本发明公开了一种高温高压高湍流单液滴蒸发的实验装置及其方法，涉及内燃机燃烧测试技术领域，所述装置包括供气装置，与所述供气装置连接的蒸发定容弹体(14)，位于所述蒸发定容弹体(14)内部的风扇(5)和伸缩式液滴悬挂装置(7)，以及通过导线与所述蒸发定容弹体(14)连接的控制单元(2)；所述风扇(5)包括位于其内部的变速器和安装支撑装置；所述定容弹体(14)包括风扇安装接口(19)、观察窗口(24)、压力传感器(6)和温度传感器(8)。本发明能够实现对微小液滴在不同湍流条件下的蒸发特性实验研究。
1.一种高温高压高湍流单液滴蒸发实验装置，其特征在于，包括供气装置、蒸发定容弹体（14）、风扇（5）、伸缩式液滴悬挂装置（7）和控制单元（2）；所述供气装置包括高压氮气瓶（12）、减压阀（11）、微量质量流量计（10）和进气阀（9）；所述高压氮气瓶（12）通过管路与所述蒸发定容弹体（14）上开设的氮气进气阀安装孔连接，所述高压氮气瓶（12）与所述蒸发定容弹体（14）之间的管路上依次设有减压阀（11）、微量质量流量计（10）和进气阀（9），所述微量质量流量计（10）通过导线与流量计控制器连接，所述流量计控制器位于所述控制单元内；
所述蒸发定容弹体（14）为包括球状壳体、风扇安装接口（19）和观察窗口（24），所述蒸发定容弹体（14）的球状壳体表面均匀开设8个风扇安装接口（19），所述8个风扇安装接口（19）安装位置两两相隔90度，且两两正对，所述风扇安装接口（19）与电机座（20）通过螺纹连接，伺服电机（21）安装于电机座（20）上；所述蒸发定容弹体（14）的球状壳体表面开设4个观察窗口（24），所述4个观察窗口（24）位于蒸发定容弹体（14）的球体赤道上，相邻观察窗口（24）相隔90度，所述4个观察窗口（24）内嵌有透明光学材料密封连接；所述风扇（5）共有8个，安装在蒸发定容弹体（14）内部风扇座（4）上，并通过伺服电机（21）驱动；压力传感器（6）通过开设在所述蒸发定容弹体（14）的球状壳体内壁的压力传感器安装孔与所述蒸发定容弹体（14）连接，所述压力传感器（6）通过导线与所述控制单元（2）连接；多根不锈钢加热棒（15）均布于蒸发定容弹体本体内部，所述不锈钢加热棒通过导线与温度控制器连接，所述温度控制器位于所述控制单元（2）内；所述伸缩式液滴悬挂装置（7）置于蒸发定容弹体内壁最顶端；所述观察窗口（24）分别位于所述蒸发定容弹体（14）的侧面；所述蒸发定容弹体（14）底部设有排气阀安装孔，排气阀安装孔中安装排气阀(16)，所述排气阀(16)与真空泵（17）连接。
2.根据权利要求1所述的高温高压高湍流单液滴蒸发实验装置，其特征在于，所述蒸发定容弹体（14）的球状壳体内壁设置温度传感器（8），所述温度传感器（8）通过导线与控制单元（2）连接。
3.根据权利要求2所述的高温高压高湍流单液滴蒸发实验装置，其特征在于，还包括图像采集装置和计算机（3）；所述图像采集装置包括光源（13）、高速摄像机（1）和信号同步控制器；所述高速摄像机位于所述蒸发定容弹体赤道上正对观察窗口（24）、并背对光源（13）；
所述信号同步控制器位于控制单元（2）内，所述高速摄像机（1）通过导线与所述信号同步控制器连接；所述计算机与所述控制单元通过导线连接。
4.根据权利要求1、2或3所述的高温高压高湍流单液滴蒸发实验装置，其特征在于，所述观察窗口（24）内部嵌有的透明光学材料为光学石英玻璃，所述观察窗口（24）与所述光学石英玻璃之间采用增强柔性垫密封。
5.根据权利要求1、2或3所述的高温高压高湍流单液滴蒸发实验装置，其特征在于，所述氮气进气阀安装孔位于所述蒸发定容弹体侧面。
6.根据权利要求1、2或3所述的高温高压高湍流单液滴蒸发实验装置，其特征在于，所述蒸发定容弹体（14）的球状壳体选用耐高温的304不锈钢材料，外表面喷涂保温材料。
7.根据权利要求1、2或3所述的高温高压高湍流单液滴蒸发实验装置，其特征在于，所述蒸发定容弹体（14）的球状壳体顶部布置液滴悬挂接口（22），用于设置伸缩式液滴悬挂装置（7）；所述蒸发定容弹体（14）的球状壳体侧面布置温度传感器安装接口（18），用于设置温度传感器（8）；所述温度传感器安装接口（18）周围布置压力传感器安装接口（23），用于设置压力传感器（6）。
8.根据权利要求1、2或3所述的高温高压高湍流单液滴蒸发实验装置，其特征在于，所述高温高压高湍流单液滴蒸发实验装置各部件之间均采用螺纹连接。
9.根据权利要求1、2或3所述的高温高压高湍流单液滴蒸发实验装置，其特征在于，所述蒸发定容弹体（14）的内径380mm—400mm，外径405mm—425mm；相邻所述风扇（5）之间的距离为200mm—210mm；所述观察窗口（24）外径130mm—140mm。
10.利用权利要求3所述高温高压高湍流单液滴蒸发实验装置的实验方法，其特征在于，首先，使用所述真空泵（17）将所述蒸发定容弹体（14）内部空气抽空，然后打开所述高压氮气瓶（12）的进气阀阀门，将所述蒸发定容弹体（14）内部充满氮气；然后，将液滴悬挂于伸缩式液滴悬挂装置（7）末端的石英丝上，将其置于蒸发定容弹体（14）内部合适的位置；之后，设定目标温度，利用所述不锈钢加热棒（15）对所述蒸发定容弹体（14）进行加热，并通过所述温度传感器（8）测量所述蒸发定容弹体（14）内部的温度，通过导线将测量的温度数据传送到位于所述控制单元（2）内的温度控制器，所述温度控制器根据传送的温度数据控制所述不锈钢加热棒（15）的加热功率；当加热到设定温度时，向蒸发定容弹体（14）充氮气，观察所述压力传感器（6）测量的所述蒸发定容弹体（14）内部的压力，若大于目标压力，控制单元（2）打开所述排气阀（16）进行排气降压；最后，调整所述高速摄像机（1）的工作位置和光源（13）的位置后，开始进行拍摄，记录整个蒸发过程中的数据，通过对图像和数据进行处理，得到蒸发过程中液滴尺寸随时间的变化曲线。
一种高温高压高湍流单液滴蒸发实验装置及其方法
技术领域
[0001] 本发明涉及内燃机燃烧测试技术领域，特别是涉及一种高温高压高湍流单液滴蒸发的实验装置。
背景技术
[0002] 内燃机技术的发展,不仅给人类带来了物质文明,同时也对人类赖以生存的环境产生着巨大影响。随着世界范围内的能源危机和环境污染问题的日益严重,人们对于发动机在节约能源和控制污染物排放方面的要求日趋严格。因此,开展清洁替代燃料的研究是目前解决能源危机和环境污染最有效的措施。替代燃料的研究必须提高其燃烧特性，而燃料的燃油-空气混合特性是制约燃烧性能的关键因素，进一步地，燃油-空气混合特性受制于喷入气缸内燃油液滴的蒸发速率。
[0003] 内燃机缸内液滴的蒸发过程是一个很复杂的过程，缸内液滴受到很大的湍流影响其蒸发特性，而目前研究液滴蒸发的实验装置都是在高温条件或高温高压条件，没有研究湍流对液滴蒸发的影响装置，更没有研究在高温高压条件下湍流对单液滴蒸发影响的装置，为深入研究湍流在高温高压条件下对燃料液滴蒸发速率的影响，设计了高温高压湍流对单液滴蒸发影响的装置。
发明内容
[0004] 本发明的目的是为解决现有技术无法研究湍流对单液滴蒸发影响的问题以及湍流在高温高压条件下对单液滴蒸发影响的问题，提供了一种高温高压高湍流单液滴蒸发实验装置及其方法。
[0005] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0006] 一种高温高压高湍流单液滴蒸发实验装置，包括供气装置、蒸发定容弹体、风扇、伸缩式液滴悬挂装置和控制单元；所述供气装置包括高压氮气瓶、减压阀、微量质量流量计和进气阀；所述高压氮气瓶通过管路与所述蒸发定容弹体上开设的氮气进气阀安装孔连接，所述高压氮气瓶与所述蒸发定容弹体之间的管路上依次设有减压阀、微量质量流量计和进气阀，所述微量质量流量计通过导线与流量计控制器连接，所述流量计控制器位于所述控制单元内；
[0007] 所述蒸发定容弹体为包括球状壳体、风扇安装接口和观察窗口，所述蒸发定容弹体的球状壳体表面均匀开设8个风扇安装接口，所述8个风扇安装接口安装位置两两相隔90度，且两两正对，所述风扇安装接口与电机座通过螺纹连接，所述伺服电机设于电机座上；所述蒸发定容弹体的球状壳体表面开设4个观察窗口，所述4个观察窗口位于蒸发定容弹体的球体赤道上，相邻观察窗口相隔90度，所述4个观察窗口内嵌有透明光学材料密封连接；
所述风扇共有8个，安装在蒸发定容弹体本体14内部风扇座4上，并通过伺服电机驱动；所述压力传感器通过开设在所述蒸发定容弹体的球状壳体内壁的压力传感器安装孔与所述蒸发定容弹体连接，所述压力传感器通过导线与所述控制单元连接；多根不锈钢加热棒均布于蒸发定容弹体本体内部，所述不锈钢加热棒通过导线与温度控制器连接，所述温度控制仪位于所述控制单元内；所述伸缩式液滴悬挂装置置于蒸发定容弹体内壁最顶端；所述观察窗口分别位于所述燃烧蒸发弹体本体的侧面；所述蒸发定容弹体底部设有排气阀安装孔，排气阀安装孔中安装排气阀，所述排气阀与真空泵连接。
[0008] 所述蒸发定容弹体的球状壳体内壁设置温度传感器，所述温度传感器通过导线与控制单元连接。
[0009] 本发明的装置还包括图像采集装置和计算机；所述图像采集装置包括光源、高速摄像机和信号同步控制器；所述高速摄像机位于所述蒸发定容弹体赤道上正对观察窗口、并背对光源；所述信号同步控制器位于控制单元内，所述高速摄像机通过导线与所述信号同步控制器连接；所述计算机与所述控制单元通过导线连接。
[0010] 所述观察窗内部嵌有的透明光学材料为光学石英玻璃，所述观察窗与所述光学石英玻璃之间采用增强柔性垫密封。
[0011] 所述氮气进气阀安装孔位于所述蒸发定容弹体侧面。
[0012] 所述蒸发定容弹体的球状壳体选用耐高温的304不锈钢材料，外表面喷涂保温材料。
[0013] 所述蒸发定容弹体的球状壳体顶部布置液滴悬挂接口，用于设置伸缩式液滴悬挂装置；所述蒸发定容弹体的球状壳体侧面布置温度传感器安装接口，用于设置温度传感器；所述温度传感器安装接口周围布置压力传感器安装接口，用于设置压力传感器。
[0014] 所述装置各部件之间均采用螺纹连接，以保证在高温高压下工作时部件的稳定性。
[0015] 所述蒸发定容弹体的内径380mm—400mm，外径405mm—425mm；相邻所述风扇之间的距离为200—210mmmm；所述观察窗外径130mm—140mm。所述光学石英玻璃的厚度为20mm—25mm。
[0016] 本发明的方法为，首先，使用所述真空泵将所述蒸发定容弹体内部空气抽空，然后打开所述高压氮气瓶的进气阀阀门，将所述蒸发定容弹体内部充满氮气；然后，将液滴悬挂于伸缩式液滴悬挂装置末端的石英丝上，将其置于蒸发定容弹体内部合适的位置；之后，设定目标温度，利用所述不锈钢加热棒对所述蒸发定容弹体进行加热，并通过所述温度传感器测量所述蒸发定容弹体内部的温度，通过导线将测量的温度数据传送到位于所述控制单元内的温度控制仪，所述温度控制仪根据传送的温度数据控制所述不锈钢加热棒的加热功率；当加热到设定温度时，向蒸发定容弹体充氮气，观察所述压力传感器测量的所述蒸发定容弹体内部的压力，若大于目标压力，控制单元打开所述排气阀进行排气降压；最后，调整所述高速摄像机的工作位置和光源的位置后，开始进行拍摄，记录整个蒸发过程中的数据，通过对图像和数据进行处理，得到蒸发过程中液滴尺寸随时间的变化曲线。
[0017] 与现有技术相比，本发明包括以下优点：
[0018] 本发明的高温高压高湍流单液滴蒸发装置实现了在湍流条件下微小液滴蒸发过程的研究，该装置可以模拟柴油机缸内高温高压环境和高湍流环境，从而得到单液滴蒸发整个过程，与现有技术相比，本发明包括以下优点：
[0019] 首先，本发明中，在蒸发定容弹体中设置了8个均匀布置的风扇，可以产出各向同性均匀湍流，能近似模拟液滴在实际柴油机缸内的湍流环境；
[0020] 其次，将蒸发定容弹体设计为球形，解决了目前无法同时实现高温高压高湍流环境的难题；
[0021] 最后，本发明采用蒸发定容弹体内部均布加热棒的方式，可以迅速加热，加热效率高，加热均匀。
附图说明
[0022] 图1是本发明的结构示意。
[0023] 图2是蒸发定容弹体的装配图。
[0024] 图3是蒸发定容弹体沿球体直径的剖视图。
[0025] 图4是本发明的用于产生各向同性湍流的风扇。
[0026] 图中，1-高速摄像机、2-控制单元、3-计算机、4-风扇座、5-风扇、6-压力传感器、7-伸缩式液滴悬挂装置、8-温度传感器、9-进气阀、10-微量质量流量计、11-减压阀、12-高压氮气瓶、13-光源、14-蒸发定容弹体、15-不锈钢加热棒、16-排气阀、17-真空泵、18-温度传感器安装接口、19-风扇安装接口、20-电机座、21-伺服电机、22-液滴悬挂接口、23-压力传感器安装接口、24-观察窗口。
具体实施方式
[0027] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0028] 图1是本发明实施例所述的一种高温高压高湍流单液滴蒸发装置的结构示意图。如图1所示，一种高温高压高湍流单液滴蒸发装置包括：供气装置、蒸发定容弹体14、风扇5、伸缩式液滴悬挂装置7、控制单元2和计算机3。
[0029] 所述供气装置还包括：连接在所述高压氮气瓶12和所述蒸发定容弹体14之间的减压阀11、微量质量流量计10和进气阀9。
[0030] 所述高压氮气瓶12用于提供蒸发实验所需的惰性气体环境和压力。所述高压氮气瓶12提供的高压氮气通过管路进入所述减压阀11进行减压，减压后的氮气依次流经所述微量质量流量计10和所述进气阀9后进入所述燃烧蒸发弹体14内部；所述微量质量流量计10用来测量所述高压氮气瓶12的供气速率，并通过导线与位于所述控制单元2内的流量控制器连接；进一步地，通过所述流量控制器可以控制所述高压氮气瓶12的供气速率。
[0031] 本发明的一种实施例中，单液滴的蒸发过程在所述蒸发定容弹体14内进行。为了使所述蒸发定容弹体14能够承受高温高压环境，所述蒸发定容弹体14选用耐高温的304不锈钢材料，外表面喷涂保温材料；为了使所述蒸发定容弹体14能够产生各项同性均匀湍流，设计8个均匀布置的风扇；所述蒸发定容弹体设计为球形结构：所述蒸发定容弹体14的内径380mm—400mm，外径405mm—425mm；
[0032] 图2是图1所示一种蒸发定容弹体的装配图。参照图2，本发明中，所述蒸发定容弹体14包括蒸发定容弹体本体14、风扇安装接口19、观察窗口24、电机座20、伺服电机21、液滴悬挂接口22、压力传感器安装接口23和温度传感器安装接口18。
[0033] 所述蒸发定容弹体14有2个半球焊接在一起的，所述蒸发定容弹体14外表面设置8个法兰盘，用于安装电机座20和伺服电机21；
[0034] 所述蒸发定容弹体14的8个风扇安装位置两两相隔90度，且两两正对；进一步地，所述蒸发定容弹体14外表面布置4个观察窗24，位于球体直径位置，两两相隔90度；
[0035] 所述蒸发定容弹体14外表面还布置10个辅助端口，其中上端4个安装压力传感器，侧面4个安装温度传感器，其余2个用于检测所产生的湍流强度。
[0036] 在所述蒸发定容弹体本体14直径上设有所述观察窗24，所述观察窗外径130mm，进一步地，将厚度为20mm的光学石英玻璃密封在所述观察窗24内部。
[0037] 参照图2，本发明的一种实施例中，所述蒸发燃烧弹体14还包括：温度传感器8、压力传感器6、排气阀16、真空泵17和不锈钢加热棒15。
[0038] 本发明的一种实施例中，所述不锈钢加热棒15均布在所述蒸发定容弹体14内部，采用蒸发定容弹体14内部均布加热棒的方式，可以迅速加热，加热效率高，加热均匀。
[0039] 所述排气阀16一端通过排气阀安装孔与蒸发定容弹体14采用螺栓连接，一端与所述真空泵17采用螺纹连接；所述进气阀9通过所述氮气进气阀安装孔与所述蒸发定容弹体14之间采用螺栓连接；所述排气阀16通过所述排气阀安装孔与所述蒸发定容弹体14之间采用螺栓连接；所述温度传感器8通过所述温度传感器安装孔与所述蒸发定容弹体14之间采用螺纹连接；所述压力传感器6通过所述压力传感器安装孔与所述蒸发定容弹体14之间采用螺纹连接。
[0040] 图3是图2蒸发定容弹体本体的剖视图。由图可知，所述电机座20通过蒸发定容弹体14外表面风扇安装接口19上面均匀布置的8个螺纹孔通过螺纹连接相连接；所述电机座20上面有6个均匀布置的螺纹孔，伺服电机21通过螺纹连接与电机座相连接。
[0041] 所述观察窗24上设有8个均匀布置的螺纹孔，中间安装石英玻璃；所述压力传感器安装接口23周围均匀布置8个螺纹小孔用于安装检测装置；所述温度传感器安装接口18周围均匀布置8个螺纹小孔用于安装检测装置。
[0042] 所述伸缩式液滴悬挂装置7设计为可伸缩式，能适应调整液滴安放位置的需要，液滴悬挂于石英丝上。
[0043] 图4为能产生各项同性均匀湍流的风扇。风扇共有8个，安装在蒸发定容弹体本体14内部风扇座4上，两两正对，相邻风扇之间的距离为200mm～210mm；进一步地，每个风扇设有6个风扇叶片，每个叶片与风扇旋转的轴线成一夹角，且每个叶片上端均切除一弧形的区域。
[0044] 结合本发明的一种实施例，对本发明的一种高温高压湍流对单液滴蒸发影响的装置的工作流程进行详细介绍。
[0045] 首先，使用所述真空泵16将所述蒸发定容弹体14内部空气抽空，然后打开所述高压氮气瓶12的进气阀阀门，将所述蒸发定容弹体14内部充满氮气。然后，将液滴悬挂于伸缩式液滴悬挂装置7末端的石英丝上，将其置于蒸发定容弹体14内部合适的位置，由于伸缩式液滴悬挂装置7可以自由伸缩，这可以很方便的调整液滴的位置。之后设定目标温度，利用所述不锈钢加热棒15对所述蒸发定容弹体14进行加热，并通过所述温度传感器测量所述蒸发定容弹体14内部的温度，通过导线将测量的温度数据传送到位于所述控制单元2内的温度控制仪，所述温度控制仪根据传送的温度数据控制所述不锈钢加热棒15的加热功率；当加热到设定温度时，向蒸发定容弹体14充氮气，观察所述压力传感器6测量的所述蒸发定容弹体14内部的压力，若大于目标压力，即打开所述排气阀16进行排气降压。调整好所述高速摄像机1的工作位置和光源13的位置后，开始进行拍摄，由于所述高速摄像机1拍摄速率很高，所以采用所述光源13进行背部打光，增加图像亮度，从而得到清晰的图像，并记录整个蒸发过程中的数据，通过对图像和数据进行处理，得到蒸发过程中液滴尺寸随时间的变化曲线(液滴直径平方比)。
[0046] 以上是对本发明所提供的一种高温高压湍流对单液滴蒸发影响的装置进行了详细介绍，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例子而已，并不用于限制本发明。对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改进之处。
