一种超临界相变微观测试装置及方法

本发明属于微观测试，尤其是涉及一种超临界相变微观测试装置及方法。

背景技术：

1、理论上柴油机压缩上止点状态很容易超过燃料临界条件，如sandia推荐的增压柴油机普通测试工况900k、6mpa，已远高于柴油典型组分临界点。致密喷雾喷入高温高压的环境时，超临界相变驱动的油气混合不可避免，喷雾形态和喷雾特性发生显著变化。受限于环境工况和试验设备等原因，超临界现象和发生条件仍存在相当的不确定性。

2、目前关于超临界相变的测试主要采用高速光学成像技术和光学拉曼测量技术对高温高压环境下的喷雾射流进行可视化研究。这些方法可用于宏观上喷雾超临界特性的研究，但由于冷却的汽化燃料与热环境气体混合产生折射率梯度，导致测试图像的光学清晰度下降，无法作为微观下单液滴超临界相变的判据。

3、为了更清晰地观测高温高压环境下喷雾过程中出现的超临界相变现象，获取液滴发生超临界相变的微观特征，建立超临界相变准确判据。本发明提出一种基于超高速近场显微光学测试的液滴相变过程测试装置及方法。利用预燃式定容燃烧弹模拟发动机运行的热力学工况，通过长距显微光学可视化系统捕捉喷射过程中和喷射结束后喷雾射流与喷雾边缘的液滴形态演变过程。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种超临界相变微观测试装置及方法，基于预燃式定容燃烧弹模拟发动机运行工况，通过超高速长距显微光学测试系统对目标区域进行光学放大，拍摄喷雾过程中和喷射结束后的喷雾射流与喷雾边缘的液滴形态演变过程。解决现有技术存在的微观光学测量景深较窄且高温高压环境光学折射影响的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种超临界相变微观测试装置，包括超高速相机、长距显微镜头、高精度电动升降光学位移平台、预燃式定容弹主体、燃油供给系统、激光照明系统、数据采集与控制系统和真空泵；所述超高速相机与所述长距显微镜头相连后通过螺栓垂直固定在所述高精度电动升降光学位移平台上，所述超高速相机、所述长距显微镜头、所述预燃式定容弹主体与所述激光照明系统位于同一空间水平线上，所述预燃式定容弹主体位于中间位置，所述激光照明系统放置在所述预燃式定容弹主体的后方。

3、优选的，所述预燃式定容弹主体包括火花塞、喷油器、缸压传感器、温度传感器和温控系统，所述火花塞设置在所述预燃式定容弹主体的左侧斜上方，所述喷油器设置在所述预燃式定容弹主体的顶端中心处，所述缸压传感器设置在所述预燃式定容弹主体的右侧斜上方，所述温度传感器和所述温控系统均设置在所述预燃式定容弹主体的右侧斜下方。

4、优选的，所述预燃式定容弹主体的底端布置有进排气系统，所述进排气系统与所述预燃式定容弹主体通过管道相连。

5、优选的，所述喷油器的上方通过高压共轨管道连接有燃油供给系统。

6、优选的，所述超高速相机、所述温控系统、所述火花塞、所述喷油器、所述缸压传感器、所述温度传感器、所述进排气系统和所述真空泵均通过信号线和所述数据采集与控制系统相接。

7、优选的，所述激光照明系统包括扩束器和激光发生器，通过利用扩束器将激光发生器产生的激光光束扩大至等于喷雾运动区域。

8、优选的，所述超高速相机和所述长距显微镜头与所述激光照明系统组成背光法光路，利用所述长距显微镜头对目标区域进行放大并标定，拍摄所述预燃式定容弹主体中喷雾过程的喷雾射流及液滴运动演变特征。

9、优选的，所述温控系统结合所述温度传感器将燃烧室的初始温度控制在373±2k。

10、本发明还提供了一种超临界相变微观测试方法，包括以下步骤：

11、步骤一、通过温控系统设定初始温度并由加热器加热；待缸内温度稳定后，对燃烧室进行抽真空，扫除残余气体，确保组分正确；

12、步骤二、按配好的比例分别充入c2h2、o2和n2，当预燃混合气充气完成后向火花塞发送点火触发信号，火花塞执行点火操作；

13、步骤三、利用缸压传感器检测缸内温度压力，当定容弹内的温度降低至试验工况所需水平时，由控制系统同步触发喷油器喷油和超高速像机拍摄，采集系统采集缸压数据和喷雾发展数据；

14、步骤四、试验结束后，进行扫气操作，为下一次试验做准备。

15、因此，本发明采用上述一种超临界相变微观测试装置及方法，具有以下

16、有益效果：

17、(1)解决了由于石英视窗的水汽凝结造成的光学干扰；

18、(2)超高速显微拍摄装置可以获取燃料喷射中高速运动的液滴放大后的图像；

19、(3)解决了目标区域放大导致的景深狭窄和高温高密度环境下的密度梯度波动问题。

20、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

1.一种超临界相变微观测试装置，其特征在于：包括超高速相机(1)、长距显微镜头(2)、高精度电动升降光学位移平台(3)、预燃式定容弹主体(4)、燃油供给系统(5)、激光照明系统(6)、数据采集与控制系统(8)和真空泵(14)；所述超高速相机(1)与所述长距显微镜头(2)相连后通过螺栓垂直固定在所述高精度电动升降光学位移平台(3)上，所述超高速相机(1)、所述长距显微镜头(2)、所述预燃式定容弹主体(4)与所述激光照明系统(6)位于同一空间水平线上，所述预燃式定容弹主体(4)位于中间位置，所述激光照明系统(6)放置在所述预燃式定容弹主体(4)的后方。

2.根据权利要求1所述的一种超临界相变微观测试装置，其特征在于：所述预燃式定容弹主体(4)包括火花塞(10)、喷油器(11)、缸压传感器(12)、温度传感器(13)和温控系统(7)，所述火花塞(10)设置在所述预燃式定容弹主体(4)的左侧斜上方，所述喷油器(11)设置在所述预燃式定容弹主体(4)的顶端中心处，所述缸压传感器(12)设置在所述预燃式定容弹主体(4)的右侧斜上方，所述温度传感器(13)和所述温控系统(7)均设置在所述预燃式定容弹主体(4)的右侧斜下方。

3.根据权利要求2所述的一种超临界相变微观测试装置，其特征在于：所述预燃式定容弹主体(4)的底端布置有进排气系统(9)，所述进排气系统(9)与所述预燃式定容弹主体(4)通过管道相连。

4.根据权利要求3所述的一种超临界相变微观测试装置，其特征在于：所述喷油器(11)的上方通过高压共轨管道连接有燃油供给系统(5)。

5.根据权利要求4所述的一种超临界相变微观测试装置，其特征在于：所述超高速相机(1)、所述温控系统(7)、所述火花塞(10)、所述喷油器(11)、所述缸压传感器(12)、所述温度传感器(13)、所述进排气系统(9)和所述真空泵(14)均通过信号线和所述数据采集与控制系统(8)相接。

6.根据权利要求1所述的一种超临界相变微观测试装置，其特征在于：所述激光照明系统(6)包括扩束器和激光发生器，通过利用扩束器将激光发生器产生的激光光束扩大至等于喷雾运动区域。

7.根据权利要求1所述的一种超临界相变微观测试装置，其特征在于：所述超高速相机(1)和所述长距显微镜头(2)与所述激光照明系统(6)组成背光法光路，利用所述长距显微镜头(2)对目标区域进行放大并标定，拍摄所述预燃式定容弹主体(4)中喷雾过程的喷雾射流及液滴运动演变特征。

8.根据权利要求2所述的一种超临界相变微观测试装置，其特征在于：所述温控系统(7)结合所述温度传感器(13)将燃烧室的初始温度控制在373±2k。

9.一种超临界相变微观测试方法，其特征在于，包括以下步骤：