楊翠華

（淮南舜泰化工有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232072）

0 引言

燃燒室被譽(yù)為發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”，其可將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，從而對(duì)外做功［1］。湍流燃燒是燃燒室中常見(jiàn)的燃燒方式，對(duì)湍流火焰進(jìn)行深入研究，有利于了解湍流火焰的傳播機(jī)理、提升燃燒室的性能。目前，研究湍流燃燒特性的試驗(yàn)裝置包括本生燈、旋轉(zhuǎn)射流裝置和湍流燃燒彈等［2］。本生燈和旋轉(zhuǎn)射流裝置雖然在一定程度上拓寬了湍流強(qiáng)度的測(cè)試范圍，但未能對(duì)單一湍流參數(shù)變化產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究。相對(duì)而言，湍流燃燒彈是一種性能優(yōu)異的裝置，其不僅能產(chǎn)生分布均勻的湍流場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓條件下湍流燃燒過(guò)程的研究，還可研究湍流、點(diǎn)火等單一參數(shù)的變化對(duì)湍流燃燒特性的影響［3］。

根據(jù)湍流產(chǎn)生的原理，湍流燃燒彈（也稱(chēng)容彈）可分為風(fēng)扇式、噴射式以及孔板式燃燒裝置。姜根柱等［4］使用風(fēng)扇式湍流燃燒裝置對(duì)湍流強(qiáng)度以及湍流穩(wěn)定區(qū)域半徑的變化規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，研究結(jié)果表明，湍流燃燒彈中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)的湍流強(qiáng)度會(huì)隨風(fēng)扇壓差的增大而增大，湍流穩(wěn)定區(qū)域的半徑會(huì)隨風(fēng)扇強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大。秦思雨等［5］設(shè)計(jì)出噴射式湍流燃燒裝置，該湍流試驗(yàn)裝置可在容彈內(nèi)部產(chǎn)生各向同性且均勻的湍流環(huán)境。廖世勇等［6］利用孔板式湍流燃燒彈來(lái)研究不同頻段的湍流特性，研究結(jié)果表明，湍流主要處于400～1 600 Hz 的頻率段。通過(guò)對(duì)湍流燃燒彈研究發(fā)現(xiàn)，雖然湍流彈的種類(lèi)不同，但均擁有眾多的子系統(tǒng)，為了保證試驗(yàn)?zāi)軌虬踩M(jìn)行和采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)時(shí)必須保證試驗(yàn)裝置各部分能夠協(xié)調(diào)可靠地運(yùn)行，而機(jī)電一體化能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)資源進(jìn)行有效配置，使系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)。本研究設(shè)計(jì)一種基于PLC 機(jī)電一體化的湍流強(qiáng)度可調(diào)型氣體爆炸特性測(cè)試試驗(yàn)裝置，該裝置能產(chǎn)生各向同性且均勻的高強(qiáng)度湍流場(chǎng)，并實(shí)現(xiàn)可變湍流參數(shù)對(duì)湍流環(huán)境中氣體爆炸特性的研究。本研究對(duì)該試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)原理、系統(tǒng)組成及特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

1 裝置設(shè)計(jì)原理

設(shè)計(jì)湍流燃燒試驗(yàn)裝置是為了研究預(yù)混氣體燃料湍流燃燒的特性，由于燃料在燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生高溫高壓，在對(duì)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先，要保證彈體部分具有一定的強(qiáng)度，且進(jìn)氣、湍流及點(diǎn)火等子系統(tǒng)在裝置上的開(kāi)孔位置要分布合理，避免出現(xiàn)過(guò)大的應(yīng)力集中。其中，要保證湍流燃燒彈的密封性和觀察窗的強(qiáng)度。其次，是裝置要有配氣系統(tǒng)、湍流生成系統(tǒng)以及點(diǎn)火系統(tǒng)，可用來(lái)研究不同燃料配比、湍流強(qiáng)度以及點(diǎn)火能量等參數(shù)對(duì)預(yù)混湍流燃燒特性的影響。最后，要安裝高速攝像系統(tǒng)、壓力測(cè)量系統(tǒng)以及相應(yīng)的時(shí)序控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)用于對(duì)試驗(yàn)裝置子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)，從而保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，高速攝像系統(tǒng)用于對(duì)湍流燃燒裝置中的混合氣體湍流燃燒火焰進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)，并使用基于高速相機(jī)的比色測(cè)溫系統(tǒng)來(lái)繪制火焰溫度分布云圖［7］。

根據(jù)上述要求，本研究設(shè)計(jì)的基于PLC 機(jī)電一體化的湍流強(qiáng)度可調(diào)型氣體爆炸特性測(cè)試試驗(yàn)裝置如圖1 所示。該試驗(yàn)裝置由不銹鋼燃燒容器、湍流生成系統(tǒng)、配氣和排氣系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)、壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)以及PLC 時(shí)序控制系統(tǒng)組成。

圖1 湍流氣體爆炸特性測(cè)試試驗(yàn)裝置

2 系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

2.1 燃燒容器

本研究設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置采用球形容器作為反應(yīng)腔，容器材料為不銹鋼，壁厚為20 mm。不同于其他管狀容器或圓柱狀容器，球面設(shè)計(jì)可保證爆炸波從點(diǎn)火位置均勻向容器內(nèi)壁的每一個(gè)方向進(jìn)行傳播，使相關(guān)儀器獲取到的數(shù)據(jù)更加全面和細(xì)化，以便研究人員得出更加可靠的研究成果。在燃燒容器前后對(duì)稱(chēng)開(kāi)出直徑為100 mm 的石英窗玻璃可視化窗口，從而形成光學(xué)通道，通過(guò)該窗口能充分地觀測(cè)到彈體內(nèi)的湍流燃燒火焰。為保證石英玻璃與裝置之間的密封性，防止試驗(yàn)時(shí)因氣體泄露而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)誤差，石英玻璃通過(guò)螺栓和焊接在湍流裝置上的法蘭盤(pán)進(jìn)行壓緊固定，并采用密封圈進(jìn)行密封，可避免出現(xiàn)微縫隙以及拆卸時(shí)對(duì)石英玻璃造成損傷。另外，在容器正上方的開(kāi)孔設(shè)置點(diǎn)火系統(tǒng)，在法蘭蓋上開(kāi)設(shè)2 個(gè)點(diǎn)火電極孔和1 個(gè)安全閥，安全閥用來(lái)保障試驗(yàn)系統(tǒng)不會(huì)因產(chǎn)生的高壓而發(fā)生事故。將法蘭蓋通過(guò)螺栓固定在被焊接在容器上的法蘭盤(pán)上，同時(shí)要保證裝置的氣密性。

2.2 湍流生成系統(tǒng)

湍流生成系統(tǒng)由4 個(gè)獨(dú)立的風(fēng)扇電機(jī)組組成，而這4 個(gè)風(fēng)扇電機(jī)組采用兩兩垂直的方式安裝在容器上，風(fēng)機(jī)的垂直交點(diǎn)與容器的中心點(diǎn)重合。每個(gè)風(fēng)扇電機(jī)組包括1 個(gè)軸流式風(fēng)扇、1 個(gè)圓形多孔板、1 個(gè)電機(jī)以及1 個(gè)直流高壓調(diào)速器。每個(gè)風(fēng)扇與獨(dú)立的電機(jī)相連接，湍流強(qiáng)度由連接在電機(jī)上的直流高壓調(diào)速器進(jìn)行控制。通過(guò)直流高壓調(diào)速器給風(fēng)扇電機(jī)設(shè)定一定的速度，4 個(gè)風(fēng)扇電機(jī)組將以相同的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的漩渦流在通過(guò)安裝在風(fēng)扇前面的多孔板后，將在容器的幾何中心發(fā)生碰撞，從而形成各向同性的湍流。另外，圓形多孔板可起到形成湍流和保護(hù)風(fēng)扇的作用。

2.3 配氣和排氣系統(tǒng)

設(shè)計(jì)出的試驗(yàn)裝置主要用于研究混合氣體燃料湍流燃燒的特性，因此需要設(shè)計(jì)出相應(yīng)的混合氣配制系統(tǒng)。配氣時(shí)可根據(jù)道爾頓分壓原理，將不同的氣體依次充入到高壓預(yù)混罐中，在預(yù)混罐內(nèi)靜置混合，用真空泵將湍流裝置抽成真空后，將靜置完成的氣體充入其中［8-9］。由于燃料氣瓶的壓力較高，混氣罐和裝置內(nèi)壓力一般相對(duì)較低，為了安全起見(jiàn)，燃料氣瓶和混氣罐的出口處均安裝有減壓閥。另外，在該裝置中，進(jìn)氣系統(tǒng)與排氣系統(tǒng)采用分離式設(shè)計(jì)，在減小系統(tǒng)密封負(fù)擔(dān)的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)精確配氣。

2.4 高速攝像、壓力采集及點(diǎn)火系統(tǒng)

燃燒火焰可視化是研究預(yù)混氣體湍流燃燒特性的有效試驗(yàn)手段，本研究用高速攝像機(jī)來(lái)記錄裝置內(nèi)湍流燃燒火焰的情況。本研究選用日本NAC公司生產(chǎn)的HX-3 型高速相機(jī)，使用5 000 fps 的拍攝幀率，并利用基于高速相機(jī)的比色測(cè)溫系統(tǒng)來(lái)繪制出燃燒火焰的溫度分布云圖。比色測(cè)溫法可準(zhǔn)確測(cè)量出選定區(qū)域的瞬態(tài)爆炸溫度，其是一種用于了解預(yù)混氣體燃燒狀態(tài)和開(kāi)發(fā)高能效內(nèi)燃機(jī)的新技術(shù)手段。將高速攝像機(jī)與裝置上的光學(xué)通道布置在同一水平線(xiàn)上，調(diào)整相機(jī)的角度和鏡頭的焦距，從而獲得清晰的圖像，其中心位置與點(diǎn)火電極中心在同一水平線(xiàn)上，并關(guān)閉相機(jī)的白平衡和伽馬校正，關(guān)閉Low light 模式，防止外界光源影響到試驗(yàn)比色測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由壓力傳感器、恒流源以及示波器組成。在試驗(yàn)過(guò)程中，壓力的變化由PCB聲壓傳感器（型號(hào)為106B52）進(jìn)行測(cè)量，滿(mǎn)足高精度、抗干擾、高響應(yīng)速度等試驗(yàn)要求。此外，采用HDO403A 數(shù)字儲(chǔ)存示波器來(lái)記錄壓力數(shù)據(jù)。該示波器具有記錄、存儲(chǔ)、濾波等功能，可確保高分辨率、高采樣率和高精度，并且能同時(shí)進(jìn)行多通道測(cè)量。試驗(yàn)選用的電壓采集模塊的采樣速度可達(dá)10 MS/s，可用于瞬態(tài)變化壓力信號(hào)的捕捉和處理，能精確地記錄氣體爆炸過(guò)程中瞬時(shí)壓力的變化。

該系統(tǒng)采用電火花點(diǎn)火的方式，其由繼電器、交流接觸器、15 kV高壓點(diǎn)火器、點(diǎn)火電極及導(dǎo)線(xiàn)組成。為了提高導(dǎo)電性能，電極主體由2 根長(zhǎng)度相同的銅棒構(gòu)成，通過(guò)法蘭將其固定于頂部不銹鋼板的中心處，銅棒向下伸長(zhǎng)，使得放電尖端位于爆炸裝置的幾何中心。為了防止在試驗(yàn)過(guò)程中因高壓電火花而導(dǎo)致放電尖端氧化，選用熔點(diǎn)高于3 000 ℃的鎢棒作為放電尖端材料，兩電極的尖端相距1 mm 左右。點(diǎn)火時(shí)刻可根據(jù)具體試驗(yàn)要求來(lái)確定。通過(guò)PLC 控制點(diǎn)火的延遲時(shí)間，可改變點(diǎn)火能量，研究不同點(diǎn)火能量對(duì)預(yù)混氣體湍流燃燒特性的影響。

2.5 PLC時(shí)序控制系統(tǒng)

本研究設(shè)計(jì)的裝置通過(guò)PLC 對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制。試驗(yàn)前，通過(guò)編寫(xiě)智能控制的運(yùn)行程序，設(shè)置進(jìn)氣、風(fēng)機(jī)運(yùn)行、點(diǎn)火和高速攝像機(jī)拍攝的時(shí)間以及相應(yīng)系統(tǒng)之間的延遲時(shí)間［10-11］。其接線(xiàn)設(shè)置如下，進(jìn)氣電磁閥、調(diào)速器、15 kV 高壓點(diǎn)火器和高速攝像系統(tǒng)的正極并聯(lián)，統(tǒng)一接在供電裝置的正極上，4 個(gè)風(fēng)機(jī)的電機(jī)負(fù)極并聯(lián)在一起，以便4 個(gè)風(fēng)機(jī)能同時(shí)運(yùn)行，各個(gè)子系統(tǒng)的負(fù)極分別接到PLC的不同Y 端上。為了能清晰地記錄火焰全貌，點(diǎn)火和高速攝像系統(tǒng)設(shè)置為同時(shí)閉合。試驗(yàn)過(guò)程中，打開(kāi)PLC 時(shí)序控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)，邏輯控制時(shí)序?yàn)椋哼M(jìn)氣電磁閥開(kāi)啟，預(yù)混罐中的試驗(yàn)氣體充入燃燒室中；開(kāi)啟直流高壓調(diào)速器的開(kāi)關(guān)，4個(gè)并聯(lián)的風(fēng)機(jī)按照一定的轉(zhuǎn)速同時(shí)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，并在一段時(shí)間后同時(shí)關(guān)閉；打開(kāi)高速攝像系統(tǒng)并觸發(fā)示波器；最后控制15 kV高壓點(diǎn)火器進(jìn)行放電點(diǎn)火。

3 試驗(yàn)裝置分析及應(yīng)用

本研究的試驗(yàn)是在常溫常壓下展開(kāi)的，圖2 為湍流燃燒試驗(yàn)的時(shí)序。首先使用真空泵將試驗(yàn)裝置抽到一定的真空度，同時(shí)依據(jù)道爾頓分壓原理將試驗(yàn)氣體（乙炔、甲烷、空氣）按一定濃度配置在一個(gè)高壓混氣罐中，在氣體靜置混合后，通過(guò)遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)啟動(dòng)，開(kāi)啟控制PLC 智能控制系統(tǒng)，使其控制進(jìn)氣管路中的電磁閥元件，給湍流裝置充氣，在裝置達(dá)到常壓時(shí)關(guān)閉電磁閥；接著通過(guò)PLC 程序打開(kāi)風(fēng)扇直流高壓調(diào)速器，風(fēng)扇電機(jī)由直流高壓調(diào)速器給定速度，4個(gè)風(fēng)扇電機(jī)組將以相同的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的漩渦流通過(guò)多孔板后將在容器的幾何中心發(fā)生碰撞，從而形成各向同性的湍流；最后，待燃燒容器內(nèi)的湍流場(chǎng)穩(wěn)定后，PLC 系統(tǒng)控制點(diǎn)火組合系統(tǒng)通電點(diǎn)火，同時(shí)觸發(fā)高速攝像系統(tǒng)，記錄火焰的傳播過(guò)程，并通過(guò)壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)記錄壓力變化，同時(shí)將高速攝像系統(tǒng)拍攝到的圖片導(dǎo)入到自開(kāi)發(fā)軟件中，繪制湍流火焰的溫度分布云圖，完成湍流氣體燃爆試驗(yàn)。其中，PLC 的系統(tǒng)控制時(shí)間可通過(guò)多次預(yù)試驗(yàn)來(lái)確定，另外在火焰發(fā)展的過(guò)程中，風(fēng)扇要一直處于開(kāi)啟狀態(tài)。

圖2 湍流燃燒試驗(yàn)時(shí)序

通過(guò)使用該裝置對(duì)預(yù)混氣體的湍流火焰進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該裝置通過(guò)PLC 時(shí)序控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)裝置子系統(tǒng)協(xié)調(diào)可靠地工作，進(jìn)而可研究不同湍流參數(shù)對(duì)預(yù)混氣體爆炸特性的影響。后續(xù)可對(duì)不同預(yù)混氣體的湍流燃燒特性進(jìn)行深入研究。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)預(yù)混湍流燃燒基礎(chǔ)研究的需要，本研究設(shè)計(jì)出一種基于PLC機(jī)電一體化的湍流強(qiáng)度可調(diào)型氣體爆炸特性測(cè)試試驗(yàn)裝置。通過(guò)PLC時(shí)序控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)裝置子系統(tǒng)協(xié)調(diào)可靠地工作，使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率更高，且更加有保障，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制可變湍流參數(shù)對(duì)湍流環(huán)境中氣體爆炸特性的研究。