CN103207043A - 激波与模型球相互作用的非稳态力直接测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激波与模型球相互作用的非稳态力直接测量装置。包括高压气源、驱动段、电磁阀、被驱动段、实验段、模型球、真空箱和高速数据采集系统；驱动段的一端与被驱动段的一端通过电磁阀连接组成激波管，高压气源与驱动段的另一端相连，实验段的一端与被驱动段的另一端相连，实验段的另一端与真空箱的一端相连，实验段内模拟球中的加速度计传感器的信号线与高速数据采集系统连接。本发明可以精确的控制驱动段与被驱动段之间的压力比，形成稳定的激波马赫数。模型球两半球通过内置的电磁铁与螺纹连接，不会对激波及波后气流的结构产生影响，利用加速度计传感器与高速数据采集系统实现对激波与模型球相互作用的非稳态力的直接测量。

Description

激波与模型球相互作用的非稳态力直接测量装置
技术领域
本发明涉及一种力的直接测量装置，尤其是涉及一种激波与模型球相互作用的非稳态力的直接测量装置。
背景技术
激波驱动的气固两相流现象普遍存在于自然界中，并在很多工业生产中有着重要应用，例如：火山喷发时激波与固体岩石的相互作用；固体燃料推动剂喷管中的燃烧流动等。开展激波诱导的气固两相流研究，其关键科学问题之一是探索激波驱动下的气固两相流动特性，掌握激波加载颗粒群曳力的影响规律。通过实验手段精确测量和数据分析，来揭示激波与颗粒群的相互作用机理并总结归纳非稳态力的影响规律，是非常有效的研究方法，这主要依赖为此专门设计的实验装置和模型球。对比文献【Shock wave interaction with a sphere in a shock tube】March 22-24, 2004 “Symposium on Interdisciplinary Shock Wave Research”Sendai, Japan，首先采用将两个半球通过沉头螺栓连接固定形成模型球的方法，但是较严重地破坏了球面几何结构，会造成激波结构和绕球流场的失真；以往采用的以大气环境压力为低压段初始压力的方式严重限制了激波马赫数的上限，难以满足较高马赫数的实验要求，如果通过增大高压端压力实现，势必对高压段的强度设计提出更苛刻的要求；此外，通过压差导致膜片破裂的自然破膜产生激波的方式存在破膜压力随机性较大，产生激波马赫数不稳定的缺陷，不利于试验参数的精确控制。
发明内容
针对上述背景技术中所存在的激波结构和绕球流场的失真，难以满足较高马赫数的实验要求，激波马赫数不稳定，不利于实验参数的精确控制的问题；本发明的目的在于提供一种激波与模型球相互作用的非稳态力的直接测量装置。
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、电磁阀、被驱动段、实验段、模型球、真空箱和高速数据采集系统；驱动段的一端与被驱动段的一端通过电磁阀连接组成激波管，高压气源与驱动段的另一端相连，实验段的一端与被驱动段的另一端相连，实验段的另一端与真空箱的一端相连，实验段内模拟球中的加速度计传感器的信号线与高速数据采集系统连接。
所述模型球分为大半球和小半球，大半球最大截面处有一个金属丝安装孔，金属丝穿过金属丝安装孔用金属丝固定胶固定，金属丝的两端分别固定在连接法兰上，大半球截面处中心有凸台，凸台内有用于安装加速度计传感器的安装孔，大半球凸台有外连接螺纹和环形电磁铁安装槽，小半球截面处中心有内连接螺纹和环形电磁铁安装槽，大半球和小半球构成的槽内安装环形电磁铁，通过外连接螺纹和内连接螺纹连接形成模型球，模型球中的加速度计传感器的信号线与高速数据采集系统连接。
本发明具有的有益效果是：
本发明实验段的一端与真空箱的一端相连，真空箱可以将激波管中的空气抽掉，形成真空，这样可以使驱动段与被驱动段之间形成很大的压力比，产生大的激波马赫数，驱动段的一端与被驱动段的一端通过电磁阀连接组成激波管，电磁阀可以精确的控制驱动段与被驱动段之间的压力比，形成稳定的激波马赫数。模型球两半球通过内置的电磁铁与螺纹连接，连接非常可靠，模型球表面很光滑，不会造成激波结构和绕球流场的失真，利用加速度计传感器与高速数据采集系统实现对激波与模型球相互作用的非稳态力的直接测量。为后续的研究提供了一种很好的实验装置和测试方法。
附图说明
图1是激波管实验的总体图。
图2是模型球装配剖面图。
图3是模型球两半球剖面图。
图4是模型球大半球右视图。
图中：1、高压气源，2、驱动段，3、电磁阀，4、被驱动段，5、高速数据采集系统，6、连接法兰，7、实验段，8、金属丝，9、金属丝固定胶，10、模型球，11、加速度计传感器，12、真空箱，13、信号线，14、封口橡皮泥，15、连接管，16、加速度计传感器固定胶，17、小半球，18、环形电磁铁，19、金属丝安装孔，20、大半球，21、外连接螺纹，22、内连接螺纹，23、安装孔。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。
如图1、图2、图3、图4所示，本发明包括高压气源1、驱动段2、电磁阀3、被驱动段4、实验段7、模型球10、真空箱12和高速数据采集系统5；驱动段2的一端与被驱动段4的一端通过电磁阀3连接组成激波管，高压气源1与驱动段2的另一端相连，实验段7的一端与被驱动段4的另一端相连，实验段7的另一端与真空箱12的一端相连，实验段7内模拟球10中的加速度计传感器11的信号线13与高速数据采集系统5连接。
所述实验段7的一端与真空箱12的一端相连，真空箱12可以将激波管中的空气抽掉，形成真空，这样可以使驱动段2与被驱动段4之间形成很大的压力比，产生大的激波马赫数，所述模型球10分为大半球20和小半球17，大半球20最大截面处有一个金属丝安装孔19，金属丝8穿过金属丝安装孔19用金属丝固定胶9固定，金属丝8的两端分别固定在连接法兰 6上，大半球20截面处中心有凸台，凸台内有用于安装加速度计传感器11的安装孔23，大半球20 凸台有外连接螺纹21和环形电磁铁安装槽，小半球17截面处中心有内连接螺纹22和环形电磁铁安装槽，大半球20和小半球17构成的槽内安装环形电磁铁18，通过外连接螺纹20和内连接螺纹22连接形成模型球10，这样连接非常牢靠；模型球外表面很光滑，不会造成激波结构和绕球流场的失真，模型球10中的加速度计传感器11的信号线13与高速数据采集系统5连接，实现非稳态力直接测量，信号线13用封口橡皮泥14固定。
所述驱动段2的一端与被驱动段4的一端通过电磁阀3连接组成激波管，电磁阀3可以精确的控制驱动段2与被驱动段4之间的压力比，形成稳定的激波马赫数。
所述电磁阀3型号为SN20110907225901612，加速度计传感器11型号为TST266A01，高速数据采集系统5型号为TST5910。
本发明的工作原理如下：
驱动段的一端与被驱动段的一端通过电磁阀连接组成激波管，高压气源与驱动段的另一端相连，实验段的一端与被驱动段的另一端相连，实验段的另一端与真空箱的一端相连，模型球大半球最大截面处有一个金属丝安装孔，金属丝穿过金属丝安装孔用金属丝固定胶将模型球固定在实验段内，金属丝通过连接法兰固定在实验段外部，大半球截面处中心有凸台，凸台内有用于安装加速度计传感器的安装孔，大半球凸台有外连接螺纹和环形电磁铁安装槽，小半球截面处中心有内连接螺纹和环形电磁铁安装槽，大半球和小半球构成的槽内安装环形电磁铁，通过外连接螺纹和内连接螺纹连接形成模型球，这样连接非常牢靠。模型球外表面很光滑，不会造成激波结构和绕球流场的失真，加速度计传感器与信号线通过连接管连接，实验段有信号输出孔，模型球中的加速度计传感器的信号线通过实验段上的信号线输出孔穿过实验段，与实验段外的高速数据采集系统连接，用封口橡皮泥填满安装孔中信号线空余的空间，实验前，真空箱把激波管中的空气抽掉，形成真空，这样可以使驱动段与被驱动段之间形成很大的压力比，产生大的激波马赫数，高压气体从高压气源进入驱动段，当驱动段内的气体压力达到电磁阀规定的压力时，阀门打开，高压气体进入被驱动段内，形成规定的马赫数激波，电磁阀可以精确的控制驱动段与被驱动段之间的压力比，形成稳定的激波马赫数。 实验的重复性很好，当规定的马赫数激波到达实验段，冲击到模型球时，模型球内的加速度计传感器采集到力信号，通过信号线将力信号输送到高速数据采集系统中，储存力信号，这样就实现了激波与模型球非稳态力的直接测量。

Claims (2)

1.一种激波与模型球相互作用的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)、电磁阀(3)、被驱动段(4)、实验段(7)、模型球(10)、真空箱(12)和高速数据采集系统(5)；驱动段(2)的一端与被驱动段(4)的一端通过电磁阀(3)连接组成激波管，高压气源(1)与驱动段(2)的另一端相连，实验段(7)的一端与被驱动段(4)的另一端相连，实验段(7)的另一端与真空箱(12)的一端相连，实验段(7)内模拟球(10)中的加速度计传感器(11)的信号线(13)与高速数据采集系统(5)连接。
2.根据权利要求1所述的一种激波与模型球相互作用的非稳态力直接测量装置，其特征在于：所述模型球(10)分为大半球(20)和小半球(17)，大半球(20)最大截面处有一个金属丝安装孔(19)，金属丝(8)穿过金属丝安装孔(19) 用金属丝固定胶(9)固定，金属丝(8)的两端分别固定在连接法兰(6)上，大半球(20)截面处中心有凸台，凸台内有用于安装加速度计传感器(11)的安装孔(23)，大半球(20)凸台有外连接螺纹(21)和环形电磁铁安装槽，小半球(17)截面处中心有内连接螺纹(22)和环形电磁铁安装槽，大半球(20)和小半球(17)构成的槽内安装环形电磁铁(18)，通过外连接螺纹(20)和内连接螺纹(22)连接形成模型球(10)，模型球(10)中的加速度计传感器(11)的信号线(13)与高速数据采集系统(5)连接。
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