一種研究帶電顆粒與火焰相互作用的實驗裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出的一種研究帶電顆粒與火焰相互作用的實驗裝置，能夠定量測量單個帶電顆粒在火焰作用下的荷質比變化，為研究火焰電離特性以及電化水霧滅火機理提供了簡單易行的實驗方法和實驗裝置，成本低而且精度高。包括由高到低依次布置的帶電顆粒發(fā)生器、前端荷質比測量通道、帶有中心通道的模型火焰系統(tǒng)、后端荷質比測量通道；所述帶電顆粒發(fā)生器產生的帶電顆粒在所述模型火焰系統(tǒng)產生的火焰上方經中心通道自由滴落穿過火焰區(qū)，通過所述前端荷質比測量通道和后端荷質比測量通道分別測量帶電顆粒穿過火焰前后的荷質比，從而獲得在火焰作用下帶電顆粒荷質比的定量變化。
【專利說明】
一種研究帶電顆粒與火焰相互作用的實驗裝置
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種研究帶電顆粒與火焰相互作用的實驗裝置，尤其適用于測量帶電液滴穿過火焰后的荷質比變化量，屬于燃燒與滅火技術領域。
【背景技術】
[0002]帶電細水霧在航空、航天、艦船等重要場所的防火中有重要的應用前景。帶電液滴與火焰的相互作用包含了很多復雜的物理過程和化學過程，如液滴在火焰區(qū)內的運動、變形、蒸發(fā)、電荷交換、化學反應等細節(jié)過程。理清帶電液滴與火焰相互作用的主要機制和控制因素，對于認識荷電細水霧滅火機理，提高荷電細水霧滅火效果，促進帶電細水霧滅火技術的實用化具有重要意義。
[0003]火焰反應區(qū)發(fā)生的電離效應是火焰的重要特征?；鹧嬷械幕瘜W離子對火焰的控制與診斷來講至關重要，具有很高的研究價值和應用潛力。隨著燃燒反應理論、燃燒數(shù)值模擬方法以及燃燒診斷技術的不斷進步，人們火焰的電離特性認識與利用得到較大的發(fā)展與創(chuàng)新。通過外加電場實施影響是目前基于火焰離子的主要燃燒控制方式。從電荷來源來講，這是一種無源的被動控制途徑，外加電場力是其唯一的作用手段，國內外的相關研究都主要集中于此。通過特殊載體向火焰中添加外來離子(或電子)來影響與控制火焰是一種有源的主動控制途徑，目前國內外在這方面的研究相對不足，除了在某些具有特殊用途的領域，如磁流體發(fā)電、物質成分的光譜檢測等，而這些應用中，燃燒過程本身以及燃燒反應的控制并不是其研究的主要目標。相對于被動控制，利用載體添加外來離子源對火焰的控制手段就更為豐富。載體的選擇與特性、離子源的物質屬性與物理化學性質、載體注入火焰的方式等等，組合形式豐富多樣，還可以根據(jù)不同的需求與目的實施精準定制與優(yōu)化，因此，基于帶電顆粒與火焰的相互作用的研究，除了在滅火領域的應用外，還存在著更多的可能途徑、更強的作用潛力和更大的發(fā)展空間。
[0004]現(xiàn)有關于火焰特性測量的研究，大多集中在火焰鋒面的形狀、溫度以及光強等方面，如申請?zhí)枮椤?00710109770.X”，名稱為“火焰檢測裝置和火焰檢測方法”的專利中，就提出通過對火焰區(qū)域的紅外圖像進行實時成像及模式識別來檢測火焰；如在申請?zhí)枮椤?01510163989.2”，名稱為“火焰檢測系統(tǒng)”的專利中，提出通過對火焰發(fā)出的光進行檢測來檢測火焰的火焰檢測系統(tǒng)。同樣，相關研究人員就帶電顆粒荷質比測量也提出了很多的方法，如申請?zhí)枮?01310359398.3，名稱為“一種易拆裝荷電霧滴荷質比實時測量裝置”的專利就是基于法拉第筒法測量霧滴的荷質比；申請?zhí)枮?01420831496.2，名稱為“一種靜電噴頭霧滴荷質比檢測裝置”的專利中則利用網狀目標法來研究荷質比?？梢钥闯?，已有的裝置大部分都單方面涉及火焰特性或者帶電顆粒荷質比，對于二者結合，特別是研究帶電液滴與火焰之間的相互作用的實驗裝置，還沒有公開的報道。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明提出一種研究帶電顆粒與火焰相互作用的實驗裝置，能夠定量測量單個液滴在火焰作用下的荷質比變化，為研究火焰電離特性以及電化水霧滅火機理提供了簡單易行的實驗方法和實驗裝置，成本低而且精度高。
[0006]本發(fā)明的技術方案是:
[0007]1.一種研究帶電顆粒與火焰相互作用的實驗裝置，其特征在于，包括:由高到低依次布置的帶電顆粒發(fā)生器、前端荷質比測量通道、帶有中心通道的模型火焰系統(tǒng)、后端荷質比測量通道;所述帶電顆粒發(fā)生器產生的帶電顆粒在所述模型火焰系統(tǒng)產生的火焰上方經中心通道自由滴落穿過火焰區(qū)，通過所述前端荷質比測量通道和后端荷質比測量通道分別測量帶電顆粒穿過火焰前后的荷質比，從而獲得在火焰作用下帶電顆粒荷質比的定量變化。
[0008]2.所述帶電顆粒發(fā)生器出口中心軸線、前端荷質比測量通道中心軸線、后端荷質比測量通道中心軸線在豎直方向上與所述模型火焰系統(tǒng)的中心通道按照一定的同軸度設置。
[0009]3.所述帶電顆粒發(fā)生器為帶電液滴發(fā)生器，包括可以調節(jié)流量的注射栗、與注射栗連接的可更換不同直徑的毛細噴嘴、以及產生電場強度可調的靜電場裝置，所述靜電場基于靜電感應原理，將經過注射栗擠壓由毛細噴嘴形成的液滴感應為滿足實驗條件的帶電液滴。
[0010]4.所述產生電場強度可調的靜電場的裝置包括圓環(huán)電極以及與圓環(huán)電極連接的直流高壓電源，所述圓環(huán)電極的中心軸線與所述模型火焰系統(tǒng)的中心通道相重合;所述毛細噴嘴豎直設置于圓環(huán)電極的中心軸線上。
[0011]5.所述前端/后端荷質比測量通道包括提供水平方向勻強電場的平板電極、用以記錄帶電顆粒運動軌跡的裝置;所述平板電極的豎直中心軸線與所述模型火焰系統(tǒng)的中心通道相重合。
[0012]6.所述記錄帶電顆粒運動軌跡的裝置包括高速相機和光源組成的高速攝影裝置；所述高速相機與光源保持垂直，且處于同一水平高度，使光源產生光束垂直進入高速相機鏡頭。
[0013]7.所述模型火焰系統(tǒng)包括燃料貯存室、燃料調節(jié)器和點火器，所述燃料貯存室為圓筒狀，其豎直中心軸線上具有中心通道，所述中心通道水平截面面積不超過火焰水平投影面積的10 %。
[0014]8.所述帶電顆粒發(fā)生器、前端荷質比測量通道、帶有中心通道的模型火焰系統(tǒng)、后端荷質比測量通道之間的垂直距離根據(jù)實驗的需要可以進行調節(jié)。
[0015]9.所述實驗裝置還包括計算機，所述計算機分別連接帶電顆粒發(fā)生器、模型火焰系統(tǒng)和前端/后端荷質比測量通道，用于控制帶電顆粒的產生、火焰穩(wěn)定以及測量數(shù)據(jù)的采集和處理。
[0016]10.所述計算機分別連接帶電液滴發(fā)生器的注射栗、模型火焰系統(tǒng)的燃料調節(jié)器以及前端/后端荷質比測量通道的高速相機。
[0017]本發(fā)明的技術效果:
[0018]本發(fā)明提出的一種研究帶電顆粒與火焰相互作用的實驗裝置，能夠定量測量單個帶電顆粒在火焰作用下的荷質比變化，為研究火焰電離特性以及電化水霧滅火機理提供了簡單易行的實驗方法和實驗裝置，成本低而且精度高。
[0019]基于本發(fā)明的實驗裝置，可以開展不同條件組合下的帶電顆粒與火焰相互作用實驗，從而獲得豐富的可信的實驗數(shù)據(jù)。所述的帶電顆粒的物質形態(tài)可以是液態(tài)或者固態(tài)或者液固兩相形態(tài)，顆粒物質可以是單質，也可以是混合物；實驗中優(yōu)選帶電顆粒為帶電水滴，可以改變帶電水滴的液滴滴落條件，如液滴大小、液滴帶電量多少、液滴帶電極性、液滴的滴速、初始滴落高度等等;還可以使用不同的液體單質或是液體溶劑;可以采用不同的火焰類型和火焰強度，等等。豐富多樣的實驗組合將為揭示帶電液滴與火焰相互作用機理提供充分的、緊密關聯(lián)的實驗數(shù)據(jù)，對于相關研究將有很大的應用價值。
[0020]本發(fā)明提出的實驗裝置是一個擴展性很強的實驗平臺，能夠同時引入其他測量儀器，如火焰溫度、濃度等特征的光學觀測設備，可極大延伸實驗的內容和應用價值。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的研究帶電顆粒與火焰相互作用的實驗裝置實施例結構示意圖。
[0022]附圖標記列示如下:1_帶電顆粒發(fā)生器，2-前端荷質比測量通道，3-模型火焰系統(tǒng)，4-后端荷質比測量通道，11-直流高壓電源，12-注射栗，13-毛細噴嘴，14-環(huán)形電極，21-前端平板電極，22-前端高速相機，23-前端光源，41-后端平板電極，42-后端高速相機，43-后端光源，31-燃料貯存室，32-燃料調節(jié)器，33-點火器，34-火焰模型，35-中心通道。
【具體實施方式】
[0023]以下結合附圖對本發(fā)明的實施例做進一步的詳細說明。
[0024]如圖1所示，為本發(fā)明的研究帶電顆粒與火焰相互作用的實驗裝置實施例結構示意圖。一種研究帶電顆粒與火焰相互作用的實驗裝置，包括:由高到低依次布置的帶電顆粒發(fā)生器1、前端荷質比測量通道2、帶有中心通道的模型火焰系統(tǒng)3、后端荷質比測量通道4;其中帶電顆粒發(fā)生器優(yōu)選為帶電液滴發(fā)生器，包括可以調節(jié)流量的注射栗12、與注射栗連接的可更換不同直徑的毛細噴嘴13、以及產生電場強度可調的靜電場的裝置，所述產生電場強度可調的靜電場的裝置包括圓環(huán)電極14以及與圓環(huán)電極連接的直流高壓電源11，所述靜電場基于靜電感應原理，將經過注射栗擠壓由毛細噴嘴形成的液滴感應為滿足實驗條件的帶電液滴;帶電液滴發(fā)生器產生的帶電液滴在模型火焰系統(tǒng)產生的火焰上方經中心通道自由滴落穿過火焰區(qū)，通過前端荷質比測量通道和后端荷質比測量通道分別測量帶電液滴穿過火焰前后的荷質比，從而獲得在火焰作用下帶電液滴荷質比的定量變化。前端荷質比測量通道2包括提供水平方向勻強電場的前端平板電極21、用以記錄帶電顆粒運動軌跡的裝置;所述記錄帶電顆粒運動軌跡的裝置包括高速相機22和光源23組成的高速攝影裝置；后端荷質比測量通道4包括提供水平方向勻強電場的后端端平板電極41、以及記錄帶電顆粒運動軌跡的高速相機42和光源43;所述高速相機22、42與光源23、43保持垂直，且處于同一水平高度，保證光源產生光束垂直進入高速相機鏡頭。
[0025]本發(fā)明的實驗裝置中，帶電顆粒發(fā)生器出口中心軸線、前端荷質比測量通道通道中心軸線、后端荷質比測量通道通道中心軸線在豎直方向上與所述模型火焰系統(tǒng)的中心通道按照一定的同軸度要求設置。本實施例中，帶電液滴發(fā)生器出口處圓環(huán)電極的中心軸線與所述模型火焰系統(tǒng)的中心通道相重合;所述毛細噴嘴豎直設置于圓環(huán)電極的中心軸線上;前端荷質比測量通道2的平板電極21和后端荷質比測量通道4的平板電極41的豎直中心軸線與所述模型火焰系統(tǒng)的中心通道相重合。本實施例的模型火焰系統(tǒng)3為環(huán)形氣體火炬，包括燃料貯存室31、燃料調節(jié)器32和點火器33，其中火焰模型34為圓筒狀，其豎直中心軸線上具有中心通道35，所述中心通道水平截面面積不超過火焰水平投影面積的10%。
[0026]另外，本發(fā)明的實驗裝置中，帶電顆粒發(fā)生器、前端荷質比測量通道、模型火焰系統(tǒng)、后端荷質比測量通道之間的垂直距離根據(jù)實驗需要可以進行調節(jié)，但是不能破壞四者中心軸線之間的同軸度。
[0027]所述實驗裝置還包括計算機，所述計算機分別連接帶電顆粒發(fā)生器、模型火焰系統(tǒng)和前端/后端荷質比測量通道，用于控制帶電顆粒的產生、火焰穩(wěn)定以及測量數(shù)據(jù)的采集和處理;具體的，本實施例中，所述計算機分別連接帶電液滴發(fā)生器的注射栗、模型火焰系統(tǒng)的燃料調節(jié)器以及前端/后端荷質比測量通道的高速相機。
[0028]下面以帶電水滴穿過正庚烷圓盤火焰為例，對整個實驗過程加以說明。
[0029]帶電液滴發(fā)生器選用直徑為0.6mm的毛細噴嘴，注射栗流量為4ml/min，環(huán)電極半徑為5cm，毛細噴嘴端部與環(huán)電極之間的距離為2.5cm;水經由注射栗擠壓，流經一定尺寸的毛細噴嘴噴出形成水滴，然后通過與直流高壓電源相連的環(huán)形電極產生的靜電場，即成為帶電水滴;直徑為2.525mm、荷電量為+2.016nC;
[0030]隨后帶電水滴首先進入前端荷質比測量通道的平板電極21形成的勻強電場中，利用高速相機22拍攝記錄獲得帶電水滴在勻強電場中的偏轉軌跡(水平方向為勻加速直線運動)，通過偏轉軌跡計算出帶電水滴在勻強電場力作用下的加速度分量，從而獲得帶電水滴的荷質比Ql ；
[0031]然后帶電水滴在模型火焰系統(tǒng)產生的火焰上方經中心通道自由滴落穿過火焰區(qū)，帶有中心通道的環(huán)形氣體火炬34如圖1中所示，燃料貯存室為圓筒狀，內徑25mm，壁厚為2mm，高為10mm，其豎直中心軸線上具有中心通道35，中心通道內徑為5mm，圓筒內加入正庚烷的體積為不超過3mL，能夠產生穩(wěn)定的擴散火焰；
[0032]水滴離開火焰區(qū)后，再通過后端荷質比測量通道，采用同樣的方法測量出帶電水滴穿透火焰后的荷質比Q2;
[0033]兩者的差值AQ=(Q1-Q2)即為帶電水滴通過環(huán)形氣體火炬產生的火焰后荷質比的變化量。
[0034]應當指出，以上所述【具體實施方式】可以使本領域的技術人員更全面地理解本發(fā)明創(chuàng)造，但不以任何方式限制本發(fā)明創(chuàng)造。因此，盡管本說明書和實施例對本發(fā)明創(chuàng)造已進行了詳細的說明，但是，本領域技術人員應當理解，仍然可以對本發(fā)明創(chuàng)造進行修改或者等同替換;而一切不脫離本發(fā)明創(chuàng)造的精神和范圍的技術方案及其改進，其均涵蓋在本發(fā)明創(chuàng)造專利的保護范圍當中。
【主權項】
1.一種研究帶電顆粒與火焰相互作用的實驗裝置，其特征在于，包括:由高到低依次布置的帶電顆粒發(fā)生器、前端荷質比測量通道、帶有中心通道的模型火焰系統(tǒng)、后端荷質比測量通道;所述帶電顆粒發(fā)生器產生的帶電顆粒在所述模型火焰系統(tǒng)產生的火焰上方經中心通道自由滴落穿過火焰區(qū)，通過所述前端荷質比測量通道和后端荷質比測量通道分別測量帶電顆粒穿過火焰前后的荷質比，從而獲得在火焰作用下帶電顆粒荷質比的定量變化。2.根據(jù)權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，所述帶電顆粒發(fā)生器出口中心軸線、前端荷質比測量通道通道中心軸線、后端荷質比測量通道通道中心軸線在豎直方向上與所述模型火焰系統(tǒng)的中心通道按照一定的同軸度要求設置。3.根據(jù)權利要求2所述的實驗裝置，其特征在于，所述帶電顆粒發(fā)生器為帶電液滴發(fā)生器，包括可以調節(jié)流量的注射栗、與注射栗連接的可更換不同直徑的毛細噴嘴、以及產生電場強度可調的靜電場的裝置，所述靜電場基于靜電感應原理，將經過注射栗擠壓由毛細噴嘴形成的液滴感應為滿足實驗條件的帶電液滴。4.根據(jù)權利要求3所述的實驗裝置，其特征在于，所述產生電場強度可調的靜電場的裝置包括圓環(huán)電極以及與圓環(huán)電極連接的直流高壓電源，所述圓環(huán)電極的中心軸線與所述模型火焰系統(tǒng)的中心通道相重合;所述毛細噴嘴豎直設置于圓環(huán)電極的中心軸線上。5.根據(jù)權利要求2所述的實驗裝置，其特征在于，所述前端/后端荷質比測量通道包括提供水平方向勻強電場的平板電極、用以記錄帶電顆粒運動軌跡的裝置;所述平板電極的豎直中心軸線與所述模型火焰系統(tǒng)的中心通道相重合。6.根據(jù)權利要求5所述的實驗裝置，其特征在于，所述記錄帶電顆粒運動軌跡的裝置包括高速相機和光源組成的高速攝影裝置;所述高速相機與光源保持垂直，且處于同一水平高度，使光源產生光束垂直進入高速相機鏡頭。7.根據(jù)權利要求2所述的實驗裝置，其特征在于，所述模型火焰系統(tǒng)包括燃料貯存室、燃料調節(jié)器和點火器，所述燃料貯存室為圓筒狀，其豎直中心軸線上具有中心通道，所述中心通道面積不超過火焰水平投影面積的10%。8.根據(jù)權利要求2所述的實驗裝置，其特征在于，所述帶電顆粒發(fā)生器、前端荷質比測量通道、模型火焰系統(tǒng)、后端荷質比測量通道之間的垂直距離根據(jù)實驗需要可以進行調節(jié)。9.根據(jù)權利要求1至8之一所述的實驗裝置，其特征在于，所述實驗裝置還包括計算機，所述計算機分別連接帶電顆粒發(fā)生器、模型火焰系統(tǒng)和前端/后端荷質比測量通道，用于控制帶電顆粒的產生、火焰穩(wěn)定以及測量數(shù)據(jù)的采集和處理。10.根據(jù)權利要求9所述的實驗裝置，其特征在于，所述計算機分別連接帶電液滴發(fā)生器的注射栗、模型火焰系統(tǒng)的燃料調節(jié)器以及前端/后端荷質比測量通道的高速相機。
【文檔編號】G01R29/24GK105891616SQ201610424027
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】覃粒子, 楊立軍, 富慶飛, 謝絡
【申請人】北京航空航天大學