一種利于納米粒子均勻布撒的超聲速氣流生成系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種利于納米粒子均勻布撒的超聲速氣流生成系統(tǒng)，包括依次固定連接的第一穩(wěn)定段、第二穩(wěn)定段、噴管試驗(yàn)段、出口段；所述第一穩(wěn)定段包括腔體、氣體入口、納米粒子入口、孔節(jié)流件、穩(wěn)定網(wǎng)；穩(wěn)定網(wǎng)位于腔體中間的位置，將腔體分為第一穩(wěn)定段前部和第一穩(wěn)定段后部；氣體入口對(duì)稱分布在第一穩(wěn)定段前部的兩側(cè)；氣體入口與高壓氣源相連；所述納米粒子入口分布在第一穩(wěn)定段前部靠近氣體入口的位置，納米粒子入口與氣體入口軸線垂直相交。本發(fā)明能夠隔絕供應(yīng)管路與風(fēng)洞穩(wěn)定段壓力波動(dòng)的互相干擾，提供均勻、連續(xù)、低湍流度、高總壓的超聲速氣體來流，并實(shí)現(xiàn)納米粒子在高壓氣流中的均勻布撒。
【專利說明】一種利于納米粒子均勻布撒的超聲速氣流生成系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航空航天領(lǐng)域的風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)，具體涉及一種利于納米粒子均勻布撒的超聲速氣流生成系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料與氧化劑的充分混合是高效燃燒發(fā)生的前提。在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中，液體燃料在超聲速空氣來流中經(jīng)歷霧化、蒸發(fā)、混合、燃燒等過程，但由于氣流速度高，燃燒室尺寸有限，燃料駐留時(shí)間極短，燃料的霧化、蒸發(fā)和混合過程對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火和高效燃燒起著決定性作用。一般認(rèn)為，有效的高超聲速推進(jìn)系統(tǒng)需要增強(qiáng)燃料與空氣的混合，以產(chǎn)生較低阻力的代價(jià)注入燃料，并在燃燒室橫截面上有效地分布燃料。
[0003]為了揭示超聲速氣流中液體射流霧化混合的內(nèi)在規(guī)律，研究者們圍繞該課題開展大量試驗(yàn)研究。賴林“帶空腔超燃發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室噴霧流場特性研究，2003，碩士論文”結(jié)合高速相機(jī)和紋影技術(shù)對(duì)液體橫向射流形態(tài)進(jìn)行捕捉，編程處理射流圖像進(jìn)而分析射流穿透深度的變化規(guī)律，用激光粒度分析儀對(duì)噴霧場的粒徑分布進(jìn)行了探索性研究。Lin “Structures of Water Jets in a Machl.94Supersonic Crossflow.AIAA2004-971”采用roPA在馬赫1.94風(fēng)洞中對(duì)水射流噴霧場進(jìn)行詳細(xì)研究，獲得不同流向位置處液滴粒徑沿射流方向的“S”型變化規(guī)律，同時(shí)對(duì)不同流向橫截面液滴粒徑和質(zhì)量分布進(jìn)行研究，定量的指出隨著向下游的發(fā)展，水射流與空氣的混合效果逐漸增強(qiáng)。D.S.0linger “DigitalHolographic Analysis of Near-Field Aerated Liquid Jets in Crossflow.PartII:Measurements.AIAA2013-0167”采用全息攝影技術(shù)克服多數(shù)光學(xué)儀器無法對(duì)射流近場進(jìn)行研究的缺點(diǎn)，在馬赫0.3和馬赫0.6工況下對(duì)噴霧場全場液滴粒徑分布進(jìn)行立體還原，研究液體射流粒徑分布的變化規(guī)律。來流邊界層、分離區(qū)等對(duì)液體射流霧化的影響還有待研究。
[0004]地面試驗(yàn)是超聲速氣流中液體橫向射流試驗(yàn)研究的主要方式，人們通過不同的風(fēng)洞設(shè)計(jì)產(chǎn)生超聲速氣流模擬飛行器在高空飛行的實(shí)際情況，其中自由射流風(fēng)洞系統(tǒng)能夠最準(zhǔn)確的模擬實(shí)際飛行狀態(tài)下的來流總壓和總溫，但是自由射流系統(tǒng)建造成本巨大，多數(shù)研究單位采用直聯(lián)式風(fēng)洞系統(tǒng)對(duì)該課題進(jìn)行研究。直聯(lián)式風(fēng)洞工作方式不盡相同，吸氣式風(fēng)洞是將風(fēng)洞出口連入真空環(huán)境，在壓差作用下氣體加速進(jìn)而達(dá)到設(shè)計(jì)馬赫數(shù)，一般地，吸氣式風(fēng)洞上游直接連通大氣環(huán)境；下吹式風(fēng)洞是采用高壓氣體從風(fēng)洞上游注入，進(jìn)而加速氣體達(dá)到設(shè)計(jì)馬赫數(shù)；也有風(fēng)洞結(jié)合使用高壓氣體注入和真空環(huán)境抽吸兩種方式。一般地，吸氣式風(fēng)洞入口氣流更加穩(wěn)定，風(fēng)洞品質(zhì)好，但是吸氣式風(fēng)洞總壓也相對(duì)較小，氣流雷諾數(shù)小，與實(shí)際情況相差較多，同時(shí)不利于研究背壓對(duì)射流霧化的影響。下吹式風(fēng)洞的氣流總壓可調(diào)，但是其在相同空氣流量和馬赫數(shù)下試驗(yàn)段會(huì)偏小很多，同時(shí)由于高壓氣體的注入，容易引起試驗(yàn)段氣流品質(zhì)的不均勻與不穩(wěn)定，所以需要一系列的空氣整流裝置。不管是吸氣式風(fēng)洞或者下吹式風(fēng)洞，超聲速流場的高均勻性和低湍流度特性都是衡量風(fēng)洞設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，改善流動(dòng)品質(zhì)的一般原則是提高噴管入口流動(dòng)穩(wěn)定性和均勻性，盡量在噴管收縮段將流動(dòng)邊界層抑制到最小，常用方法如下:一，在穩(wěn)定段加裝整流器，整流器一般包括蜂窩器和阻尼網(wǎng)；二，增加穩(wěn)定段長度，氣流在長徑比大于10的穩(wěn)定段內(nèi)實(shí)現(xiàn)流動(dòng)的整流?三’增加穩(wěn)定段截面尺寸，降低穩(wěn)定段內(nèi)氣流速度；四，在噴管喉部前設(shè)計(jì)邊界層抽吸裝置。
[0005]在試驗(yàn)研究中，不可或缺地應(yīng)用流動(dòng)顯示技術(shù)。粒子圖像測(cè)速(PIV)技術(shù)和基于納米技術(shù)的平面激光散射(NPLS)技術(shù)均是常用的先進(jìn)的流動(dòng)顯示技術(shù)，但是存在納米粒子加注的問題，一是納米粒子的團(tuán)聚問題，二是納米粒子與氣流的連續(xù)、均勻摻混問題。使用納米粒子發(fā)生器能夠一定程度上緩解團(tuán)聚現(xiàn)象的發(fā)生，但不可避免；納米粒子與氣流的均勻摻混一般采用將納米粒子直接加入氣流中的方式進(jìn)行，納米粒子與氣流在流動(dòng)過程中自由摻混；炮風(fēng)洞中則是將納米粒子與氣體預(yù)先混合均勻，再進(jìn)行氣流的加速。納米粒子與氣體預(yù)先混合的方式能夠達(dá)到最佳混合效果，但局限于特定情況下使用(如炮風(fēng)洞)，多數(shù)情況下納米粒子與氣體的混合采用自由摻混的方式，但是自由摻混往往無法將納米粒子均勻撒布在氣流中。
[0006]針對(duì)超聲速氣流中液體橫向射流的試驗(yàn)研究，國內(nèi)外已有風(fēng)洞系統(tǒng)主要存在以下問題:
[0007]1.在吸氣式風(fēng)洞中進(jìn)行橫向射流研究無法模擬真實(shí)飛行狀態(tài)下的來流雷諾數(shù)，而雷諾數(shù)是流動(dòng)相似的重要參數(shù)；同時(shí)由于來流總壓限制，吸氣式風(fēng)洞中不易進(jìn)行背壓影響研究試驗(yàn)。
[0008]2.風(fēng)洞穩(wěn)定段加裝整流器裝置，能夠起到一定整流效果，但總壓損失大，同時(shí)整流器空間長度較大，特別是對(duì)于下吹式風(fēng)洞，穩(wěn)定段和整流器長度更大，無法在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效的降低流場湍流度的目的。
[0009]3.噴管前加裝抽吸裝置的方式能夠有效降低流場湍流度，提高流場均勻性，但是抽吸裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí) 現(xiàn)難度大，且該方法仍需配合整流裝置使用。
[0010]4.納米粒子布撒存在問題,不能進(jìn)一步改善納米粒子的團(tuán)聚問題,納米粒子與氣體混合的過程屬于被動(dòng)混合過程，主要是在流動(dòng)過程中的自然混合，不能實(shí)現(xiàn)納米粒子均勻布撒的最佳效果。
[0011]5.供應(yīng)管路壓力波動(dòng)與風(fēng)洞穩(wěn)定段內(nèi)壓力波動(dòng)易產(chǎn)生相混干擾，影響下游流場的穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，提供一種利于納米粒子均勻布撒的超聲速氣流生成系統(tǒng)，能夠隔絕供應(yīng)管路與風(fēng)洞穩(wěn)定段壓力波動(dòng)的互相干擾，提供均勻、連續(xù)、低湍流度、高總壓的超聲速氣體來流，并實(shí)現(xiàn)納米粒子在高壓氣流中的均勻布撒。
[0013]本發(fā)明一種利于納米粒子均勻布撒的超聲速氣流生成系統(tǒng)，包括依次固定連接的第一穩(wěn)定段、第二穩(wěn)定段、噴管試驗(yàn)段、出口段；
[0014]所述第一穩(wěn)定段包括腔體、氣體入口、納米粒子入口、孔節(jié)流件、穩(wěn)定網(wǎng)；穩(wěn)定網(wǎng)位于腔體中間的位置，將腔體分為第一穩(wěn)定段前部和第一穩(wěn)定段后部；氣體入口對(duì)稱分布在第一穩(wěn)定段前部的兩側(cè)；氣體入口與高壓氣源相連；
[0015]所述納米粒子入口分布在第一穩(wěn)定段前部靠近氣體入口的位置，納米粒子入口與氣體入口軸線垂直相交。
[0016]另外還包括孔節(jié)流件，孔節(jié)流件安裝于氣體入口處。[0017]進(jìn)一步，所述第二穩(wěn)定段包括穩(wěn)定段腔體和整流器，為矩形等截面，穩(wěn)定段腔體的長徑比大于10 ;整流器固定安裝于穩(wěn)定段腔體靠近第一穩(wěn)定段的部分。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:
[0019]I)超聲速氣流生成系統(tǒng)為下吹式風(fēng)洞，高壓氣源提供風(fēng)洞啟動(dòng)所需介質(zhì)及能量，通過改變氣源供應(yīng)壓力實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞氣流的總壓可調(diào)。
[0020]2)組合方式進(jìn)行流動(dòng)整流，減小超聲速噴管出口氣流湍流度，風(fēng)洞流場湍流度低。組合方式包括:提高噴管收縮比、對(duì)沖式進(jìn)氣方式、增加穩(wěn)定網(wǎng)、加裝整流器。
[0021]3)氣體入口設(shè)計(jì)安裝孔節(jié)流件，隔絕上下游壓力波動(dòng)的互相干擾。合理設(shè)計(jì)孔節(jié)流件大小，使氣體在通過孔節(jié)流件時(shí)達(dá)到節(jié)流條件，從而使孔節(jié)流件下游的壓力波動(dòng)無法向上游傳遞，防止穩(wěn)定段內(nèi)的壓力波動(dòng)引起流量的不穩(wěn)定，從而保證全系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。
[0022]4)氣體入口附近設(shè)計(jì)納米粒子入口，納米粒子入口與氣體入口相互垂直，利用氣流的撞擊作用進(jìn)一步破壞納米粒子的團(tuán)聚，同時(shí)使空氣與納米粒子充分混合；配合下游的整流器和較長距離的第二穩(wěn)定段實(shí)現(xiàn)納米粒子的均勻布撒。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1:本發(fā)明總體示意圖
[0024]圖2:本發(fā)明第一穩(wěn)定段結(jié)構(gòu)圖
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0026]本發(fā)明包括依次固定連接的第一穩(wěn)定段1、第二穩(wěn)定段2、噴管試驗(yàn)段3、出口段4。
[0027]第一穩(wěn)定段I包括腔體11、氣體入口 12、納米粒子入口 13、孔節(jié)流件14、穩(wěn)定網(wǎng)15、第一穩(wěn)定段前部16和第一穩(wěn)定段后部17。穩(wěn)定網(wǎng)15位于腔體11大約中間的位置，將腔體11分為第一穩(wěn)定段前部16和第一穩(wěn)定段后部17。氣體入口 12對(duì)稱分布在第一穩(wěn)定段前部16的兩側(cè)；孔節(jié)流件14分別安裝于氣體入口 12處；氣體通過孔節(jié)流件14由氣體入口 12進(jìn)入第一穩(wěn)定段前部16，由于孔節(jié)流件14的節(jié)流作用，氣體入口 12前壓力大于第一穩(wěn)定段前部16中壓力；高壓儲(chǔ)氣罐提供風(fēng)洞運(yùn)行所需的氣體供應(yīng)，氣體從高壓儲(chǔ)氣罐中流出，通過管道及閥門控制與氣體入口 12相連。
[0028]納米粒子入口 13分布在第一穩(wěn)定段前部16靠近氣體入口 12的位置，納米粒子入口 13與氣體入口 12軸線垂直相交；納米粒子由納米粒子入口 13進(jìn)入第一穩(wěn)定段前部16，與氣體入口 12處的氣流相互撞擊并摻混；由于穩(wěn)定網(wǎng)15的作用，氣體在第一穩(wěn)定段前部16中壓力大于第一穩(wěn)定段后部17壓力,氣流在第一穩(wěn)定段前部16內(nèi)比較穩(wěn)定,然后通過穩(wěn)定網(wǎng)15進(jìn)入第一穩(wěn)定段后部17 ;第一穩(wěn)定段后部17為縮口形狀，第一穩(wěn)定段I出口與第二穩(wěn)定段2入口相連接。
[0029]第二穩(wěn)定段2包括穩(wěn)定段腔體21和整流器22，為矩形等截面。整流器22固定安裝于穩(wěn)定段腔體21靠近第一穩(wěn)定段I的部分。穩(wěn)定段腔體21的長徑比大于10，有助于流動(dòng)穩(wěn)定。氣流進(jìn)入第二穩(wěn)定段2首先經(jīng)過整流器22整流然后進(jìn)入穩(wěn)定段腔體21下游部分，穩(wěn)定段腔體21下游部分使氣流進(jìn)一步均勻、穩(wěn)定。
[0030]噴管試驗(yàn)段3包括超聲速噴管部31和試驗(yàn)部32。超聲速噴管部31通過特征線法設(shè)計(jì)，用于加速氣流，超聲速噴管部31與第二穩(wěn)定段2相連，氣流進(jìn)入超聲速噴管部31，進(jìn)而逐漸加速直至超聲速；超聲速氣流進(jìn)入試驗(yàn)部32，試驗(yàn)部32四面開窗，試驗(yàn)件安裝在底部面板上，其余三面用光學(xué)玻璃窗密封，便于流廠觀測(cè)。
[0031]出口段4主要特征為變截面轉(zhuǎn)接裝置。出口段4位于噴管試驗(yàn)段3下游，用于試驗(yàn)部32中氣流的排放，出口段4的出口直接與大氣環(huán)境相連通。
[0032]另外，在第一穩(wěn)定段前部16、第一穩(wěn)定段后部17、第二穩(wěn)定段后部布有壓力測(cè)量孔，安裝傳感器測(cè)量壓力。
[0033]噴管試驗(yàn)段3和出口段4的設(shè)計(jì)方法為本領(lǐng)域的公知常識(shí)。
[0034]雖然結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)作出各種變形或修改。
【權(quán)利要求】
1.一種利于納米粒子均勻布撒的超聲速氣流生成系統(tǒng)，包括依次固定連接的第一穩(wěn)定段(I)、第二穩(wěn)定段(2)、噴管試驗(yàn)段(3)、出口段(4)； 所述第一穩(wěn)定段(I)包括腔體(11)、氣體入口(12)、納米粒子入口(13)、孔節(jié)流件(14)、穩(wěn)定網(wǎng)(15);穩(wěn)定網(wǎng)(15)位于腔體(11)中間的位置，將腔體(11)分為第一穩(wěn)定段前部(16)和第一穩(wěn)定段后部(17);氣體入口(12)對(duì)稱分布在第一穩(wěn)定段前部(16)的兩側(cè)；氣體入口(12)與高壓氣源相連； 所述納米粒子入口(13)分布在第一穩(wěn)定段前部(16)靠近氣體入口(12)的位置，納米粒子入口(13)與氣體入口(12)軸線垂直相交。
2.如權(quán)利要求1所述的一種利于納米粒子均勻布撒的超聲速氣流生成系統(tǒng)，其特征在于還包括孔節(jié)流件(14)，孔節(jié)流件(14)安裝于氣體入口(12)處。
3.如權(quán)利要求1所述的一種利于納米粒子均勻布撒的超聲速氣流生成系統(tǒng)，其特征在于所述第二穩(wěn)定段(2)包括穩(wěn)定段腔體(21)和整流器(22)，為矩形等截面，穩(wěn)定段腔體(21)的長徑比大于10 ;整流器(22)固定安裝于穩(wěn)定段腔體(21)靠近第一穩(wěn)定段(I)的部分。
【文檔編號(hào)】G01M9/02GK103969020SQ201310382522
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2013年8月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月23日
【發(fā)明者】吳里銀, 李清廉, 趙玉新, 王振國 申請(qǐng)人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)