本發(fā)明涉及一種點(diǎn)火燃燒試驗(yàn)裝置，特別涉及一種微米級(jí)金屬顆粒點(diǎn)火燃燒試驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

為提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，現(xiàn)有技術(shù)通常會(huì)在推進(jìn)劑中添加高能金屬添加劑。添加高能金屬添加劑，不僅可以提高推進(jìn)劑的能量密度和發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖，還可以顯著抑制推進(jìn)系統(tǒng)的不穩(wěn)定燃燒。因此，金屬添加劑在固體推進(jìn)系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用。另外，面對(duì)日益嚴(yán)峻的能源安全問題，人們?cè)絹碓街匾曅履茉吹拈_發(fā)利用。相比氫能、生物燃料和電池等，金屬粉末燃料具有來源豐富、攜帶安全可靠、燃燒熱值高以及環(huán)保等特點(diǎn)，有望成為未來化石燃料替代的解決方案。目前，研究以金屬粉末為燃料的新型內(nèi)燃機(jī)和外燃機(jī)已經(jīng)成為新的重要研究方向。

由于鎂、鋁金屬顆粒的能量密度較高、燃燒溫度高等優(yōu)點(diǎn)，在固體推進(jìn)劑中有著較為廣泛的應(yīng)用；由于鋁顆粒和鐵顆粒的來源廣泛、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，有望成為未來新型內(nèi)燃機(jī)和外燃機(jī)的高能燃料。不論是固體推進(jìn)裝置還是新型的內(nèi)燃機(jī)、外燃機(jī)，其內(nèi)部流場(chǎng)都是高溫燃燒火焰場(chǎng)。金屬顆粒作為上述發(fā)動(dòng)機(jī)的主要燃料，其很大一部分能量是來自于金屬顆粒在高溫流場(chǎng)中點(diǎn)火燃燒過程釋放出來的。因此，深入認(rèn)識(shí)金屬顆粒的點(diǎn)火燃燒特性，探究金屬顆粒點(diǎn)火延遲、點(diǎn)火溫度、燃燒時(shí)間、燃燒溫度等性能參數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)準(zhǔn)確預(yù)示發(fā)動(dòng)機(jī)的性能具有重要意義。

目前針對(duì)金屬顆粒點(diǎn)火燃燒的研究主要有數(shù)值仿真和試驗(yàn)兩種研究方法。數(shù)值仿真相對(duì)試驗(yàn)研究耗時(shí)較短、成本低，但由于在建模過程中進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度難以保證。試驗(yàn)研究是獲得金屬顆粒點(diǎn)火燃燒特性最直接的方法，目前常用的金屬顆粒點(diǎn)火燃燒試驗(yàn)研究方法有采用高能激光/氙燈點(diǎn)火、激波點(diǎn)火、電加熱點(diǎn)火以及熱分析法等。

高能激光/氙燈點(diǎn)火方式是利用激光或氙燈輻射處的能量進(jìn)行加熱顆粒并使其溫度升高至著火點(diǎn)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)顆粒的點(diǎn)火燃燒。由于這種加熱方式是通過光源的輻射進(jìn)行加熱的，因此使得金屬顆粒的加熱不均勻，且受顆粒表面吸收率影響較大，難以有效模擬發(fā)動(dòng)機(jī)中金屬顆粒的加熱過程。此外，由于只有在光源焦點(diǎn)處存在較高的熱流密度，難以對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中的顆粒進(jìn)行持續(xù)加熱。

激波點(diǎn)火方式是利用激波波后的高溫高壓氣體使顆粒迅速升至高溫并點(diǎn)燃。此試驗(yàn)方法可以有效模擬顆粒點(diǎn)火的高壓環(huán)境，但是由于瞬間點(diǎn)火，難以清楚觀測(cè)到金屬顆粒點(diǎn)火的詳細(xì)過程。

電加熱點(diǎn)火方式是利用電流熱效應(yīng)將金屬顆粒點(diǎn)火。但通常由于金屬顆粒處于電熱片上通過熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)溫度升高，這使得顆粒點(diǎn)火過程受到干擾，同時(shí)也存在受熱非均勻的問題。

熱分析法主要是通過熱重特性來間接反映金屬顆粒的點(diǎn)火燃燒特性，顆粒是在密閉燃燒器內(nèi)加熱，無法觀測(cè)其點(diǎn)火和燃燒過程中顆粒和火焰形態(tài)，難以獲得豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種高溫燃?xì)猸h(huán)境中單個(gè)微米級(jí)金屬顆粒點(diǎn)火燃燒試驗(yàn)裝置，它能夠模擬不同燃?xì)饨M分、不同燃燒溫度的工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)不同粒徑的單個(gè)金屬顆粒在火焰場(chǎng)中的點(diǎn)火燃燒；獲得顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡、點(diǎn)火延遲時(shí)間、燃燒時(shí)間等參數(shù)以及不同時(shí)刻的金屬顆粒燃燒中止?fàn)顟B(tài)。

本發(fā)明“一種微米級(jí)金屬顆粒點(diǎn)火燃燒試驗(yàn)裝置”主要包括：金屬顆粒離散裝置、供粉細(xì)管、高溫燃?xì)恻c(diǎn)火系統(tǒng)、觀測(cè)系統(tǒng)和粒子取樣裝置。

所述金屬顆粒離散裝置主要包括高壓直流電源、正極板、負(fù)極板、正極板保護(hù)殼、負(fù)極板保護(hù)殼、電極板隔離圈以及流化氣供應(yīng)系統(tǒng)。正極板在下方，負(fù)極板在上方；在負(fù)極板的中心處開有圓形的通孔，此孔為流化氣攜帶金屬顆粒的出口。高壓直流電源正、負(fù)極分別連接到正極板和負(fù)極板上。電極板隔離圈安裝在兩個(gè)電極板之間。電極板隔離圈側(cè)壁上開有圓形通孔，作為流化氣供應(yīng)系統(tǒng)中流化氣進(jìn)入金屬顆粒離散裝置的入口。正極板下方還安裝有正極板保護(hù)殼，負(fù)極板上方還安裝有負(fù)極板保護(hù)殼。在負(fù)極板保護(hù)殼上開有顆粒出口和供粉細(xì)管接口。金屬顆粒離散裝置未開始工作時(shí)，金屬粉末放置在正極板上。

優(yōu)選的，負(fù)極板的中心處的通孔直徑為0.2～1.0mm。

優(yōu)選的，負(fù)極板的中心處的通孔直徑為0.5mm。

優(yōu)選的，為保證良好的絕緣性，正/負(fù)極板保護(hù)殼和電極板隔離圈均采用聚四氟乙烯材料。

優(yōu)選的，正極板和負(fù)極板的材料相同，均為紫銅。

所述金屬顆粒離散裝置的工作原理為：將粒徑為幾微米至幾十微米的金屬顆粒置于金屬顆粒離散裝置的正極板上，當(dāng)施加高電壓后，金屬顆粒會(huì)攜帶正電荷。在兩極板間的電場(chǎng)作用下，金屬顆?？朔亓Σ⑾蛏线\(yùn)動(dòng)；當(dāng)運(yùn)動(dòng)到負(fù)極板并與其接觸后，金屬顆粒釋放其所攜帶的正電荷；之后，在重力作用下向下運(yùn)動(dòng)。金屬顆粒在兩極板間往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中會(huì)將原本聚集在一起的金屬粉末振蕩離散成獨(dú)立的顆粒，并彌散在正負(fù)極板之間。通過在兩個(gè)電極板之間通入一股由氣體質(zhì)量流量器嚴(yán)格控制的流化氣，可以將其中彌散的金屬顆粒從負(fù)極板的顆粒出口處依次攜帶出來，實(shí)現(xiàn)單個(gè)金屬顆粒的離散。

所述金屬顆粒離散裝置通過供粉細(xì)管與所述高溫燃?xì)恻c(diǎn)火系統(tǒng)連接，金屬顆粒經(jīng)由供粉細(xì)管從金屬顆粒離散裝置進(jìn)入高溫燃?xì)恻c(diǎn)火系統(tǒng)。

優(yōu)選的，供粉細(xì)管的內(nèi)徑大于等于所述負(fù)極板中心處的通孔直徑。

優(yōu)選的，供粉細(xì)管外徑為1.6mm，內(nèi)徑為0.8mm。

優(yōu)選的，供粉細(xì)管的材質(zhì)為陶瓷。

所述高溫燃?xì)恻c(diǎn)火系統(tǒng)主要由平面火焰爐、點(diǎn)火火花塞以及供氣系統(tǒng)組成。所述平面火焰爐的整體為圓柱狀，主要包括爐盤、爐體、底座、進(jìn)氣接嘴、預(yù)混腔支架、鋼珠、供粉細(xì)管保護(hù)管以及供粉細(xì)管密封帽等。爐盤表面均勻布置有數(shù)個(gè)圓形通孔；爐體中設(shè)置有三個(gè)氧化劑和燃料混合區(qū)域，由下至上分別是預(yù)混腔、大鋼珠區(qū)和小鋼珠區(qū)；鋼珠區(qū)由數(shù)個(gè)鋼珠填充而成；大鋼珠區(qū)和小鋼珠區(qū)之間由不銹鋼鋼絲網(wǎng)隔離，所述鋼絲網(wǎng)的孔徑小于小鋼珠區(qū)內(nèi)鋼珠的直徑；大鋼珠區(qū)和預(yù)混腔之間安裝有鋼珠支撐板，支撐板上設(shè)置有數(shù)個(gè)孔徑小于大鋼珠區(qū)內(nèi)鋼珠直徑的通孔；預(yù)混腔內(nèi)安裝有預(yù)混腔支架；進(jìn)氣接嘴位于爐體下端壁面上，與預(yù)混腔連通；所述進(jìn)氣接嘴的數(shù)量為2，一個(gè)用于供應(yīng)氧化劑，一個(gè)用于供應(yīng)燃料；供粉細(xì)管密封帽安裝在平面火焰爐底座表面，供粉細(xì)管密封帽上開通孔，供粉細(xì)管從所述通孔進(jìn)入平面火焰爐。供粉細(xì)管從所述供粉細(xì)管密封帽插入，穿過爐體，從爐盤幾何中心處的圓形通孔穿出；供粉細(xì)管外層裝有不銹鋼的保護(hù)套管。

所述供氣系統(tǒng)通過進(jìn)氣接嘴給高溫燃?xì)恻c(diǎn)火系統(tǒng)提供氧化劑和燃料。

所述點(diǎn)火火花塞位于爐盤上方，用于點(diǎn)火，形成高溫燃燒火焰。

優(yōu)選的，大鋼珠區(qū)內(nèi)的鋼珠直徑為4mm，小鋼珠區(qū)內(nèi)的鋼珠直徑為2mm。

優(yōu)選的，爐盤表面均勻布置有直徑為0.3～0.5mm的通孔，相鄰?fù)字g的中心距離為0.5～1.0mm，并且在爐盤幾何中心處開有方便供粉細(xì)管穿過的圓形通孔，所述爐盤幾何中心處的通孔的直徑大于等于供粉細(xì)管的外徑。

優(yōu)選的，爐盤表面均勻布置有直徑為0.5mm的通孔，相鄰?fù)字g的中心距離為1.0mm，并且在爐盤幾何中心處開有方便供粉細(xì)管穿過的直徑為1.8mm的通孔。

優(yōu)選的，供粉細(xì)管密封帽上通孔的直徑大于等于供粉細(xì)管的外徑。

優(yōu)選的，供粉細(xì)管密封帽上開有直徑為1.8mm的細(xì)孔，并在密封帽內(nèi)填充704白膠，保證良好的密封。

優(yōu)選的，高溫燃?xì)恻c(diǎn)火系統(tǒng)采用質(zhì)量流量嚴(yán)格控制的甲烷和空氣/氧氣分別為燃料和氧化劑。

高溫燃?xì)恻c(diǎn)火系統(tǒng)的工作原理：通過三個(gè)氧化劑和燃料混合區(qū)域?qū)崿F(xiàn)燃料和氧化劑充分混合。利用電火花塞點(diǎn)火燃燒形成高溫燃燒火焰，建立金屬顆粒點(diǎn)火所需的高溫燃?xì)猸h(huán)境。

觀測(cè)系統(tǒng)主要包括高速攝影儀和長(zhǎng)焦顯微放大鏡頭。裝有長(zhǎng)焦顯微放大鏡頭的高速攝影儀置于平面火焰爐爐盤邊緣的上方，用于拍攝金屬顆粒的點(diǎn)火燃燒過程，可以與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。

粒子取樣裝置主要包括取樣桿、金屬塊、壓緊螺釘、調(diào)節(jié)墊塊、導(dǎo)電雙面膠等。所述取樣桿整體為長(zhǎng)條形，取樣桿上開有凹槽，調(diào)節(jié)墊塊、金屬塊放置在凹槽內(nèi)，金屬塊的兩端各放置一塊調(diào)節(jié)墊塊；取樣桿的一端開有螺孔，壓緊螺釘從所述螺孔插入，與調(diào)節(jié)墊塊接觸，用于固定調(diào)節(jié)墊塊和金屬塊的位置；導(dǎo)電雙面膠粘貼在金屬塊表面。

優(yōu)選的，所述金屬塊的材料為紫銅，因?yàn)樽香~的導(dǎo)熱性好，對(duì)燃燒中的金屬顆粒有很好的冷卻效果。

優(yōu)選的，所述調(diào)節(jié)墊塊和金屬塊的大小可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行調(diào)整。

粒子取樣裝置的工作原理：當(dāng)金屬顆粒從供粉細(xì)管中噴射出并開始燃燒后，取樣桿快速掃過火焰區(qū)上方不同位置，將金屬顆粒吸附于粘有導(dǎo)電雙面膠的金屬塊上。燃燒中的金屬顆粒撞擊到冷的金屬塊和導(dǎo)電雙面膠后，被淬滅并吸附在雙面膠上，從而獲取不同燃燒時(shí)刻的金屬顆粒。通過取樣裝置獲得的金屬顆粒燃燒中間產(chǎn)物可以進(jìn)行場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡SEM和能譜分析EDS，獲得顆粒燃燒不同時(shí)刻的顆粒結(jié)構(gòu)和組分。

試驗(yàn)中，可以通過調(diào)節(jié)氧化劑和燃料的比例來調(diào)節(jié)高溫燃?xì)鉁囟群腿紵a(chǎn)物組份的比例；通過調(diào)節(jié)氧化劑和燃料的流量來調(diào)節(jié)高溫燃?xì)獾牧鲃?dòng)速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同湍流度的高溫燃?xì)饬鲌?chǎng)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)通過將金屬顆粒在電場(chǎng)中振蕩彌散，之后再通過氣流將顆粒攜帶進(jìn)入火焰中，能夠解決金屬顆粒因聚團(tuán)而導(dǎo)致難以離散成單個(gè)顆粒的問題；

(2)通過控制顆粒供應(yīng)裝置的供電電壓和流化氣的質(zhì)量流率，可以實(shí)現(xiàn)不同粒徑的單個(gè)金屬顆粒在火焰場(chǎng)中的點(diǎn)火燃燒，并實(shí)現(xiàn)顆粒進(jìn)入火焰場(chǎng)時(shí)運(yùn)動(dòng)速度的調(diào)節(jié)；

(3)利用平面火焰爐營(yíng)造的高溫燃燒環(huán)境可以根據(jù)試驗(yàn)需要調(diào)節(jié)燃?xì)鉁囟?、燃?xì)饨M分、氣流速度以及氣流的湍流度等參數(shù)；

(4)利用高速攝影儀、顯微放大鏡頭可以獲得顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡、點(diǎn)火延遲時(shí)間、燃燒時(shí)間等參數(shù)，為確定金屬顆粒的點(diǎn)火燃燒特性提供依據(jù)；

(5)通過金屬塊收集不同位置的金屬顆粒燃燒產(chǎn)物，能夠獲得不同時(shí)刻的金屬顆粒燃燒中止?fàn)顟B(tài)。并對(duì)燃燒產(chǎn)物進(jìn)行掃描電鏡觀察和能譜分析，可以確定燃燒產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和組分，獲得不同燃燒時(shí)刻金屬的點(diǎn)火燃燒狀態(tài)；

(6)在實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)(固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)以及固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)等)中，金屬顆粒的點(diǎn)火過程是受火焰的傳熱(對(duì)流化熱和熱輻射)導(dǎo)致升溫進(jìn)而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火的。因此，本發(fā)明中采用高溫平面火焰來點(diǎn)燃金屬顆粒，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬顆粒均勻加熱，有效模擬發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)際高溫環(huán)境。

總的來說，相比傳統(tǒng)的金屬顆粒的點(diǎn)火燃燒試驗(yàn)裝置，本發(fā)明能夠直接獲得單個(gè)微米級(jí)的金屬顆粒點(diǎn)火燃燒狀態(tài)，同時(shí)，通過平面火焰爐營(yíng)造的金屬顆粒點(diǎn)火燃燒環(huán)境更接近于實(shí)際金屬顆粒的點(diǎn)火燃燒環(huán)境，所獲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的工程應(yīng)用價(jià)值高。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明試驗(yàn)裝置示意圖；

圖2是本發(fā)明中金屬顆粒離散裝置原理圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中金屬顆粒離散裝置主體三維示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中金屬顆粒離散裝置主體正剖面圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例中金屬顆粒離散裝置主體側(cè)剖面圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例中平面火焰爐等軸側(cè)示意圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例中平面火焰爐剖面圖；

圖8是本發(fā)明實(shí)施例中爐盤結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9是本發(fā)明實(shí)施例中爐盤中心處局部放大示意圖；

圖10是本發(fā)明實(shí)施例中取樣裝置三維示意圖；

圖11是本發(fā)明實(shí)施例中單個(gè)鋁顆粒燃燒序列圖像；

圖12是本發(fā)明實(shí)施例中鋁顆粒燃燒中間產(chǎn)物結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)注：

1、高速攝影儀；2、未燃金屬顆粒；3、氧化劑進(jìn)氣接嘴；4、供粉細(xì)管；5、流化氣進(jìn)口；6、顆粒離散裝置；7、粒子取樣裝置；8、燃燒中的金屬顆粒；9、點(diǎn)火火花塞；10、平面火焰爐；11、燃料進(jìn)氣接嘴；12、高壓直流電源；13、單個(gè)金屬顆粒；14、負(fù)極板上金屬顆粒出口；15、負(fù)極板；16、流化氣供應(yīng)系統(tǒng)；17、正極板；18、電極板隔離圈；19、負(fù)極板保護(hù)殼；20、固定螺栓孔；21、流化氣接嘴；22、沉頭孔；23、負(fù)極板保護(hù)殼上金屬顆粒出口；24、正極板保護(hù)殼；25、正極板密封圈；26、金屬顆粒出口密封圈；27、負(fù)極板密封圈；28、正極板接線孔；29、正極接線螺絲孔；30、負(fù)極接線螺絲孔；31、負(fù)極板接線孔；32、爐盤沉頭孔；33、爐盤法蘭；34、爐體；35、爐盤；36、固定螺栓孔；37、底座法蘭；38、2mm鋼珠；39、細(xì)管保護(hù)套；40、4mm鋼珠；41、密封帽螺栓孔；42、密封帽密封圈；43、供粉細(xì)管密封帽；44、爐盤法蘭螺栓孔；45、爐盤密封圈；46、鋼絲網(wǎng)；47、鋼珠支撐板；48、預(yù)混腔支架；49、預(yù)混腔；50、螺紋孔；51、密封膠填充腔；52、燃?xì)獬隹冢?3、細(xì)管通孔；54、取樣桿；55、調(diào)節(jié)墊塊；56、銅塊；57、導(dǎo)電雙面膠；58、壓緊螺釘。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明“一種微米級(jí)金屬顆粒點(diǎn)火燃燒試驗(yàn)裝置”的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括四個(gè)部分：金屬顆粒離散裝置6、供粉細(xì)管4、高溫燃?xì)恻c(diǎn)火系統(tǒng)、觀測(cè)系統(tǒng)和粒子取樣裝置7。其中高溫燃?xì)恻c(diǎn)火系統(tǒng)包括：平面火焰爐10，點(diǎn)火火花塞9和供氣系統(tǒng)，供氣系統(tǒng)通過氧化劑進(jìn)氣接嘴3和燃料進(jìn)氣接嘴11給點(diǎn)火系統(tǒng)提供氧化劑和燃料。觀測(cè)系統(tǒng)包括顯微放大鏡頭和高速攝影儀1。高壓直流電源12給金屬顆粒離散裝置6供電，流化氣經(jīng)過流化氣入口5進(jìn)入金屬顆粒離散裝置6，供粉細(xì)管4一端插入金屬顆粒離散裝置6，一端插入平面火焰爐10。單個(gè)金屬顆粒在金屬顆粒離散裝置6中被離散后，經(jīng)過供粉細(xì)管4，進(jìn)入平面火焰爐的高溫區(qū)，未燃金屬顆粒2在高溫區(qū)被點(diǎn)燃，成為燃燒中的金屬顆粒8，然后可能被取樣裝置7獲取。

其中所述金屬顆粒離散裝置的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，主要包括：高壓直流電源12、正極板17、負(fù)極板15、電極板隔離圈18以及流化氣供應(yīng)系統(tǒng)16。從高壓直流電源正、負(fù)極分別連接到正極板和負(fù)極板上。正極板在下方，負(fù)極板在上方；在負(fù)極板的中心處開有圓形的通孔14，此孔為流化氣攜帶金屬顆粒的出口。電極板隔離圈18安裝在兩個(gè)電極板之間。電極板隔離圈18側(cè)壁上開有圓形通孔5，作為流化氣供應(yīng)系統(tǒng)16中流化氣進(jìn)入金屬顆粒離散裝置的入口。所述流化氣供應(yīng)系統(tǒng)可以對(duì)流化氣的質(zhì)量流量進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。金屬顆粒離散裝置未開始工作時(shí)，數(shù)個(gè)金屬顆粒13放置在正極板上。所述金屬顆粒離散裝置的工作原理為：將尺寸為幾微米至幾十微米的金屬顆粒置于金屬顆粒離散裝置的正極板上，當(dāng)施加高電壓后，金屬顆粒會(huì)攜帶正電荷。在兩極板間的電場(chǎng)作用下，金屬顆?？朔亓Σ⑾蛏线\(yùn)動(dòng)；當(dāng)運(yùn)動(dòng)到負(fù)極板并與其接觸后，金屬顆粒釋放其所攜帶的正電荷；之后，在重力作用下向下運(yùn)動(dòng)。金屬顆粒在兩極板間往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中會(huì)將原本聚集在一起的顆粒群振蕩離散成獨(dú)立的顆粒，并彌散在正負(fù)極板之間。通過在兩個(gè)電極板之間通入一股由氣體質(zhì)量流量器嚴(yán)格控制的流化氣，可以將其中彌散的金屬顆粒從負(fù)極板的顆粒出口處依次攜帶出來，如圖1或圖2中的金屬顆粒2，從而實(shí)現(xiàn)單個(gè)金屬顆粒的離散。

本實(shí)施例中金屬顆粒離散裝置主體的三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，正剖面和側(cè)剖面的示意圖分別如圖4和圖5所示，包括：正極板17、負(fù)極板15、電極板隔離圈18、正極板保護(hù)殼24、負(fù)極板保護(hù)殼19、金屬顆粒出口密封圈26，以及流化氣接嘴21等。正極板和負(fù)極板的材料相同，均為紫銅。為保證良好的絕緣性，電極板保護(hù)殼和隔離圈均采用聚四氟乙烯材料制成。正極板17在下方，負(fù)極板15在上方；在負(fù)極板15的中心處開有直徑為1.0mm的圓形通孔14，作為流化氣攜帶金屬顆粒的出口。正極板17下方安裝有正極板保護(hù)殼24，負(fù)極板15上方安裝有負(fù)極板保護(hù)殼19。在負(fù)極板保護(hù)殼19上開有顆粒出口23和供粉細(xì)管接口，出口23和出口14上下對(duì)齊并連通。電極板隔離圈18安裝在兩個(gè)電極板之間。將待研究的金屬顆粒置于正極板17上，然后用4個(gè)內(nèi)六角螺釘，通過沉頭孔22和固定螺栓孔20將正負(fù)極板、電極板隔離圈以及正負(fù)極板保護(hù)殼固定在一起。從高壓直流電源正、負(fù)極連接出的正、負(fù)高壓導(dǎo)線分別通過正極板接線孔28和正極接線螺絲孔29、負(fù)極板接線孔31和負(fù)極接線螺絲孔30連接到正極板17和負(fù)極板15上，為保證連接可靠，高壓導(dǎo)線與電極板之間采用M3的螺釘固定。為保證流化氣不外泄，負(fù)極板15與負(fù)極板保護(hù)殼19之間采用橡膠密封圈密封。不銹鋼流化氣接嘴21采用螺紋連接的方式安裝在電極板隔離圈18的側(cè)向。

本實(shí)施例中所述高溫燃?xì)恻c(diǎn)火系統(tǒng)的三維示意圖如圖6所示，剖面圖如圖7所示，包括：爐盤35、爐體34、2mm鋼珠38、4mm鋼珠40、預(yù)混腔49、供粉細(xì)管密封帽43、細(xì)管保護(hù)套39等。爐體34內(nèi)部的4mm鋼珠40與初步預(yù)混腔49之間采用帶通氣孔的鋼珠支撐板47隔離，預(yù)混腔49內(nèi)安裝有預(yù)混腔支架48，4mm鋼珠40與2mm鋼珠38之間采用細(xì)鋼絲網(wǎng)46隔離。氧化劑進(jìn)氣接嘴3與燃料進(jìn)氣接嘴11對(duì)稱焊接在爐體34的側(cè)面，分別接氧化劑氣源和燃料氣源。爐盤35與爐體34之間采用紫銅密封圈密封。如圖8所示，爐盤35與爐盤法蘭33之間通過爐盤沉頭孔32和爐盤法蘭螺栓孔44連接，并通過爐盤密封圈45密封，爐盤密封圈45的材料為紫銅。圖9為圖8幾何中心處A部分的局部放大示意圖，放大比例為8:1。如圖9所示，在爐盤35表面均勻布置有數(shù)個(gè)直徑為0.5mm的通孔52，作為燃?xì)獬隹?，每個(gè)通孔周圍均勻分布有6個(gè)通孔，相鄰?fù)字g距離均為1.0mm。在爐盤正中央開有直徑為1.8mm的細(xì)管通孔53。供粉細(xì)管4一端連接所述金屬顆粒離散裝置的金屬顆粒出口，一端從所述供粉細(xì)管密封帽43插入，穿過爐體34，從爐盤35幾何中心處的圓形通孔53穿出。供粉細(xì)管的直徑非常小，外徑約為1.6mm，且材質(zhì)為陶瓷，為避免供粉細(xì)管被鋼珠碰撞，在其外層裝有不銹鋼的保護(hù)管39。供粉細(xì)管4與供粉細(xì)管密封帽43之間通過在密封膠填充腔51內(nèi)填充704乳膠密封，供粉細(xì)管密封帽43與爐體底座法蘭37通過密封帽螺栓孔41和螺紋孔50連接，并采用密封帽密封圈42密封。

本實(shí)施例中所述觀測(cè)系統(tǒng)主要包括顯微放大鏡頭和高速攝影儀1；高速攝影儀觀測(cè)區(qū)域中心調(diào)整至金屬顆粒出口上方40mm處；高速攝影儀1與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。

本實(shí)施例中所述粒子取樣裝置如圖10所示，包括壓緊螺釘58、銅塊56、導(dǎo)電雙面膠57、調(diào)節(jié)墊塊55和取樣桿54。所述取樣桿54整體為長(zhǎng)條形，取樣桿上開有凹槽，調(diào)節(jié)墊塊55、銅塊56放置在凹槽內(nèi)，銅塊56的兩端各放置一塊調(diào)節(jié)墊塊55；取樣桿的一端開有螺孔，壓緊螺釘58從所述螺孔插入，與調(diào)節(jié)墊塊55接觸，用于固定調(diào)節(jié)墊塊和金屬塊的位置；導(dǎo)電雙面膠57粘貼在銅塊56表面。粒子取樣桿可以直接在平面火焰爐上方不同位置掃過，獲取不同燃燒時(shí)刻的金屬顆粒。通過粒子取樣桿獲得到的金屬顆粒燃燒中間產(chǎn)物可以進(jìn)行場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡SEM和能譜分析EDS，獲得顆粒燃燒不同時(shí)刻的顆粒結(jié)構(gòu)和組分。

試驗(yàn)過程如下：

設(shè)定平面火焰爐氧化劑和燃料的流量，打開閥門，氧化劑與燃料經(jīng)由供應(yīng)管路進(jìn)入平面火焰爐的混合腔，之后通過爐盤噴出，火花塞點(diǎn)火，產(chǎn)生高溫燃?xì)猓?/p>

打開高壓直流電源，待正負(fù)極板之間電壓穩(wěn)定之后，金屬顆粒在兩電極板之間被離散并均勻分布在電場(chǎng)中，打開流化氣閥門，金屬顆粒隨流化氣流動(dòng)并被帶入高溫燃?xì)庵袑?shí)現(xiàn)點(diǎn)火燃燒；

同時(shí)打開高速攝影儀，捕捉燃燒中的金屬顆粒，記錄顆粒燃燒時(shí)間和運(yùn)動(dòng)軌跡；

調(diào)整取樣桿位置，并將取樣桿掃過燃燒火焰，燃燒中的金屬顆粒撞擊到冷的金屬塊和導(dǎo)電雙面膠后，被淬滅并吸附在雙面膠上。采樣過程持續(xù)2秒，之后迅速將采樣桿撤離高溫火焰區(qū)，防止導(dǎo)電雙面膠和取樣桿被高溫燃?xì)鉄龎摹?/p>

收集吸附有燃燒產(chǎn)物的冷銅塊，并開展燃燒產(chǎn)物分析試驗(yàn)研究。

金屬顆粒的點(diǎn)火燃燒過程受高溫燃?xì)庋趸瘎?燃料配比和流量的影響，通過調(diào)節(jié)氧化劑/燃料配比和流量，可以為金屬顆粒的點(diǎn)火燃燒提供不同的流場(chǎng)環(huán)境。

考慮到目前固體推進(jìn)劑中應(yīng)用最為廣泛的金屬添加劑為幾十微米的鋁顆粒，因此本實(shí)施例采用鋁顆粒作為燃燒顆粒，顆粒直徑為30±5μm。試驗(yàn)中典型工況如表1所示。

表1典型試驗(yàn)工況

獲得的單個(gè)鋁顆粒燃燒序列圖像如圖11所示，橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)表示粒子與爐盤表面的距離。鋁顆粒燃燒中間產(chǎn)物結(jié)構(gòu)如圖12所示。

由實(shí)施例可知，本發(fā)明提供的高溫燃?xì)庵形⒚准?jí)固體顆粒點(diǎn)火燃燒試驗(yàn)裝置可以較好地實(shí)現(xiàn)單個(gè)金屬顆粒的離散，在高溫燃?xì)庵锌梢詫⒔饘兕w粒點(diǎn)火燃燒，能夠觀察到金屬顆粒燃燒整個(gè)過程，并能夠?qū)饘兕w粒燃燒產(chǎn)物進(jìn)行取樣分析，因而實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)微米級(jí)金屬顆粒在高溫燃?xì)猸h(huán)境中點(diǎn)火燃燒過程研究。