CN108519213A - 一种多用途示踪粒子撒播流化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超燃冲压发动机、组合动力系统地面试验等流体力学试验测量领域，公开了一种多用途示踪粒子撒播流化装置，包括主罐体、安装支架和端口；所述主罐体上端设有上碗盖；所述端口包括头部端口、身部端口和底部端口；所述主罐体内部套设有下套筒，所述下套筒上端设有整流装置，所述下套筒内部同轴安装有内部歧管，所述内部歧管穿过所述下套筒的底面与所述底部端口相连通。本发明有三个进出端口供使用，能够满足不同试验条件对混合方法的要求，无需对主罐体进行更换和改装，只需选择相关的端口位置；主罐体拆装过程简单，便于工质添加，可避免泄露；该装置能为航空航天领域发动机试验研究中PIV测量提供示踪粒子的在线预先流化撒播。
Description
技术领域
本发明属于超燃冲压发动机、组合动力系统地面试验等流体力学试验测量领域，具体地涉及一种多用途示踪粒子撒播流化装置。
背景技术
PIV作为一种非接触式流场光学诊断技术，在航空航天试验领域的应用非常广泛。在常规的低速、低压的流场环境中，PIV的测量已有很多的公开报道。PIV技术应用首要解决的问题是在气流场中实现示踪粒子的均匀播撒。在超燃冲压发动机机地面试验条件下，获取燃烧室内的流场定量信息对于提升发动机研究水平具有重要的研究意义。
2008年国防科学技术大学的博士论文《超声速混合层时空结构的实验研究》中提到了一种纳米粒子撒播装置，实现了在低压、冷态、高速下的粒子撒播。但该装置在高温、高压的气流风洞中无法与空气加热器的现有系统进行兼容。发动机地面试验气流环境的特点是高温、高压、高速，且有效持续时间短，各分系统之间的时间同步性要求较高。
发展高总温来流空气下的PIV试验测量技术，获取流场结构的定量信息对于超燃冲压发动机在实际飞行工况下的性能预测、理论分析具有重要的工程实用价值。针对燃烧加热的直连式空气燃烧加热系统，如何实现示踪粒子的均匀、无干扰添加是试验过程中需要解决的第一步。传统的低速流试验中常采用的是在线旁路添加混合法和离线流化预先混合法。前者由于对气流干扰较大，且撒播均匀性难以保证，无法用于直连式试验。后者通过在冷空气中对粒子预先流化混合，但由于点火试验中工作时间短，时序衔接难以控制，也无法获得稳定的流化混合效果，且随着空气流量规模的增大，运行操作难度很大。
2013年国防科学技术大学的博士论文《超声速气流中的点火启动及其强化机理研究》开发了高总温条件下的PIV技术，采用在酒精燃料中预先配置示踪粒子悬浊液的方法有效解决以上难题。但是文章未公布具体的粒子撒播方案。思路是：采用酒精/空气/氧气三组元燃烧加热的方式产生高温空气，在酒精中加入TiO2纳米粒子粉末配置悬浊液的方法实现了纳米粒子的均匀撒播，并通过试验验证了高总温超声速流场中PIV技术运用的可行性。论文对凹腔、斜劈、燃烧雍塞作用下超声速流场的测量结果表明，该方法能够捕捉高总温超燃流场的主要结构特征，试验操作过程方便、快捷、高效，可推广应用于更大流量规模、更大流场尺度的超燃燃烧室流场诊断研究。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种多用途示踪粒子撒播流化装置，该装置能够满足不同试验条件对混合方法的要求，实现多种功能和用途。
为了实现上述目的，本发明提供一种多用途示踪粒子撒播流化装置，包括主罐体、安装支架和用于连接外部气源或向外供应工质的端口；
所述主罐体上端设有上碗盖，所述主罐体下端固定在所述安装支架上；
所述端口包括设在所述上碗盖上端的头部端口、设在所述主罐体侧壁上的身部端口和设在所述主罐体底部的底部端口；
所述主罐体内部套设有用于工质流化混合的下套筒，所述下套筒的底面固定在所述安装支架上，所述下套筒上端设有整流装置，所述下套筒内部同轴安装有具有微孔结构的内部歧管，所述内部歧管穿过所述下套筒的底面与所述底部端口相连通；
所述身部端口的位置高于所述下套筒上端的位置。
优选地，所述主罐体上设有身部进口抱环，所述身部进口抱环与所述主罐体之间通过多个第一分支管相连通，所述身部进口抱环的位置高于所述下套筒上端的位置，所述身部端口设在所述身部进口抱环上。
优选地，所述主罐体与所述上碗盖通过法兰固定连接。
优选地，所述主罐体上端与所述上碗盖的连接接触面处设有第一密封槽，所述第一密封槽内设有第一密封垫片。
优选地，所述主罐体与所述下套筒的接触面处设有第二密封槽，所述第二密封槽内设有第二密封垫片。
优选地，所述内部歧管上设有底部歧管抱环，所述内部歧管与所述底部歧管抱环之间通过多个第二分支管相连通，所述底部歧管抱环上均匀设有多个微孔。
优选地，所述底部歧管抱环为2个。
优选地，所述整流装置为过滤筛网。
优选地，所述安装支架包括安装座和固定在所述安装座底部的支架，所述主罐体下端和所述下套筒的底面依次叠加在一起与所述安装座通过法兰固定连接。
本发明所述流化装置有三个进出端口供使用，能够根据PIV试验测量对于示踪粒子均匀撒播的需要，可选择性地实现气体和固体颗粒混合、液体和固体颗粒混合、或固体、液体、气体之间的三相掺混；实现不同的功能时，无需对主罐体结构进行更换和改装，只需根据需要选择相关的端口位置；所述流化装置的主罐体拆装过程简单，便于工质添加，可避免泄露；该装置能为航空航天领域发动机试验研究中PIV测量提供示踪粒子的在线预先流化撒播；该装置功能多样，所提供的粒子撒播方法，一方面能够用于常规低压、低速、低温气流实验测量中对试验时间长短无严格要求的场合，另一方面又能满足发动机点火燃烧试验高温、高压、高速流场对于有效测试时间很短，各系统同步响应要求较高的需要。
附图说明
图1是本发明多用途示踪粒子撒播流化装置的外部轮廓图；
图2是本发明多用途示踪粒子撒播流化装置的半剖视图；
图3是主罐体的1/4剖视图；
图4是本发明用以实现气体和示踪粒子流化混合时的工作示意图；
图5是本发明用以实现液体和示踪粒子流化混合时的工作示意图。
附图标记说明
1主罐体 2上碗盖
3下套筒 4安装支架
5头部端口 6身部端口
7底部端口 8内部歧管
9过滤筛网 10身部进口抱环
11底部歧管抱环 12第一分支管
13第二分支管
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、头部、身部、底部”通常是指在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制，例如头部即顶部，身部即位于头部和底部之间的位置。
本发明提供一种多用途示踪粒子撒播流化装置，如图1至图3所示，所述流化装置包括主罐体1、安装支架4和用于连接外部气源或向外供应工质的端口；所述主罐体1上端设有上碗盖2，所述主罐体1下端固定在所述安装支架4上。
所述端口包括设在所述上碗盖2上端的头部端口5、设在所述主罐体1侧壁上的身部端口6和设在所述主罐体1底部的底部端口7；通过设置三个端口，可根据不同的试验需要选用其中一个或两个端口作为外部气源接入口，另外端口作为向外供应工质的端口，可选择性地实现气体和固体颗粒混合、液体和固体颗粒混合、或固体、液体、气体之间的三相掺混和加压供给。
所述主罐体1内部套设有用于工质流化混合的下套筒3，所述下套筒3的底面固定在所述安装支架4上，所述下套筒3上端设有整流装置，所述下套筒3内部同轴安装有具有微孔结构的内部歧管8，所述内部歧管8穿过所述下套筒3的底面与所述底部端口7相连通；所述身部端口6的位置高于所述下套筒3上端的位置。
本发明所述流化装置有三个进出端口供使用，能够根据PIV试验测量对于示踪粒子均匀撒播的需要，可选择性地实现气体和固体颗粒混合、液体和固体颗粒混合、或固体、液体、气体之间的三相掺混；实现不同的功能时，无需对主罐体结构进行更换和改装，只需根据需要选择相关的端口位置；所述流化装置的主罐体拆装过程简单，便于工质添加，可避免泄露；该装置能为航空航天领域发动机试验研究中PIV测量提供示踪粒子的在线预先流化撒播；该装置功能多样，所提供的粒子撒播方法，一方面能够用于常规低压、低速、低温气流实验测量中对试验时间长短无严格要求的场合，另一方面又能满足发动机点火燃烧试验高温、高压、高速流场对于有效测试时间很短，各系统同步响应要求较高的需要。
其中所述主罐体1与所述上碗盖2为可拆卸固定连接，使得所述上碗盖2可以拆卸打开，从而方便向所述下套筒3内添加需要流化混合的工质。所述主罐体1与所述上碗盖2的优选连接方式为法兰固定连接，一方面便于拆卸连接，另一方面法兰面接触能够保证所述主罐体1与所述上碗盖2的连接紧密性。需要理解的是，所述主罐体1与所述上碗盖2也可以为螺纹连接或卡扣连接，这些连接结构形式均属于本发明的技术构思范围之内。
为了保证所述流化装置工作时的气密性，避免产生气体或液体泄露，所述主罐体1和所述上碗盖2的连接、所述主罐体1和所述下套筒3的连接均为密封连接，具体的密封连接方式为，在所述主罐体1上端与所述上碗盖2的连接接触面处设有第一密封槽，所述第一密封槽内设有第一密封垫片，使得所述主罐体1上端与所述上碗盖2为密封连接；同样的，在所述主罐体1与所述下套筒3的接触面处设有第二密封槽，所述第二密封槽内设有第二密封垫片，使得所述主罐体1与所述下套筒3为密封连接。
本发明中所述整流装置优选为过滤筛网9，需要理解的是，凡是能够实现气体整流作用的结构均属于本发明的技术构思范围之内。
本发明中，所述安装支架4包括安装座和固定在所述安装座底部的支架，所述主罐体1下端和所述下套筒3的底面依次叠加在一起与所述安装座通过法兰固定连接。通过法兰固定连接一方面便于将所述主罐体1和所述下套筒3一次性固定连接在所述安装座上，安装、拆卸方便；另一方面能够保证所述主罐体1、所述下套筒3与所述安装座的连接紧密性，减少泄露的发生。
本发明所述流化装置用于常规低压、低速、低温气流实验测量中时，可分别实现低浓度和高浓度两种模式下的流化混合。图4是本发明所述流化装置用以实现气体和示踪粒子流化混合时的工作示意图，可分别实现低浓度和高浓度两种模式下的流化混合。其中图4中长横虚线表示所述下套筒3内液体的液位高度或颗粒相粉末的堆积高度，短横虚线表示所述下套筒3的顶端位置。
低浓度的载气和颗粒之间的流化混合模式时，其工作流程如下：首先将主罐体1打开，将蒸发性液体(酒精、四氯化碳等)和颗粒相粉末放置于下套筒3内，并相互搅拌均匀形成悬浊溶液，液面高度低于下套筒3的顶部端面，之后将主罐体1复原安装完毕。在将主罐体1打开的情况下，由于下套筒3下部底面上的底部端口7的阀门关闭，因此不会造成粉末工质或液体工质的泄露。底部端口7接入载气气源，身部端口6和头部端口5都可以作为流化混合气的供给出口。工作时，打开底部端口7的阀门，载气从底部端口7进入内部歧管8并通过内部歧管8上的微孔形成大量的微小气泡，对悬浊液进行搅拌。气泡上升至液面后破碎，通过液体的蒸发效应夹带出示踪颗粒，并经过滤筛网9的整流作用防止颗粒团聚，然后进入主罐体1的上部气层空间，从而形成低浓度的载气和颗粒流化混合气，并夹带了少量的蒸发性溶液。
在高浓度的载气和颗粒之间的流化混合模式时，其工作流程如下：首先将主罐体1打开，将颗粒相粉末放置于下套筒3内。连接恢复主罐体1后，底部端口7接入载气气源，身部端口6和头部端口5都可以作为流化混合气的供给出口。工作时，载气从底部端口7进入内部歧管8并通过内部歧管8上的微孔形成大量的微小射流对堆积的粉末进行吹搅，形成高浓度的流化混合气，经过滤筛网9的整流作用进入主罐体1的上部气层空间，形成高浓度的载气和颗粒流化混合气。
本发明所述流化装置用于发动机点火燃烧试验的高温、高压、高速流场测量中时，各系统同步响应要求较高，需要预先在液体工质中实现液固混合。图5是本发明所述流化装置用以实现液体和示踪粒子流化混合时的工作示意图。其中图5中长横虚线表示所述主罐体1内液体的液位高度，短横虚线表示所述下套筒3的顶端位置。
在该工作模式下需要增压气体来对液面进行加压供应，加压气体可选择氮气、空气或氦气等。头部端口5和底部端口7都可以作为增压气的供给接口。所不同的是，当采用底部端口7时，增压气通过内部歧管8上的微孔产生大量的微小气泡可以对混合液进行搅拌，能够防止固体颗粒的沉降。操作准备过程中，先往下套筒3内注入液体和示踪粒子粉末，并充分搅拌，液位高度需要高于身部端口6。该工作模式尤其适合于采用液体燃料的空气加热器或燃气发生器的示踪。一种典型应用是酒精、氧气和空气三组元方式工作的空气加热器，采用TiO2纳米颗粒进行示踪。混有示踪粒子的酒精混合液从所述流化装置产生后，自身部端口6接出，引入加热器进行喷注、雾化、掺混，形成的高温空气中含有均匀分布的示踪粒子，能够用于PIV系统的测量。
为了更好的实现上述工作过程，优选地，所述内部歧管8上设有底部歧管抱环11，所述内部歧管8与所述底部歧管抱环11之间通过多个第二分支管13相连通，所述底部歧管抱环11上均匀设有多个微孔。其中所述底部歧管抱环11为环绕所述内部歧管8一周的环管，通过设置所述底部歧管抱环11能够使得进入所述内部歧管8内的载气或增压气沿圆周方向均匀的进入所述下套筒3内，从而对所述下套筒3内的液体进行均匀搅拌或者对所述下套筒3内堆积的粉末进行均匀吹搅，从而能够实现上述工作过程中的气体和颗粒或颗粒和液体的均匀混合。进一步优选地，所述底部歧管抱环11为2个，所述2个底部歧管抱环11分别上下设置在所述内部歧管8上。在上述高浓度的载气和颗粒之间的流化混合模式时，所述下套筒3内的粉末堆积高度置于所述两个底部歧管抱环11之间。
优选地，所述主罐体1上设有身部进口抱环10，所述身部进口抱环10与所述主罐体1之间通过多个第一分支管12相连通，所述身部进口抱环10的位置高于所述下套筒3上端的位置，所述身部端口6设在所述身部进口抱环10上。其中所述身部进口抱环10为环绕所述主罐体1一周的环管，通过设置所述身部进口抱环10，能够实现上述工作过程中的气体和颗粒或颗粒和液体在所述身部进口抱环10内的进一步均匀混合。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (9)
1.一种多用途示踪粒子撒播流化装置，其特征在于，包括主罐体(1)、安装支架(4)和用于连接外部气源或向外供应工质的端口；
所述主罐体(1)上端设有上碗盖(2)，所述主罐体(1)下端固定在所述安装支架(4)上；
所述端口包括设在所述上碗盖(2)上端的头部端口(5)、设在所述主罐体(1)侧壁上的身部端口(6)和设在所述主罐体(1)底部的底部端口(7)；
所述主罐体(1)内部套设有用于工质流化混合的下套筒(3)，所述下套筒(3)的底面固定在所述安装支架(4)上，所述下套筒(3)上端设有整流装置，所述下套筒(3)内部同轴安装有具有微孔结构的内部歧管(8)，所述内部歧管(8)穿过所述下套筒(3)的底面与所述底部端口(7)相连通；
所述身部端口(6)的位置高于所述下套筒(3)上端的位置。
2.根据权利要求1所述的多用途示踪粒子撒播流化装置，其特征在于，所述主罐体(1)上设有身部进口抱环(10)，所述身部进口抱环(10)与所述主罐体(1)之间通过多个第一分支管(12)相连通，所述身部进口抱环(10)的位置高于所述下套筒(3)上端的位置，所述身部端口(6)设在所述身部进口抱环(10)上。
3.根据权利要求1所述的多用途示踪粒子撒播流化装置，其特征在于，所述主罐体(1)与所述上碗盖(2)通过法兰固定连接。
4.根据权利要求1所述的多用途示踪粒子撒播流化装置，其特征在于，所述主罐体(1)上端与所述上碗盖(2)的连接接触面处设有第一密封槽，所述第一密封槽内设有第一密封垫片。
5.根据权利要求1所述的多用途示踪粒子撒播流化装置，其特征在于，所述主罐体(1)与所述下套筒(3)的接触面处设有第二密封槽，所述第二密封槽内设有第二密封垫片。
6.根据权利要求1所述的多用途示踪粒子撒播流化装置，其特征在于，所述内部歧管(8)上设有底部歧管抱环(11)，所述内部歧管(8)与所述底部歧管抱环(11)之间通过多个第二分支管(13)相连通，所述底部歧管抱环(11)上均匀设有多个微孔。
7.根据权利要求6所述的多用途示踪粒子撒播流化装置，其特征在于，所述底部歧管抱环(11)为2个。
8.根据权利要求1所述的多用途示踪粒子撒播流化装置，其特征在于，所述整流装置为过滤筛网(9)。
9.根据权利要求1所述的多用途示踪粒子撒播流化装置，其特征在于，所述安装支架(4)包括安装座和固定在所述安装座底部的支架，所述主罐体(1)下端和所述下套筒(3)的底面依次叠加在一起与所述安装座通过法兰固定连接。
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