定容燃燒可視化實驗室及教學應用研究

暴秀超 張詩波 唐嵐

【摘要】定容燃燒可視化實驗是指先將可燃混合物放入有光學通路的容器內燃燒，并用高速相機記錄下燃燒時的圖片，最后將廢氣排出的整個過程。通過該實驗室可以為本校師生針對液體燃料霧化機理、火焰發展規律、排放污染物形成和控制等研究提供實驗手段， 為本專業燃燒學及相關課程提供教學實驗環境。本文首先從燃燒可視化實驗室的組成及功能出發，并對該實驗室的教學應用進行了分析探討。

【關鍵詞】定容燃燒 可視化 實驗室 教學應用

【基金項目】高效與清潔汽車發動機技術四川省青年科技創新研究團隊項目（2017TD0026），西華大學教師師資支持計劃（21050018）；西華大學研究生示范課程項目QJ1408020004；西華大學交通運輸工程學科教學團隊（05050039）。

【中圖分類號】G642.4 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）12-0158-01

引言

定容燃燒裝置主要模擬活塞上止點附近的燃燒情況，其結構簡單、易于控制、可以方便地改變點火時刻的壓力、溫度、燃料種類、燃空當量比、殘余廢氣系數、點火間隙與點火能量等單一參數，從而成為探索實現點火內燃機高效率低污染燃燒研究的有效途徑[1]。

1.定容燃燒可視化實驗室的組成

定容燃燒可視化實驗室主要可分為五個部分：其一是用于燃料燃燒的燃燒彈，為了利于紋影儀的擺放燃燒彈要放在測試區的中間，燃燒彈側方安裝有供給燃料的進氣系統，另外為了實驗的順利進行及人身安全，需在燃燒彈上方設置排氣裝置，經排氣罩、排氣管、以及風機向外抽氣；其二是用于可視化測試的水平臺及高速攝像機，由于燃燒是發光發熱的化學反應，直接拍照燃燒鋒面的輪廓不夠清晰，因此通常采用紋影攝像的方法來獲得燃燒時的圖片，水平臺便是用來擺放紋影儀設備，為了節省空間本實驗室的紋影儀擺放為Z字形；其三是用于為所需設備提供電源的插座，本實驗室所用電路有220v和380v兩種，其中220v電用于紋影儀光源、燃燒彈彈體儀表、燃燒彈加熱控制器、燃燒彈測試設備；380v電用于供油系統；其四是用于燃料存放的遮陽遮雨開放雨棚、本實驗室將其放置在后墻左側背后，燃料氣瓶依次依墻擺放并有固定裝置來固定氣瓶，氣瓶中心距間隔大約為40cm，遮雨遮陽棚周圍三面需敞開，保證氣瓶如有泄露能及時排出，但為了安全期間（防止外人亂動氣瓶及閥門）需用鐵柵欄將其圍起來，另外，為了保證氣瓶運輸的安全性要有足夠的平坦通道至氣瓶的擺放處；其五是用于實驗時的人工操作空間，放置操作臺、座椅、書柜等。

2.定容燃燒可視化實驗室功能分析

燃燒可視化實驗室面向對象為熱能與動力工程專業教師、研究生和本科生， 為師生開展燃燒可視化研究提供實驗手段， 為本科專業課程提供教學實驗環境，為此該實驗室具有以下功能：

1）擁有高強度定容燃燒彈，為本專業師生研究燃油霧化機理、燃燒火焰發展規律、污染物形成和排放控制等提供實驗設備；2）具有高速紋影攝像平臺， 為師生開展高速圖像采集與處理提供通用設備支持；3）可針對熱能與動力工程專業教學， 開設燃燒學、替代燃料研究等實驗項目；4）實驗室可通過多種接口、多平臺支持軟件進行功能擴展， 能根據測試規模、對象特征、應用背景， 快速實現測試系統的硬軟件集成設計。

3.定容燃燒可視化實驗室的教學應用

1）有助于學生對抽象理論的理解與掌握

燃燒學是教授學生燃料燃燒原理及特性的課程，它包含的內容是物理化學的融合，在此課程的教學中會涉及到很多的定律及經驗公式。傳統的教學使得學生對其內容的掌握只能靠死記硬背，學生根本不理解。通過燃燒可視化實驗的教學是學生直接觀察了燃燒的整個過程，并通過圖像數據的分析可以自己得到燃燒特性參數，從而有助于學生理解和掌握課堂教學中的抽象理論。

2）有益于提高學生的學習積極性

學習者的情感在知識學習中起著十分重要的作用，一個人只有對學習懷有高度的熱情才能更好的掌握教學內容。燃燒可視化實驗室中教學信息的呈現采用了可燃物真實的燃燒過程， 對教學信息的表現同傳統教學過程相比更加具體、生動、形象， 因此可以較大地激發學生的學習興趣， 調動學生學習的積極性， 使學生的學習由被動變為主動。

結論

定容燃燒可視化實驗室可以為師生研究燃油霧化機理、燃燒火焰發展規律、污染物形成和排放控制等提供實驗手段， 還可以為本專業燃燒學及相關課程提供教學實驗環境。通過對燃燒可視化實驗室的教學應用研究得出：燃燒可視化實驗教學環節激發了學生的學習積極性， 有助于對學生動手能力及創新能力的培養， 尤其對教學質量的提高更加具有重要意義。

參考文獻：

[1]周龍保等.內燃機學[M].機械工業出版社，2005

作者簡介：

暴秀超（1981-），女，博士，副教授。