CN103884488A - 一种喷嘴空化流动纳秒级闪光成像试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷嘴空化流动纳秒级闪光成像试验装置及方法。该装置包括测试系统和管路系统，其中：测试系统包括共轨控制系统、计算机、第一CCD相机、第二CCD相机、同步器、纳秒级白光源闪光系统；管路系统包括通过管路依次相连的液体储存罐、滤清器、高压泵、共轨管、压力表、透明喷嘴，液体储存罐上设置有加热瓦和冷却风扇，高压泵上连接有电机，共轨管的出流管路分别连接至共轨控制系统和透明喷嘴，共轨管和透明喷嘴的连接管道上设置有压力表。本发明能有效获得纳秒级别空泡自身的出生、发展和溃灭过程；油箱中装有加热瓦、冷却风扇和温度传感器，通过控制面板可实时的控制流体温度，为研究不同温度下流体在喷嘴内空化流动提供了条件。

Description

一种喷嘴空化流动纳秒级闪光成像试验装置及方法

技术领域

本发明涉及宇航、国防、航海、化工、水利机械、柴油机燃油喷雾等领域，可用于多相流当中的空化流试验研究，特指一种喷嘴内部空化两相流特性研究的试验装置及方法。

背景技术

空化是在一定的环境温度条件下，流体介质中的局部的绝对压力降低到当地温度下的饱和蒸汽压时，溶在流体中的气体会释放出来，同时流体汽化而产生大量的空化泡，空泡在随流体的进一步流动中，遇到周围的压力增大时，体积将急剧缩小直至溃灭，从而造成材料表面的破坏。长期以来，空化严重影响泄洪建筑物，水力机械，船舶螺旋桨的性能和使用寿命，成为宇航、国防、航海、化工、原子能等领域的难题之一。此外，柴油机自研发至今，已经深深地融入到了我们的生活当中。无论是工程机械领域还是在车辆、船舶、国防等其他领域都有大量的应用，对国民经济发展具有重要的支撑作用。现代柴油机的发展与喷油压力的提高直接相关，随着柴油机喷射压力的提高，使得喷油器喷嘴内不可避免的出现空化现象，而此种现象成为把喷油嘴内部流动和喷雾行为联系起来的一种关键因素。而关于柴油机喷嘴内空化流动对柴油机喷雾雾化的影响机理还非常不了解，因此非常有必要对喷嘴内空化流动进行详细而深入的研究。

然而，研究喷嘴内空化流动有一难点：空泡的发生、发展和溃灭过程有其自身的周期，是一个非稳态过程，其自身的发展周期在10-7秒左右，为了研究其自身的发展过程，需要两幅照片的拍摄间隔为纳秒级，而现有的高速数码相机的拍摄频率基本无法满足上述要求。目前，在国内还没有针对该项试验的试验装置，整个试验装置的结构如图1所示。

发明内容

为了克服上述现有技术的难点，以来更好的研究喷嘴内空化流动，本发明提供了一种纳秒级闪光成像的试验装置及方法来研究喷嘴内空化流动的详细过程，获得空泡出生、发展和溃灭的详细信息。

本发明的技术方案是：

一种喷嘴空化流动纳秒级闪光成像试验装置，包括测试系统和管路系统，其中：

所述测试系统包括共轨控制系统、计算机、第一CCD相机、第二CCD相机、同步器、纳秒级白光源闪光系统，所述同步器分别与共轨控制系统、计算机、第一CCD相机、第二CCD相机、纳秒级白光源闪光系统相连，用于控制高速纳秒级白光源闪光系统发射白光的时间与第一CCD相机和第二CCD相机的拍摄时间，所述共轨控制系统还分别与液体储存罐中的温度传感器、共轨管相连接，测试系统用于测试透明喷嘴内部空泡发生、发展和溃灭过程；

所述管路系统包括通过管路依次相连的液体储存罐、滤清器、高压泵、共轨管、压力表、透明喷嘴，所述液体储存罐上设置有加热瓦和冷却风扇，所述高压泵上连接有电机，所述共轨管的出流管路分别连接至共轨控制系统和透明喷嘴，共轨管和透明喷嘴的连接管道上设置有压力表；当共轨管里的流体压力高于试验所设定压力值时，共轨管中的流体通过第一回流管路流回至液体储存罐，以使共轨管里的流体压力与试验所设定压力一致；透明喷嘴中的流体通过第二回流管路回流至液体储存罐；管路系统用于为整个试验系统提供连续、稳定的高压流体，实现整个装置的自动循环，同时还可实现燃油温度的自动调节。

一种喷嘴空化流动纳秒级闪光成像试验方法，包括如下步骤：

A、液体储存罐中的流体经过加热瓦加热或经冷却风扇冷却而达到试验所设定的值；

B、随后，液体储存罐中的流体经滤清器到达高压泵的入口，经过高压泵加压后，流体被送入共轨管；

C、当共轨管里的流体压力高于试验所设定压力值时，打开第一回流管路进行泄压，当共轨管里的流体压力与试验所设定压力一致时，通过同步器控制共轨控制系统发出指令，使流体经过压力表到达透明喷嘴；

D、当流体流过透明喷嘴时，同步器控制纳秒级白光源闪光系统发射白光的时间与相机拍摄的时间，使得纳秒级白光源闪光系统发射第一次白光时，第一CCD相机成像，纳秒级白光源闪光系统发射第二次白光时，第二CCD相机成像，纳秒级白光源闪光系统发射第三次白光时，第一CCD相机成像，如此的循环，获得相隔为纳秒时刻的图片，将拍摄的图片存储到计算机，用于后期分析，流过透明喷嘴的流体随后通过第二回流管路流回液体储存罐。

进一步，所述试验方法还包括燃油温度控制方法，其步骤为：通过共轨控制系统设定燃油温度在试验所需要的温度并启动燃油温度控制按钮，系统进入燃油温度自动控制；当燃油温度低于设定的试验温度时，系统自动开启加热瓦，对燃油进行加热，当温度升至设定的试验温度时，温度传感器发出信号，加热瓦停止对燃油加热；当燃油温度高于设定的试验温度时，系统自动地开启冷却风扇，对燃油进行降温，当温度降至设定的试验温度时，温度传感器发出信号，冷却风扇对燃油停止冷却。

本发明的有益效果是：

本发明一种喷嘴空化流动纳秒级闪光成像试验装置及方法能有效获得纳秒级别空泡自身的出生、发展和溃灭过程，从而为更好地研究喷嘴内空化流动奠定了基础；油箱中装有加热瓦、冷却风扇和温度传感器，通过控制面板可以实时的控制流体温度，为研究不同温度下流体在喷嘴内空化流动提供了条件。

附图说明

图1是本发明一种喷嘴空化流动纳秒级闪光成像试验装置的结构图。

图中：1、液体储存罐；2、加热瓦；3、滤清器 ；4、高压泵；5、冷却风扇；6、电机；7、共轨管；8、共轨控制系统；9、压力表；10、计算机；11、第一CCD相机；12、第二CCD相机；13、同步器；14、透明喷嘴；15、纳秒级白光源闪光系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明一种喷嘴空化流动纳秒级闪光成像试验装置的结构如图1所示，包括测试系统和管路系统，其中：

测试系统包括共轨控制系统8、计算机10、第一CCD相机11、第二CCD相机12、同步器13、纳秒级白光源闪光系统15。同步器13分别与共轨控制系统8、计算机10、第一CCD相机11、第二CCD相机12、纳秒级白光源闪光系统15相连，用于控制高速纳秒级白光源闪光系统15发射白光的时间与第一CCD相机11和第二CCD相机12的拍摄时间。共轨控制系统8还分别与液体储存罐1中的温度传感器、共轨管7相连接，测试系统用于测试透明喷嘴内部空泡发生、发展和溃灭过程。

管路系统包括通过管路依次相连的液体储存罐1、滤清器3、高压泵4、共轨管7、压力表9、透明喷嘴14。液体储存罐1上设置有加热瓦2和冷却风扇5，高压泵4上连接有电机6，共轨管7的出流管路分别连接至共轨控制系统8和透明喷嘴14，共轨管7和透明喷嘴14的连接管道上设置有压力表9。当共轨管7里的流体压力高于试验所设定压力值时，共轨管7中的流体通过第一回流管路流回至液体储存罐1，以使共轨管7里的流体压力与试验所设定压力一致；透明喷嘴14中的流体通过第二回流管路回流至液体储存罐1。该系统主要为整个试验装置提供所需要的连续稳定的高压流体，流体从液体储存罐经过高压泵的加压后变成具有一定压力的高压液体，随后液体进入共轨管，经过共轨管的稳压后再将液体提供到透明喷嘴，经过透明喷嘴后，液体经过回流管2流回到液体储存罐，实现整个装置的自动循环，同时还可实现燃油温度的自动调节。

高压管路中液体从液体储存罐抽出，经过滤清器后到达高压泵的入口，经高压泵加压后到达共轨管，然后经共轨管稳压后提供给透明喷嘴，最后通过回流管路2进入液体储存罐，随后又开始上个循环，整个系统自动循环

本发明一种喷嘴空化流动纳秒级闪光成像试验方法为：在液体储存罐1中的流体经过加热瓦2加热或经冷却风扇5冷却而达到试验所设定的值。随后经滤清器3到达高压泵4的入口，经过高压泵4加压后，流体被送入共轨管7。在共轨管7里的流体压力若高于试验所设定压力值时，将会打开第一回流管路进行泄压；当共轨管里流体压力与试验所设定压力一致时，此时通过同步器13控制共轨系统发出指令，使流体经过压力表9到达透明喷嘴14。当流体流过透明喷嘴时，此时同步器会控制高速纳秒级白光源闪光成像系统15发射白光时间与相机拍摄的时间，使得高速纳秒级白光源闪光系统发射第一次白光时，第一CCD相机11成像，高速纳秒级白光源闪光系统发射第二次白光时，第二CCD相机12成像，高速纳秒级白光源闪光系统发射第三次白光时，第一CCD相机11成像，这样如此的循环，获得相隔为纳秒时刻的图片，拍摄的图片都将存储到计算机10，用来以后的分析，流过透明喷嘴的流体随后会通过第二回流管路流回液体储存罐。具体过程为：通过同步器控制，当高速纳秒级白光源闪光系统第一次发出白光时，这时第一CCD相机11感光，然后成像，隔几纳秒后，高速纳秒级白光源闪光系统第二次发出白光，此时由于第一CCD相机11此时还在成像后的一系列电子机械动作当中，对于第二幅图片的拍摄还没有准备好，因此，通过同步器控制，此时让第二CCD相机12感光成像，通过高速纳秒级白光源闪光成像系统提供光源，两台CCD相机分开成像，从而获得纳秒级别空泡自身的出生、发展和溃灭过程。

油箱中装有加热瓦、冷却风扇和温度传感器，通过控制面板可以实时的控制流体温度，为研究不同温度下流体在喷嘴内空化流动提供条件。燃油温度控制功能的实现过程为：通过共轨控制系统8设定燃油温度在试验所需要的温度并启动燃油温度控制按钮，系统进入燃油温度自动控制。燃油温度低于设定的试验温度时，系统会自动地开启加热瓦2，对燃油进行加热；当温度升至设定的试验温度时，温度传感器发出信号，仪表便会对加热器停止加热。当燃油温度高于设定的试验温度时，系统会自动地开启冷却风扇5，对燃油进行降温，当温度降至设定的试验温度时，温度传感器发出信号，冷却风扇便会对燃油停止冷却。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种喷嘴空化流动纳秒级闪光成像试验装置，包括测试系统和管路系统，其特征在于：

所述测试系统包括共轨控制系统（8）、计算机（10）、第一CCD相机（11）、第二CCD相机（12）、同步器（13）、纳秒级白光源闪光系统（15），所述同步器（13）分别与共轨控制系统（8）、计算机（10）、第一CCD相机（11）、第二CCD相机（12）、纳秒级白光源闪光系统（15）相连，用于控制高速纳秒级白光源闪光系统（15）发射白光的时间与第一CCD相机（11）和第二CCD相机（12）的拍摄时间，所述共轨控制系统（8）还分别与液体储存罐（1）中的温度传感器、共轨管（7）相连接，测试系统用于测试透明喷嘴内部空泡发生、发展和溃灭过程；

所述管路系统包括通过管路依次相连的液体储存罐（1）、滤清器（3）、高压泵（4）、共轨管（7）、压力表（9）、透明喷嘴（14），所述液体储存罐（1）上设置有加热瓦（2）和冷却风扇（5），所述高压泵（4）上连接有电机 （6），所述共轨管（7）的出流管路分别连接至共轨控制系统（8）和透明喷嘴（14），共轨管（7）和透明喷嘴（14）的连接管道上设置有压力表（9）；当共轨管（7）里的流体压力高于试验所设定压力值时，共轨管（7）中的流体通过第一回流管路流回至液体储存罐（1），以使共轨管（7）里的流体压力与试验所设定压力一致；透明喷嘴（14）中的流体通过第二回流管路回流至液体储存罐（1）；管路系统用于为整个试验系统提供连续、稳定的高压流体，实现整个装置的自动循环，同时还可实现燃油温度的自动调节。

2.一种喷嘴空化流动纳秒级闪光成像试验方法，包括如下步骤：

A、液体储存罐（1）中的流体经过加热瓦（2）加热或经冷却风扇（5）冷却而达到试验所设定的值；

B、随后，液体储存罐（1）中的流体经滤清器（3）到达高压泵（4）的入口，经过高压泵（4）加压后，流体被送入共轨管（7）；

C、当共轨管（7）里的流体压力高于试验所设定压力值时，打开第一回流管路进行泄压，当共轨管（7）里的流体压力与试验所设定压力一致时，通过同步器（13）控制共轨控制系统（8）发出指令，使流体经过压力表（9）到达透明喷嘴（14）；

D、当流体流过透明喷嘴（14）时，同步器（13）控制纳秒级白光源闪光系统（15）发射白光的时间与相机拍摄的时间，使得纳秒级白光源闪光系统（15）发射第一次白光时，第一CCD相机（11）成像，纳秒级白光源闪光系统（15）发射第二次白光时，第二CCD相机（12）成像，纳秒级白光源闪光系统（15）发射第三次白光时，第一CCD相机（11）成像，如此的循环，获得相隔为纳秒时刻的图片，将拍摄的图片存储到计算机（10），用于后期分析，流过透明喷嘴（14）的流体随后通过第二回流管路流回液体储存罐（1）。

3.根据权利要求2所述的一种喷嘴空化流动纳秒级闪光成像试验方法，其特征在于：所述试验方法还包括燃油温度控制方法，其步骤为：通过共轨控制系统（8）设定燃油温度在试验所需要的温度并启动燃油温度控制按钮，系统进入燃油温度自动控制；当燃油温度低于设定的试验温度时，系统自动开启加热瓦（2），对燃油进行加热，当温度升至设定的试验温度时，温度传感器发出信号，加热瓦（2）停止对燃油加热；当燃油温度高于设定的试验温度时，系统自动地开启冷却风扇（5），对燃油进行降温，当温度降至设定的试验温度时，温度传感器发出信号，冷却风扇对燃油停止冷却。

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