1.本发明涉及发动机测试技术领域，具体涉及一种极寒环境下燃油附壁燃烧瞬态热流密度测量装置。
背景技术：2.喷雾碰壁现象在柴油机实际运行中时有发生，尤其是在柴油机极寒环境运行时，由于缸内初始温度较低，喷雾贯穿距离变长，撞壁不可避免，并可能形成附壁油膜。一旦着火，就容易形成附壁燃烧。喷雾碰壁形成的附壁油膜的燃烧被认为是引起柴油机活塞烧蚀的主要原因。柴油机异常燃烧过程中缸内形成的高温、高压燃气通过热流的方式传递到活塞表面，沿着深度方向渗透，导致壁面温度升高。如果温度升高的幅度过大将会导致晶格组织发生变化，材料的结构强度也会随之变化，一旦活塞的热力载荷超过材料强度极限，就有可能发生烧蚀现象。因此研究油膜附壁后的燃烧热负荷对排除柴油机烧蚀故障有重要的意义。
3.为明确不同工况附壁着火现象发生后，对活塞壁面热负荷的影响，需要研究附壁燃烧火焰与壁面之间的热传导。通常用热流密度表示热传导能力，也称热通量，表示单位时间内通过单位面积的热量。
4.瞬态温度测试技术，指的是在极短的时间内精确测量出物体的温度变化。随着工业生产的需要，瞬态测温技术也在日益更新，目前主要分为非接触式和接触式两类。非接触式，测温探头和被测物体在空间上存在一定距离，主要根据被测物体的辐射量检测温度，所以它不会打乱被测物体热平衡，具有良好的动态响应，但是精度不能保证，往往造价也比较高。非接触式测温对精度最敏感的是被测量物体的发射率，当然也与周围空气的湿度，是否存在颗粒物有很大关系。对于内燃机燃烧室而言，工作环境粗暴，不利于光学测试探头的安装，同时各种气体流动和悬浮的燃油会导致折射率发生变化，增大了测量的误差。接触式测温顾名思义指传感器与被测物体贴在一起，等它们两者达到热平衡状态后，就可以根据传感器的信号计算出被测物体的温度。具有测温精度高、成本低的优点。由于测量时需要与被测物体充分接触，就会先打破被测物体的热平衡后再建立新的热平衡，导致测量温度具有一定的滞后性。随着传感器技术的进步，现今瞬态温度传感器的响应时间已经可以达到ms甚至μs。
5.活塞表面温度测量被认为是发动机测试技术中，要求最高的地方，既要保证响应速度，又要保证可靠性。浅壁面温度的测量难度较大，主要体现在两个方面，一是浅壁面热电偶的安装难度较大，既要保证密封，同时也要保证热电偶外接线的耐高温。二是发动机活塞常用材料为铝制合金，在发动机燃烧光学测试试验中，需要考虑铝制合金的强度以及安全性。由于科学研究的需要，在测试不同壁面参数下的试验规律时，需要更换壁面，需要多套壁面测温装置，提高试验成本。这也是现有活塞测温装置存在的缺陷。
技术实现要素：6.有鉴于此，本发明提供了一种极寒环境燃油附壁燃烧瞬态热流密度测量装置，能够方便实现发动机定容燃烧弹实验中浅壁面瞬态热流密度测量。
7.本公开提供的极寒环境燃油附壁燃烧瞬态热流密度测量装置，包括：模拟壁面、封堵部件、高速响应热电偶、变送装置、稳压电源、数据分析与处理装置，其中：
8.所述模拟壁面置于封闭容器内，用于模拟燃烧室内壁；
9.封堵部件用于对放置模拟壁面的封闭容器进行密封，用于组成模拟燃烧室封闭环境，同时为所述模拟壁面提供安装固定平台；
10.其中，封堵部件固定于封闭容器窗口处，并与模拟壁面固连；所述模拟壁面设有开孔，用于安放高速响应热电偶；所述热电偶的封装套管穿过模拟壁面中心开孔，以及封堵部件的开孔，其中导线与变送器装置相连；
11.高速响应热电偶，用于感应附壁油膜燃烧过程中模拟壁面的温升变化，产生电势差，传输到变送装置；
12.变送装置，用于将电势差放大，转变成可被识别的电压信号，输送到数据处理与分析装置；稳压电源用于给变送装置提供5v供电；
13.数据分析与处理装置，用于根据电压信号判断附壁燃烧过程中模拟壁面的温度，并根据先后两点的温度计算其瞬时热流密度。
14.进一步地，所述封堵部件与模拟壁面通过紧固螺栓固连。
15.进一步地，所述模拟壁面螺栓处布置沉孔设计。
16.进一步地，所述封堵部件上有密封凹槽，密封槽内装有弹性密封垫片，装配尺寸要求为螺栓拧紧后垫片已经存在压缩量，用于提供给紧固螺栓一定预紧力以提高密封效果。
17.进一步地，所述高速响应热电偶采用铠装式k型热电偶，与封堵部件采用螺纹密封连接，模拟壁面与高速响应热电偶前端采用间隙配合。
18.进一步地，所述模拟壁面采用与发动机燃烧室内壁相同或接近的材质。
19.进一步地，所述封闭容器采用定容燃烧弹。
20.进一步地，所述数据分析与处理装置接收变送装置传送的电势差信号，通过对比高速响应热电偶的出厂标定数据，进行温度推导，然后根据先后两点的温度计算测点瞬时热流密度，其中，瞬时热流密度根据以下公式计算：
[0021][0022][0023]
其中，tw为测量得到的壁面温度(k)；λ为壁面导热系数(w/(m
·
k))；δ为壁面厚度；
τ为无量纲时间，τ＜＜1；t为采样时间(s)τi＝i
·
δτ，i为计算热流密度点，a为热扩散率：a＝λ/(ρ
·
c)(m2/s)，c为平板比热容(j/(kg
·
k))；ρ为材料密度(kg/m3)。
[0024]
本公开提供的极寒环境燃油附壁燃烧瞬态热流密度测量装置，通过构造密闭空间和模拟内壁，复现发动机燃烧室燃油附壁燃烧的环境，采集燃烧时模拟壁面的温度变化，并根据时间先后两点的温度计算燃烧瞬间的热流密度。
[0025]
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
①
提供了一种极寒环境燃油附壁燃烧瞬态热流密度测量装置，能够解决高速燃烧过程壁面瞬态温度的捕捉以及热流密度计算；
②
系统设计简捷，易于构建和操作；
③
燃烧室模拟装置的设计可以使实验测试过程更符合真实壁面条件，同时保证安全性；
④
密封凹槽的设计可以有效解决模拟壁面与封闭容器试验系统的密封；
⑤
如有拍摄需求，壁面沉孔的设计可以有效解决紧固螺栓对光学测试火焰图像拍摄过程的影响。
附图说明
[0026]
图1为燃油附壁燃烧瞬态热流密度测量装置示例性实施例示意图。
[0027]
图2为本发明实施例组合壁面三维装配图。
[0028]
图3为本发明实施例组合壁面装配的剖面图。
[0029]
图4为本发明实施例组合壁面密封槽结构示意图。
[0030]
图5为本发明实施例组合壁面连接螺栓的示意图。
[0031]
图6为本发明实施例组合壁面加装高速响应热电偶的示意图。
[0032]
附图标记说明如下：1-铝合金壁面；2-不锈钢堵块；3-k型高速响应热电偶；4-变送器；5-稳压电(5v)；6-数据处理与分析仪；7-电脑控制台。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0034]
柴油机在极寒环境运行时，由于缸内温度低容易导致喷雾油束撞击壁面形成附壁油膜。本发明提供了一种极寒环境燃油附壁燃烧瞬态热流密度测量装置。如图1所示，为本发明应用于发动机定容燃烧弹试验中的一种布置方式。
[0035]
其中，模拟壁面优选采用铝合金壁面1，封堵部件优选采用不锈钢堵块2，模拟壁面固定于封堵部件上(连接方式如图2-5)，热电偶的数据从封装套管中传出，经过变送器，送到后台进行处理。
[0036]
试验中，可以先利用喷油器在模拟壁面上形成附壁油膜。通过点燃定容燃烧弹中的预燃气体引燃附壁油膜，复现柴油机中的附壁燃烧过程。
[0037]
附壁油膜燃烧对模拟壁面的温升变化可以被中心点的高速响应热电偶3捕捉。高速响应热电偶采用的是铠装式k型热电偶，例如nanmac公司生产的热电偶，响应时间为20μs。该产品技术成熟，满足测量需求，便于更换。
[0038]
由于测点温度的变化，导致热电偶结点产生电势差，通过导线传输到变送器4中，变送器的作用是将微弱的电势差放大，同时转变成可被捕捉与识别的电压信号。稳压电源5的作用是给变送器提供5v供电。
[0039]
变送器将电压信号通过导线输送到数据处理与分析仪6中，数据分析与处理仪器的作用是先将电压信号接收，根据先前高速响应热电偶的出厂标定数据进行温度推导，将附壁燃烧过程中铝合金壁面的温度实时显示在电脑控制台7中，并记录。
[0040]
数据分析与处理仪器中的热流密度计算模块根据前后两点的温度计算其瞬时热流密度。具体热流密度处理过程为：
[0041]
附壁燃烧发生后，壁面-火焰之间的热量传递过程可以通过导热方程式(1.1)表示：
[0042][0043]
式中：t为平板内部温度场分布(k)；a为热扩散率：a＝λ/(ρ
·
c)(m2/s)；qv为内部热源(w/m3)；c为平板比热容(j/(kg
·
k))；ρ为材料密度(kg/m3)；t为时间(s)；
[0044]
附壁燃烧持续时间较正常燃烧来讲，尺度较大。但是在实验中整体的着火时间仍属于毫秒级别，同时撞壁平板有较大的热惯性，所以将上述过程按无内热源的一维非稳态导热问题处理。因此，将导热方程进一步简化为式(1.2)：
[0045][0046]
式中：θ＝t
w-t0；tw为测量得到的壁面温度；t0为平板底面温度；τ和ξ均为无量纲数，δ为壁面厚度，y为纵向坐标。
[0047]
实验中，假设附壁燃烧开始前壁面温度分布比较均匀，并且由于壁面较厚燃烧引起的温度波动不足以对下壁面产生影响。因此，可以设定y＝δ时，即下壁面温度恒定，则式(1.2)的初值和边界条件为式(1.3)所示：
[0048][0049]
如果测得壁面温度的瞬态分布tw(t)，则附壁燃烧对浅壁面的热流密度可以由式(1.4)计算：
[0050][0051]
定义热流从火焰传到壁面为正，利用拉普拉斯变换，可以将式5.2转化成常微分方程式(1.5)：
[0052][0053]
式中：为拉普斯变化后的温差。
[0054]
利用p2＝s代入，可将式1.5的通解表示为式(1.6)：
[0055][0056]
利用边界条件，可以计算附壁燃烧后的温度梯度，式(1.7)：
[0057][0058]
将分母根据式(1.8)进行级数展开为式(1.9)：
[0059][0060][0061]
根据卷积定理对式(1.9)进行反拉氏变化，可以得到式(1.4)在时域下的通解表达，附壁燃烧对浅壁面热流密度计算公式就可以表示为式(1.10)
[0062][0063]
根据以上热流密度计算公式，就可以通过瞬态温度测量系统采集附壁燃烧后壁面的温度变化计算热流密度，由于温度数据是离散时间间隔采样的，τi＝i
·
δτ。由于τ＜＜1，因此可以将式(1.10)简化成式(1.11)：
[0064][0065]
在[τk,τ
k+1
]区间进行泰勒级数展开，得到式(1.12)：
[0066][0067]
式中
[0068]
代入式(1.11)并进行积分求得由实测温度数据计算热流的最终方程组(1.14)：
[0069][0070][0071]
优选地，铝合金壁面与不锈钢堵块通过8个紧固螺栓8固定。局部放大如图5所示，铝合金壁面为通孔，不锈钢堵块上为螺纹孔9。
[0072]
进一步地，不锈钢堵块上加工密封槽10，密封垫采用弹性密封垫片12，装配尺寸要求为螺栓拧紧后垫片已经存在压缩量，作用是提供给紧固螺栓一定预紧力以提高密封效果。
[0073]
进一步地，铝合金中心孔为通孔，高速响应热电偶与中心孔采用间隙配合，如图6，便于实施壁面的更换。
[0074]
本公开所述装置不仅可以应用在发动机光学实验设备定容燃烧弹中，在其他高温高压环境中涉及测量热流密度的场合也都可以应用。
[0075]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种燃油附壁燃烧瞬态热流密度测量装置，其特征在于，包括：模拟壁面、封堵部件、高速响应热电偶、变送装置、稳压电源、数据分析与处理装置，其中：所述模拟壁面置于封闭容器内，用于模拟燃烧室内壁；所述封堵部件固定于放置模拟壁面的封闭容器窗口处，并与模拟壁面固连，用于对封闭容器进行密封，组成模拟燃烧室封闭环境，同时为所述模拟壁面提供安装固定平台；所述模拟壁面设有开孔，用于安放高速响应热电偶；所述热电偶的封装套管穿过模拟壁面中心开孔，以及封堵部件的开孔，其中导线与所述变送器装置相连；高速响应热电偶，用于感应附壁油膜燃烧过程中模拟壁面的温升变化，产生电势差，传输到变送装置；变送装置，用于将电势差放大，转变成可被识别的电压信号，输送到数据分析与处理装置；稳压电源用于给变送装置提供5v供电；数据分析与处理装置，用于根据电压信号判断附壁燃烧过程中模拟壁面的温度，并根据先后两点的温度计算其瞬时热流密度。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述封堵部件与模拟壁面通过紧固螺栓固连。3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述模拟壁面螺栓处布置沉孔设计。4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述封堵部件上有密封凹槽，密封槽内装有弹性密封垫片，装配尺寸要求为螺栓拧紧后垫片已经存在压缩量，用于提供给紧固螺栓一定预紧力以提高密封效果。5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高速响应热电偶采用铠装式k型热电偶，与封堵部件采用螺纹密封连接，模拟壁面与高速响应热电偶前端采用间隙配合。6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模拟壁面采用与发动机燃烧室内壁相同或接近的材质。7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述封闭容器采用定容燃烧弹。8.如权利要求1-7中任一所述的装置，其特征在于，所述数据分析与处理装置接收变送装置传送的电势差信号，通过对比高速响应热电偶的出厂标定数据，进行温度推导，然后根据先后两点的温度计算测点瞬时热流密度，其中：瞬时热流密度根据以下公式计算：据先后两点的温度计算测点瞬时热流密度，其中：瞬时热流密度根据以下公式计算：其中，t
w
为测量得到的壁面温度(k)；λ为壁面导热系数(w/(m
·
k))；δ为壁面厚度；τ为无
量纲时间，t为采样时间(s)τ
i
＝i
·
δτ，i为计算热流密度点，a为热扩散率：a＝λ/(ρ
·
c)(m2/s)，c为平板比热容(j/(kg
·
k))；ρ为材料密度(kg/m3)。
技术总结本发明公开了一种燃油附壁燃烧瞬态热流密度测量装置，通过构造密闭空间和模拟内壁，复现发动机燃烧室燃油附壁燃烧的环境，采集燃烧时模拟壁面的温度变化，并根据时间先后两点的温度计算燃烧瞬间的热流密度。能够解决高速燃烧过程壁面瞬态温度的捕捉以及热流密度计算，系统设计简捷，易于构建和操作。易于构建和操作。易于构建和操作。
技术研发人员：吴晗 张露 石智成 黎一锴 王字满 李向荣
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2022.07.26
技术公布日：2022/11/1
