定容燃烧可视化实验室及教学应用研究

暴秀超 张诗波 唐岚

【摘要】定容燃烧可视化实验是指先将可燃混合物放入有光学通路的容器内燃烧，并用高速相机记录下燃烧时的图片，最后将废气排出的整个过程。通过该实验室可以为本校师生针对液体燃料雾化机理、火焰发展规律、排放污染物形成和控制等研究提供实验手段， 为本专业燃烧学及相关课程提供教学实验环境。本文首先从燃烧可视化实验室的组成及功能出发，并对该实验室的教学应用进行了分析探讨。

【关键词】定容燃烧 可视化 实验室 教学应用

【基金项目】高效与清洁汽车发动机技术四川省青年科技创新研究团队项目（2017TD0026），西华大学教师师资支持计划（21050018）；西华大学研究生示范课程项目QJ1408020004；西华大学交通运输工程学科教学团队（05050039）。

【中图分类号】G642.4 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2019）12-0158-01

引言

定容燃烧装置主要模拟活塞上止点附近的燃烧情况，其结构简单、易于控制、可以方便地改变点火时刻的压力、温度、燃料种类、燃空当量比、残余废气系数、点火间隙与点火能量等单一参数，从而成为探索实现点火内燃机高效率低污染燃烧研究的有效途径[1]。

1.定容燃烧可视化实验室的组成

定容燃烧可视化实验室主要可分为五个部分：其一是用于燃料燃烧的燃烧弹，为了利于纹影仪的摆放燃烧弹要放在测试区的中间，燃烧弹侧方安装有供给燃料的进气系统，另外为了实验的顺利进行及人身安全，需在燃烧弹上方设置排气装置，经排气罩、排气管、以及风机向外抽气；其二是用于可视化测试的水平台及高速摄像机，由于燃烧是发光发热的化学反应，直接拍照燃烧锋面的轮廓不够清晰，因此通常采用纹影摄像的方法来获得燃烧时的图片，水平台便是用来摆放纹影仪设备，为了节省空间本实验室的纹影仪摆放为Z字形；其三是用于为所需设备提供电源的插座，本实验室所用电路有220v和380v两种，其中220v电用于纹影仪光源、燃烧弹弹体仪表、燃烧弹加热控制器、燃烧弹测试设备；380v电用于供油系统；其四是用于燃料存放的遮阳遮雨开放雨棚、本实验室将其放置在后墙左侧背后，燃料气瓶依次依墙摆放并有固定装置来固定气瓶，气瓶中心距间隔大约为40cm，遮雨遮阳棚周围三面需敞开，保证气瓶如有泄露能及时排出，但为了安全期间（防止外人乱动气瓶及阀门）需用铁栅栏将其围起来，另外，为了保证气瓶运输的安全性要有足够的平坦通道至气瓶的摆放处；其五是用于实验时的人工操作空间，放置操作台、座椅、书柜等。

2.定容燃烧可视化实验室功能分析

燃烧可视化实验室面向对象为热能与动力工程专业教师、研究生和本科生， 为师生开展燃烧可视化研究提供实验手段， 为本科专业课程提供教学实验环境，为此该实验室具有以下功能：

1）拥有高强度定容燃烧弹，为本专业师生研究燃油雾化机理、燃烧火焰发展规律、污染物形成和排放控制等提供实验设备；2）具有高速纹影摄像平台， 为师生开展高速图像采集与处理提供通用设备支持；3）可针对热能与动力工程专业教学， 开设燃烧学、替代燃料研究等实验项目；4）实验室可通过多种接口、多平台支持软件进行功能扩展， 能根据测试规模、对象特征、应用背景， 快速实现测试系统的硬软件集成设计。

3.定容燃烧可视化实验室的教学应用

1）有助于學生对抽象理论的理解与掌握

燃烧学是教授学生燃料燃烧原理及特性的课程，它包含的内容是物理化学的融合，在此课程的教学中会涉及到很多的定律及经验公式。传统的教学使得学生对其内容的掌握只能靠死记硬背，学生根本不理解。通过燃烧可视化实验的教学是学生直接观察了燃烧的整个过程，并通过图像数据的分析可以自己得到燃烧特性参数，从而有助于学生理解和掌握课堂教学中的抽象理论。

2）有益于提高学生的学习积极性

学习者的情感在知识学习中起着十分重要的作用，一个人只有对学习怀有高度的热情才能更好的掌握教学内容。燃烧可视化实验室中教学信息的呈现采用了可燃物真实的燃烧过程， 对教学信息的表现同传统教学过程相比更加具体、生动、形象， 因此可以较大地激发学生的学习兴趣， 调动学生学习的积极性， 使学生的学习由被动变为主动。

结论

定容燃烧可视化实验室可以为师生研究燃油雾化机理、燃烧火焰发展规律、污染物形成和排放控制等提供实验手段， 还可以为本专业燃烧学及相关课程提供教学实验环境。通过对燃烧可视化实验室的教学应用研究得出：燃烧可视化实验教学环节激发了学生的学习积极性， 有助于对学生动手能力及创新能力的培养， 尤其对教学质量的提高更加具有重要意义。

参考文献：

[1]周龙保等.内燃机学[M].机械工业出版社，2005

作者简介：

暴秀超（1981-），女，博士，副教授。