CN106540824A - 一种高频高幅值反压振荡雾化实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于高频率高幅值反压振荡雾化实验装置。实验装置包括一个设有玻璃观察窗的反压舱和扰动装置，反压舱头部安装有喷嘴；在头部周围靠近反压舱壁面布置有进气口，空气从此处进入反压舱；反压舱出气口采用环带、多扇形设计，包括固定圆盘和转动圆盘，转动圆盘的中心轴通过联轴器与外部电机相连，带动转动圆盘旋转，与固定圆盘配合使喉部面积发生周期性变化，从而在反压舱中产生周期性压力振荡。将需研究的推进剂或推进剂模拟液通过相应喷嘴注入反压舱，并通过位于玻璃观察窗前的光学设备观测并记录该工质在不同频率和幅值反压振荡环境下的动态雾化过程。成功进行了以水为模拟液的喷嘴的动态雾化特性研究。

Description

一种高频高幅值反压振荡雾化实验装置
技术领域
本发明属于液体推进剂喷雾技术领域，具体是一种高频高幅值反压振荡雾化实验装置，用于高频率高幅值反压振荡环境下推进剂或液体燃料的动态雾化特性研究。
背景技术
液体推进剂雾化是液体火箭发动机燃烧的前提。雾化过程中的液膜破碎长度、液滴尺寸分布和液滴运动轨迹等基本上决定了燃烧过程、燃烧效率和燃烧稳定性。已有的研究结果表明，燃烧室中的压力振荡会对液体推进剂的雾化过程产生影响，改变雾化特性，形成一种动态雾化。这种动态雾化反过来在一定条件下又会与燃烧过程发生耦合，触发液体动力系统燃烧不稳定或加剧其幅度。因此，研究燃烧室压力(简称反压)扰动条件下喷嘴的雾化特性对于理解燃烧不稳定性的激励机理、机制具有非常重要意义。
目前国际上对于反压振荡环境下的动态雾化研究，多采用扬声器产生压力振荡。由于扬声器功率的限制，反压舱的压力振荡频率和幅值都较小，远小于发动机发生燃烧不稳定时的压力振荡频率和幅值，不能真实地模拟发动机发生燃烧不稳定时的环境条件。因此，需要建立一种产生高频率、高幅值、反压振荡环境的装置和方法，为揭示形成周期性雾化的一般规律，探讨喷嘴周期性雾化特性与液体火箭发动机燃烧不稳定性之间的内在联系提供基础实验数据和理论支持。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提供一种反压舱振荡频率和幅值可调并且能够实时观测和记录反压舱内喷嘴动态雾化过程的实验装置。
本发明的基本原理是：
反压振荡会周期性的改变喷嘴的喷注压降，进而改变喷注速度，产生速调管效应，最终形成周期性、大尺度、高密度的液滴团。本发明提供的高频高幅值反压振荡装置的原理是向反压舱一端不间断地通入空气，另一端周期性地改变出气口面积，从而在反压舱内产生周期性的压力振荡。推进剂或模拟液通过相应的喷嘴形式注入反压舱内进行雾化，在反压舱侧面设置玻璃观察窗，配以光学设备，捕捉喷射、雾化过程的信息，以实现对高频高幅值反压振荡环境下雾化过程的观测和研究。
本发明的具体技术方案是：
本发明提供了一种高频高幅值反压振荡雾化实验装置，包括反压舱，安装在反压舱进气口的头部、安装在反压舱出气口的扰动装置、安装在反压舱侧壁上的光学玻璃、光学观察设备以及与光学观察设备连接的计算机；
头部的侧壁上开设有多个空气入口以及多个推进剂入口；头部中央安装喷嘴，所述喷嘴与推进剂入口连通；
扰动装置包括壳体、转动圆盘、固定圆盘、转动轴以及驱动电机；转动轴一端伸出壳体外连接驱动电机，另一端伸入到壳体内安装转动圆盘；反压舱的出气口内安装固定圆盘；
转动圆盘和固定圆盘上均沿圆周方向均匀开设多个通气小孔；
光学观察设备位于光学玻璃前用于观察反压舱内推进剂的雾化过程和记录反压舱内推进剂的雾化过程的数据；
计算机接收将光学观察设备记录的数据用于处理分析动态雾化特性。
上述反压舱进气口流通面积为反压舱横截面面积的17％；反压舱出气口最大流通面积为反压舱横截面面积的17％-22％。
上述通气小孔为扇形结构。
上述喷嘴为撞击式喷嘴或离心式喷嘴或针栓式喷嘴或层板式喷嘴。
上述光学观察设备为高速相机、PDPA设备或PIV设备。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用反压舱、扰动装置、光学观察设备以及计算机的组合，实现了反压舱振荡频率和幅值可调并且能够实时观测和记录反压舱内喷嘴动态雾化过程。
2、本发明通过采用大流通面积的进气口和出气口设计(进气口流通面积为反压舱横截面面积的17％,出气口最大流通面积为反压舱横截面面积的17％-22％)，在1kg空气流量的条件下，实现了300Hz以下的扰动频率无极调节，峰值大于0.15MPa的反压振荡环境。
3、本发明通过采用多扇形、变流通面积的一体化出口喉部设计，一方面实现了最大流通面积的出气口设计，另一方面避免了单孔扰动装置产生非轴向力矩变形，将扰动转子与定子的间隙控制在0.1mm内，最小与最大喉部面积比小于20％，既保证了扰动装置具有足够的扰动强度，又避免了扰动转子与定子金属间的摩擦，将电机扭矩控制在0.4N·m以下。
4、本发明通过采用变长度反压舱设计，并利用反压舱的纵向声学共振，在400-3000Hz区间内的14个频率点上，实现了峰峰值大于0.2MPa的反压振荡环境。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的转动圆盘的结构示意图；
图3是本发明的扰动装置的结构示意图。
附图标记如下：
1-反压舱、2-头部、3-扰动装置、4-光学玻璃、5-光学观察设备、6-计算机、7-空气入口、8-推进剂入口、9-喷嘴、10-壳体、11-转动圆盘、12-固定圆盘、13-转动轴、14-驱动电机、15-通气小孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图1所示，本发明是一种用于高频高幅值反压振荡雾化特性研究的实验装置。
该装置包括反压舱1，安装在反压舱1进气口的头部2、安装在反压舱1出气口的扰动装置3、安装在反压舱1侧壁上的光学玻璃4、光学观察设备5以及与光学观察设备5连接的计算机6；
头部2侧壁上开设有多个空气入口7以及多个推进剂入口8，头部中央安装有喷嘴9并与推进剂入口8连通；实际结构中头部2对称上下前后四个方向设有空气入口7，空气通过空气入口7，沿着反压舱壁面进入反压舱1。推进剂或液体燃料通过喷嘴9注入反压舱1中。
如图3所示，扰动装置3包括壳体10、转动圆盘11、固定圆盘12、转动轴13以及驱动电机14；转动轴13一端伸出壳体10外连接驱动电机14，另一端伸入到壳体10内安装转动圆盘11；反压舱1的出气口内安装固定圆盘12；
转动圆盘11和固定圆盘12上均沿圆周方向均匀开设多个通气小孔15；驱动电机14带动转动圆盘11旋转，与固定圆盘12配合使反压舱1出气口的面积发生周期性变化，从而在反压舱1中产生周期性压力振荡。
光学观察设备5位于光学玻璃4前用于观察反压舱内推进剂的雾化过程和记录反压舱内推进剂的雾化过程的数据；
计算机6接收将光学观察设备5记录的数据用于处理分析动态雾化特
本发明的光学玻璃位于喷嘴出口的下游，本发明的反压舱的纵向长度可以调节。
本发明通过采用大流通面积的进气口和出气口设计(即就是反压舱进气口流通面积为反压舱横截面面积的17％,反压舱出气口最大流通面积为反压舱横截面面积的17％-22％)，实现了在1kg空气流量的条件下，300Hz以下的扰动频率无极调节，峰值大于0.15MPa的反压振荡环境。
本发明的反压舱头部的结构与安装的喷嘴形式有关，喷嘴可以为撞击式喷嘴或离心式喷嘴或针栓式喷嘴或层板式喷嘴；图1中为气液同轴离心式喷嘴，如选用其它类型的喷嘴形式，比如撞击式喷嘴，则需设计对应的反压舱头部，其它组件无需改动。
本发明的固定圆盘和转动圆盘，两者上面的通气小孔为扇形结构并且尺寸一致。转动圆盘旋转过程中，与固定圆盘形成“开—闭”循环，周期性地改变喉部的面积。图2为本发明的转动圆盘结构示意图。
本发明的反压舱的稳态压力范围为0.3-2MPa。通过改变来流空气的总压和喉部转盘上扇形孔的面积来改变反压舱的稳态压力。
本发明的工作过程是先给外部电机通电，并将电机转速调整到需要的数值，再通过空气入口将空气通入反压舱中，待反压舱中的稳态压力和压力振荡幅值达到稳定之后，将推进剂或液体燃料通过喷嘴注入反压舱中。
本发明在反压舱上设置光学玻璃，光学玻璃也称为光学观察窗，通过位于光学观察窗前的光学观察设备记录反压舱内推进剂的雾化过程，并通过计算机图像处理软件分析动态雾化特性。光学玻璃的安装方法是光学玻璃通过耐高温胶粘于反压舱壁面。光学玻璃可为可见光光学玻璃，也可为紫外线光学玻璃。光学设备可选用高速相机、PDPA或PIV设备。
高频高幅值反压振荡雾化特性的实验装置通常的试验方案是：
将推进剂或液体燃料通过不同类型的喷嘴(撞击式喷嘴或离心式喷嘴或针栓式喷嘴或层板式喷嘴)注入反压舱，调整驱动电机转速产生不同频率(例如：300Hz、1000Hz、2000Hz等)的压力扰动，通过位于光学玻璃前的光学设备观测并记录该工质在不同频率和幅值反压振荡环境下的动态雾化过程，并通过计算机分析软件获取雾化角度、雾化频率、液滴尺寸、液滴速度等参数。

Claims (5)

1.一种高频高幅值反压振荡雾化实验装置，其特征在于：包括反压舱、安装在反压舱进气口的头部、安装在反压舱出气口的扰动装置、安装在反压舱侧壁上的光学玻璃、光学观察设备以及与光学观察设备连接的计算机；
头部侧壁上开设有多个空气入口以及推进剂入口；头部中央安装喷嘴，所述喷嘴与推进剂入口连通；
扰动装置包括壳体、转动圆盘、固定圆盘、转动轴以及驱动电机；转动轴一端伸出壳体外连接驱动电机，另一端伸入到壳体内安装转动圆盘；反压舱的出气口内安装固定圆盘；
转动圆盘和固定圆盘上均沿圆周方向均匀开设多个通气小孔；
光学观察设备位于光学玻璃前用于观察反压舱内推进剂的雾化过程和记录反压舱内推进剂的雾化过程的数据；
计算机接收将光学观察设备记录的数据用于处理分析动态雾化特性。
2.根据权利要求1所述的高频高幅值反压振荡雾化实验装置，其特征在于：反压舱进气口流通面积为反压舱横截面面积的17％；反压舱出气口最大流通面积为反压舱横截面面积的17％-22％。
3.根据权利要求2所述的高频高幅值反压振荡雾化实验装置，其特征在于：所述通气小孔为扇形结构。
4.根据权利要求3所述的高频高幅值反压振荡雾化实验装置，其特征在于：所述喷嘴为撞击式喷嘴或离心式喷嘴或针栓式喷嘴或层板式喷嘴。
5.根据权利要求4所述的高频高幅值反压振荡雾化实验装置，其特征在于：所述光学观察设备为高速相机、PDPA设备或PIV设备。
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