一种单液滴悬挂燃烧实验装置
技术领域
本发明属于燃烧实验装置
技术领域
，具体涉及一种单液滴悬挂点火燃烧的实验装置。背景技术
高能燃料技术是提高飞行器性能的关键。近年来碳氢燃料不断朝着高密度、高能量方向发展。在传统的碳氢燃料中添加高能纳米颗粒，使之形成稳定悬浮液，制备成纳米流体燃料，是液体燃料高能化的重要手段。为了更好的了解新型燃料液滴燃烧机理，为提高燃料燃烧效率和能量特性提供依据，开展单液滴点火燃烧实验，研究纳米流体燃料燃烧特性以及各组分影响作用规律十分必要。
针对单个液滴开展点火燃烧试验研究具有低成本、可行性高、方便观察等特点，是研究燃料燃烧特性广泛采用的基础研究方法。目前单液滴燃烧实验装置多采用悬丝法。在现有悬丝法液滴装置中，悬丝直径一般接近百微米，对微液滴燃烧过程影响较大。同时由于悬丝较细，精细化操作较为困难，实验时更换悬丝浪费较多时间和精力。此外悬丝定位不准会使液滴点火装置与液滴位置出现偏差，增大实验数据误差。因此，亟需对现有悬丝法液滴装置进行改善
发明内容
本发明的目的是提供一种单液滴悬挂燃烧实验装置，保证了每次液滴点火状态相同，液滴位置相同，方便调节，且使用小直径的碳化硅悬丝，对液滴燃烧过程影响小。
本发明采用以下技术方案：一种单液滴悬挂燃烧实验装置，包括沿轴向前后排布的悬丝固定结构和液滴点火结构，液滴点火结构包括：轴向上相连接的发热丝滑动支架和伸缩滑动装置。
悬丝固定结构包括：悬丝固定支架、滑动支架底座和两个悬丝调节滑动支架；其中：悬丝固定支架和滑动支架底座左右对应相对设置，悬丝调节滑动支架竖直设置于滑动支架底座上，且可沿滑动支架底座左右移动；悬丝固定支架，为一开口向上的U形架，U形架的两个长臂前后设置；两长臂与两个悬丝调节滑动支架成长方形排布，位于同一对角线上的长臂与悬丝调节滑动支架间均连接有一碳化硅悬丝，两根碳化硅悬丝在中心处相交，在拉紧状态时，相交处用于承载液滴。
发热丝滑动支架，为一开口朝向悬丝固定结构的U形板，在U形板的顶板上壁面上开设有凹槽，在凹槽内并列间隔设置有一个或多个陶瓷棒，在陶瓷棒上缠绕有串联的镍铬发热丝；伸缩滑动装置用于带动发热丝滑动支架前后滑动，以保证：在加热时，发热丝滑动支架向前移动，使液滴位于镍铬发热丝上方；在加热点燃液滴后，发热丝滑动支架向后移动，复位。
进一步地，该滑动支架底座为一开口向上的U形支撑板，在U形开口内的底部前后间隔设置有两个滑动支架限位槽，各滑动支架限位槽沿左右走向开设，用于固定悬丝调节滑动支架；在滑动支架底座的前后侧板上均贯通开设有两个通孔，且两个通孔前后间隔设置，且位于各滑动支架限位槽处；对应位置的前后两个通孔内贯穿安装有一悬丝调节螺钉，在悬丝调节螺钉的外端部设置有悬丝调节旋钮。
两个悬丝调节滑动支架前后间隔竖直设置于滑动支架限位槽内，在各悬丝调节滑动支架上左右贯通开设有一螺纹孔，螺纹孔与通孔在同一直线上，螺纹孔为悬丝调节螺钉的贯穿通道。在旋拧悬丝调节旋钮时，带动悬丝调节滑动支架左右移动，用于改变悬丝调节滑动支架和悬丝固定支架间的距离。
进一步地，在悬丝调节滑动支架和悬丝固定支架间竖直设置有四根悬丝定位立柱，悬丝定位立柱两两为一组，一组位于靠近两个悬丝调节滑动支架，另一组位于靠近悬丝固定支架；同一组中的悬丝定位立柱各靠近一调节滑动支架或悬丝固定支架；且同一组中的悬丝定位立柱在同一前后轴线上。
连接同一组中的两根悬丝定位立柱，则两根悬丝定位立柱均在其最接近的对角线的外侧，悬丝定位立柱用于外扩并支撑所述碳化硅悬丝。
进一步地，各悬丝调节滑动支架的上端均同轴一体连接有一磁铁块吸附端一，下端同轴一体连接有滑动支架滑动端，悬丝调节滑动支架、磁铁块吸附端一和滑动支架滑动端均立柱，且磁铁块吸附端一和滑动支架滑动端的尺寸均小于调节滑动支架的尺寸，在悬丝调节滑动支架的顶端的前后均各形成一平台，两个悬丝调节滑动支架的背离侧的平台上用于承载磁体块，且磁体块的侧壁与铁块吸附端一的侧壁紧密贴合，侧壁间用于加持固定碳化硅悬丝的端头。
进一步地，两个长臂均由在竖直方向上相连接的两个立柱组成，位于上部的立柱为磁铁块吸附端二，磁铁块吸附端二的前后方向上的长度小于下部立柱的长度，且其位于靠近U形开口侧，以在下部立柱上端的远离U形开口侧形成一承载平台，各承载平台上均用于承载磁体块，磁体块的侧壁与对应的磁铁块吸附端二的侧壁间紧密贴合，侧壁间用于加持固定碳化硅悬丝的端头。
进一步地，该伸缩滑动装置包括：电磁伸缩杆固定支架，为一开口向上的U形板，其底部安装于底板上；电磁伸缩杆，其为一推拉式电磁铁，设置于电磁伸缩杆固定支架内，其前端与发热丝滑动支架的后端相连接；在通电状态时，电磁伸缩杆向前伸出，带动发热丝滑动支架向前运动；在断电时，电磁伸缩杆带动发热丝滑动支架向后回位。
进一步地，该伸缩滑动装置还包括：支架滑动突起，为两个，对称设置于发热丝滑动支架竖直板的左右两侧，且朝向竖直板的外侧延伸；
发热丝支架板，为两个，固定于电磁伸缩杆固定支架的两侧壁，走向与发热丝支架板的前后走向相一致，且发热丝支架板的前端越过电磁伸缩杆固定支架前端的位置；
在各发热丝支架板的靠近前端处均开设有一条形开口滑槽，条形开口滑槽沿前后走向设置，且两个条形开口滑槽的位置相对应；条形开口滑槽内用于架设支架滑动突起，用于支架滑动突起在其内滑动。
进一步地，各悬丝定位立柱的靠近上端的侧壁上绕其一周开设有V型凹槽，各V型凹槽的高度相同，用于卡持碳化硅悬丝。
进一步地，该碳化硅悬丝的直径小于20微米。
进一步地，该电磁伸缩杆的后端端部绕其一周设置有向上凸起的限位突起，在电磁伸缩杆上，且位于限位突起前同轴套设有回位弹簧；电磁伸缩杆的前端为连接螺纹杆；在对电磁伸缩杆通电时，连接螺纹杆向前伸出，且回位弹簧被压缩；断电后，在回位弹簧的弹力下，连接螺纹杆向后缩回回位。
本发明的有益效果是：1.使用镍铬发热丝发热点火，保证了每次液滴点火状态相同。2.通过磁铁块夹持方式固定，采用了直径小于20微米碳化硅悬丝，并通过旋钮悬丝调节旋钮调节碳化硅悬丝的松紧，避免了大幅度操作，不易对碳化硅悬丝造成破坏。同时，易于操作且方便更换悬丝，节省时间。3.液滴处于碳化硅悬丝交点处，位置不受其他因素干扰，能保证每次实验悬丝位置不变，液滴位置相同。4.通过电磁伸缩杆的伸缩，使发热丝滑动支架前后移动，加热点火时，液滴位于发热丝滑动支架的U形空间内，加热区精准固定，避免对其他装置造成热损坏。
附图说明
图1为一种单液滴悬挂燃烧实验装置的结构示意图；
图2为发热丝滑动支架的结构示意图；
图3为电磁伸缩杆的结构示意图；
图4为悬丝固定后悬丝固定结构的结构示意图；
图5为滑动支架底座的结构示意图；
图6为悬丝调节滑动支架的结构示意图；
图7为悬丝固定支架的长臂的结构示意图；
图8为悬丝定位立柱的结构示意图；
其中：1.电磁伸缩杆，2.发热丝滑动支架，3.镍铬发热丝，4.磁体块，5.悬丝定位立柱，6.悬丝固定支架，7.碳化硅悬丝，8.液滴，9.悬丝调节滑动支架，10.悬丝调节旋钮，11.滑动支架底座，12.发热丝支架滑轨，13.底板，14.电磁伸缩杆固定支架，15.旋钮安装通孔，16.滑动支架限位槽，17.旋钮安装螺纹孔，18.滑动支架滑动端，19.磁铁块吸附端一，20.磁铁块吸附端二，21.V型凹槽，22.固定螺纹杆，23.陶瓷棒，24.支架滑动突起，25.电线固定结构，26.伸缩杆安装孔，27.连接螺纹杆，28.回位弹簧，29.伸缩杆限位突起。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种单液滴悬挂燃烧实验装置，如图1所示，包括底板13、液滴点火结构和悬丝固定结构，其中：底板13，为一水平放置的板体；悬丝固定结构和液滴点火结构设置于底板13上，且沿轴向前后排布。
上述液滴点火结构包括：轴向上相连接发热丝滑动支架2和伸缩滑动装置，伸缩滑动装置用于带动发热丝滑动支架2前后滑动；其中：
如图2所示，发热丝滑动支架2，为一开口朝向悬丝固定结构的U形板，其U形上方为加热区，且在加热时，发热丝滑动支架2向前移动，使液滴位于镍铬发热丝3上方。在加热点燃液滴后，发热丝滑动支架2向后移动，复位。发热丝滑动支架2的竖直板上轴向开设有贯通孔26，用于套设固定在电磁伸缩杆1的前端。
在U形板的顶板上壁面上开设有凹槽，在凹槽内并列间隔设置有一个或多个陶瓷棒23，在两个陶瓷棒23上缠绕有串联的镍铬发热丝3，镍铬发热丝3的两端与电源相连接。镍铬发热丝3的两端在引出时，各连接绝缘材料，然后再固定于底板的背面。
上述伸缩滑动装置包括：电磁伸缩杆固定支架14，为一开口向上的U形板，其底部安装于底板13上。
如图3所示，电磁伸缩杆1，其为一推拉式电磁铁，设置于电磁伸缩杆固定支架14内，其前端与发热丝滑动支架2的后端相连接；在通电状态时，电磁伸缩杆1向前伸出，带动发热丝滑动支架2向前运动；在断电时，电磁伸缩杆1带动发热丝滑动支架2向后回位。
具体结构为：电磁伸缩杆1的后端端部绕其一周设置有向上凸起的限位突起29，在电磁伸缩杆1上，且位于限位突起29前同轴套设有回位弹簧28；电磁伸缩杆1的前端为连接螺纹杆27；在对电磁伸缩杆1通电时，连接螺纹杆27向前伸出，且回位弹簧28被压缩；断电后，在回位弹簧28的弹力下，连接螺纹杆27向后缩回回位。
上述伸缩滑动装置还包括：
支架滑动突起24，为两个，对称设置于发热丝滑动支架2竖直板的左右两侧，且朝向竖直板的外侧延伸。
发热丝支架板12，为两个，固定于电磁伸缩杆固定支架14的两侧壁，走向与发热丝支架板12的前后走向相一致，且发热丝支架板12的前端越过电磁伸缩杆固定支架14前端的位置。在各发热丝支架板12的靠近前端处均开设有一条形开口滑槽，条形开口滑槽沿前后走向设置，且两个条形开口滑槽的位置相对应；条形开口滑槽内用于架设支架滑动突起24，用于支架滑动突起24在其内滑动。
如图4、5、6和7所示，悬丝固定结构包括：悬丝固定支架6、滑动支架底座11和两个悬丝调节滑动支架9；其中：悬丝固定支架6和滑动支架底座11均设置于底板13上，位于底板13的左或右侧，且两者的位置相对应；悬丝调节滑动支架9竖直设置于滑动支架底座11上，且可沿滑动支架底座11左右移动。
上述悬丝固定支架6为一开口向上的U形架，U形架的两个长臂前后设置；两长臂与两个悬丝调节滑动支架9成长方形排布，位于同一对角线上的长臂与悬丝调节滑动支架9间均连接有一碳化硅悬丝7，两根碳化硅悬丝7在中心处相交，在拉紧状态时，相交处用于承载液滴8。
两个长臂均由在竖直方向上相连接的两个长方体立柱组成，位于上部的长方体立柱为磁铁块吸附端二20，磁铁块吸附端二20的前后方向上的长度小于下部长方体立柱的长度，且其位于靠近U形开口侧，以在下部长方体立柱上端的远离U形开口侧形成一承载平台，各承载平台上均用于承载磁体块4，磁体块4的侧壁与对应的磁铁块吸附端二20的侧壁间紧密贴合，侧壁间用于加持固定碳化硅悬丝7的端头。
上述滑动支架底座11为一开口向上的U形支撑板，在U形开口内的底部前后间隔设置有两个滑动支架限位槽16，各滑动支架限位槽16沿左右走向开设，用于固定悬丝调节滑动支架9。
在滑动支架底座11的前后侧板上均贯通开设有两个通孔，且两个通孔前后间隔设置，且位于各滑动支架限位槽16处；对应位置的前后两个通孔内贯穿安装有一悬丝调节螺钉，在悬丝调节螺钉的外端部设置有悬丝调节旋钮10。
两个悬丝调节滑动支架9前后间隔竖直设置于滑动支架限位槽16内，在各悬丝调节滑动支架9上左右贯通开设有一螺纹孔17，螺纹孔17与通孔在同一直线上，螺纹孔17为悬丝调节螺钉的贯穿通道。
在旋拧悬丝调节旋钮10时，带动悬丝调节滑动支架9左右移动，用于改变悬丝调节滑动支架9和悬丝固定支架6间的距离。
各悬丝调节滑动支架9的上端均同轴一体连接有一磁铁块吸附端一19，下端同轴一体连接有滑动支架滑动端18，悬丝调节滑动支架9、磁铁块吸附端一19和滑动支架滑动端18均为长方体立柱，且磁铁块吸附端一19和滑动支架滑动端18的尺寸均小于调节滑动支架9的尺寸，在悬丝调节滑动支架9的顶端的前后均各形成一平台，两个悬丝调节滑动支架9的背离侧的平台上用于承载磁体块4，且磁体块4的侧壁与铁块吸附端一19的侧壁紧密贴合，侧壁间用于加持固定碳化硅悬丝7的端头。
如图8所示，在底板13上，且位于悬丝调节滑动支架9和悬丝固定支架6间竖直设置有四根悬丝定位立柱5，悬丝定位立柱5两两为一组，一组位于靠近两个悬丝调节滑动支架9，另一组位于靠近悬丝固定支架6。同一组中的悬丝固定支架各靠近一调节滑动支架或悬丝固定支架；连接同一组中的两根悬丝定位立柱5，则两根悬丝定位立柱5均在其最接近的对角线的外侧，悬丝定位立柱5用于外扩并支撑所述碳化硅悬丝7。
在悬丝定位立柱5的靠近上端的侧壁上绕其一周开设有V型凹槽21，各V型凹槽21的高度相同，用于卡持碳化硅悬丝7。
本发明中，使用直径小于20微米的碳化硅纤维作为碳化硅悬丝7，碳化硅悬丝7不仅直径小，而且其导热系数低，热量损失小，能减小悬丝对液滴燃烧过程的影响，提高实验数据的准确性。通过液滴定位结构保证两根碳化硅悬丝7处于同一平面内且相互交叉，这样可以更好地固定液滴8的位置，保证液滴8与镍铬发热丝3的相对位置固定，保证每次实验时液滴8点火状态相同。使用磁铁块4夹持碳化硅悬丝7，降低了碳化硅悬丝7固定难度，简化了碳化硅悬丝7固定操作过程，其容易安装和拆卸且能减少对碳化硅悬丝7的破坏。碳化硅悬丝7被磁体块4夹持后，其松紧程度不一，使用悬丝调节旋钮10调节悬丝调节滑动支架9左右移动，调整悬丝调节滑动支架9与悬丝固定支架6之间的距离，可以保证碳化硅悬丝7保持拉紧同时又不易被拉断的状态。
在使用时，首先，将四个磁铁块4分别放置于对应的悬丝调节滑动支架(9)顶端和悬丝固定支架6顶端的平台上，且使磁铁块4的最大面积的一面贴合于磁铁块吸附端二20和磁铁块吸附端一19。
然后旋转悬丝调节旋钮10，使两个悬丝调节滑动支架9向靠近悬丝固定支架6侧运动，直至运动到不能运动为止。接着将一根碳化硅悬丝7的一端置于磁铁块吸附端二20上，让磁铁块4慢慢回位，磁铁块4回位后即可夹住碳化硅悬丝7的一端。然后使碳化硅悬丝7依次置于距离最近的一个悬丝定位立柱5和与之对角的另一个悬丝定位立柱5的V型凹槽21内。微用力拉紧碳化硅悬丝7。将碳化硅悬丝7的另一端置于对角的磁铁块吸附端一19上，让磁铁块4慢慢回位，磁铁块4回位后即可夹住碳化硅悬丝7的另一端。对第二根碳化硅悬丝7进行同样操作，使其两端分别固定于另一个磁铁块吸附端二20和与之对角的磁铁块吸附端一19上。此时两根碳化硅悬丝7并没有完全拉紧。然后反向旋转悬丝调节旋钮10，使两个悬丝调节滑动支架9远离悬丝固定支架6，直至碳化硅悬丝被明显拉紧，无法吹动为止。然后使用液滴生成装置生成微液滴置于两根碳化硅悬丝7的交点处。给镍铬发热丝3通电，一分钟后镍铬发热丝3温度变得稳定，在其上方3～4mm位置处产生四百度左右高温环境。此时镍铬发热丝3距离液滴8较远，液滴8不受其产生的高温环境影响。然后给电磁伸缩杆1通电，使其快速移动镍铬发热丝3的位置，直至镍铬发热丝3中部处于液滴8的正下方为止。此时液滴8被加热，加热短暂时间后液滴8被点燃，液滴8燃烧殆尽后给电磁伸缩杆1断电，电磁伸缩杆1回位。最后给镍铬发热丝3断电，收集燃烧产物，实验结束。
