CN104019957A - 纳米粒子流化器及超声速风洞系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种纳米粒子流化器及超声速风洞系统。该纳米粒子流化器，包括压力储罐，用于容纳悬浊液，悬浊液包括可燃液体、纳米粒子及直径大于纳米粒子的大粒子；第一气体调节装置，用于提供第一气体并调节第一气体的流量；以及燃烧室，用于提供悬浊液的可燃液体和第一气体的混合燃烧的场所，燃烧室包括与压力储罐和第一气体调节装置分别连接的第一入口和第二入口和用于在压力状态下输出可燃液体和第一气体参与燃烧反应后生成的第二气体的出口。该超声速风洞系统包括上述的纳米粒子流化器及与纳米粒子流化器的燃烧室的出口相通的超声速风洞。该纳米粒子流化器能够实现纳米粒子浓度可调，可以很好地满足观测流场对纳米粒子浓度的要求。
Description
技术领域
本发明涉及空气动力学领域，特别地，涉及一种纳米粒子流化器及超声速风洞系统。
背景技术
国防科技大学博士学位论文“超声速混合层时空结构的实验研究，赵玉新，2008”在现代激光技术、成像技术、图像处理技术和纳米材料技术发展的基础上对基于纳米粒子的定量流动成像技术进行了研究，开发了基于纳米粒子的平面激光流动成像系统，其核心是使用纳米粒子作为流动的示踪物。
为了满足流动显示的要求，文中设计并实现了集流化、过滤、分离和撒播功能为一体的纳米粒子发生器，该装置由高压气源、粒子流化器、粒子过滤器、粒子分离器和撒播喷嘴组成。高压气源为整个系统提供运行的动力，其出口压力稳定、可调；粒子流化器与高压气源连接，内部装有方向可调的流化喷嘴，可充分流化纳米粒子；粒子过滤器安装在粒子流化器的出口，内部安装多层滤网，不仅能够过滤掉大粒子，且可以在一定程度上粉碎团聚的大粒子。粒子过滤器下游为粒子分离器，其侧壁安装有大粒子收集器，保证了纳米粒子的分离和大粒子的收集。粒子过滤器顶部的纳米粒子出口通过管道与撒播喷嘴相连，撒播喷嘴的可根据粒子流量的需要更换。在工作过程中，通过控制高压气源的压力大小调整纳米粒子尺寸分布。既克服了超声速流场PIV(Particle Image Velocimetry)测量时难以解决的粒子跟随性问题，也使得超声速流动成像的信噪比大大提高。
但上述设计利用酒精使纳米粒子分散，形成悬浊液；同时采用高压气源驱动，使粒子与酒精蒸汽伴随旋风气体通过管路经喷嘴向流场内撒播，这样会导致经过喷嘴的流体中所含的纳米粒子浓度与驱动气压强相关，但并不是线性相关，受驱动气压强限制，粒子浓度在一个限制范围内变动，不能满足所有流场显示对粒子浓度的要求。
发明内容
本发明目的在于提供一种纳米粒子流化器及超声速风洞系统，以解决现有技术中进入超声速风洞的纳米粒子浓度不能随意控制，无法满足所有流场对纳米粒子浓度的要求的技术问题。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种纳米粒子流化器，纳米粒子流化器，包括压力储罐，用于容纳悬浊液，悬浊液包括可燃液体、纳米粒子及直径大于纳米粒子的大粒子；第一气体调节装置，用于提供第一气体并调节第一气体的流量；以及燃烧室，用于提供悬浊液的可燃液体和第一气体的混合燃烧的场所，燃烧室包括与压力储罐和第一气体调节装置分别连接的第一入口和第二入口和用于在压力状态下输出可燃液体和第一气体参与燃烧反应后生成的第二气体的出口。
进一步地，纳米粒子流化器包括用于提供第三气体并调节该第三气体的流量的第三气体调节装置；燃烧室包括使第三气体调节装置的第三气体进入的第三入口。
进一步地，压力储罐包括用于容纳悬浊液的储罐本体和用于对储罐本体内的粒子悬浊液施加压力以使粒子悬浊液输出的施压器。
进一步地，施压器包括压强可调的第四气体的气源及将第四气体输入到储罐本体的气体管道。
进一步地，纳米粒子流化器包括用于将储罐本体内的粒子悬浊液分散均匀的分散器。
进一步地，分散器包括设置在储罐本体内用于分散粒子悬浊液的叶轮及用于驱动叶轮转动的动力源。
进一步地，分散器包括提供第五气体的气源及将第五气体通入到压力储罐内的悬浊液中并使第五气体旋冲分散悬浊液的气体管道。
本发明的另一方面还提供了一种超声速风洞系统，包括上述的纳米粒子流化器及与纳米粒子流化器的燃烧室的出口相通的超声速风洞。
进一步地，超声速风洞包括与燃烧室的出口连接、用于削弱第二气体的气流脉动从而为超声速风洞提供均匀气流的整流段。
本发明具有以下有益效果：
根据本发明的纳米粒子流化器，将第一气体调节装置内的第一气体与压力储罐中的包括可燃液体、纳米粒子及直径大于纳米的大粒子的悬浊液在燃烧室内混合燃烧；并通过调节第一气体调节装置内第一气体的流量，从而调节第一气体与悬浊液燃烧后产生的第二气体中的纳米粒子的浓度，以实现纳米粒子浓度可调，满足所有流场对纳米粒子浓度的要求。
根据本发明的超声速风洞系统，将纳米粒子流化器的出口与超声速风洞连接，使得进入到超声速风洞中的纳米粒子的浓度可调，满足超声速风洞中的流场对纳米粒子浓度的要求。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的纳米粒子流化器实施例一的结构示意图；
图2是本发明优选实施例的的纳米粒子流化器实施例二的结构示意图；
图3是本发明优选实施例的压力储罐实施例一的结构示意图；
图4是本发明优选实施例的压力储罐实施例二的结构示意图；以及
图5是本发明优选实施例的燃烧室的结构示意图。
10、压力储罐；11、储罐本体；12、施压器；13、输出管道；20、第一气体调节装置；21、叶轮；22、气体管道；23、卸压阀；30、燃烧室；31、第一入口；32、第二入口；33、第三入口；40、第三气体调节装置；1、超声速风洞；101、整流段。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1和图2，本发明的优选实施例提供了一种纳米粒子流化器，包括压力储罐10，用于容纳悬浊液，悬浊液包括可燃液体、纳米粒子及直径大于纳米的大粒子；第一气体调节装置20，用于提供第一气体并可调节第一气体的流量；以及燃烧室30，用于提供悬浊液的可燃液体和第一气体的混合燃烧的场所，燃烧室30包括与压力储罐10和第一气体调节装置20分别连接的第一入口31和第二入口32和用于在压力状态下输出可燃液体和第一气体参与燃烧反应后的第二气体的出口。根据本发明的纳米粒子流化器，将第一气体调节装置20内的第一气体与压力储罐10中的包括可燃液体、纳米粒子及直径大于纳米粒子的大粒子的悬浊液在燃烧室30内混合燃烧；并通过调节第一气体调节装置20内第一气体的流量，从而调节第一气体与悬浊液燃烧后产生的第二气体中的纳米粒子的浓度，以实现纳米粒子浓度可调，满足所有流场对纳米粒子浓度的要求。
请结合参见图3和图4，压力储罐10包括用于容纳悬浊液的储罐本体11和用于对储罐本体11内的粒子悬浊液施加压力使粒子悬浊液输出的施压器12。携带有包含纳米粒子的悬浊液悬浮在储罐本体11的底部，悬浊液包括可燃液体、纳米粒子及直径大于纳米的大粒子。在本实施方式中，可燃液体为酒精。施压器12包括压强可调的第四气体的气源及将该第四气体输入到储罐本体11内的气体管道；该第四气体的气源为高压。当施压器12向储罐本体11内输入气体时，储罐本体11内的压力增大，迫使悬浮在储罐本体11底部的悬浊液从输出管道13输出。输出管道13上设有控制输出管道13流量的控制阀和计量输出管道13内的流量的流量计。配合调节高压气源的压强和输出管道13的流量，可以调节粒子悬浊液的输出速度。输出管道13上的控制阀和流量计之间设有过滤粒子悬浊液中的直径大于纳米粒子的粒子过滤器，粒子直径较大，其跟随效果差，在进行超声速风洞实验时，其粒子的示踪效果不明显。因此在粒子进入超声速风洞1前，需要将大粒子粉碎或滤除。悬浮液中的大粒子一般比其中的纳米粒子直径大一个数量级，例如可以是微米粒子或微米以上的粒子。
为了分散储罐本体11内的悬浊液，使得悬浊液中的纳米粒子与及直径大于纳米的大粒子分散开来，在压力储罐10上安装有分散器。在实施例一中，分散器设置在储罐本体11内用于分散粒子悬浊液的叶轮21及用于驱动叶轮21转动的动力源。动力源可以为电机，也可以是其他的驱动机构。叶轮21设置在储罐本体11的底端，动力源驱动叶轮21转动，叶轮21的叶片将悬浮在储罐本体11的底部的悬浊液分散均匀，使得悬浊液中的纳米粒子与及直径大于纳米粒子的大粒子分散开来。在实施二中，分散器包括提供第五气体的气源及将第五气体通入到压力储罐10内的悬浊液中并使第五气体旋冲分散悬浊液的气体管道22。气体管道22内的气体在出口处形成旋风，通过第五气体的旋风将纳米粒子与大粒子分散开来。在储罐本体11的顶部设有卸压阀23，当气体将粒子搅拌分散后，粒子会悬浮在可燃液体中，而气体会在压力储罐10的上端，打开卸压阀23，可减小压力储罐10内的压力，第四气体和第五气体可以为相同的气体，如氮气。
第一气体调节装置20用于提供第一气体并调节第一气体的流量。第一气体调节装置20包括与第一气体的气源相通的进气管道、设置在进气管道上的控制进气管道的控制阀和计量进气管道内的气体流量的流量计。根据超声速风洞形成的超声速流场对纳米粒子浓度的需要，配合调节输出管道13的流量及进气管道的流量比例，可以满足所有流场对纳米粒子浓度的要求，第一气体为氧气。
在本实施方式中，纳米粒子流化器还包括第三气体调节装置40，第三气体调节装置40包括与第三气体的源相通的第三气体管道、设置在第三气体管道上的控制第三气体管道的控制阀和计量第三气体管道内的气体流量的流量计。第三气体为氮气或空气。
请结合参见图5，燃烧室30用于提供悬浊液的可燃液体和第一气体的混合燃烧的场所，燃烧室30包括与压力储罐10连接的第一入口31、与第一气体调节装置20的第二入口32及用于在压力状态下输出悬浊液和第一气体参与燃烧反应产生的第二气体的出口。在本实施方式中，燃烧室30还包括使与第三气体管道连接的第三入口33。悬浊液、第一气体及第三气体进入燃烧室30内混合形成第一混合物，燃烧室30的头部设有自动点火装置，悬浊液包括可燃液体。启动点火装置，使得悬浊液的可燃液体、第一气体及第三气体在燃烧室30内燃烧形成第二气体，第二气体与纳米粒子及大粒子形成第二混合物。第一混合物的燃烧使得燃烧室30的温度和压力都升高，在燃烧室30内形成高温高压的环境，高温高压的环境能够增加纳米粒子的运动速度，从而使得进入超声速风洞1的气体速度加快，使得超声速风洞1内的纳米粒子和气体流速能够达到马赫4以上，以满足观察和试验的需要。根据流场对纳米粒子浓度的需要，可调节输出管道13的流量、第一气体调节装置20的进气管道的流量、第三气体调节装置40的第三气体管道的流量比例，以使得本发明的纳米粒子流化器能够更好更方便地调节纳米粒子浓度，满足观测流场对纳米粒子浓度的需要。
在其他的实施方式中，纳米粒子流化器还可以包括三个或三个以上的气体调节装置，只需要控制好多个气体调节装置的进气量及进气量比例，即可实现对纳米粒子浓度的调节。
本发明的另一实施例提供了一种超声速风洞系统，超声速风洞系统包括上述的纳米粒子流化器及与纳米粒子流化器的燃烧室30的出口相通的超声速风洞1。根据本发明的超声速风洞系统，将纳米粒子流化器的出口与超声速风洞1连接，使得进入到超声速风洞1中的纳米粒子的浓度可调，满足超声速风洞中的流场对纳米粒子浓度的要求。
优选地，超声速风洞1包括与燃烧室30的出口连接用于稳定第二气体气流的整流段101。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
根据本发明的纳米粒子流化器，将第一气体调节装置内的第一气体与压力储罐中的包括可燃液体、纳米粒子及直径大于纳米的大粒子的悬浊液在燃烧室内混合燃烧；并通过调节第一气体调节装置内第一气体的流量，从而调节第一气体与悬浊液燃烧后产生的第二气体中的纳米粒子的浓度，以实现纳米粒子浓度可调，满足所有流场对纳米粒子浓度的要求。
根据本发明的超声速风洞系统，将纳米粒子流化器的出口与超声速风洞连接，使得进入到超声速风洞中的纳米粒子的浓度可调，满足超声速风洞中的流场对纳米粒子浓度的要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种纳米粒子流化器，其特征在于，包括
压力储罐(10)，用于容纳悬浊液，所述悬浊液包括可燃液体、纳米粒子及直径大于纳米粒子的大粒子；
第一气体调节装置(20)，用于提供第一气体并调节所述第一气体的流量；以及
燃烧室(30)，用于提供所述悬浊液的可燃液体和所述第一气体的混合燃烧的场所，所述燃烧室(30)包括与所述压力储罐(10)和所述第一气体调节装置(20)分别连接的第一入口(31)和第二入口(32)和用于在压力状态下输出所述可燃液体和所述第一气体参与燃烧反应后生成的第二气体的出口。
2.根据权利要求1所述的纳米粒子流化器，其特征在于，
所述纳米粒子流化器包括用于提供第三气体并调节该第三气体的流量的第三气体调节装置(40)；
所述燃烧室(30)包括使所述第三气体调节装置(40)的第三气体进入的第三入口(33)。
3.根据权利要求1所述的纳米粒子流化器，其特征在于，
所述压力储罐(10)包括用于容纳所述悬浊液的储罐本体(11)和用于对所述储罐本体(11)内的粒子悬浊液施加压力以使所述粒子悬浊液输出的施压器(12)。
4.根据权利要求3所述的纳米粒子流化器，其特征在于，
所述施压器(12)包括压强可调的第四气体的气源及将所述第四气体输入到所述储罐本体(11)的气体管道。
5.根据权利要求3所述的纳米粒子流化器，其特征在于，
所述纳米粒子流化器包括用于将所述储罐本体(11)内的粒子悬浊液分散均匀的分散器。
6.根据权利要求5所述的纳米粒子流化器，其特征在于，
所述分散器包括设置在所述储罐本体(11)内用于分散粒子悬浊液的叶轮(21)及用于驱动所述叶轮(21)转动的动力源。
7.根据权利要求5所述的纳米粒子流化器，其特征在于，
所述分散器包括提供第五气体的气源及将所述第五气体通入到所述压力储罐(10)内的悬浊液中并使所述第五气体旋冲分散所述悬浊液的气体管道(22)。
8.一种超声速风洞系统，其特征在于，包括
权利要求1至7任一项所述的纳米粒子流化器及与所述纳米粒子流化器的燃烧室(30)的出口相通的超声速风洞(1)。
9.根据权利要求8所述的超声速风洞系统，其特征在于，
所述超声速风洞(1)包括与所述燃烧室(30)的出口连接、用于削弱所述第二气体的气流脉动从而为所述超声速风洞(1)提供均匀气流的整流段(101)。
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| "超声速混合层时空结构的实验研究";赵玉新;《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20090715(第07期);第35-38页 * |
| 衡明亮: ""纳米示踪粒子发生器技术及其相关实验研究"", 《中国硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》, no. 2, 15 December 2011 (2011-12-15) * |
| 赵玉新: ""超声速混合层时空结构的实验研究"", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》, no. 07, 15 July 2009 (2009-07-15), pages 35 - 38 * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105664744A (zh) * | 2016-03-29 | 2016-06-15 | 江苏大学 | 一种将微细固体颗粒撒播到气流中的粒子撒播器 |
| CN105664744B (zh) * | 2016-03-29 | 2018-08-21 | 江苏大学 | 一种将微细固体颗粒撒播到气流中的粒子撒播器 |
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|---|---|
| CN104019957B (zh) | 2017-08-15 |
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