CN109765230B - 一种气液两相流场观测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气液两相流场观测装置，属于气液两相流动的流场观测领域，包括激波管或喷管，所述激波管与喷管均用于0.3马赫数以上高速气流的产生。所述激波管或喷管侧壁为平面，安装一对观察窗以对气液两相流动进行观测，所述观察窗包括光源窗口和拍摄窗口，所述光源窗口侧方设有LED光源，所述拍摄窗口侧方设有帧率大于10000fps的高速摄影相机镜头，所述观察窗内嵌有玻璃，所述玻璃包括平行玻璃和弧形玻璃，所述玻璃中部为平行玻璃，平行玻璃外围连接有弧形玻璃。该纹影装置在高速气流中气液两相流动的观测领域兼顾有清晰观测液滴表面变形和外部气流流场波系结构变化的优点，比原有的平行玻璃的观测效果有一定的提升。
Description
技术领域
本发明涉及高速气流与球形液滴相互作用流场观测领域，具体为一种用于气液两相流场观测装置。
背景技术
暴露于高速气流中的气液两相流广泛存在于日常生活和各类工程实践中，例如利用水幕帘在密闭空间内进行冲击波防护，燃料射流在燃烧室中的二次雾化以及高速飞行器表面的雨滴侵蚀防护等。对高速气流中气液两相流进行细致观测，对改善工业设计有着重要的意义。
对高速气流中的气液两相流场观测主要有两种方法，即纹影/阴影法和直接拍摄法。二者对于流场的观测效果各有优劣。前者可以显示气态流场中折射率的梯度，进而达到对气态流场中激波-等熵波波系的观测(如图1所示)；后者则可通过灵活地调整光源尺寸等参数，在液滴中心区域形成较大的亮斑，从而观测到液滴表面的不稳定波和突起变形等现象(如图2所示)。但是，目前的试验设备难以结合两者的优势，无法在同一车试验中中同时对两类现象进行清晰地观测；此外，对于如何扩大液滴中心亮斑的亮度和面积，也缺少相应的理论指导。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于气液两相流场观测装置，在同一车次试验中既对液滴外围的激波-等熵波波系进行观测，又尽量扩大液滴中心亮斑面积以对液滴表面的精细变形进行观测。
本发明的技术解决方案是：一种气液两相流场观测装置，所述气液两相流场由位于激波管或喷管内部的液滴受到激波管或喷管内气流的气动力作用而形成，所述气液两相流场观测装置包括平行光源、安装在激波管或喷管侧壁的一对观察窗和拍摄设备，所述观察窗包括光源窗口和拍摄窗口，光源窗口和拍摄窗口相对放置，正对位于激波管或喷管内部的液滴，所述光源窗口内嵌有光源窗口玻璃，所述光源窗口玻璃由位于中心部位的平行玻璃和位于边缘部分的弧形玻璃组成，平行玻璃和弧形玻璃的内壁面与激波管或喷管侧壁内壁面共形设计，平行玻璃的外壁面与为激波管或喷管侧壁内壁面平行；弧形玻璃的外壁面从平行玻璃的边缘到光源窗口边缘呈弧线形，平行光源发射出来的平行光，经过平行玻璃和弧形玻璃的折射，分别产生平行光线和汇聚光线到达液滴的表面，透过平行玻璃形成的平行光线形成形成纹影光线，透过弧形玻璃形成的汇聚光线再次经过液滴的折射转化为平行光，形成相界面成像光线；经过流场后的纹影光线和经过流场后的相界面成像光线进入拍摄设备，拍摄设备对气相流场的液滴外围波系和液相流场的液滴表面变形成像，同时观测气液两相流场。
当液滴为球形时，以液滴中心点为坐标原点，过原点与平行光平行的方向为横轴方向，光源所在方向为横轴正方向，与横轴方向垂直的方向为纵方向，定义xi与yi分别为光线第i次折射时折射位置横坐标和纵坐标，θi为第i次折射后光线与横轴正方向的夹角，i＝- 1,2,3,4 ；
弧形玻璃外轮廓线使得光线满足如下型线方程：
式中，dG0为光源窗口玻璃中心位置厚度；
式中αin,i、αout,i分别为第i次折射时的光线入射角与折射角；CA、CG和CW分别为光线在空气、玻璃和液滴中的光速，rW为液滴的曲率半径，x2为光源窗口玻璃内壁与液滴中心的垂直距离，β为弧形玻璃外壁面切线与横轴正方向的夹角。
所述拍摄设备包括纹影镜、刀口和高速摄影相机，其中：
纹影镜用于将从拍摄窗口发射出来的纹影光线和相界面成像光线反射、汇聚到刀口，刀口滤除被相界面和气体流场偏折的光线，将滤除偏折后的纹影光线和相界面成像光线投影到高速摄影相机，高速摄影相机对气相流场的液滴外围波系和液相流场的液滴表面变形成像。
所述高速摄影相机镜头帧率大于10000fps。
所述纹影镜与拍摄窗口呈一定夹角，使得光线偏离观察窗。
所述拍摄窗口嵌入内、外壁面相互平行的玻璃。
所述平行光源为LED灯、氙灯或激光光源。
所述液滴与平行玻璃的内壁面的距离x2及光源窗口玻璃中心区域厚度dG0适当，使得液滴内部亮斑面积达到最大，并具有合适的亮度，以达到对试验结果的优化。
所述激波管或喷管内气流为马赫数大于0.3的气流，由激波管破膜或喷管起动所产生。
所述激波管或喷管为方截面，其内壁面为平面。
所述光源窗口所包含的平行玻璃、弧形玻璃和拍摄窗口所嵌入的玻璃，其材质为石英、K9或内部均匀的亚克力。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明采用弧线玻璃在光源窗口设置弧形玻璃，通过弧形玻璃的折射将光源光纤汇聚，扩大液滴中心亮斑的亮度和面积，以对液滴表面的精细变形进行精确观测。
(2)、本发明所公开的用于气液两相流场观测装置，可在高速气流中气液两相流动的观测领域兼顾纹影法和直接拍摄法的优点，可在同一车试验中同时对两类现象进行清晰地观测。
(3)、本发明所公开的用于气液两相流场观测装置，可将液滴中心部分亮斑的面积提升至理论最大值，以便对液滴的变形进行清晰的成像。
附图说明
图1为背景技术中所述的使用阴影法拍摄到的图像，其液滴内部亮斑较小，但外围气体中的波系较为清晰。
图2为背景技术中所述的使用汇聚光直接拍摄法拍摄到的内部亮斑较大的液滴。
图3为本发明实施例整体光路布置示意图。
图4为本发明实施例光源窗口玻璃光路原理图。
图5为根据公式计算所得的光源玻璃型线图及其对应光路图。
其中：1、平行光源；2、光源窗口；21、平行玻璃；22、弧形玻璃；3、激波管/喷管产生的试验气流；4、透过光源窗口后的光线；41、透过平行玻璃形成的平行光线；42、透过弧形玻璃形成的汇聚光线；5、液滴；51、液滴外围波系；52、液滴表面变形；6、透过液滴后的光线；61、经过流场后的纹影光线；62、经过流场后的相界面成像光线；7、拍摄窗口；8、纹影镜；9、刀口；10、高速摄影相机；11、激波管或喷管侧壁。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图3所示，本发明提供了一种气液两相流场观测装置，所述气液两相流场由位于激波管或喷管内部的液滴受到激波管或喷管内气流的气动力作用而形成，激波管或喷管内气流为马赫数大于0.3的气流，由激波管或喷管起动产生。
所述气液两相流场观测装置包括平行光源1、安装在激波管或喷管侧壁11 的一对观察窗和拍摄设备，所述观察窗包括光源窗口2和拍摄窗口7，光源窗口2和拍摄窗口7相对放置，正对位于激波管或喷管内部的液滴，所述光源窗口2内嵌有光源窗口玻璃，所述光源窗口玻璃由位于中心部位的平行玻璃21 和位于边缘部分的弧形玻璃22组成，平行玻璃21和弧形玻璃22的内壁面与激波管或喷管内侧壁11内壁面共形设计，所述激波管或喷管为方截面，其内壁为平面，以避免圆管所带来的光学畸变。平行玻璃21的外壁面与为激波管或喷管侧壁11内壁面平行；弧形玻璃22的外壁面从平行玻璃21的边缘到光源窗口2边缘呈弧线形。所述平行光源1可以使LED灯、氙灯或激光光源。平行光源1发射出来的平行光，经过平行玻璃21和弧形玻璃22的折射，分别产生透过平行玻璃形成的平行光线41和透过弧形玻璃形成的汇聚光线42到达液滴的表面，其中，透过平行玻璃形成的平行光线41形成经过流场后形成经过流场后的纹影光线61，透过弧形玻璃形成的汇聚光线42再次经过液滴的折射转化为平行光，形成经过流场后的相界面成像光线62；经过流场后的纹影光线 61和经过流场后的相界面成像光线62进入拍摄设备，拍摄设备对气相流场的液滴外围波系51和液相流场的液滴表面变形52成像，同时观测气液两相流场。为了保证激波管或喷管的密封性和拍摄窗口的透光性，所述拍摄窗口7嵌入内、外壁面相互平行的玻璃。光源窗口2所包含的平行玻璃21、弧形玻璃22和拍摄窗口7所嵌入的玻璃，其材质为石英、K9或内部均匀的亚克力。
所述拍摄设备包括纹影镜8、刀口9和高速摄影相机10，其中：
纹影镜8用于将从拍摄窗口7发射出来的经过流场后的纹影光线61和经过流场后的相界面成像光线62反射、汇聚到刀口9，刀口9滤除被相界面和气体流场偏折的光线，将滤除偏折后的纹影光线和相界面成像光线投影到高速摄影相机10，高速摄影相机10对气相流场的液滴外围波系51和液相流场的液滴表面变形52成像。
所述拍摄设备包括纹影镜8与拍摄窗口7呈一定夹角，使得光线偏离观察窗。为减少成像时的畸变，在刀口和相机不遮挡光路的前提下，这一角度应尽可能小。
具体工作原理：本发明提供一种用于气液两相流观测的新型纹影装置。该装置通过基于型线方程设计的观测玻璃，达到同时精确观测气液界面流动及外围气体波系的目的。该观测玻璃的外形包括平行部分以及弧形部分，如图3所示。光源使用平行光源1，平行玻璃部分用于气相流体的阴影/纹影成像，弧形玻璃部分用于将外围光线导入至相界面拍摄区域附近，增加相界面亮度，以获取相界面上的流动信息。光路的下游为常规阴影/纹影使用的纹影镜、刀口与高速摄影相机。综上，本专利所述的新型纹影装置在高速气流3与液体相互作用的观测领域兼顾有清晰观测液滴中心区域和外轮廓细节变化的优点，比原有的阴影/纹影装置效果有一定的提升。
以球形液滴与高速气流相互作用为例，阐述新型纹影装置的设计思路。图4给出了阴影/纹影光路核心区域的示意图。平行玻璃区域面积对应阴影/纹影拍摄区的面积，外侧的弧形玻璃将平行光折射至液滴附近，并因液滴的透镜效果被转化为平行光射出，以形成对液滴区域亮度的提升，进而对液滴表面的变形清晰地成像。通过下游光线进行反算，经过液滴的光线的方程，进而求解光线经过液滴前的方程，进而求解光线在玻璃中的轨迹，进而通过玻璃内外光线角度的弯折计算玻璃的型线。
当液滴为球形时，以液滴5中心点为坐标原点，过原点与平行光平行的方向为横轴方向，光源所在方向为横轴正方向，与横轴方向垂直的方向为纵方向，定义xi与yi分别为光线第i次折射时折射位置横坐标和纵坐标，θi为第i次折射后光线与横轴正方向的夹角，i＝- 1,2,3,4 ；
弧形玻璃22外轮廓线使得光线满足如下型线方程：
式中，dG0为光源窗口玻璃中心位置厚度；
式中αin,i、αout,i分别为第i次折射时的光线入射角与折射角；CA、CG和CW分别为光线在空气、玻璃和液滴中的光速，rW为液滴的曲率半径，x2为光源窗口玻璃内壁与液滴中心的垂直距离，β为弧形玻璃22外壁面切线与横轴正方向的夹角。
按照型线公式所设计加工的玻璃，可使液滴中心亮斑面积达到最大，便于液滴表面变形的观测。
所述液滴与平行玻璃21的内壁面的距离x3及光源窗口玻璃中心区域厚度 (dG0)适当，使得液滴5内部亮斑面积达到最大，并具有合适的亮度，以达到对试验结果的优化。
根据型线方程所设计出的光源窗口包括平行玻璃和弧形玻璃如图5中粗实线所示，经过光源窗口2的光线偏折情况如图5中细实线所示。从图5可知，经过平行玻璃21的光线在液滴附近呈平行分布，可用于对气流流场进行成像；经过弧形玻璃22的光线在液滴附近呈汇聚分布，经过液滴中心区域后转为平行，可用于对气液相界面的变形进行成像。
在实际试验中，液体如液滴被固定于试验段上下壁面的点胶针头注入或滴入，或因电磁约束、惯性约束或超声悬浮于试验段中。来流方向上游设置喷管或激波管膜片，以形成试验所需的高速气流。以上技术均较为成熟，因而不作为本发明的创新范围。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种气液两相流场观测装置，所述气液两相流场由位于激波管或喷管内部的液滴受到激波管或喷管内气流的气动力作用而形成，其特征在于所述气液两相流场观测装置包括平行光源(1)、安装在激波管或喷管侧壁(11)的一对观察窗和拍摄设备，所述观察窗包括光源窗口(2)和拍摄窗口(7)，光源窗口(2)和拍摄窗口(7)相对放置，正对位于激波管或喷管内部的液滴，所述光源窗口(2)内嵌有光源窗口玻璃，所述光源窗口玻璃由位于中心部位的平行玻璃(21)和位于边缘部分的弧形玻璃(22)组成，平行玻璃(21)和弧形玻璃(22)的内壁面与激波管或喷管侧壁(11)内壁面共线设计，平行玻璃(21)的外壁面与激波管或喷管侧壁(11)内壁面平行；弧形玻璃(22)的外壁面从平行玻璃(21)的边缘到光源窗口(2)边缘呈弧线形，平行光源(1)发射出来的平行光，经过平行玻璃(21)和弧形玻璃(22)的折射，分别产生平行光线和汇聚光线到达液滴的表面，透过平行玻璃形成的平行光线(41)形成纹影光线，透过弧形玻璃形成的汇聚光线(42)再次经过液滴的折射转化为平行光，形成相界面成像光线；经过流场后的纹影光线(61)和经过流场后的相界面成像光线(62)穿过拍摄窗口(7)后进入拍摄设备，对气相流场的液滴外围波系(51)和液相流场的液滴表面变形(52)成像。
2.根据权利要求1所述的一种气液两相流场观测装置，其特征在于当液滴为球形时，以液滴(5)中心点为坐标原点，过原点与平行光平行的方向为横轴方向，光源所在方向为横轴正方向，与横轴方向垂直的方向为纵方向，定义xi与yi分别为光线第i次折射时折射位置横坐标和纵坐标，θi为第i次折射后光线与横轴正方向的夹角，i＝1,2,3,4；
弧形玻璃(22)外轮廓线使得光线满足如下型线方程：
式中，dG0为光源窗口玻璃中心位置厚度；
式中αin,i、αout,i分别为第i次折射时的光线入射角与折射角；CA、CG和CW分别为光线在空气、玻璃和液滴中的光速，rW为液滴的曲率半径，x2为光源窗口玻璃内壁与液滴中心的垂直距离，β为弧形玻璃(22)外壁面切线与横轴正方向的夹角。
3.根据权利要求1所述的一种气液两相流场观测装置，其特征在于所述拍摄设备包括纹影镜(8)、刀口(9)和高速摄影相机(10)，其中：
纹影镜(8)用于将从拍摄窗口(7)发射出来的纹影光线(61)和相界面成像光线(62)反射、汇聚到刀口(9)，刀口(9)滤除被相界面和气体流场偏折的光线，将滤除偏折后的纹影光线和相界面成像光线投影到高速摄影相机(10)，高速摄影相机(10)对气相流场的液滴外围波系(51)和液相流场的液滴表面变形(52)成像。
4.根据权利要求3所述的一种气液两相流场观测装置，其特征在于所述高速摄影相机(10)镜头帧率大于10000fps。
5.根据权利要求3所述的一种气液两相流场观测装置，其特征在于所述纹影镜(8)与拍摄窗口(7)呈一定夹角，使得光线偏离观察窗。
6.根据权利要求1所述的一种气液两相流场观测装置，其特征在于所述拍摄窗口(7)嵌入内、外壁面相互平行的玻璃。
7.根据权利要求1所述的一种气液两相流场观测装置，其特征在于所述平行光源(1)为LED灯、氙灯或激光光源。
8.根据权利要求1所述的一种气液两相流场观测装置，其特征在于所述激波管或喷管内气流为马赫数大于0.3的气流，由激波管破膜或喷管起动所产生。
9.根据权利要求1所述的一种气液两相流场观测装置，其特征在于所述激波管或喷管为方截面，其内壁面为平面。
10.根据权利要求1所述的一种气液两相流场观测装置，其特征在于所述光源窗口(2)所包含的平行玻璃(21)、弧形玻璃(22)和拍摄窗口(7)所嵌入的玻璃，其材质为石英、K9或内部均匀的亚克力。
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