本發(fā)明涉及等離子體輔助燃燒技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于介質(zhì)阻擋放電的液滴蒸發(fā)與著火試驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

推進(jìn)劑是運(yùn)輸工具動(dòng)力裝置的能量來源，在常見的各類推進(jìn)劑中，液體推進(jìn)劑因較氣體密度大，使得有限容積的儲(chǔ)箱能攜帶的燃料或者氧化劑更多，且與固體推進(jìn)劑相比，采用液體推進(jìn)劑具有可多次重復(fù)點(diǎn)火、易于控制等優(yōu)勢，使得以汽油和煤油為代表的液體推進(jìn)劑在汽車、船舶、飛機(jī)、火箭上得到了最為廣泛的應(yīng)用。然而液體燃料的燃燒不像氣體燃料簡單的混合和點(diǎn)火即實(shí)現(xiàn)燃燒，而是經(jīng)過一系列子過程才得以燃燒。具體包括：霧化、蒸發(fā)、混合、燃燒，這些子過程進(jìn)行的快慢、充分程度等都直接或間接影響了整個(gè)點(diǎn)火過程，進(jìn)而影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能。不論是在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)，還是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中，實(shí)現(xiàn)快速、高效、穩(wěn)定的點(diǎn)火都顯得十分關(guān)鍵，可是在實(shí)際工況下，液體燃料的點(diǎn)火過程常常偏離理想情況，輕則導(dǎo)致點(diǎn)火延遲太長，對(duì)具有高速來流的吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)難以接受，重則直接導(dǎo)致點(diǎn)火失敗，因此亟待解決液體推進(jìn)劑蒸發(fā)和著火中存在的慢與不穩(wěn)定問題。

現(xiàn)有的研究表明通過介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的等離子體具有熱力學(xué)非平衡特性，其活化效應(yīng)強(qiáng)、電離效率高，且該放電方式的電極可長時(shí)間運(yùn)行，整個(gè)電極裝置無運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件、響應(yīng)迅速，已在流動(dòng)和燃燒控制領(lǐng)域顯示出了卓越的性能。然而當(dāng)前絕大多數(shù)放電等離子體點(diǎn)火、助燃裝置都僅針對(duì)氣體推進(jìn)劑，且多采用較為成熟的電弧放電方式，即等離子體炬，這類點(diǎn)火方式會(huì)產(chǎn)生極其高溫的等離子體，放電裝置需要額外的水冷，對(duì)燃料的電離效率也比較低下，能耗十分高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種基于介質(zhì)阻擋放電的液滴蒸發(fā)與著火試驗(yàn)裝置，該基于介質(zhì)阻擋放電的液滴蒸發(fā)與著火試驗(yàn)裝置能改善液體推進(jìn)劑，尤其是碳?xì)湟后w燃料點(diǎn)火慢、點(diǎn)火難以及火焰不穩(wěn)定的現(xiàn)狀。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種基于介質(zhì)阻擋放電的液滴蒸發(fā)與著火試驗(yàn)裝置，包括試驗(yàn)艙、高壓電源、液滴噴注器、三根l形金屬桿、金屬網(wǎng)狀圓筒、兩根金屬棒、高壓金屬網(wǎng)板和低壓金屬板。

試驗(yàn)艙為密閉艙體，試驗(yàn)艙的頂蓋上設(shè)置有液滴噴注器安裝孔和兩個(gè)電極安裝孔；兩個(gè)電極安裝孔對(duì)稱設(shè)置在液滴噴注器安裝孔的兩側(cè)。

高壓電源包括高壓輸出端和接地端。

液滴噴注器包括液滴噴注器本體和液滴掛桿；液滴噴注器本體安裝在液滴噴注器安裝孔上，液滴掛桿伸入試驗(yàn)艙內(nèi)，液體掛桿包括液滴通道，位于液滴通道外周的桿芯內(nèi)設(shè)置有金屬絲；液滴掛桿的外周包覆有石英或陶瓷，液滴掛桿的底端懸掛滴液。

三根l形金屬桿分別為l形金屬桿一、l形金屬桿二和l形金屬桿三。

每根l形金屬桿的頂端均設(shè)置有支撐接頭，每個(gè)支撐接頭均能與電極安裝孔可拆卸連接。

l形金屬桿一的外周包覆有絕緣涂層，l形金屬桿一的底端與金屬網(wǎng)狀圓筒固定連接。

兩根金屬棒分別為低壓金屬棒和高壓金屬棒，其中，至少一根金屬棒的外周包覆有石英或陶瓷。

低壓金屬板的一側(cè)包覆有石英或玻璃；高壓金屬網(wǎng)板包括不銹鋼板和設(shè)置在不銹鋼板一側(cè)的銅網(wǎng)。

l形金屬桿二的底端和l形金屬桿三的底端均能與金屬棒、高壓金屬網(wǎng)板或低壓金屬板可拆卸連接。

連接有低壓金屬棒或低壓金屬板的l形金屬桿頂端的支撐接頭或液滴噴注器本體能與高壓電源的接地端相連接，形成地電極。

連接有高壓金屬棒或高壓金屬網(wǎng)板的l形金屬桿頂端的支撐接頭或l形金屬桿一頂端的支撐接頭能與高壓電源的高壓輸出端相連接，形成高壓電極。

通過改變l形金屬桿的安裝方式以及高壓電源的連接方式，能實(shí)現(xiàn)三種電極布置方式，分別為：同軸電極布置、平行柱頭電極布置和平行網(wǎng)板電極布置。

同軸電極布置時(shí)，l形金屬桿一頂端的支撐接頭安裝在其中一個(gè)電極安裝孔上，并使與l形金屬桿一底端相連接的金屬網(wǎng)狀圓筒位于滴液的外周；高壓電源的高壓輸出端與l形金屬桿一頂端的支撐接頭相連接，形成高壓電極；高壓電源的接地端與液滴噴注器本體相連接，形成地電極。

金屬網(wǎng)狀圓筒的內(nèi)徑為10-20mm。

l形金屬桿一外周包覆的絕緣涂層為特氟龍材料。

平行柱頭電極布置時(shí)，低壓金屬棒與l形金屬桿二底端可拆卸連接，高壓金屬棒與l形金屬桿三底端可拆卸連接；l形金屬桿二頂端的支撐接頭安裝在其中一個(gè)電極安裝孔上，l形金屬桿三頂端的支撐接頭安裝在另一個(gè)電極安裝孔上，兩根金屬棒平行且對(duì)稱設(shè)置在滴液的外周；高壓電源的高壓輸出端與l形金屬桿三頂端的支撐接頭相連接，形成高壓電極；高壓電源的接地端與l形金屬桿二頂端的支撐接頭相連接，形成地電極。

低壓金屬棒和高壓金屬棒的外周均包覆有石英或陶瓷，石英或陶瓷的包覆厚度均為0.5-1.5mm。

每根金屬棒的軸向長度均為5-15mm，外徑均為3-8mm。

平行網(wǎng)板電極布置時(shí)，低壓金屬板與l形金屬桿二底端可拆卸連接，高壓金屬網(wǎng)板與l形金屬桿三底端可拆卸連接；l形金屬桿二頂端的支撐接頭安裝在其中一個(gè)電極安裝孔上，l形金屬桿三頂端的支撐接頭安裝在另一個(gè)電極安裝孔上，高壓金屬網(wǎng)板和低壓金屬板平行且對(duì)稱設(shè)置在滴液的外周；高壓電源的高壓輸出端與l形金屬桿三頂端的支撐接頭相連接，形成高壓電極；高壓電源的接地端與l形金屬桿二頂端的支撐接頭相連接，形成地電極。

低壓金屬板和高壓金屬網(wǎng)板的尺寸均為10mm×10mm。

試驗(yàn)艙內(nèi)設(shè)置有加熱器和壓力調(diào)節(jié)器。

本發(fā)明具有如下有益效果：

1.上述介質(zhì)阻擋放電電極結(jié)構(gòu)簡單，并通過調(diào)節(jié)或更換高壓電源能實(shí)現(xiàn)不同模式、強(qiáng)度的電激勵(lì)，能耗較低，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液體推進(jìn)劑工質(zhì)蒸發(fā)、著火過程的主動(dòng)控制。

2.上述三種介質(zhì)阻擋放電電極布置方式均充分利用了常見的密閉式液滴蒸發(fā)、著火試驗(yàn)艙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電極設(shè)計(jì)為可更換模塊極大方便了電極本身的更換以及三種放電方案的切換，降低了加工等成本，所采用的l形金屬桿既發(fā)揮了導(dǎo)線作用，又因其外包裹特氟龍材料，還起到了絕緣與加強(qiáng)剛性的作用，并且通過考慮介質(zhì)阻擋放電激勵(lì)區(qū)域與液滴之間的相互位置關(guān)系，使得對(duì)液滴的加熱作用和活化作用更顯著。

3.上述推進(jìn)劑液滴蒸發(fā)與著火試驗(yàn)艙內(nèi)壓力和溫度可調(diào)，使得整個(gè)裝置能較有效地模擬不同發(fā)動(dòng)機(jī)或同一發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下其液體推進(jìn)劑所處工作環(huán)境。

4.上述基于介質(zhì)阻擋放電的等離子體輔助推進(jìn)劑液滴蒸發(fā)、著火試驗(yàn)裝置較傳統(tǒng)的機(jī)械式、被動(dòng)式蒸發(fā)、燃燒控制裝置控制范圍更寬、響應(yīng)更迅速、作用方式更靈活。

5.本放電裝置相比電弧放電溫度低得多，一般溫度不超過400k，而電弧則3000-10000k，故屬于低溫等離子體，效率上目前文獻(xiàn)表明常規(guī)點(diǎn)火應(yīng)用方面能高出30%-80%，能耗一般在十幾瓦到幾十瓦。

附圖說明

圖1顯示了本發(fā)明一種基于介質(zhì)阻擋放電的液滴蒸發(fā)與著火試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2顯示了本發(fā)明中同軸式電極布置方式下電極的安裝示意圖。

圖3顯示了本發(fā)明中同軸布置方式下高壓電極的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4顯示了本發(fā)明中平行柱頭電極布置方式下電極的安裝示意圖。

圖5顯示了本發(fā)明中平行柱頭電極布置方式下高壓電極的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6顯示了本發(fā)明中平行柱頭電極布置方式下地電極的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7顯示了本發(fā)明中平行網(wǎng)板電極布置方式下電極的安裝示意圖。

圖8顯示了本發(fā)明中平行網(wǎng)板電極布置方式下高壓電極的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9顯示了本發(fā)明中平行網(wǎng)板電極布置方式下地電極的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中有：1.頂蓋；11.液滴噴注器安裝孔；12.電極安裝孔；2.液滴噴注器；21.液滴噴注器本體；22.液滴掛桿；3.試驗(yàn)艙；4.觀察窗；5.l形金屬桿一；51.支撐接頭；6.金屬網(wǎng)狀圓筒；7.l形金屬桿二；8.低壓金屬棒；9.高壓金屬棒；10.高壓金屬網(wǎng)板；11.低壓金屬板；12.臺(tái)架；13.高壓電源；14.l形金屬桿三。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體較佳實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

如圖1至圖9所示，一種基于介質(zhì)阻擋放電的液滴蒸發(fā)與著火試驗(yàn)裝置，包括試驗(yàn)艙3、高壓電源13、液滴噴注器2、三根l形金屬桿、金屬網(wǎng)狀圓筒6、兩根金屬棒、高壓金屬網(wǎng)板11和低壓金屬板10。

試驗(yàn)艙為密閉艙體，試驗(yàn)艙優(yōu)選放置在臺(tái)架12上。

試驗(yàn)艙的頂蓋上設(shè)置有液滴噴注器安裝孔11和兩個(gè)電極安裝孔12；兩個(gè)電極安裝孔對(duì)稱設(shè)置在液滴噴注器安裝孔的兩側(cè)。

試驗(yàn)艙優(yōu)選由不銹鋼制成，試驗(yàn)艙的側(cè)壁上設(shè)置有觀察窗4，優(yōu)選兩個(gè)相平行的側(cè)壁上各設(shè)置一個(gè)觀察窗，兩個(gè)觀察窗優(yōu)選位于同一軸線上。觀察窗用于對(duì)液滴著火現(xiàn)象進(jìn)行觀察。

觀察窗優(yōu)選為石英玻璃觀察窗。

試驗(yàn)艙內(nèi)優(yōu)選設(shè)置有加熱器和壓力調(diào)節(jié)器，能夠?qū)崿F(xiàn)試驗(yàn)艙體3內(nèi)溫度、壓力的測量與調(diào)節(jié)。加熱器優(yōu)選為蓄熱式電阻加熱器。

高壓電源13為高頻高壓交流電源或納秒脈沖高壓電源，高壓電源包括高壓輸出端和接地端。

液滴噴注器包括液滴噴注器本體21和液滴掛桿22。

液滴噴注器本體安裝在液滴噴注器安裝孔上，液滴掛桿伸入試驗(yàn)艙內(nèi)，液體掛桿包括液滴通道，位于液滴通道外周的桿芯內(nèi)設(shè)置有金屬絲；液滴掛桿的外周包覆有石英或陶瓷，液滴掛桿的底端懸掛滴液。

三根l形金屬桿分別為l形金屬桿一5、l形金屬桿二7和l形金屬桿三14。

每根l形金屬桿的頂端均設(shè)置有支撐接頭51，每個(gè)支撐接頭均能與電極安裝孔可拆卸連接，優(yōu)選為螺紋連接。

每根l形金屬桿的外周均優(yōu)選包裹特氟龍材料。

通過改變l形金屬桿的安裝方式以及高壓電源的連接方式，能實(shí)現(xiàn)三種電極布置方式，分別為：同軸電極布置、平行柱頭電極布置和平行網(wǎng)板電極布置。

電極布置方式一：同軸電極布置

如圖2所示，l形金屬桿一頂端的支撐接頭安裝在其中一個(gè)電極安裝孔上，并使與l形金屬桿一底端相連接的金屬網(wǎng)狀圓筒位于滴液的外周。

具體安裝時(shí)，可先將金屬網(wǎng)狀圓筒套設(shè)在滴液的外周，l形金屬桿一頂端從其中一個(gè)電極安裝孔中穿出后，并螺紋固定連接。同時(shí)，另一個(gè)電極安裝孔可使用堵頭或支撐接頭密封。

高壓電源的高壓輸出端與l形金屬桿一頂端的支撐接頭優(yōu)選通過導(dǎo)線相連接，形成高壓電極；高壓電源的接地端與液滴噴注器本體相連接，形成地電極。

進(jìn)一步，上述l形金屬桿一的外周包覆有絕緣涂層，絕緣涂層優(yōu)選為特氟龍材料。

如圖2和圖3所示，l形金屬桿一的底端與金屬網(wǎng)狀圓筒固定連接，優(yōu)選為焊接。金屬網(wǎng)狀圓筒的內(nèi)徑優(yōu)選為10-20mm。

試驗(yàn)時(shí)，首先調(diào)節(jié)試驗(yàn)艙體3內(nèi)的壓力、溫度至要求值，然后通過液滴噴注器2產(chǎn)生液滴并使得液滴懸掛于液滴掛桿22末端。當(dāng)采用同軸電極布置方式時(shí)，開啟高壓電源13，在金屬網(wǎng)狀圓筒6和液滴掛桿2末端之間發(fā)生體式介質(zhì)阻擋放電，推進(jìn)劑液滴受放電作用吸收熱量，并伴隨裂解、活化，從而加快其蒸發(fā)、著火過程。

本發(fā)明中的介質(zhì)阻擋放電的工作原理介紹如下：

介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生非平衡等離子體過程中涉及了多種物理化學(xué)過程，在高壓交流電源或者納秒脈沖電源的驅(qū)動(dòng)下，電極之間的區(qū)域會(huì)發(fā)生一系列放電反應(yīng)，經(jīng)過各類粒子的碰撞等過程，在焦耳加熱等過程作用下，放電氣體的溫度會(huì)有所上升；而且納秒脈沖電源激勵(lì)下能帶來離子風(fēng)等動(dòng)量傳輸效應(yīng)。

理論上整個(gè)推進(jìn)劑液滴可以假設(shè)初始為圓球狀，其蒸發(fā)過程首先開始于氣液交界面。當(dāng)施加放電時(shí)，放電發(fā)生于兩電極之間的區(qū)域。放電首先改變的是液滴周圍的氣體介質(zhì)，經(jīng)過前述的一系列物理化學(xué)過程，包圍氣體裂解為豐富的活性粒子，整個(gè)氣體溫度有所升高，然后包圍氣體向液滴表面?zhèn)鳠?，進(jìn)而促進(jìn)了球狀液滴外層液體介質(zhì)的蒸發(fā)，蒸發(fā)后的推進(jìn)劑迅速與被電離的活性粒子發(fā)生摻混，當(dāng)達(dá)到一定條件后開始著火；著火后釋放的熱量又進(jìn)一步促進(jìn)了剩余液滴介質(zhì)的蒸發(fā)與燃燒，從而達(dá)到了加快整個(gè)推進(jìn)劑液滴蒸發(fā)、著火的目的。

當(dāng)采用上述同軸電極布置方式時(shí)，整個(gè)液滴表面都將同步直接受到放電的作用，即液滴表面近乎均勻地受到放電的作用。

電極布置方式二：平行柱頭電極布置

如圖4、圖5和圖6所示，低壓金屬棒與l形金屬桿二底端可拆卸連接，優(yōu)選為螺紋連接。高壓金屬棒與l形金屬桿三底端可拆卸連接，優(yōu)選為螺紋連接。

l形金屬桿二頂端的支撐接頭安裝在其中一個(gè)電極安裝孔上，l形金屬桿三頂端的支撐接頭安裝在另一個(gè)電極安裝孔上，兩根金屬棒平行且對(duì)稱設(shè)置在滴液的外周，也即液滴位于兩根金屬棒的幾何中心。

高壓電源的高壓輸出端與l形金屬桿三頂端的支撐接頭相連接，形成高壓電極；高壓電源的接地端與l形金屬桿二頂端的支撐接頭相連接，形成地電極。

兩根金屬棒分別為低壓金屬棒8和高壓金屬棒9，其中，至少一根金屬棒的外周包覆有石英或陶瓷，石英或陶瓷的包覆厚度優(yōu)選為0.5-1.5mm。

每根金屬棒的軸向長度均優(yōu)選為5-15mm，外徑均優(yōu)選為3-8mm。

另外，當(dāng)采用平行柱頭電極布置方式時(shí)，液體掛桿可以采用桿芯內(nèi)無金屬絲的普通液滴掛桿，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

當(dāng)采用平行柱頭電極布置方式時(shí)，開啟高壓電源13，在平行柱頭電極間發(fā)生面式介質(zhì)阻擋放電，電極表面阻擋層可以選擇三種布置方案，即僅高壓金屬棒9上或僅低壓金屬棒8上以及兩個(gè)金屬棒均包覆石英或陶瓷，從而達(dá)到改變放電效果的作用。

當(dāng)采用平行柱頭放電方案時(shí)，發(fā)生的是面放電形式，直接作用在球狀液滴與該放電平面相交處，直接作用面積較小，但是由于放電通道小，約化場強(qiáng)高，電離強(qiáng)度大，溫升更明顯。

電極布置方式三：平行網(wǎng)板電極布置

如圖7、圖8和圖9所示，低壓金屬板10與l形金屬桿二底端可拆卸連接，優(yōu)選為螺紋連接；高壓金屬網(wǎng)板11與l形金屬桿三底端可拆卸連接，優(yōu)選為螺紋連接。

l形金屬桿二頂端的支撐接頭安裝在其中一個(gè)電極安裝孔上，l形金屬桿三頂端的支撐接頭安裝在另一個(gè)電極安裝孔上。

低壓金屬板的一側(cè)包覆有石英或玻璃；高壓金屬網(wǎng)板包括不銹鋼板和設(shè)置在不銹鋼板一側(cè)的銅網(wǎng)。

低壓金屬板和高壓金屬網(wǎng)板的尺寸均優(yōu)選為10mm×10mm。

高壓金屬網(wǎng)板和低壓金屬板平行且對(duì)稱設(shè)置在滴液的外周，也即液滴位于高壓金屬網(wǎng)板和低壓金屬板的幾何中心。同時(shí)，高壓金屬網(wǎng)板上設(shè)置的銅網(wǎng)以及低壓金屬板上包覆的石英或陶瓷均朝向液滴一側(cè)設(shè)置。

高壓電源的高壓輸出端與l形金屬桿三頂端的支撐接頭相連接，形成高壓電極；高壓電源的接地端與l形金屬桿二頂端的支撐接頭相連接，形成地電極。

另外，當(dāng)采用平行網(wǎng)-板電極布置方式時(shí)，液體掛桿可以采用桿芯內(nèi)無金屬絲的普通液滴掛桿，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

當(dāng)采用平行網(wǎng)-板電極布置方式時(shí)，開啟高壓電源13，放電發(fā)生與金屬網(wǎng)11與金屬平板10之間，屬于體式放電。

當(dāng)采用平行網(wǎng)板方案時(shí)，液滴表面受到放電的作用面積大小介乎另外兩者之間，局部電離強(qiáng)度大于同軸式方案，但小于平行柱頭方案。

整套試驗(yàn)裝置除了以上具體特點(diǎn)外，由于采用了模塊化設(shè)計(jì)，所采用的l形金屬桿既發(fā)揮了導(dǎo)線功能，又起到了支撐電極的作用。此外，結(jié)合相關(guān)傳感器采集的數(shù)據(jù)，整個(gè)裝置可以實(shí)時(shí)地根據(jù)液滴蒸發(fā)、著火效果通過電源控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，也能更換電極等部件，實(shí)現(xiàn)多套工作方案。另外，本申請(qǐng)的裝置結(jié)構(gòu)緊湊、模塊化程度高、拆卸裝配便捷，通過簡單的變化就能實(shí)現(xiàn)多套放電方案，并可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)放電參數(shù)，具有較強(qiáng)的應(yīng)變控制能力。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。