述腔体内形成湍流流场。

优选地，所述定容燃烧实验装置还包括磁力联轴器，所述磁力联轴器通过磁力连接所述扇叶器与所述电机。

优选地，多台扇叶器的结构相同，以所述腔体的中心为中心，在所述腔体上呈中心对称结构的形式布置。

为了实现上述目的，本发明的另一个方面是提供一种定容燃烧实验系统，包括：

如上所述的定容燃烧实验装置；

真空泵，与所述腔体连接，用于将腔体内的气体排出，在腔体内建立真空环境；

进排气系统，与所述腔体连接，用于将目标混合气的各组分按照所需的量注入所述腔体内；以及

辅助测试装置，与腔体连接，用于测试火焰传播过程中的燃烧特性；

其中，所述控制单元与所述点火电极和所述辅助测试装置连接，通过控制单元向所述点火电极和所述辅助测试装置发送指令，获取腔体形成的湍流环境下预混火焰传播过程中的燃烧特性。

优选地，所述定容燃烧实验系统还包括加热装置，安装于所述腔体上，所述加热装置用于将所述目标混合气加热到实验预期目标温度。

优选地，还包括光学视窗，安装在所述腔体上，所述光学视窗在所述腔体上的安装位置不与所述扇叶器的安装位置发生干涉。

为了实现上述目的，本发明的再一个方面是提供一种定容燃烧实验方法，利用如上所述的定容燃烧实验系统进行目标湍流预混燃烧实验，包括以下步骤：

S1标定出扇叶器的转动速度以及转动方向与湍流强度的对应关系；

S2通过真空泵将腔体内的气体排出，建立真空环境；

S3通过进排气系统，将目标混合气的各组分气体按照所需的量注入所述腔体内；

S4根据目标湍流强度，通过控制单元向变频器发送指令，控制扇叶器的转动速度以及转动方向，在所述腔体内形成目标湍流环境；

S5所述目标湍流环境稳定后，通过控制单元向点火电极以及辅助测试装置发送指令，点燃目标混合气，并获取所述目标湍流环境下的预混火焰传播过程中的燃烧特性。

优选地，在步骤S4中，所述控制单元通过向多台变频器发送相同指令，使得多台电机转动，带动多台扇叶器以相同转速按照相同方向同步转动，从而在所述腔体内形成无主流的各向同性的湍流流场。

优选地，在步骤S4中，所述控制单元通过向一台变频器发送指令，使得一台电机单独转动，带动与所述电机连接的扇叶器转动，其他扇叶器不转动，从而在所述腔体内形成有单一主流的湍流流场。

优选地，在步骤S4中，所述控制单元通过向多台变频器中的两台以上发送不同指令，使得多台扇叶器中转动的扇叶器的转动方向和转动速度中至少有一项不同，从而在所述腔体内形成各向异性的湍流流场。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

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，在腔体内形成各种类型的湍流环境，可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。

本发明利用在腔体中形成的各种类型的湍流环境，研究在各类复杂湍流流动环境中的燃烧过程，可获得目标湍流环境下预混火焰传播过程中的各燃烧特性，有利于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，从而控制燃烧污染物的生成和排放，节约能源，保护环境。

附图说明

图1为根据本发明的一个优选实施例的定容燃烧实验装置的结构示意图；

图2为图1中A部分的放大图；

图3为根据本发明的一个优选实施例的定容燃烧实验系统示意图；

图4为根据本发明的一个优选实施例的定容燃烧实验方法流程示意图；

图5为根据本发明的一个优选实施例的各向同性湍流环境下的湍流强度与扇叶器转动特性之间关系的示意图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

下面结合图1-图5来详细说明本实施例。

图1为根据本发明的一个优选实施例的定容燃烧实验装置的结构示意图，如图1所示，本发明所述定容燃烧实验装置，包括腔体1、点火电极6、电机3、变频器4、控制单元7以及安装于腔体1上的多台扇叶器2。其中，腔体1用于提供密闭空间，点火电极6安装于腔体1内，点火电极6的放电尖端的中心位于腔体1的中心，用于点燃腔体1内的气体，每台扇叶器2均连接一台变频器4和一台电机3，控制单元7与点火电极6和各变频器4连接，通过向各变频器4发送指令，控制与变频器4连接的相应的电机3的转速，从而带动与所述电机3连接的相应的扇叶器2转动，从而在腔体1内形成湍流流场。

由于每台扇叶器2均连接一台变频器4和一台电机3，通过控制单元7分别控制每台扇叶器2的转动，使得腔体1内可以形成各种类型的湍流环境，可用于模拟各类真实的燃烧过程，同时，通过控制单元7控制每台扇叶器2的转动特性，又能控制形成的湍流环境的湍流强度，从而可用于进行复杂的湍流环境中的燃烧实验。

优选地，腔体1的结构为中心对称结构，可以消除空间结构对燃烧过程中燃烧压力漫反射的影响，保障在燃烧过程中，压力和热量的释放在空间中总体上保持均匀性，从而减少了中间因素变化对研究内容上的干扰；同时，中心对称的结构有利于均匀湍流流场的建立，在腔体1内壁面附近任意位置处采集到的压力和温度的数据均可以用于研究燃料的爆炸和放热特性。例如，腔体1的结构可以为球形，球形腔体1的内部直径优选为380毫米(mm)。

为了避免扇叶器2旋转时所产生的旋流中存在“风眼”，扇叶器2采用轴流的形式，即轴流扇叶器。在一个优选的实施例中，轴流扇叶器2采用铸铁制五叶片的切向轴流扇叶器2，其外径为90mm，叶片宽度为15mm，交叠角度0°。

为了能够保障各扇叶器2在结构相同的条件下以相同转速和相同方向转动时能够在中心位置处形成各向同性的均匀湍流，优选地，多台扇叶器2的结构相同，以腔体1的中心为中心，在腔体1上呈中心对称结构的形式布置。优选地，扇叶器2有四台，四台扇叶器2均安装于腔体1上，在腔体1内呈正三棱锥的形式布置，且正三棱锥的中心与腔体1的中心相重合，形成的湍流流场是区域的而不再是中心点一点处。采用四台台数构建正三棱锥结构，是因为正三棱锥结构是所需端点最少的中心对称结构，可以在腔体1上开尽量少的安装孔，以在保证能够营造目标湍流环境的条件下最大程度保障燃烧实验装置结构强度上的安全性，降低对腔体1空间结构的损伤。

电机3优选为旋转式电机，安装于腔体1之外，与变频器4连接。其中，变频器4的工作频率根据需要营造的流场的湍流强度而定，本发明中并无具体限定。通过变频器4控制旋转电机3转动端子的旋转速度和旋转方向，并由转动端子带动腔体1内的轴流扇叶器2的旋转，从而在腔体1内形成湍流流动。变频器4的台数与旋转电机3的台数一一对应，以便对每台旋转电机3进行独立控制。相应地，旋转电机3的台数与轴流扇叶器2的台数一一对应，以便对每台轴流扇叶器2进行独立控制，从而在腔体1内形成各种类型的湍流流场。

控制单元7与各变频器4连接，通过向各变频器4发送指令，从而通过控制电机3控制相应的扇叶器2的转动，在腔体1内可以形成以下三种湍流流场：

控制单元7通过向一台变频器4发送指令，使得一台电机3单独转动，带动与该电机3连接的扇叶器2转动，其他扇叶器2不转动，从而在腔体1内形成有单一主流的湍流流场；

或者，控制单元7通过向多台变频器4发送相同指令，使得多台电机3转动，带动多台扇叶器2以相同转速按照相同方向同步转动，从而在腔体1内形成无主流的各向同性的湍流流场；

或者，控制单元7通过向多台变频器4中的两台以上发送不同指令，使得多台扇叶器2中转动的扇叶器2的转动方向和转动速度中至少有一项不同，从而在腔体1内形成各向异性的湍流流场。

控制单元7还与点火电极6连接，控制单元7可以向点火电极6发送触发信号，以点燃腔体内的气体。点火电极6可以采用一侧式集成电极，也可以采用对置的两根点火电极6。无论采用哪种电极方式，都要求点火电极6放电尖端的中心位于腔体1的中心处，以实现在中心位置处的点火。当多台扇叶器2呈中心对称结构形式布置时，点火电极6放电尖端的中心同腔体1的中心和多台扇叶器2的中心均重合。

优选地，所述定容燃烧实验装置还包括磁力联轴器5，磁力联轴器5优选安装于扇叶器2在腔体1上的安装端外的垂直上方，通过磁力连接扇叶器2与电机3。为了配合磁力联轴器5的磁力联结，扇叶器2的材料为导磁性材料。图2为图1中A部分的放大图，如图2所示，采用磁力联轴器5，磁力联轴器的外磁体51与电机3相连，磁力联轴器的内磁体52与扇叶器2相连，使得在扇叶器2和电机3之间发生传动时不发生接触式连接，通过外磁体51与内磁体52之间布置的磁介53发生磁力联结，可以保障腔体1的密封性，从而可以在该定容燃烧装置上开展不同环境压力(包括高背压和负压)下的湍流燃烧实验以及具有毒害性质的燃料的湍流燃烧实验，同时，由于燃烧过程中腔体1内不存在压力泄露的问题，可以采集并研究爆炸压力和爆炸波的相关信息。

本发明的另一个发明是提供一种定容燃烧实验系统，图3为根据本发明的一个优选实施例的定容燃烧实验系统示意图，如图3所示，本发明所述定容燃烧实验系统包括：上述的定容燃烧实验装置、真空泵8、进排气系统9以及辅助测试装置。其中，真空泵8与腔体1连接，用于将腔体1内的气体排出，在腔体1内建立真空环境，腔体1用作提供预混燃料进行混合、点燃以及燃烧的封闭空间；进排气系统9与腔体1连接，用于将目标混合气的各组分按照所需的量注入腔体1内；辅助测试装置，与腔体1连接，用于测试火焰传播过程中的燃烧特性。点火电极6和辅助测试装置均与控制单元7连接，控制单元7不仅控制变频器4，还控制点火电极6和辅助测试装置的触发，通过控制单元7向点火电极6和辅助测试装置发送指令，获取腔体1形成的湍流环境下预混火焰传播过程中的燃烧特性。

由于定容燃烧实验装置可以在腔体1内形成各种类型的湍流流场，营造不同的湍流环境，因此，利用上述定容燃烧实验系统在进行湍流预混燃烧时，可以实现在各向同性的湍流环境中的预混燃烧实验，也可以实现在存在单一主流的湍流环境中的预混燃烧实验，还可以实现在各种复杂的各向异性的湍流环境中的预混燃烧实验。同时，各种湍流环境中的湍流特性可以便捷且精确地控制。

优选地，所述定容燃烧实验系统还包括加热装置，安装于腔体1上，加热装置用于将目标混合气加热到实验预期目标温度。其中，实验预期目标温度根据实际实验的需要进行设定，本发明中对加热装置的加热温度范围并无具体限定，取决于加热装置的功率。本发明中以加热装置为安装于腔体1上的加热棒为例进行说明，根据实际实验的需要，若在常温下进行相关实验，则无需启动加热装置。

优选地，辅助测试装置包括压力测试装置、温度测试装置和光学测试装置的一种或多种。其中，压力测试装置为安装于腔体1上的压力传感器，温度测试装置为安装于腔体1上的温度传感器，光学测试装置用于观察腔体1空间内的流动以及火焰传播的过程。根据实际实验过程中采用的光学测试技术的不同，在腔体1上安装不同数量的光学视窗10，且光学视窗10于腔体1上的安装位置不得与扇叶器2的安装位置发生干涉。例如，采用全息拍摄技术或者激光荧光诱导测试技术时，需要在腔体1上安装六个光学视窗10；采用纹影测试技术时，需要在腔体1上安装四个光学视窗10；采用阴影测试技术时，需要在腔体1上安装两个光学视窗10；采用压力波测试技术时，则无需光学视窗10。为了使同一个腔体1适用于不同光学测试技术的应用，在腔体1上预留六个光学视窗安装孔。根据选用的光学测试手段，若安装的光学视窗10小于六个，则其余的光学视窗安装孔处安装替代法兰。在腔体1上安装六个光学视窗10时，六个光学视窗10在腔体1上呈正交方式分布，且正交中心位置与腔体1的中心位置相重合，以实现对燃烧火焰轮廓的最大范围的捕捉。在一个优选的实施例中，光学视窗10的直径为110mm。

在一个优选的实施例中，控制单元7用于控制变频器4、点火电极6的触发以及其他辅助信号，其中，所述的其他辅助信号包括但不限于进排气系统9的开启和关闭、光学测试装置的设置和触发、压力测试装置的设置和触发、温度测试装置的设置和触发、加热装置的设置等。

在一个优选的实施例中，在腔体1上开设多个安装孔，包括多个光学视窗安装孔，其余安装孔用于连接进排气系统9、压力传感器、温度传感器、加热棒、安全阀等与腔体1，且安装孔的位置不与扇叶器2和光学视窗10的安装位置发生干涉。其中，用于连接进排气系统9、压力传感器、温度传感器、加热棒等与腔体1的安装孔，可以开设在某个或某几个光学视窗10的替代法兰上；而腔体1之上必须留有至少一个安装孔，用于安装安全阀，以保障湍流定容燃烧装置在使用中快速排出事故使用。且当六个光学视窗安装孔均安装有光学视窗10时，也可在腔体1上的安装孔处安装多通连接器，以方便连接安全阀和进排气系统9。

需要说明的是，本发明对于腔体1的尺寸、扇叶器2的结构和尺寸、电机3的额定转速和功率、变频器4的工作范围、磁力联轴器5的尺寸、点火电极6的结构和尺寸、光学视窗10的尺寸、安装孔的数量和具体位置以及控制单元7的扩展性功能，均无具体限定，可以根据实际工作需要进行不同设计和调整。

本发明的再一个方面提供一种定容燃烧实验方法，图4为根据本发明的一个优选实施例的定容燃烧实验方法流程示意图，如图4所示，利用如上所述的定容燃烧实验系统进行目标湍流预混燃烧实验，包括以下步骤：

S1标定出扇叶器2的转动速度以及转动方向与湍流强度的对应关系；

S2通过真空泵8将腔体1内的气体排出，建立真空环境；

S3通过进排气系统9，将目标混合气的各组分按照所需的量注入腔体1内；

S4根据目标湍流强度，通过控制单元7向变频器4发送指令，控制扇叶器2的转动速度以及转动方向，在腔体1内形成目标湍流环境；

S5目标湍流环境稳定后，通过控制单元7向点火电极6以及辅助测试装置发送指令，点燃目标混合气，并获取目标湍流环境下的预混火焰传播过程中的燃烧特性。

优选地，在步骤S3和步骤S4之间，还包括步骤S3a，启动加热装置，将目标混合气加热到实验预期目标温度。根据实际实验的需要，若在常温下进行相关实验研究，则无需进行步骤S3a。

在步骤S4中，通过控制单元7向变频器4发送不同的指令，在腔体内可以形成各种复杂的目标湍流环境。例如，控制单元通过向多台变频器发送相同指令，使得多台电机转动，带动多台扇叶器以相同转速按照相同方向同步转动，从而在腔体内形成无主流的各向同性的湍流流场；控制单元通过向一台变频器发送指令，使得一台电机单独转动，带动与电机连接的扇叶器转动，其他扇叶器不转动，从而在腔体内形成有单一主流的湍流流场；控制单元通过向多台变频器中的两台以上发送不同指令，使得多台扇叶器中转动的扇叶器的转动方向和转动速度中至少有一项不同，从而在腔体内形成各向异性的湍流流场。

下面结合实施例1-3更好地说明本发明利用定容燃烧实验系统进行目标湍流预混燃烧实验的方法流程。

需要说明的是，在实施例1-3中，以如下定容燃烧实验系统为例，而不限于此。定容燃烧实验系统包括：球形腔体1，在该腔体1的壁面上以正三棱锥的布局开设有四个安装孔，且由四个安装孔所构成的正三棱锥的中心位置与球形腔体1的中心位置相重合；安装于四个安装孔位置处的四台轴流扇叶器2；四台旋转电机3，安装于球形腔体1外，分别用于驱动所对应的四台扇叶器2；四台变频器4，用于独立控制四台旋转电机3的工作；四个磁力联轴器5，安装于球形腔体1之外且紧挨四个轴流扇叶器2；六个光学视窗10，以正交的形式安装于球形腔体1上；一组点火电极6，对峙的形式安装于球形腔体1上，且两电极间的中心位置与球形腔体1和四台轴流扇叶器2构建的正三棱锥的中心位置相重合；辅助测试装置，包括压力传感器、温度传感器和高速摄影机11；多个安装孔，开设于球形腔体1上，用于连接进排气系统9和压力传感器、温度传感器等与球形腔体1；控制单元7，实现四台变频器4、点火电极6以及辅助测试装置的综合控制；以及真空泵8。

实施例1：

图5为根据本发明的一个优选实施例的各向同性湍流环境下的湍流强度与扇叶器2转动特性之间关系的示意图，如图5所示，在进行各向同性湍流环境中的火焰传播实验之前，预先标定出轴流扇叶器2的转速n(单位为转/分钟，r/min)以及转动方向与湍流强度(以脉动速度均方根u′rms表示，单位为米/秒，m/s)的对应关系，以便在进行湍流预混燃烧实验时，根据目标湍流强度，控制轴流扇叶器2的转动速度以及转动方向，从而在球形腔体1的中心区域形成预期的各向同性湍流环境。

标定出轴流扇叶器2的转动速度以及转动方向与湍流强度的对应关系之后，先利用真空泵8将球形腔体1中的气体排出，在球形腔体1内建立真空环境。通过道尔顿分压定律或阿马格分体积定律，将目标混合气的各组分实验气体通过进排气系统9按照所需的量注入球形腔体1中，注入量可以通过安装于球形腔体1上的压力表或安装于进排气系统9中各气体支路上的流量计予以监控。

待球形腔体1中的目标混合气配置完成后，通过控制单元7向球形腔体1上的加热装置发送指令，启动加热装置将球形腔体1中的目标混合气加热到实验预期目标温度，例如，可以加热到500K。待球形腔体1中的目标混合气的初始热力学参数达到目标时，根据目标湍流强度，通过控制单元7向四台变频器4发送相同指令，令四台旋转电机3以相同的转速按照相同的方向开始转动，通过磁力联轴器5，传动四台轴流扇叶器2以相同的转速按照相同的方向开始转动。每台轴流扇叶器2的转动将形成一束前行的旋流，当四个方向的旋流在球形腔体1的中心位置(同时也是四台轴流扇叶器2所构建的正三棱锥的中心位置)处交汇碰撞时，将于正三棱锥内切球(直径为球形腔体1内切球直径的三分之一)内形成预期的各向同性的湍流流场。

轴流扇叶器2持续旋转1分钟后，中心位置处的各向同性湍流环境将达到“稳定”的状态。此时，通过控制单元7同步向点火电极6、压力传感器、温度传感器和高速摄影机11发送触发信号，同步实施目标混合气的点燃、球形腔体1中压力变化和温度变化的采集以及火焰图像的拍摄，以获得目标湍流环境下的预混火焰传播过程中的各燃烧特性。

实施例2：

在进行有单一主流的湍流环境中的火焰传播实验之前，预先标定出轴流扇叶器2的转动速度以及转动方向与湍流强度的对应关系，以便在进行湍流预混燃烧实验时，根据目标湍流强度，控制轴流扇叶器2的转动速度以及转动方向，从而在球形腔体1的中心区域形成预期的有单一主流的湍流环境。

标定出轴流扇叶器2的转动速度以及转动方向与湍流强度的对应关系之后，先利用真空泵8将球形腔体1中的气体排出，在球形腔体1内建立真空环境。通过道尔顿分压定律或阿马格分体积定律，将目标混合气的各组分实验气体通过进排气系统9按照所需的量注入球形腔体1中，注入量可以通过安装于球形腔体1上的压力表或安装于进排气系统9中各气体支路上的流量计予以监控。

待球形腔体1中的目标混合气配置完成后，通过控制单元7向球形腔体1上的加热装置发送指令，启动加热装置将球形腔体1中的目标混合气加热到实验预期目标温度，例如，可以加热到500K。待球形腔体1中的目标混合气的初始热力学参数达到目标时，根据目标湍流强度，通过控制单元7向一台变频器4发送指令，令一台旋转电机3单独转动而其他三台旋转电机3不工作，通过磁力联轴器5，传动与转动的旋转电机3连接的轴流扇叶器2开始转动，从而沿着该转动的轴流扇叶器2的垂直方向上形成预期的有单一主流的湍流流场。

轴流扇叶器2持续旋转1分钟后，球形腔体1中具有单一主流的湍流环境将达到“稳定”的状态。此时，通过控制单元7同步向点火电极6、压力传感器、温度传感器和高速摄影机11发送触发信号，同步实施目标混合气的点燃、球形腔体1中压力变化和温度变化的采集以及火焰图像的拍摄，以获得目标湍流环境下的预混火焰传播过程中的各燃烧特性。

实施例3：

在进行各向异性的湍流环境中的火焰传播实验之前，预先标定出轴流扇叶器2的转动速度以及转动方向与湍流强度的对应关系，以便在进行湍流预混燃烧实验时，根据目标湍流强度，控制轴流扇叶器2的转动速度以及转动方向，从而在球形腔体1的中心区域形成预期的各向异性的湍流环境。

标定出轴流扇叶器2的转动速度以及转动方向与湍流强度的对应关系之后，先利用真空泵8将球形腔体1中的气体排出，在球形腔体1内建立真空环境。通过道尔顿分压定律或阿马格分体积定律，将目标混合气的各组分实验气体通过进排气系统9按照所需的量注入球形腔体1中，注入量可以通过安装于球形腔体1上的压力表或安装于进排气系统9中各气体支路上的流量计予以监控。

待球形腔体1中的目标混合气配置完成后，通过控制单元7向球形腔体1上的加热装置发送指令，启动加热装置将球形腔体1中的目标混合气加热到实验预期目标温度，例如，可以加热到500K。待球形腔体1中的目标混合气的初始热力学参数达到目标时，根据目标湍流强度，通过控制单元7向四台变频器4发送不同指令，令四台旋转电机3转动，通过磁力联轴器5，传动四台轴流扇叶器2分别以特有指定的转速和转动方向开始转动。由于沿四台轴流扇叶器2垂直方向上前行的旋流具有不同的湍流特性，因此，其在球形腔体1中心位置处交汇碰撞时所产生的湍流将不再各向同性，具体的湍流特征将由四向来流具体特征的综合作用而决定，从而在球形腔体1的中心区域形成预期的各向异性的湍流环境。

轴流扇叶器2持续旋转1分钟后，中心位置处的各向异性湍流环境将达到“稳定”的状态。此时，通过控制单元7同步向点火电极6、压力传感器、温度传感器和高速摄影机11发送触发信号，同步实施目标混合气的点燃、球形腔体1中压力变化和温度变化的采集以及火焰图像的拍摄，以获得目标湍流环境下的预混火焰传播过程中的各燃烧特性。

需要说明的是，在上述实施例1-3中，根据实际实验的需要，如果是在常温下进行相关实验，有关加热的环节可以省去，即待球形腔体1中的目标混合气配置完成后直接启动轴流扇叶器2的转动来营造目标湍流环境。同时，应指出对于湍流强度的控制，不仅可以通过控制轴流扇叶器2的转动速度和转动方向来控制，还可以通过改变轴流扇叶器2的结构和尺寸来控制形成不同的湍流强度，在使用不同尺寸的球形腔体1和不同尺寸的轴流扇叶器2时，实施点火前所需轴流扇叶器2持续旋转时间应根据预先的标定结果确定而不拘泥于固定值。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种定容燃烧实验装置，其特征在于，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，

其中，所述腔体用于提供密闭空间，所述点火电极安装于所述腔体内，所述点火电极放电尖端的中心位于所述腔体的中心，用于点燃所述腔体内的气体，每台扇叶器均连接一台变频器和一台电机，所述控制单元与所述点火电极和各变频器连接，通过向各变频器发送指令，控制相应的电机的转速，从而带动相应的扇叶器转动，从而在所述腔体内形成湍流流场。

2.根据权利要求1所述的定容燃烧实验装置，其特征在于，

所述定容燃烧实验装置还包括磁力联轴器，所述磁力联轴器通过磁力连接所述扇叶器与所述电机。

3.根据权利要求1所述的定容燃烧实验装置，其特征在于，多台扇叶器的结构相同，以所述腔体的中心为中心，在所述腔体上呈中心对称结构的形式布置。

4.一种定容燃烧实验系统，其特征在于，包括：

如权利要求1至3中任一项所述的定容燃烧实验装置；

真空泵，与所述腔体连接，用于将腔体内的气体排出，在腔体内建立真空环境；

进排气系统，与所述腔体连接，用于将目标混合气的各组分按照所需的量注入所述腔体内；以及

辅助测试装置，与腔体连接，用于测试火焰传播过程中的燃烧特性；

其中，所述控制单元与所述辅助测试装置连接，通过控制单元向所述点火电极和所述辅助测试装置发送指令，获取腔体形成的湍流环境下预混火焰传播过程中的燃烧特性。

5.根据权利要求4所述的定容燃烧实验系统，其特征在于，所述定容燃烧实验系统还包括加热装置，安装于所述腔体上，所述加热装置用于将所述目标混合气加热到实验预期目标温度。

6.根据权利要求4所述的定容燃烧实验系统，其特征在于，还包括光学视窗，安装在所述腔体上，所述光学视窗在所述腔体上的安装位置不与所述扇叶器的安装位置发生干涉。

7.一种定容燃烧实验方法，利用如权利要求4所述的定容燃烧实验系统进行目标湍流预混燃烧实验，包括以下步骤：

S1标定出扇叶器的转动速度以及转动方向与湍流强度的对应关系；

S2通过真空泵将腔体内的气体排出，建立真空环境；

S3通过进排气系统，将目标混合气的各组分气体按照所需的量注入所述腔体内；

S4根据目标湍流强度，通过控制单元向变频器发送指令，控制扇叶器的转动速度以及转动方向，在所述腔体内形成目标湍流环境；

S5所述目标湍流环境稳定后，通过控制单元向点火电极以及辅助测试装置发送指令，点燃目标混合气，并获取所述目标湍流环境下的预混火焰传播过程中的燃烧特性。

8.根据权利要求7所述的定容燃烧实验方法，其特征在于，在步骤S4中，所述控制单元通过向多台变频器发送相同指令，使得多台电机转动，带动多台扇叶器以相同转速按照相同方向同步转动，从而在所述腔体内形成无主流的各向同性的湍流流场。

9.根据权利要求7所述的定容燃烧实验方法，其特征在于，在步骤S4中，所述控制单元通过向一台变频器发送指令，使得一台电机单独转动，带动与所述电机连接的扇叶器转动，其他扇叶器不转动，从而在所述腔体内形成有单一主流的湍流流场。

10.根据权利要求7所述的定容燃烧实验方法，其特征在于，在步骤S4中，所述控制单元通过向多台变频器中的两台以上发送不同指令，使得多台扇叶器中转动的扇叶器的转动方向和转动速度中至少有一项不同，从而在所述腔体内形成各向异性的湍流流场。