CN102607760A - 激波加载固定颗粒群非稳态力直接测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激波加载固定颗粒群非稳态力直接测量装置。高压气源与激波管相连，测试段的同一径向截面开有等分分布的小孔，一根金属丝的一端穿过小孔将颗粒模型串联形成球阵模型固定于测试段孔内，测试段下方设有固定底座，四根连杆穿过固定底座上盖板后，将笼状支架顶盖和笼状支架底盖固连，压力传感器的一端穿过固定底座上盖板直至笼状支架底盖，底盖内孔间充有油液，压力传感器与高速数据采集系统相连，一根金属丝的另一端穿过笼状支架顶盖中心孔固定；动态测力计的探头通过另一根金属丝、圆环扣和一根金属丝的一端连接。本发明实现激波加载固定颗粒群非稳态力的直接测量，开展激波与颗粒群相互作用机理以及激波诱导气固两相流特性研究。

Description

激波加载固定颗粒群非稳态力直接测量装置

技术领域

本发明涉及一种测量力的实验装置，尤其是涉及激波与颗粒群相互作用以及可压缩气固两相流的一种激波加载固定颗粒群非稳态力直接测量装置。

背景技术

跨声速和超声速气流中的气固两相流现象涉及流体机械、安全防控、医疗器械、航空航天等众多重要领域，而建立颗粒群受力的精确数理模型是学术界关心和力求解决的问题，也是实现相关领域技术研发和工程应用的基础。超声速、跨声速气固两相流中通常伴随激波现象，涉及激波与颗粒、气流与颗粒、颗粒与颗粒的相互作用等动力学问题。国内外对颗粒受力的研究途径主要有两种，其一是针对颗粒模型结合理论建模和数值计算获得气相流场参数，利用力与压应力和剪切应力的积分关系确定颗粒受力，由于计算量的限制仅适用于极少量颗粒情形；其二是针对颗粒模型开展实验测试颗粒受力，目前主要采用的是光学法测量，即根据高速摄影捕获的颗粒（群）运动图像，求得加速度，进而确定颗粒（群）受力，这种方法存在流场参数不能稳定控制的缺陷，难以获得精确的阻力系数关系式，此外，就是针对单球的直接测力，保证了流场参数的稳定，但其结果未能考虑临近颗粒之间的激波结构和尾迹涡结构相互干涉的影响，直接应用到颗粒群情形势必存在一定的本质偏差。为此，需要设计针对颗粒群直接测力的实验装置和方法，建立超声速、跨声速气相流动条件下的颗粒群阻力系数模型。

发明内容

针对上述背景技术中所存在的问题，本发明的目的在于提供一种激波加载固定颗粒群非稳态力直接测量装置，可用于激波与颗粒群相互作用机理以及颗粒群阻力系数模型的实验研究。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

本发明包括：高压气源、驱动段、被驱动段、测试段、金属丝、颗粒模型、笼状支架顶盖、连杆、笼状支架底盖、压力传感器、固定底座、高速数据采集系统、动态测力计和圆环扣；驱动段与被驱动段连接组成激波管，高压气源与驱动段相连，测试段与被驱动段相连，测试段的同一径向截面开有36等分分布的小孔，一根金属丝的首端穿过小孔将颗粒模型串联形成球阵模型固定于测试段孔内后，末端通过打结方式固定于测试段外壁，测试段下方设有压力传感器的固定底座，等距分布四根连杆穿过固定底座上盖板后，将笼状支架顶盖与位于固定底座上盖板下面的笼状支架底盖固连成一体，压力传感器的一端穿过固定底座上盖板直至笼状支架底盖，通过传感器螺纹连接环在固定底座上盖板下端面锁紧，压力传感器的一端与笼状支架底盖内孔间充有油液，压力传感器与高速数据采集系统相连，一根金属丝的首端穿过笼状支架顶盖中心孔拉紧固定，所述金属丝与笼状支架顶盖相垂直；动态测力计的探头通过另一根金属丝、圆环扣和一根金属丝的一端拉拽颗粒模型，实现同步进行动态力和动态压力测量。

所述的测试段为透明有机玻璃圆管，测试段同一径向截面均匀分布的36个小孔的孔径为Φ1.5mm。

所述的颗粒模型为Φ8mm～Φ20mm直径的不锈钢球，每个颗粒模型上开设两个相互垂直、直径为Φ1.5mm的小孔，金属丝直径为Φ1.2mm。

所述的球阵模型为两球模型或三球模型。

本发明具有的有益效果是：

本发明的透明测试段可进行激波结构和颗粒群尾迹涡动态纹影图像的可视化观测，能形成数量、排布、间距不同的球阵模型，利用动态测力计可以对激波和波后气流作用于球阵模型引起的动态压力传感器的压强信号进行力标定，从而实现激波加载颗粒群非稳态受力的直接测量，为开展激波与颗粒群相互作用机理以及激波诱导气固两相流特性研究提供了一种可靠、便捷、高效的实验装置和测试方法。

附图说明

图1是激波加载固定颗粒群非稳态力直接测量装置示意图。

图2是图1中A放大图。

图3是一种两球模型金属丝穿连线路示意图。

图4是另一种三球模型金属丝穿连线路示意图。

图中：1、高压气源，2、驱动段，3、被驱动段，4、测试段，5、金属丝，6、颗粒模型，7、笼状支架顶盖，8、连杆，9、笼状支架底盖，10、压力传感器，11、固定底座，12、高速数据采集系统，13、动态测力计，14、圆环扣，15、探头，16、底座上盖板，17、金属丝，18、传感器螺纹连接环。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1、图2所示，本发明包括：高压气源1、驱动段2、被驱动段3、测试段4、金属丝5、颗粒模型6、笼状支架顶盖7、连杆8、笼状支架底盖9、压力传感器10、固定底座11、高速数据采集系统12、动态测力计13和圆环扣14；驱动段2与被驱动段3连接组成激波管，高压气源1与驱动段2相连，测试段4与被驱动段3相连，测试段4的同一径向截面开有36等分分布的小孔，一根金属丝5的一端穿过小孔将颗粒模型6串联形成球阵模型固定于测试段4孔内后，固定于测试段4外壁，测试段4下方设有压力传感器10的固定底座11，等距分布四根连杆8穿过固定底座上盖板16后，将笼状支架顶盖7与位于固定底座上盖板16下面的笼状支架底盖9固连成一体，压力传感器10的一端穿过固定底座上盖板16直至笼状支架底盖9，通过传感器螺纹连接环18在固定底座11上盖板下端面锁紧，压力传感器10的一端与笼状支架底盖9内孔间充有油液，压力传感器10与高速数据采集系统12相连，一根金属丝5的另一端穿过笼状支架顶盖7中心孔拉紧固定，所述金属丝5与笼状支架顶盖7相垂直；动态测力计13的探头15通过另一根金属丝17、圆环扣14和一根金属丝5的一端拉拽颗粒模型6，实现同步进行动态力和动态压力测量。压力传感器10与高速数据采集系统12组合获得动态压力数据，动态测力计13通过细金属丝5和圆环扣14拉拽球阵模型过程可同步进行动态力和动态压力测量，据此进行动态压力信号与球阵模型非稳态力关系的标定，进而把动态压力测量数据转换为动态力数据。

所述的测试段4为透明有机玻璃圆管，测试段4同一径向截面均匀分布的36个小孔的孔径为Φ1.5mm。

所述的颗粒模型6为Φ8mm～Φ20mm直径的不锈钢球，每个颗粒模型6上开设两个相互垂直、直径为Φ1.5mm的小孔，由直径更小的金属丝5的钢球穿连，结合测试段壁面均布小孔，形成数量、排布、间距不同的球阵模型。金属丝5直径为Φ1.2mm。 

如图3所示，所述的球阵模型为两球模型或三球模型。

图3中箭头为金属丝穿连方向，球上数字为球编号，字母“A～F”为金属丝穿过壁面小孔的先后次序。金属丝从壁面A孔穿入，经过不锈钢球1水平孔后由壁面孔B穿出，再由C孔穿入经不锈钢球2水平孔后由壁面D孔穿出，继而由壁面正上方E孔穿入后经球1、球2垂直孔，最后由壁面正下方F孔穿出，形成两球球阵模型，球的间距可通过调整AB和CD连线间距实现。

如图4所示，所述的球阵模型为两球模型或三球模型。

图4中箭头为金属丝穿连方向，球上数字为球编号，字母 “A～J”为金属丝穿过壁面小孔的先后次序。金属丝从壁面A孔穿入，经过不锈钢球1水平孔后由壁面孔B穿出，再由C孔穿入经不锈钢球2垂直孔后由壁面D孔穿出，再由E孔穿入经不锈钢球2、3水平孔后由壁面F孔穿出，既而由壁面G孔穿入后经球3垂直孔后由H孔穿出，最后由壁面I孔穿入后经不锈钢球1垂直孔后由壁面J孔穿出，形成三球球阵模型，同时通过调整AB与EF连线间距以及CD与HG间距实现球的间距调控。

所述的压力传感器10为高频冲击波压力传感器，高速数据采集系统12具有1MHz以上的数采频率，激波作用于颗粒球阵时采集动态压力数据；动态测力计13探头通过金属丝17和环扣14与模型球阵相连，拉拽探头过程同步进行动态力和动态压力测量，据此进行动态压力信号与球阵模型非稳态力关系的标定，进而把动态压力数据转换为动态力数据。

本发明的工作原理为：

压缩气体从高压气源1经管道缓慢注入激波管的驱动段2，当驱动段2与被驱动段3压差到达膜片承受极限时膜片瞬间破裂，由于压力间断的存在导致向被驱动段超声速运动激波的产生，激波后的气流也作高速运动（超声速和亚声速都可能）。当激波达到球阵模型时，激波和激波后气流分别施加于颗粒压差力和剪切力，金属丝5在颗粒球阵受力后绷紧，并将力信号传递给安装于固定底座上的动态压力传感器转为电荷信号，经过高速数据采集系统的信号放大和信号转换后输出并记录动态压力（压强）数据。利用动态测力计圆盘触碰球阵模型，同步进行动态力和动态压力（压强）测量，据此对两种信号进行关系标定，最后将相同条件下测得的动态压力数据转换为非稳态力数据，从而实现激波加载颗粒群非稳态力的直接测量。

本发明中由驱动段2和被驱动段3组成水平的激波管（根据需要在市场上选购），激波的产生可以通过膜片两侧压差达到承受极限自然破膜时构造的强压力间断实现（无膜方式、机械破膜和熔断破膜均可）。为了满足激波以及波后气流马赫数的不同要求，高压气源1可以采用高压气瓶存储的氦气、氮气等压缩气体作为驱动气体，也可以采用压缩机压缩经净化处理后的干燥空气作为驱动气体，被驱动段可以连接真空腔室，利用真空泵达到所需要的被驱动段压力，并且采用不同厚度膜片。

本发明的测试段4由透明有机玻璃管制成，内径与激波管被驱动段3的一致、壁厚接近于被驱动段3的两倍、长度约为最大模型球直径的15倍，其中，壁厚的选取主要出于测试段强度的考虑，长度的选取是要保证透射与反射激波动态结构以及颗粒尾迹涡动态演变的纹影观测具有足够的视野范围，同时兼顾穿连颗粒模型6形成球阵模型操作的便捷性。测试段4轴线中心位置处的管壁上沿横截面均匀可设36个直径Ф1.5mm为小孔，选取Ф8mm-Ф20mm直径的不锈钢球作为颗粒模型6，在每个颗粒模型6上开设直径为Ф1.5mm相互垂直的两个小孔，采用直径为Ф1.2mm的高强度细金属丝5将颗粒模型6穿连，形成不同数量、排布、间距的球阵模型。以两球模型为例，如图2(a)所示，金属丝从壁面A孔穿入，经过不锈钢球1水平孔后由壁面孔B穿出，再由C孔穿入经不锈钢球2水平孔后由壁面D孔穿出，继而由壁面正上方E孔穿入后经球1、球2垂直孔，最后由壁面正下方F孔穿出，形成两球球阵模型，球的间距可通过调整AB和CD连线间距实现。三球模型的穿连线路如图2(b)所示。

本发明中金属丝5由测试段4穿出后，与笼状支架顶盖7固连，固定金属丝5两端时通过适当拉紧使其具有一定预紧力，四个连杆8无阻碍的穿过固定底座11上盖板将笼状支架底盖9与顶盖7固连，压力传感器10为最高响应频率能达到1MHz的高频冲击波压力传感器，安装于固定底座11上盖板的笼状支架内部并与支架底盖9接触连接，压力传感器10通过数据线与具有1MHz以上的瞬态数据采集频率的高速数据采集系统12连接。当激波到达球阵模型时，颗粒群受力引起金属丝5张力瞬时变化，动态力信号通过笼状支架无阻碍地传递给压力传感器10并转为电荷信号，经过高速数据采集系统12的信号放大和信号转换，由显示屏输出动态压力曲线，相应数据同时被存储于高速数据采集系统12的存储器中，通过其自带的USB接口将数据取出，若数采系统具有网络传输功能，也可直接通过内部网络将数据转移到个人电脑，以便后续处理。

本发明中的动态测力计13探头通过细金属丝5和小圆环扣与球阵模型相连，使用时拉拽动态测力计13探头，使模型球阵受动态力作用，一方面球阵模型上的力信号传给动态压力传感器10经高速数据采集系统处理后转换为动态压力数据，同时，球阵模型的反作用力信号传给动态测力计13探头经信号放大转换处理获得动态力数据，由于两种数据是同一条件下针对同一球阵模型测得的作用与反作用信号，根据牛顿第三定律可以将同步获得的动力压力数据和动态力数据进行对应关系拟合，从而完成动态压力（压强）的动态力标定。利用所建立的拟合关系即可将激波加载球阵模型上的动态压力数据转换为动态力数据。

    本发明实施时，其工作流程为：（1）选定高压气源1的压缩气体类型；（2）安装一定厚度的激波管膜片；（3）利用金属丝5穿连形成一定数量、排布和间距的球阵模型；（4）往激波管驱动段2注气使膜片破裂产生运动激波；（5）激波加载球阵模型使其受力促发动态压力传感器工作，高速数据采集系统输出并记录动态压力数据，通过USB接口或者内部网转移数据到个人电脑；（6）将动态测力计13探头通过细金属丝5和小圆环扣14与球阵模型相连；（7）拉拽探头使球阵模型受动态力作用，动态测力计13和动态压力传感器10同时工作，进行动态力和动态压力的同步测量；（8）建立同一条件下两种数据的拟合关系，将激波加载球阵模型的动态压力数据转换为动态力数据。从步骤（1）-（8）构成一个工况下激波加载颗粒群非稳态力的直接测量的完整工作流程，如果高压气源1不变更，则省去步骤（1），如果球阵模型不变更则省去步骤（3），其他步骤一般不可省，但步骤（8）可在所有实验完成后一起实施。

Claims (4)

1.一种激波加载固定颗粒群非稳态力直接测量装置，其特征在于，包括：高压气源(1)、驱动段(2)、被驱动段(3)、测试段(4)、金属丝(5)、颗粒模型(6)、笼状支架顶盖(7)、连杆(8)、笼状支架底盖(9)、压力传感器(10)、固定底座(11)、高速数据采集系统(12)、动态测力计(13)和圆环扣(14)；驱动段(2)与被驱动段(3)连接组成激波管，高压气源(1)与驱动段(2)相连，测试段(4)与被驱动段(3)相连，测试段(4)的同一径向截面开有36等分分布的小孔，一根金属丝(5)的一端穿过小孔将颗粒模型(6)串联形成球阵模型固定于测试段(4)孔内后，固定于测试段(4)外壁，测试段(4)下方设有压力传感器(10)的固定底座(11)，等距分布四根连杆(8)穿过固定底座上盖板(16)后，将笼状支架顶盖(7)与位于固定底座上盖板(16)下面的笼状支架底盖(9)固连成一体，压力传感器(10)的一端穿过固定底座上盖板(16)直至笼状支架底盖(9)，通过传感器螺纹连接环(18)在固定底座(11)上盖板下端面锁紧，压力传感器(10)的一端与笼状支架底盖(9)内孔间充有油液，压力传感器(10)与高速数据采集系统(12)相连，一根金属丝(5)的另一端穿过笼状支架顶盖(7)中心孔拉紧固定，所述金属丝(5)与笼状支架顶盖(7)相垂直；动态测力计(13)的探头(15)通过另一根金属丝(17)、圆环扣(14)和一根金属丝(5)的一端拉拽颗粒模型(6)，实现同步进行动态力和动态压力测量。

2.根据权利要求1所述的一种激波加载固定颗粒群非稳态力直接测量装置，其特征在于：所述的测试段(4)为透明有机玻璃圆管，测试段(4)同一径向截面均匀分布的36个小孔的孔径为Φ1.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种激波加载固定颗粒群非稳态力直接测量装置，其特征在于：所述的颗粒模型(6)为Φ8mm～Φ20mm直径的不锈钢球，每个颗粒模型(6)上开设两个相互垂直、直径为Φ1.5mm的小孔，金属丝(5)直径为Φ1.2mm。

4.根据权利要求1所述的一种激波加载固定颗粒群非稳态力直接测量装置，其特征在于：所述的球阵模型为两球模型或三球模型。

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