CN106896136A - 一种磁化等离子体隔热效应调节检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁化等离子体隔热效应调节检测装置，包括：空气加热室，其设置有连接管路，用于产生高温气体；粉体注入装置，其安装在所述连接管路上，用于将固体火药颗粒送入所述连接管路，并且在所述连接管路内高温气体与所述火药颗粒混合；等离子体喷枪，其一端连接所述连接管路；等离子体反应发生管，其连接所述等离子体喷枪的另一端；电磁铁，其套设在所述等离子体反应发生管上，用于在所述等离子体反应发生管外施加磁场；管内温度传感器，其设置在所述等离子体反应发生管内部；红外测温仪，其设置在所述等离子体反应发生管外侧；其中，所述固体火药颗粒中含有1％～5％的碱金属盐添加剂，本发明还提供一种磁化等离子体隔热效应调节检测方法。

Description

一种磁化等离子体隔热效应调节检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及等离子体隔热效应研究领域，尤其涉及一种磁化等离子体隔热效应调节检测装置和一种磁化等离子体隔热效应调节检测方法。

背景技术

磁化等离子体技术在现代工业的体现出日益重要的作用，磁流体发电是一种将化学能直接转化为电能的新型发电方式，具有启动快，无转动部件，效率高等优点。随着爆炸磁流体发电机的研究发展，国内外相关学者发现高能炸药在燃烧室内爆轰能够形成高温、高压等离子体，燃气具有良好的导电性。为了能够在这项技术上取得突破，国内外等离子体业界专家为此做出不懈的努力。

业内专家采用了很多种方法来获得高密度、大面积稳定的等离子体源但与此同时会存在一些问题，在磁化等离子体作为新型发电方式的转换过程还存在很多问题，等离子体的一些性质，如隔热性能的检测和调节一直是个难题。

发明内容

本发明设计开发了一种磁化等离子体隔热效应调节检测装置，解决了测试过程中电磁干扰以及高温气体与粉体充分混合均匀的问题。

本发明还有一个目的是提供一种磁化等离子体隔热效应调节检测方法，通过计算通过调节气体温度，以调节电子密度，还可以通过装药质量，高温气体流速和磁场强度调节等离子体的导热系数。

本发明提供的技术方案为：

一种磁化等离子体隔热效应调节检测装置，包括：

空气加热室，其设置有连接管路，用于产生高温气体；

粉体注入装置，其安装在所述连接管路上，用于将固体火药颗粒送入所述连接管路，并且在所述连接管路内高温气体与所述火药颗粒混合；

等离子体喷枪，其一端连接所述连接管路；

等离子体反应发生管，其连接所述等离子体喷枪的另一端；

电磁铁，其套设在所述等离子体反应发生管上，用于在所述等离子体反应发生管外施加磁场；

管内温度传感器，其设置在所述等离子体反应发生管内部；

红外测温仪，其设置在所述等离子体反应发生管外侧；

其中，所述固体火药颗粒中含有1％～5％的碱金属盐添加剂。

优选的是，所述等离子体喷枪，包括：

放电室，所述放电室由第一空心管材围设而成，所述第一空心管材为氮化硅管或碳化硅管；

气体导入装置，所述气体导入装置与所述放电室连通，所述气体导入装置包括反应气体导入管及等离子体气体导入组件，所述反应气体导入管中设置有进气通道和冷却剂流通通道，所述冷却剂流通通道围绕所述进气通道进行设置，所述进气通道与所述放电室连通，所述等离子体气体导入组件上设置有径向导气口和切向导气口，所述径向导气口和所述切向导气口均与所述放电室连通；

冷却装置，所述冷却装置包括第二空心管材、冷却剂导入组件和冷却剂导出组件，所述第二空心管材围设在所述第一空心管材的外侧，且所述第二空心管材的内侧壁与所述第一空心管材的外侧壁之间存在第一间隙，所述冷却剂导入组件和所述冷却剂导出组件均与所述第一间隙连通；

电感线圈，所述电感线圈设置在所述第二空心管材的外侧。

优选的是，所述冷却剂流通通道包括相互连通的第一冷却通道和第二冷却通道；

所述第一冷却通道、所述第二冷却通道与所述进气通道同轴设置，所述第一冷却通道

围设在所述进气通道的外侧，所述第二冷却通道围设在所述第一冷却通道的外侧；

所述第一冷却通道上设置有冷却剂入口，所述第二冷却通道上设置有冷却剂出口

优选的是，还包括：

气控开关阀，其安装在所述空气加热室的出气口处；

质量流量计，其安装在所述气控开关阀与安装所述粉体注入装置的连接管路之间；

平台，其上通过喷枪支架固定所述喷枪，通过绝缘管支架固定所述绝缘管。

优选的是，所述等离子体反应发生管为石英玻璃绝缘管。

一种磁化等离子体隔热效应调节检测方法，包括：

步骤一、计算电子密度n_e

式中，E_i为电离种子的电离电位，g_o为原子基态的统计权重，g_i为离子基态的统计权重，m_e为电子质量，n_i为离子密度，n_o为电离种子的密度；其中，所述电离种子为碱金属盐，的值为1；其中，式中，n_k为电子种子的个数，V₀为火药燃烧室容积，T为燃气温度；

步骤二、建立关于电子密度和隔热效应的关系式，通过调节气体温度T，以调节电子密度n_e，进而调节等离子体的导热系数α：

其中，δ为绝缘管厚度，r为绝缘管内径，n_o为电离种子的密度，α_gw为绝缘管导热系数。

一种磁化等离子体隔热效应调节检测方法，包括：

步骤一、获取弹丸最大横截面积S，火药分裂之前的形状特征量χ、λ和μ，燃速系数u₁，次要功系数弹丸的质量m，药室自由容积缩径长l_ψ，火药力f，装药质量ω；

步骤二、建立火药燃烧方程组如下：

式中，ψ是火药已燃百分数；Z为火药相对已燃厚度；e₁为燃烧层厚度；p是火药燃气平均压力；l是弹丸行程；v是弹丸速度；

步骤二、对火药燃烧方程组进行求解，以时间t为自变量，获取p、l、ψ关于t的函数，进而计算燃气温度式中，R是气体常数；

步骤三、建立关于燃气温度和隔热效应的关系式，通过调节装药质量ω，以调节气体温度T调节，进而调节等离子体的隔热效应σ，

其中，T为燃气温度，t_l为绝缘管外露点温度，t_gn为绝缘管外空气温度。

优选的是，在所述步骤二中，建立所述火药燃烧方程组时，初始取值为u₁＝7.6×10^-8m/(s·Pdⁿ)，ω＝0.116kg，f＝0.935KJ/kg，e₁＝0.0000528m，m＝0.39kg，S＝0.000738m²，θ＝0.2，λ＝0.1535，μ＝-0.04745，χ＝0.7874。

一种磁化等离子体隔热效应调节检测方法，等离子体的隔热效应还可以通过磁场强度H调节：

α＝πδ·r²/V₀·(2.15lnα_gw-0.8)[0.03H²+0.6H+0.1]

其中，H为磁场强度，α_gw为绝缘管导热系数，r为绝缘管内径，δ为绝缘管厚度。

一种磁化等离子体隔热效应调节检测方法，等离子体的隔热效应还可以通过高温气体流速L调节：

α_gw为绝缘管导热系数，r为绝缘管内径，δ为绝缘管厚度，k₁为流速系数，为0.72，n_o为电离种子的密度，n_e为电子密度。

本发明的有益效果

本发明设计开发了一种磁化等离子体隔热效应调节检测装置，解决了测试过程中电磁干扰以及高温气体与粉体充分混合均匀的问题，本发明还提供一种磁化等离子体隔热效应调节检测方法，通过计算通过调节气体温度，以调节电子密度，还可以通过装药质量，高温气体流速和磁场强度调节等离子体的导热系数。

附图说明

图1为本发明所述的磁化等离子体隔热效应调节装置的结构示意图。

图2为本发明所述的磁化等离子体隔热效应检测装置的结构示意图。

图3为本发明所述的等离子体喷枪的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明提供的磁化等离子体隔热效应调节检测装置，高温气体由空气加热器产生，并与固体颗粒混合后形成气固两相流进入测试身管段。采用低温等离子体喷枪在管路中注入等离子体，通过电磁铁在测试身管外施加磁场，研究等离子体在磁场作用下对圆筒壁的隔热特性。

如图1所示，本发明设计开发了一种磁化等离子体隔热效应调节检测装置，其主体结构包括空气加热室110、粉体注入装置120、等离子体喷枪130、电磁铁140以及等离子体反应发生管150；其中，空气加热室110设置有连接管路，用于产生高温气体，粉体注入装置120安装在连接管路上，用于将固体火药颗粒送入连接管路，并且在连接管路内高温气体与火药颗粒混合，等离子体喷枪130同时连接在连接管路上，电磁铁140套设在等离子体反应发生管150上，用于在等离子体反应发生管150外施加磁场；

如图2所示，还包括：数据测量采集系统的主要任务是根据试验系统的要求，完成试验参数的数据测量和采集，本方案的数据测量采集系统主要包括光谱测试系统和红外测温装置。其中温度测试可分为管内温度(温度传感器)和管外温度(红外测试仪)两种情况。管内温度传感器210设置在等离子体反应发生管150内部；红外测温仪220设置在等离子体反应发生管150外侧；由于采用非接触式的红外测温仪可实时显示连续动态的全数字红外图像的同时，对任意点、任意区域、任意线进行多目标的同时温度数据显示和分析，并自动生成动态的红外数据列表、动态的直方图温度曲线、动态的时间-温度曲线、动态的直线-温度曲线，报警温度多逻辑设置等。

其中，固体火药颗粒中含有1％～5％的钾盐添加剂。

在另一种实施例中，还包括：

气控开关阀，其安装在所述空气加热室的出气口处；

质量流量计，其安装在所述气控开关阀与安装所述粉体注入装置的连接管路之间。

为模拟火炮身管中的火药燃气和颗粒对等离子体运动的影响，采用高温燃气发生器为测试身管中添加气流和固体颗粒。高温燃气发生器包括空气加热器、粉体注入装置、质量流量计、气控开关阀门以及无缝不锈钢管道等。管道拟采用DN10、PN10不锈钢管道。

在本发明中，由固体火药的燃烧机理可知，火药主要由C、H、O、N四种元素组成。在燃烧过程中，生成的产物主要为N₂、CO、CO₂、H₂O等。由于火药燃气的燃温只有3000K左右，气体电离程度较弱，因此，在火药中添加少量电离电位较低的化合物碳酸钾，增加燃烧产物的电离度，可提高燃气的导电性。

如图3所示，等离子体喷枪130，包括：放电室310，放电室由第一空心管材311围设而成，作为一种优选，第一空心管材311材质为氮化硅管或碳化硅管；

气体导入装置320，气体导入装置320与放电室310连通，气体导入装置包括反应气体导入管321及等离子体气体导入组件322，反应气体导入管321中设置有进气通道和冷却剂流通通道，冷却剂流通通道围绕所述进气通道进行设置，进气通道与放电室310连通，等离子体气体导入组件上设置有径向导气口和切向导气口，径向导气口和切向导气口均与放电室310连通；

冷却装置330，冷却装置包括第二空心管材331、冷却剂导入组件332和冷却剂导出组件333，第二空心管材331围设在第一空心管材311的外侧，且第二空心管材的内侧壁与所述第一空心管材的外侧壁之间存在第一间隙，冷却剂导入组件和所述冷却剂导出组件均与所述第一间隙连通；

电感线圈400，设置在第二空心管材331的外侧。

优选的是，冷却剂流通通道包括相互连通的第一冷却通道和第二冷却通道；第一冷却通道、第二冷却通道与所述进气通道同轴设置，第一冷却通道围设在进气通道的外侧，第二冷却通道围设在第一冷却通道的外侧；第一冷却通道上设置有冷却剂入口，第二冷却通道上设置有冷却剂出口。冷却剂导入组件332和冷却剂导出组件333通过支撑杆500进行固定。

本发明还设计开发了一种磁化等离子体隔热效应调节检测方法，其包括如下步骤：

步骤一、计算电子密度n_e

式中，E_i为电离种子的电离电位，g_o为原子基态的统计权重，g_i为离子基态的统计权重，m_e为电子质量，n_i为离子密度，n_o为电离种子的密度；其中，所述电离种子为碱金属盐，的值为1；其中，式中，n_k为电子种子的个数，V₀为火药燃烧室容积，T为燃气温度；

步骤二、建立关于电子密度和隔热效应的关系式，通过调节气体温度T，以调节电子密度n_e，进而调节等离子体的导热系数α：

其中，δ为绝缘管厚度，r为绝缘管内径，n_o为电离种子的密度，α_gw为绝缘管导热系数。

在另一实施例中，隔热效应通过调节装药质量ω，以调节气体温度T调节，进而调节等离子体的隔热效应σ，包括：

步骤一、获取弹丸最大横截面积S，火药分裂之前的形状特征量χ、λ和μ，燃速系数u₁，次要功系数弹丸的质量m，药室自由容积缩径长l_ψ，火药力f，装药质量ω；

步骤二、建立火药燃烧方程组如下：

式中，ψ是火药已燃百分数；Z为火药相对已燃厚度；e₁为燃烧层厚度；p是火药燃气平均压力；l是弹丸行程；v是弹丸速度；

步骤二、对火药燃烧方程组进行求解，以时间t为自变量，获取p、l、ψ关于t的函数，进而计算燃气温度式中，R是气体常数；

步骤三、建立关于燃气温度和隔热效应的关系式，通过调节装药质量ω，以调节气体温度T调节，进而调节等离子体的隔热效应σ，

其中，T为燃气温度，t_l为绝缘管外露点温度，t_gn为绝缘管外空气温度。

优选的是，在所述步骤二中，建立所述火药燃烧方程组时，初始取值为u₁＝7.6×10^-8m/(s·Pdⁿ)，ω＝0.116kg，f＝0.935KJ/kg，e₁＝0.0000528m，m＝0.39kg，S＝0.000738m²，θ＝0.2，λ＝0.1535，μ＝-0.04745，χ＝0.7874。

在另一实施例中，等离子体的隔热效应还可以通过磁场强度H调节：

α＝πδ·r²/V₀·(2.15lnα_gw-0.8)[0.03H²+0.6H+0.1]

其中，H为磁场强度，α_gw为绝缘管导热系数，r为绝缘管内径，δ为绝缘管厚度。

在另一实施例中，等离子体的隔热效应还可以通过高温气体流速L调节：

α_gw为绝缘管导热系数，r为绝缘管内径，δ为绝缘管厚度，k₁为流速系数，为0.72，n_o为电离种子的密度，n_e为电子密度。

有益效果

本发明设计开发了一种磁化等离子体隔热效应调节检测装置，解决了测试过程中电磁干扰以及高温气体与粉体充分混合均匀的问题，本发明还提供一种磁化等离子体隔热效应调节检测方法，通过计算通过调节气体温度，以调节电子密度，还可以通过装药质量，高温气体流速和磁场强度调节等离子体的导热系数。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种磁化等离子体隔热效应调节检测装置，其特征在于，包括：

空气加热室，其设置有连接管路，用于产生高温气体；

粉体注入装置，其安装在所述连接管路上，用于将固体火药颗粒送入所述连接管路，并且在所述连接管路内高温气体与所述火药颗粒混合；

等离子体喷枪，其一端连接所述连接管路；

等离子体反应发生管，其连接所述等离子体喷枪的另一端；

电磁铁，其套设在所述等离子体反应发生管上，用于在所述等离子体反应发生管外施加磁场；

管内温度传感器，其设置在所述等离子体反应发生管内部；

红外测温仪，其设置在所述等离子体反应发生管外侧；

其中，所述固体火药颗粒中含有1％～5％的碱金属盐添加剂。

2.根据权利要求1所述的磁化等离子体隔热效应调节检测装置，其特征在于，所述等离子体喷枪，包括：

放电室，所述放电室由第一空心管材围设而成，所述第一空心管材为氮化硅管或碳化硅管；

气体导入装置，所述气体导入装置与所述放电室连通，所述气体导入装置包括反应气体导入管及等离子体气体导入组件，所述反应气体导入管中设置有进气通道和冷却剂流通通道，所述冷却剂流通通道围绕所述进气通道进行设置，所述进气通道与所述放电室连通，所述等离子体气体导入组件上设置有径向导气口和切向导气口，所述径向导气口和所述切向导气口均与所述放电室连通；

冷却装置，所述冷却装置包括第二空心管材、冷却剂导入组件和冷却剂导出组件，所述第二空心管材围设在所述第一空心管材的外侧，且所述第二空心管材的内侧壁与所述第一空心管材的外侧壁之间存在第一间隙，所述冷却剂导入组件和所述冷却剂导出组件均与所述第一间隙连通；

电感线圈，所述电感线圈设置在所述第二空心管材的外侧。

3.根据权利要求2所述的磁化等离子体隔热效应调节检测装置，其特征在于，所述冷却剂流通通道包括相互连通的第一冷却通道和第二冷却通道；

所述第一冷却通道、所述第二冷却通道与所述进气通道同轴设置，所述第一冷却通道

围设在所述进气通道的外侧，所述第二冷却通道围设在所述第一冷却通道的外侧；

所述第一冷却通道上设置有冷却剂入口，所述第二冷却通道上设置有冷却剂出口。

4.根据权利要求2或3所述的磁化等离子体隔热效应调节检测装置，其特征在于，还包括：

气控开关阀，其安装在所述空气加热室的出气口处；

质量流量计，其安装在所述气控开关阀与安装所述粉体注入装置的连接管路之间；

平台，其上通过喷枪支架固定所述喷枪，通过绝缘管支架固定所述绝缘管。

5.如权利要求1或2所述的磁化等离子体隔热效应调节检测装置，其特征在于，所述等离子体反应发生管为石英玻璃绝缘管。

6.一种磁化等离子体隔热效应调节检测方法，其特征在于，包括：

步骤一、计算电子密度n_e

$n_e=\frac{n_0}{n_i}\frac{{\left(2{\mathrm{\πm}}_{e}kT\right)}^{1.5}}{h^3}\frac{2g_i}{g_0}\exp \left(\frac{-{\mathrm{eE}}_i}{kT}\right);$

式中，E_i为电离种子的电离电位，g_o为原子基态的统计权重，g_i为离子基态的统计权重，m_e为电子质量，n_i为离子密度，n_o为电离种子的密度；其中，所述电离种子为碱金属盐，的值为1；其中，式中，n_k为电子种子的个数，V₀为火药燃烧室容积，T为燃气温度；

步骤二、建立关于电子密度和隔热效应的关系式，通过调节气体温度T，以调节电子密度n_e，进而调节等离子体的导热系数α：

$\mathrm{\α}=\mathrm{\π}\mathrm{\δ}\·r^2/V_0\·\[0.396{\mathrm{\α}}_{gw}^2+0.996{\mathrm{\α}}_{gw}+0.695\]\·ln(\sqrt{1.23\×{10}^7{n}_0}/\sqrt{n_g})$

其中，δ为绝缘管厚度，r为绝缘管内径，n_o为电离种子的密度，α_gw为绝缘管导热系数。

7.一种磁化等离子体隔热效应调节检测方法，其特征在于，包括：

步骤一、获取弹丸最大横截面积S，火药分裂之前的形状特征量χ、λ和μ，燃速系数u₁，次要功系数弹丸的质量m，药室自由容积缩径长l_ψ，火药力f，装药质量ω；

步骤二、建立火药燃烧方程组如下：

式中，ψ是火药已燃百分数；Z为火药相对已燃厚度；e₁为燃烧层厚度；p是火药燃气平均压力；l是弹丸行程；v是弹丸速度；

步骤二、对火药燃烧方程组进行求解，以时间t为自变量，获取p、l、ψ关于t的函数，进而计算燃气温度式中，R是气体常数；

步骤三、建立关于燃气温度和隔热效应的关系式，通过调节装药质量ω，以调节气体温度T调节，进而调节等离子体的隔热效应σ，

$\mathrm{\λ}=\mathrm{\π}\mathrm{\δ}\·r^2/V_0\·{\mathrm{\α}}_{gw}\left(\frac{T-t_l}{t_l-t_{gn}}\right)\·\exp (T-256)$

其中，T为燃气温度，t_l为绝缘管外露点温度，t_gn为绝缘管外空气温度。

8.根据权利要求7所述的磁化等离子体隔热效应调节检测方法，其特征在于，在所述步骤二中，建立所述火药燃烧方程组时，初始取值为u₁＝7.6×10^-8m/(s·Pdⁿ)，ω＝0.116kg，f＝0.935KJ/kg，e₁＝0.0000528m，m＝0.39kg，S＝0.000738m²，θ＝0.2，λ＝0.1535，μ＝-0.04745，χ＝0.7874。

9.一种磁化等离子体隔热效应调节检测方法，其特征在于，等离子体的隔热效应还可以通过磁场强度H调节：

α＝πδ·r²/V₀·(2.15lnα_gw-0.8)[0.03H²+0.6H+0.1]

其中，H为磁场强度，α_gw为绝缘管导热系数，r为绝缘管内径，δ为绝缘管厚度。

10.一种磁化等离子体隔热效应调节检测方法，其特征在于，等离子体的隔热效应还可以通过高温气体流速L调节：

$\mathrm{\α}=\mathrm{\π}\mathrm{\δ}\·r^2/V_0\·{\mathrm{\α}}_{gw}\·\[100-0.4\×\frac{L}{L_{gw}}-k_1(12-L)\]\·\ln (\sqrt{1.23\×{10}^7{n}_0}/\sqrt{n_g})$

α_gw为绝缘管导热系数，r为绝缘管内径，δ为绝缘管厚度，k₁为流速系数，为0.72，n_o为电离种子的密度，n_e为电子密度。