负压环境下燃料液滴蒸发过程的试验和理论研究

１．试验段试验段上盖

２．试验段试验段主体２．２．３．２加热段的设计

图２．２试验段的设计图

３．试验段观测窗（三个）

如图２．３为试验台加热段的设计图。

试验台加热段设计高度为８０ｍｍ，内径为１９９ｍｍ，外径为２１９ｍｍ，底部为边长２８０ｒａｍ，高为ｌＯｍｍ的钢板，为整个试验台的底座。在试验段加热段内可放置功率为２０００Ｗ的加热电炉，电炉和加热段外壳间填充隔热材料，一是为了减少热量损失，二是降低加热段外壳的温度。

图２．３加热段设计图

试验台的加热段和试验段连接为一个整体，如图２．４所示。

图２．４试验台主体

为了保证试验段内生成一个负压环境，要求加热段和试验段的连接要有较好密封性。所以在加热段和试验段的连接使用金属密封的方式，中间使用铝质垫圈，密封性能好，且能承受一定的高温。

２．２．３．３液滴生成的供液装置设计

图２．５为液滴生成装置的设计图。

图２．５液滴生成装置的设计

１．液滴生成调节手柄４．冷却水出口

２．冷却水入口５．燃料液滴生成毛细管

３．燃料液滴加注口

液滴生成是本试验的～个关键部分，这一过程要满足两个基本要求，一是能够快速稳定地生成单个燃料液滴并能很快地悬挂起来，二是尽量减少影响液滴初始温度的因素。如图２．５所示为液滴生成的供液装置设计图，右图为其剖面图，通过燃料加注Ｅ１３把燃料加入阀门空腔，通过旋转手柄来控制液滴的生成，为了防止改变液滴的初始温度，在毛细管外部设计了冷却套管，如剖面图所示，冷却水由２进，由４出。冷却水的进出口尺寸设计为内径４ｍｍ，外径６ｍｍ，经计算能够满足冷却目的。供液细管内径为０．６ｍｍ，外径为ｌｍｍ。在供液细管的出口，由于液滴对管口的表面张力相对于液滴悬挂细丝很大，为了使液滴很容易转移到石英丝上，还要在细管出口接～长度约为３０ｒａｍ的毛细管。毛细管内径约为０．１ｍｍ，外径约为０．３ｍｍ，由于毛细管出口面积较小，所以就很容易把液滴挂到石英丝上。

２．２．３．４液滴悬挂装置的设计

图２．６为液滴悬挂装置设计图。

图２．６液滴悬挂装置设计图

１，液滴悬挂固定螺钉４．弹簧卡

２．液滴悬挂固定细杆５．石英丝

３．石英丝卡槽

整个液滴悬挂装置通过悬挂固定螺钉固定在试验段的上盖中央，液滴悬挂细杆设计直径为４ｒａｍ，在底端沿细杆长度方向开设有三个凹槽，方便使用和更换石英丝，并使用弹簧卡使石英丝和细杆牢牢卡在一起。

２．２．３．５集液装置的设计

在液滴生成的过程中，难免有燃料液滴从悬挂液滴的石英丝上滑落下来。如果落在试验段内，其气化后必然会影响液滴蒸发的试验环境，为此设计了如图２．７所示的集液装置。

图２．７集液装置设计图图２．８试验台主体支架为便于收集滑落的燃料液滴，集液装置的上部设计成喇叭口形。然后通过一弯管连接到试验段底部的抽气口处。随着抽气泵一起排出试验段。

２．２．３．６试验台主体支架的设计

图２．８为试验台主体支架的设计图。为了便于观察和摄像，整个支架设计高度为８５０ｍｍ，材料为普通钢。

２．２．３．７试验台主体整体装配图

图２．９为试验台主体的整体装配图。右图为试验台主体剖面图，可以看到各装置的安装位置。

１．试验段

２．加热段

３．试验台主体支架图２．９试验台主体装配设计图

４．液滴生成供液管

５液滴悬挂装置

６集液装置

代入相关数据后计算结果：内表面中心应力：

外表面中心应力：内表面周界应力：下表面周界应力：中心挠度

径向中心应力

圆周向中心应力

径向中心应力

圆周向中心应力

径向周界应力

圆周向周界应力

径向周界应力

圆周向周界应力

ｆ：１．４８４Ｘ１０—１１ｍ

ｏｒ＝一９．６ＭＰａ

Ｏｔ＝一９．６ＭＰａ

Ｏｒ＝９．６ＭＰａ

ｏｔ＝９．６ＭＰａ

Ｏｒ＝１４．７ＭＰａ

Ｏｔ＝３．６８ＭＰａ

Ｏｒ；一１４．７ＭＰａ

ｏｔ＝一３．６８ＭＰ８

经校核，各项应力和变形均在许用范围之内：

另外由于加热过程和冷却过程进行的都比较缓慢，热冲击应力不会超出玻璃的许用范围。

２．２．５ＦＡｓｌ℃ＡＭ．ｕｌｔｉｍａＡＰＸ高速摄影系统

ＦＡＳＴＣＡＭ—ｕｌｔｉｍａＡＰＸ高速摄影仪在许多领域为科学工作者和工程技术人员提供了强大的可视化工具。本课题研究就是用它来记录燃料液滴在蒸发过程中直径的变化。

图２．１ＯＦＡＳＴＣＡＭ．ｕｌｔｉｍａＡＰＸ高速摄影系统的处理器１．数据总线（接摄像头）３．直流电输入线

２．ＩＥＥＥｌ３９４数据线（接计算机）４．交流电源线

图２．１０为ＦＡＳＴＣＡＭ．ｕｌｔｉｍａＡＰＸ高速摄影系统的处理器，它接收摄像头传输的光学信息并通过它和计算机相连，实现软件实时控制和图像实时传输。

图２．１１为ＦＡＳＴＣＡＭ．ｕｌｔｉｍａＡＰＸ高速摄影系统的摄像头。

图２．１１ＦＡｓＴＣＡＭ—ｕｌｔｉｍａＡＰＸ高速摄影系统的摄像头１．放大镜片（一组）３．摄像头主体

２．ＮｉｋｏｎＡＦ镜头（有微距作用）４．数据传输线（两根，接处理器）

图２．１２为ＦＡＳＴＣＡＭ—ｕｌｔｉｍａＡＰＸ高速摄影系统的计算机软件控制界面。通过它可以方便地对摄像系统进行操作和数据处理。

图２．１２高速摄影仪的软件控制界面

ＦＡＳＴＣＡＭ—ｕｌｔｉｍａＡＰＸ高速摄影系统的主要性能指标列表如下。