CN108492702A - 一种高速云雾模拟系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种高速云雾模拟系统，隔膜在第一激波管高压段中存储的高压气体到达设定压力后，再将高压气体释放到第一激波管低压段，然后由第一激波管低压段对所述高压气体进行加速，使高速气体形成激波，从而由雾化喷嘴喷出高落速的云雾，较为准确地模拟了高落速云雾的分散过程。
Description
技术领域
本发明属于液体抛撒成雾特性指标量化测定技术领域，尤其涉及一种高速云雾模拟系统。
背景技术
云雾作为先进爆炸能源已得到国内外广泛关注，而现有的云雾模拟方法只能模拟60m/s以下的低落速条件下云雾形态、浓度、粒度等指标参数，而高落速条件下云雾形态、浓度、粒度等指标参数是云雾爆炸能量输出的主要影响因素，则如何在试验中模拟高落速条件下云雾分散过程，以检测云雾形态、浓度、粒度等参数指标，成为高速云雾先进爆炸能源研发的重要课题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种高速云雾模拟系统，能够较为准确地模拟高落速云雾的分散过程。
一种高速云雾模拟系统，包括喷雾装置1与第一供给装置5；
所述第一供给装置5用于为喷雾装置1提供高压气体；
所述喷雾装置1包括顺次连接的第一阀门1.1、第一激波管高压段1.2、隔膜1.3、第一激波管低压段1.4、储料盒1.7以及雾化喷嘴1.8；
所述第一阀门1.1用于接入所述第一供给装置5输出的高压气体；
所述第一激波管高压段1.2用于存储所述高压气体；
所述隔膜1.3用于在所述第一激波管高压段1.2中存储的高压气体到达设定压力后，将所述高压气体释放到第一激波管低压段1.4；
所述第一激波管低压段1.4用于对所述高压气体进行加速，使高速气体形成激波；
所述雾化喷嘴1.8用于在所述激波的驱动下，将所述储料盒1.7中存储的混合物喷出，使得混合物形成高速云雾。
进一步地，一种高速云雾模拟系统，还包括用于测量所述高速云雾的形态、浓度以及粒度的测试装置4。
进一步地，所述隔膜1.3的厚度越厚，所述设定压力越高。
进一步地，所述雾化喷嘴1.8包括顺次连接的喷嘴收缩段1.8.1、喉管1.8.2以及挡板1.8.4，其中挡板1.8.4通过两个以上的支撑柱设置在喉管1.8.2的开口端，则喉管1.8.2的开口与挡板1.8.4间形成环形缝。
进一步地，所述支撑柱内部设有伸缩结构。
进一步地，一种高速云雾模拟系统，还包括控制装置2和第二供给装置3；
所述控制装置2用于在第一激波管低压段1.4内高压气体的速度不为零时，控制所述第二供给装置3开启，在第一激波管低压段1.4内高压气体的速度为零时，控制所述第二供给装置3关闭；
所述第二供给装置3用于接入所述第一供给装置5输出的高压气体，并为雾化喷嘴1.8喷出的云雾提供横向气流，且横向气流作用在云雾的径向方向上。
进一步地，所述第二供给装置3包括顺次连接的第二激波管低压段3.1、电磁阀3.2、第二激波管高压段3.3以及第二阀门3.4；
所述第二阀门3.4用于接入所述第一供给装置5输出的高压气体；
所述第二激波管高压段3.3用于存储所述高压气体；
所述电磁阀3.2用于在控制装置2的控制下进行开启和关闭，将所述高压气体释放到第二激波管低压段1.4；
所述第二激波管低压段3.1对所述高压气体进行加速，使高速气体形成激波，并将所述激波以横向气流的形式作用在云雾的径向方向上。
进一步地，所述喷雾装置1还包括设置在第一激波管低压段1.4上的示波器1.5和传感器1.6；
所述传感器1.6用于测量第一激波管低压段1.4内高压气体的速度；
所述示波器1.5用于显示传感器1.6测得的速度信号。
进一步地，所述控制装置2包括放大器2.1和PLC控制箱2.2；
所述放大器2.1用于将传感器1.6测得的速度信号进行放大，并将放大后的速度信号输入PLC控制箱2.2；
所述PLC控制箱2.2用于根据速度信号是否为零来控制第二供给装置3的开启和关闭。
进一步地，所述控制装置2还包括延时单元；
所述延时单元用于在PLC控制箱2.2接收到不为零的速度信号后，控制PLC控制箱2.2延迟设定时间T后，再开启第二供给装置3。
有益效果：
1、本发明提供的一种高速云雾模拟系统，隔膜在第一激波管高压段中存储的高压气体到达设定压力后，再将高压气体释放到第一激波管低压段，然后由第一激波管低压段对所述高压气体进行加速，使高速气体形成激波，从而由雾化喷嘴喷出高落速的云雾，较为准确地模拟了高落速云雾的分散过程。
2、本发明的高速云雾模拟系统，还包括测试装置，能够观测高速云雾的形态、浓度和粒度，完成云雾高落速状况下的形态、浓度及粒径分布等相关物理特性指标测定。
3、本发明提供的一种高速云雾模拟系统，在径向云雾的垂直方向布设有第二供给装置喷出的高速横向气流，通过横向气流为径向云雾提供一个横向加速度，进而提供调整喷雾装置的云雾径向速度和第二供给装置的横向气流的速度，模拟高速云雾同时在径向和横向两个方向的动态扩散过程，最后通过测试装置观测动态条件下云雾的形态，测定云雾动态条件下的浓度和粒度。
4、本发明提供的一种高速云雾模拟系统，控制装置还包括延时单元，因此，本发明除了通过放大器和PLC控制箱对喷雾装置和第二供给装置的同步控制外，还可以通过延时单元对喷雾装置和第二供给装置进行延时控制，考虑不同时间下的云雾扩散形态以及浓度、粒度的分布，以此分析云雾与高速的横向气流同步耦合作用、延时耦合作用时的云雾场特性。
附图说明
图1为本发明提供的一种高速云雾模拟系统的结构示意图；
图2为本发明提供的一种雾化喷嘴的结构示意图；
图3为本发明提供的另一种高速云雾模拟系统的结构示意图；
1-高速喷雾装置、1.1-第一阀门、1.2-第一激波管高压段、1.3-隔膜、1.4-第一激波管低压段、1.5-示波器、1.6-传感器、1.7-储料盒、1.8-雾化喷嘴、1.8.1-喷嘴收缩段、1.8.2-喉管、1.8.3-环形缝、1.8.4-挡板、1.9-支架、2-控制装置、2.1-放大器、2.2-PLC控制箱、3-第二供给装置、3.1-第二激波管低压段、3.2-电磁阀、3.3-第二激波管高压段、3.4-第二阀门、3.5-支架、4-测试装置、4.1-数据采集单元、4.2-光照检测单元、4.3-激光单元、4.4-高速摄影单元、5-第一供给装置、5.1-高压气包、5.2-压力表、5.3-第二阀门、5.4-高压空气压缩机。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一
参见图1，该图为本实施例提供的一种高速云雾模拟系统的结构示意图。
一种高速云雾模拟系统，包括喷雾装置1、测试装置2以及第一供给装置5。
所述第一供给装置5用于为喷雾装置1提供高压气体。
可选地，第一供给装置5通过输气管与喷雾装置1连接。
下面介绍第一供给装置5的一种实现方式。
第一供给装置5包括依次连接的高压气包5.1、压力表5.2、第二阀门5.3以及高压空气压缩机5.4。
高压空气压缩机5.4为高压气包5.1充入压缩空气，待高压气包5.1达到预定压力后，关闭第二阀门5.3，同时为喷雾装置1提供高压气体；压力表5.2用于实时监测高压气包5.1的压力。
需要说明的是，高压气包5.1输出的气压压力范围0～3Mpa，且压力的峰值指高压气包5.1出口的压力，随着时间的增长，越来越低。
需要说明的是，第一供给装置5除了以上实现方式，也可以只包括高压空气压缩机5.4；也就是说，第一供给装置5只要能为喷雾装置1提供高压气体即可，不局限于本实施例提供的实现方式。
所述喷雾装置1包括顺次连接的第一阀门1.1、第一激波管高压段1.2、隔膜1.3、第一激波管低压段1.4、储料盒1.7、雾化喷嘴1.8、第一支架1.9，以及设置在第一激波管低压段1.4上的示波器1.5和传感器1.6。
所述第一阀门1.1用于接入所述第一供给装置5输出的高压气体。
所述第一激波管高压段1.2用于存储所述高压气体。
所述隔膜1.3用于在所述第一激波管高压段1.2中存储的高压气体到达设定压力后，将所述高压气体释放到第一激波管低压段1.4。
需要说明的是，所述隔膜1.3的厚度越厚，所述设定压力越高。
可选地，所述隔膜1.3为圆形薄膜片，直径为89mm，采用铝质材质，厚度为0.5mm。可选地，第一激波管高压段1.2与第一激波管低压段1.4的直径也为89mm。需要说明的是，第一激波管高压段1.2的直径越大，储气量越大，则能够获取的气体压力越大、流速越高。
所述第一激波管低压段1.4用于对所述高压气体进行加速，使高速气体形成激波。
所述雾化喷嘴1.8用于在所述激波的驱动下，将所述储料盒1.7中存储的混合物喷出，使得混合物形成云雾。
参见图2，该图为本实施例提供的一种雾化喷嘴的结构示意图。所述雾化喷嘴1.8包括顺次连接的喷嘴收缩段1.8.1、喉管1.8.2以及挡板1.8.4，其中挡板1.8.4通过两个以上的支撑柱设置在喉管1.8.2的开口上，则喉管1.8.2的开口与挡板1.8.4间形成环形缝。
其中，支撑柱内部设有伸缩结构，使支撑柱具有两级以上的高度，则喉管1.8.2与挡板1.8.4之间的距离可调。
所述喷嘴收缩段1.8.1用于接收储料盒1.7输出的混合物。
所述喉管1.8.2用于对所述混合物进行加速。
所述环形缝1.8.3用于将所述混合物喷出。可选地，环形缝1.8.3的缝宽为5mm。
需要说明的是，由于混合物是通过环形缝1.8.3喷出，则喷出而形成的云雾为圆环状，并沿挡板1.8.4的径向分布，也就是说，云雾为径向云雾。
所述传感器1.6用于测量第一激波管低压段1.4内高压气体的速度。
所述示波器1.5用于显示传感器1.6测得的速度信号。
所述第一支架1.9用于安装所述第一激波管高压段1.2、隔膜1.3以及第一激波管低压段1.4。
需要说明的是，所述混合物可以为液体、固体或固液混合物。其中，固体可以为有机粉尘或无机粉尘，如淀粉；液体可以为水、乙醇、庚烷或者环己烷等溶剂；固液混合物可以为粉尘与各种溶剂的混合物。
需要说明的是，雾化喷嘴1.8只要能将混合物喷出即可，不局限于本实施例介绍的实现方式。其中，雾化喷嘴1.8喷出的云雾的压力范围为0～0.5Mpa，速度范围为0～300m/s，且压力和速度的峰值指雾化喷嘴1.8出口的压力和速度，随着时间的增长，越来越低。
所述测试装置4用于测量所述云雾的形态、浓度以及粒度。
下面介绍测试装置4的一种实现方式。
测试装置4包括数据采集单元4.1、光照检测单元4.2、激光单元4.3、高速摄影单元4.4。激光单元4.3由两个以上的不同波长的激光发射器组成，光照检测单元4.2由两个以上的光照度传感器组成，其中光照度传感器与激光单元4.3中的激光发射器一一对应。一个光照度传感器和一个激光发射器构成喷雾浓度在线检测模块，且各模块分别布置在云雾两侧。光照检测单元4.2捕捉到光强信号通过数据采集单元4.1形成可识别数组，进行后期分析，能够获取云雾的粒度、浓度；通过高速摄影单元4.4拍摄的高清晰云雾图片，分析云雾的形态特征。
可选地，所述激光单元4.3的激光发射器为红、蓝、绿三种激光发射器的任意组合。
可选地，所述光检测单元4.2采用RS485光照度传感器。
本实施例的工作原理为：
A1：由高压空气压缩机5.4在高压气包5.1中充入压缩空气，通过压力表5.2，判断充入的气压是否达到预定压力，待充入完成后关闭第二阀门5.3。
A2：喷雾装置1中的储料盒1.7中放入混合物，打开阀门1.1，高压气体进入第一激波管高压段1.2进行存储，达到设定压力后，高压气体冲破隔膜1.3后进入到第一激波管低压段1.4，加速形成激波；传感器1.6可以测出第一激波管低压段1.4内的气体速度，并将检测出的速度信号反馈给示波器1.5，由示波器1.5显示；激波驱动储料盒1.7内的混合物经雾化喷嘴1.8上的环形缝1.8.3喷出，形成径向分散云雾。
A3：将测试装置4中的激光单元4.3、光照检测单元4.2预先布置在云雾的两侧，高速摄影单元4.4沿云雾垂直布置，通过数据采集软件测定云雾局域浓度和粒度，高速摄影单元4.4拍摄高清晰云雾形态图像。
实施例二
以上实施例对喷雾装置喷出的径向云雾，通过测试装置观测云雾的形态、测定局域浓度和粒度，只是模拟了静态条件下云雾分散。然而在实际的高空云雾爆炸中，受风力与重力影响，云雾的分散是不断动态变化的。因此，为了模拟动态条件下的云雾分散，本实施例提供另一种高速云雾模拟系统。
参见图3，该图为本实施例提供的另一种高速云雾模拟系统的结构示意图。
一种高速云雾模拟系统，除了包括喷雾装置1、测试装置2以及第一供给装置5，还包括控制装置2和第二供给装置3；
其中，喷雾装置1、测试装置2以及第一供给装置5的结构与上述实施例的结构相同，本实施例对此不做赘述。
所述第二供给装置3用于接入所述第一供给装置5输出的高压气体，并为雾化喷嘴1.8喷出的云雾提供横向气流，且横向气流作用在云雾的径向方向上。
下面介绍第二供给装置的一种实现方式。
所述第二供给装置3包括顺次连接的第二激波管低压段3.1、电磁阀3.2、第二激波管高压段3.3、第二阀门3.4以及第二支架3.5。
所述第二阀门3.4用于接入所述第一供给装置5输出的高压气体。
所述第二激波管高压段3.3用于存储所述高压气体。
所述电磁阀3.2用于在控制装置2的控制下进行开启和关闭，将所述高压气体释放到第二激波管低压段1.4。
需要说明的是，本实施例的第二供给装置3采用电磁阀3.2而不采用隔膜，是为更方便地控制气体压力和气体流速。
所述第二激波管低压段3.1对所述高压气体进行加速，使高速气体形成激波，并将所述激波以横向气流的形式作用在云雾的径向方向上。
需要说明的是，本实施例第二激波管低压段3.1喷出的横向气流的压力范围0～0.6Mpa，速度范围0～350m/s，且压力和速度的峰值指第二激波管低压段3.1出口的压力和速度，随着时间的增长，越来越低。
所述第二支架3.5用于安装第二激波管低压段3.1、电磁阀3.2以及第二激波管高压段3.3。
所述控制装置2用于在第一激波管低压段1.4内高压气体的速度不为零时，控制所述第二供给装置3开启，在第一激波管低压段1.4内高压气体的速度为零时，控制所述第二供给装置3关闭。
由于实施例一中的喷雾装置1还包括示波器1.5和传感器1.6，则控制装置2在控制第二供给装置3的开启和关闭时，具体可以是在传感器1.6测得的速度信号不为零时，控制所述第二供给装置3开启，在传感器1.6测得的速度信号为零时，控制所述第二供给装置3关闭。
下面介绍控制装置的一种实现方式。
所述控制装置2包括放大器2.1和PLC控制箱2.2；
所述放大器2.1用于将传感器1.6测得的速度信号进行放大，并将放大后的速度信号输入PLC控制箱2.2；
所述PLC控制箱2.2用于根据速度信号是否为零来控制第二供给装置3的开启和关闭。由于实施例第二供给装置3中设置有电磁阀3.2，则PLC控制箱2.2可以通过控制电磁阀3.2的开启和关闭，来实现第二供给装置3的开启和关闭。
上述控制装置只能够实现喷雾装置1和第二供给装置的同步控制，为了实现两个装置的延时控制，下面介绍控制装置的另一种实现方式。
除了包括放大器2.1和PLC控制箱2.2外，控制装置2还包括延时单元；
所述延时单元用于在PLC控制箱2.2接收到不为零的速度信号后，控制PLC控制箱2.2延迟设定时间T后，再开启第二供给装置3。由于实施例第二供给装置3中设置有电磁阀3.2，则PLC控制箱2.2可以通过控制电磁阀3.2的开启，来实现第二供给装置3的开启。
本实施例的工作原理为：
B1：由高压空气压缩机5.4在高压气包5.1中充入压缩空气，通过压力表5.2，判断充入的气压是否达到预定压力；待充入完成后关闭阀门5.3。
B2：打开阀门3.4，高压气体由第二激波管高压段3.3进入；此时，第二供给装置3中第二激波管高压段3.3中充入了同样压力的高压气体，同时关闭阀门3.4。
B3：对第二供给装置3中的电磁阀3.2设定好开启方式，开启方式设定为通电情况下持续开启不闭合。电磁阀3.2的开启通过控制装置2中的PLC控制箱2.2控制。具体地，传感器1.6检测到速度信号后，将速度信号传输给放大器2.1。由放大器2.1进行信号的放大与转换，而后将放大后的速度信号传输到PLC控制箱2.2，PLC控制箱2.2控制电磁阀3.2触发，控制电磁阀3.2的打开，实现第二供给装置3的同步控制或延时控制。电磁阀3.2打开后，高压气体进入到激波管低压段3.1进行加速。
其中，同步控制是指喷雾装置1和第二供给装置3同时启动，延时控制是指喷雾装置1和第二供给装置3之间的启动有延时，且延时时间根据实际需要设定。
B4：喷雾装置1中的储料盒1.7中放入混合物，打开阀门1.1，高压气体由激波管高压段1.2冲破隔膜1.3，进入到激波管低压段1.4进行加速形成激波；激波管低压段1.4内气体触发传感器1.6，并由示波器1.5显示气流的速度信号；激波管低压段1.4前端储料盒1.7内混合物由雾化喷嘴1.8喷出形成径向分散云雾。当激波管低压段1.4内气体触发传感器1.6时，控制装置2同步开启电磁阀3.2，经第二激波管低压段3.1加速形成高速气流由第二激波管高压段3.3喷出，高速气流垂直作用在径向云雾上，使得径向方向上的云雾沿喷雾装置2的轴向运动。
B5：将测试装置4中的激光单元4.3、光照检测单元4.2预先布置在云雾运动路线的两侧，高速摄影单元4.4沿云雾垂直布置，通过数据采集软件测定云雾局域浓度和粒度，高速摄影单元4.4拍摄高清晰云雾形态图像。
通过上述实施例，能够模拟完成高落速条件下云雾分散过程，并完成云雾形态、浓度及粒径分布等相关物理特性指标测定；其中，云雾最大分散速度可达200m/s-300m/s，云雾最大范围1m；浓度测试量级100g/m3-102g/m3，粒度测试量级100μm-102μm，云雾瞬态过程在100-101ms。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种高速云雾模拟系统，其特征在于，包括喷雾装置(1)与第一供给装置(5)；
所述第一供给装置(5)用于为喷雾装置(1)提供高压气体；
所述喷雾装置(1)包括顺次连接的第一阀门(1.1)、第一激波管高压段(1.2)、隔膜(1.3)、第一激波管低压段(1.4)、储料盒(1.7)以及雾化喷嘴(1.8)；
所述第一阀门(1.1)用于接入所述第一供给装置(5)输出的高压气体；
所述第一激波管高压段(1.2)用于存储所述高压气体；
所述隔膜(1.3)用于在所述第一激波管高压段(1.2)中存储的高压气体到达设定压力后，将所述高压气体释放到第一激波管低压段(1.4)；
所述第一激波管低压段(1.4)用于对所述高压气体进行加速，使高速气体形成激波；
所述雾化喷嘴(1.8)用于在所述激波的驱动下，将所述储料盒(1.7)中存储的混合物喷出，使得混合物形成高速云雾。
2.如权利要求1所述的一种高速云雾模拟系统，其特征在于，还包括用于测量所述高速云雾的形态、浓度以及粒度的测试装置(4)。
3.如权利要求1所述的一种高速云雾模拟系统，其特征在于，所述隔膜(1.3)的厚度越厚，所述设定压力越高。
4.如权利要求1所述的一种高速云雾模拟系统，其特征在于，所述雾化喷嘴(1.8)包括顺次连接的喷嘴收缩段(1.8.1)、喉管(1.8.2)以及挡板(1.8.4)，其中挡板(1.8.4)通过两个以上的支撑柱设置在喉管(1.8.2)的开口端，则喉管(1.8.2)的开口与挡板(1.8.4)间形成环形缝。
5.如权利要求4所述的一种高速云雾模拟系统，其特征在于，所述支撑柱内部设有伸缩结构。
6.如权利要求1所述的一种高速云雾模拟系统，其特征在于，还包括控制装置(2)和第二供给装置(3)；
所述控制装置(2)用于在第一激波管低压段(1.4)内高压气体的速度不为零时，控制所述第二供给装置(3)开启，在第一激波管低压段(1.4)内高压气体的速度为零时，控制所述第二供给装置(3)关闭；
所述第二供给装置(3)用于接入所述第一供给装置(5)输出的高压气体，并为雾化喷嘴(1.8)喷出的云雾提供横向气流，且横向气流作用在云雾的径向方向上。
7.如权利要求6所述的一种高速云雾模拟系统，其特征在于，所述第二供给装置(3)包括顺次连接的第二激波管低压段(3.1)、电磁阀(3.2)、第二激波管高压段(3.3)以及第二阀门(3.4)；
所述第二阀门(3.4)用于接入所述第一供给装置(5)输出的高压气体；
所述第二激波管高压段(3.3)用于存储所述高压气体；
所述电磁阀(3.2)用于在控制装置(2)的控制下进行开启和关闭，将所述高压气体释放到第二激波管低压段(1.4)；
所述第二激波管低压段(3.1)对所述高压气体进行加速，使高速气体形成激波，并将所述激波以横向气流的形式作用在云雾的径向方向上。
8.如权利要求6所述的一种高速云雾模拟系统，其特征在于，所述喷雾装置(1)还包括设置在第一激波管低压段(1.4)上的示波器(1.5)和传感器(1.6)；
所述传感器(1.6)用于测量第一激波管低压段(1.4)内高压气体的速度；
所述示波器(1.5)用于显示传感器(1.6)测得的速度信号。
9.如权利要求8所述的所述一种高速云雾模拟系统，其特征在于，所述控制装置(2)包括放大器(2.1)和PLC控制箱(2.2)；
所述放大器(2.1)用于将传感器(1.6)测得的速度信号进行放大，并将放大后的速度信号输入PLC控制箱(2.2)；
所述PLC控制箱(2.2)用于根据速度信号是否为零来控制第二供给装置(3)的开启和关闭。
10.如权利要求9所述的所述一种高速云雾模拟系统，其特征在于，所述控制装置(2)还包括延时单元；
所述延时单元用于在PLC控制箱(2.2)接收到不为零的速度信号后，控制PLC控制箱(2.2)延迟设定时间T后，再开启第二供给装置(3)。
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