CN110095247B - 示踪粒子播撒装置、示踪粒子播撒系统及风洞试验系统 - Google Patents

示踪粒子播撒装置、示踪粒子播撒系统及风洞试验系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种示踪粒子播撒装置、示踪粒子播撒系统及风洞试验系统，示踪粒子播撒装置包括设置在气流输入管的外部并用于供示踪粒子输入的粒子输入管以及与粒子输入管的输出端连通并伸入至混合管的混合腔内的喷嘴，喷嘴将粒子输入管输出的示踪粒子均匀喷射至混合管的混合腔内使示踪粒子与气流均匀混合后从气流输出管输出，气流输入管的内腔的径向尺寸小于混合管的混合腔的径向尺寸，以使气流输入管的内腔与混合管的混合腔的连通位置形成后向台阶，喷嘴设置在后向台阶上，以利用后台阶气流的分离和再附特性增强示踪粒子与气流的混合均匀性。喷嘴在后向台阶位置喷射示踪粒子，利用后台阶气流的分离和再附特性，增强示踪粒子与气流的混合均匀性。

Description

示踪粒子播撒装置、示踪粒子播撒系统及风洞试验系统
技术领域
本发明涉及风洞试验技术领域，特别地，涉及一种示踪粒子播撒装置。此外，本发明还涉及一种包括上述示踪粒子播撒装置的示踪粒子播撒系统。此外，本发明还涉及一种包括上述示踪粒子播撒装置的风洞试验系统。
背景技术
粒子图像测速技术(PIV)作为一种非接触式流场光学诊断技术，能够实现非接触、瞬时全流场的速度场测量，在航空航天试验领域的应用非常广泛。基于纳米粒子示踪的平面激光散射技术(NPLS)，通过在流场中播撒纳米粒子，相机捕捉纳米粒子的散射光，实现流场精细结构的捕捉。
在超声速、高超声速风洞中开展PIV和NPLS试验，均需要在流场中播撒大量示踪粒子跟随流场运动。由于超声速、高超声速风洞气流环境具有高温、高压、高速的特点，且PIV和NPLS技术对示踪粒子与气流混合的均匀性均有较高要求，如何实现示踪粒子的均匀播撒以及示踪粒子与风洞气流的均匀混合，是试验过程中需要解决的第一步，也是本发明要解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种示踪粒子播撒装置、示踪粒子播撒系统及风洞试验系统，以解决如何实现示踪粒子的均匀播撒以及示踪粒子与风洞气流的均匀混合的问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明一方面提供了一种示踪粒子播撒装置，用于将示踪粒子均匀播撒至风洞的供气管路内并使示踪粒子与供气管路内的气流均匀混合，供气管路包括用于供气流输入的气流输入管、与气流输入管的输出端连通并用于供气流通过的混合管以及与混合管的输出端连通并用于供气流输出的气流输出管，示踪粒子播撒装置包括设置在气流输入管的外部并用于供示踪粒子输入的粒子输入管以及与粒子输入管的输出端连通并伸入至混合管的混合腔内的喷嘴，喷嘴将粒子输入管输出的示踪粒子均匀喷射至混合管的混合腔内使示踪粒子与气流均匀混合后从气流输出管输出，气流输入管的内腔的径向尺寸小于混合管的混合腔的径向尺寸，以使气流输入管的内腔与混合管的混合腔的连通位置形成后向台阶，喷嘴设置在后向台阶上，以利用后台阶气流的分离和再附特性增强示踪粒子与气流的混合均匀性。
进一步地，喷嘴的输出端朝混合管的混合腔方向布设。
进一步地，粒子输入管设置为多个，多个粒子输入管沿气流输入管的周向均匀间隔布设在气流输入管的外部，喷嘴与粒子输入管一一对应设置，多个喷嘴沿混合管的周向均匀间隔布设在混合管的混合腔内。
进一步地，混合管的混合腔内设有用于迫使气流发生旋转以增强示踪粒子与气流的混合均匀性的旋转混合器。
进一步地，混合管的混合腔的径向尺寸大于气流输出管的内腔的径向尺寸，以使混合管的混合腔与气流输出管的内腔的连通位置形成用于对气流进行加速的气流加速段。
进一步地，气流输入管上设有第一法兰盘，混合管上设有第二法兰盘，气流输入管与混合管之间通过第一法兰盘和第二法兰盘连接。
本发明另一方面提供了一种示踪粒子播撒系统，包括用于输出气体的气瓶、与气瓶的输出端连通并用于产生示踪粒子和使示踪粒子与气体混合进而得到含有示踪粒子的混合物的粒子发生器以及与粒子发生器的输出端连通并用于将混合物播撒至风洞的供气管路内的示踪粒子播撒装置，示踪粒子播撒装置采用上述的示踪粒子播撒装置。
进一步地，粒子发生器通过出口管路与示踪粒子播撒装置的粒子输入管连通，出口管路上设有控制阀。
进一步地，供气管路设置在风洞的稳定段上游。
本发明另一方面提供了一种风洞试验系统，包括上述的示踪粒子播撒装置。
本发明具有以下有益效果：
本发明的示踪粒子播撒装置，包括粒子输入管以及喷嘴，用于将示踪粒子均匀播撒至风洞的供气管路内并使示踪粒子与供气管路内的气流均匀混合。供气管路包括气流输入管、混合管以及气流输出管，风洞的气流可以从气流输入管输入，气流通过混合管然后从气流输出管输出。示踪粒子可以从粒子输入管输入，然后通过喷嘴将示踪粒子喷射至混合管的混合腔内使示踪粒子与气流均匀混合后从气流输出管输出。通过喷嘴将示踪粒子喷射至混合管的混合腔内，使示踪粒子分散开来，可以实现示踪粒子的均匀播撒，通过使示踪粒子与气流在混合管的混合腔内混合，可以实现示踪粒子与气流的均匀混合。气流输入管的内腔与混合管的混合腔的连通位置形成后向台阶，喷嘴设置在后向台阶上。喷嘴在后向台阶位置喷射示踪粒子，利用后台阶气流的分离和再附特性，即气流在通过后向台阶时会发生流动分离，在后向台阶位置形成漩涡，示踪粒子在漩涡的作用下充分分散开来，可以充分增强示踪粒子与气流的混合均匀性。并且，喷嘴设置在后向台阶上，可以降低对喷射压力的需求。本发明的示踪粒子播撒装置结构简单、易于维护，具有良好的应用前景。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的示踪粒子播撒装置的示意图；
图2是本发明优选实施例的示踪粒子播撒系统的示意图。
附图标记说明：
1、气瓶；2、粒子发生器；3、供气管路；31、气流输入管；32、混合管；33、气流输出管；34、后向台阶；35、旋转混合器；36、气流加速段；37、第一法兰盘；38、第二法兰盘；4、示踪粒子播撒装置；41、粒子输入管；42、喷嘴；5、出口管路；51、控制阀；6、稳定段。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明优选实施例的示踪粒子播撒装置的示意图；图2是本发明优选实施例的示踪粒子播撒系统的示意图。
如图1所示，本实施例的示踪粒子播撒装置，用于将示踪粒子均匀播撒至风洞的供气管路3内并使示踪粒子与供气管路3内的气流均匀混合，供气管路3包括用于供气流输入的气流输入管31、与气流输入管31的输出端连通并用于供气流通过的混合管32以及与混合管32的输出端连通并用于供气流输出的气流输出管33，示踪粒子播撒装置4包括设置在气流输入管31的外部并用于供示踪粒子输入的粒子输入管41以及与粒子输入管41的输出端连通并伸入至混合管32的混合腔内的喷嘴42，喷嘴42将粒子输入管41输出的示踪粒子均匀喷射至混合管32的混合腔内使示踪粒子与气流均匀混合后从气流输出管33输出，气流输入管31的内腔的径向尺寸小于混合管32的混合腔的径向尺寸，以使气流输入管31的内腔与混合管32的混合腔的连通位置形成后向台阶34，喷嘴42设置在后向台阶34上，以利用后台阶气流的分离和再附特性增强示踪粒子与气流的混合均匀性。
本发明的示踪粒子播撒装置，包括粒子输入管41以及喷嘴42，用于将示踪粒子均匀播撒至风洞的供气管路3内并使示踪粒子与供气管路3内的气流均匀混合。供气管路3包括气流输入管31、混合管32以及气流输出管33，风洞的气流可以从气流输入管31输入，气流通过混合管32然后从气流输出管33输出。示踪粒子可以从粒子输入管41输入，然后通过喷嘴42将示踪粒子喷射至混合管32的混合腔内使示踪粒子与气流均匀混合后从气流输出管33输出。通过喷嘴42将示踪粒子喷射至混合管32的混合腔内，使示踪粒子分散开来，可以实现示踪粒子的均匀播撒，通过使示踪粒子与气流在混合管32的混合腔内混合，可以实现示踪粒子与气流的均匀混合。气流输入管31的内腔与混合管32的混合腔的连通位置形成后向台阶34，喷嘴42设置在后向台阶34上。喷嘴42在后向台阶34位置喷射示踪粒子，利用后台阶气流的分离和再附特性，即气流在通过后向台阶34时会发生流动分离，在后向台阶34位置形成漩涡，示踪粒子在漩涡的作用下充分分散开来，可以充分增强示踪粒子与气流的混合均匀性。并且，喷嘴42设置在后向台阶34上，可以降低对喷射压力的需求。本发明的示踪粒子播撒装置结构简单、易于维护，具有良好的应用前景。可选地，喷嘴42采用超声速雾化喷嘴，可以购买商业化产品，采购和维护方便。可选地，混合管32的混合腔的径向尺寸为气流输入管31的内腔的径向尺寸的2倍～3倍，可以提供足够的空间使气流发生流动分离。可选地，混合管32的混合腔的长径比为5～10，可以提供足够的混合长度空间，以实现示踪粒子与气流的均匀混合。
如图1所示，本实施例中，喷嘴42的输出端朝混合管32的混合腔方向布设。喷嘴42朝混合管32的混合腔方向(即气流流动方向)喷射示踪粒子，可以降低示踪粒子播撒对气流流动均匀性的影响。可选地，喷嘴42沿混合管32的径向或周向倾斜布设，使示踪粒子的喷射方向与气流流动方向之间形成夹角，使示踪粒子与气流充分混合，从而增强示踪粒子与气流的混合均匀性。
如图1所示，本实施例中，粒子输入管41设置为多个，多个粒子输入管41沿气流输入管31的周向均匀间隔布设在气流输入管31的外部，喷嘴42与粒子输入管41一一对应设置，多个喷嘴42沿混合管32的周向均匀间隔布设在混合管32的混合腔内。利用多个沿混合管32的周向均匀间隔布设的喷嘴42可以使示踪粒子充分分散开来，增强示踪粒子的播撒均匀性。
如图1所示，本实施例中，混合管32的混合腔内设有用于迫使气流发生旋转以增强示踪粒子与气流的混合均匀性的旋转混合器35。通过在混合管32的混合腔内设置旋转混合器35，迫使气流沿旋转混合器35的旋转方向流动使气流发生旋转，从而增强示踪粒子与气流的混合均匀性。
如图1所示，本实施例中，混合管32的混合腔的径向尺寸大于气流输出管33的内腔的径向尺寸，以使混合管32的混合腔与气流输出管33的内腔的连通位置形成用于对气流进行加速的气流加速段36。气流加速段36朝气流输出管33的内腔方向收缩，可以对气流加速，降低示踪粒子播撒对气流流动均匀性的影响。
如图1所示，本实施例中，气流输入管31上设有第一法兰盘37，混合管32上设有第二法兰盘38，气流输入管31与混合管32之间通过第一法兰盘37和第二法兰盘38连接。气流输入管31与混合管32之间通过法兰连接，喷嘴42长期使用堵塞后，只需拆开法兰，清洗或更换喷嘴42即可，操作简单方便。
如图2所示，本发明的优选实施例还提供了一种示踪粒子播撒系统，包括用于输出气体的气瓶1、与气瓶1的输出端连通并用于产生示踪粒子和使示踪粒子与气体混合进而得到含有示踪粒子的混合物的粒子发生器2以及与粒子发生器2的输出端连通并用于将混合物播撒至风洞的供气管路3内的示踪粒子播撒装置4，示踪粒子播撒装置4采用上述的示踪粒子播撒装置。气瓶1可以输出高压气体，示踪粒子与气体在粒子发生器2内均匀混合形成含有示踪粒子的混合物，然后示踪粒子播撒装置4的喷嘴42在压力的作用下将混合物播撒至风洞的供气管路3内，从而实现示踪粒子的播撒。可选地，可以通过控制气瓶1输出的气体的压力，来控制喷嘴42的喷射压力，从而控制示踪粒子的播撒量。可选地，可以通过控制粒子发生器2产生的示踪粒子的量，来控制混合物中示踪粒子的含量，从而控制示踪粒子的播撒量。
如图2所示，本实施例中，粒子发生器2通过出口管路5与示踪粒子播撒装置4的粒子输入管41连通，出口管路5上设有控制阀51。通过控制阀51控制出口管路5的通断，即可控制喷嘴42的开闭，从而控制示踪粒子的播撒量。可选地，出口管路5包括与多个粒子输入管41分别连通的多个通道，每个通道上均设有控制阀51，控制阀51可以单独控制或协同控制通道的通断，来控制喷嘴42开闭的数量，从而控制示踪粒子的播撒量。
如图2所示，本实施例中，供气管路3设置在风洞的稳定段6上游。示踪粒子播撒装置4将示踪粒子播撒至风洞的供气管路3内，示踪粒子通过在供气管路3和稳定段6内与气流混合，进一步增强示踪粒子与气流的混合均匀性。可选地，如果风洞设置加热器，则供气管路3设置在加热器下游与稳定段6上游之间。
本发明的优选实施例还提供了一种风洞试验系统，包括上述的示踪粒子播撒装置。
本发明的示踪粒子播撒装置已经在风洞中得到使用，已有大量试验结果，计算和试验结果表明该装置能够实现示踪粒子的均匀撒播，并且操作维护简单。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种示踪粒子播撒装置，用于将示踪粒子均匀播撒至风洞的供气管路(3)内并使所述示踪粒子与所述供气管路(3)内的气流均匀混合，
所述供气管路(3)包括用于供所述气流输入的气流输入管(31)、与所述气流输入管(31)的输出端连通并用于供所述气流通过的混合管(32)以及与所述混合管(32)的输出端连通并用于供所述气流输出的气流输出管(33)，
其特征在于，
所述示踪粒子播撒装置(4)包括设置在所述气流输入管(31)的外部并用于供所述示踪粒子输入的粒子输入管(41)以及与所述粒子输入管(41)的输出端连通并伸入至所述混合管(32)的混合腔内的喷嘴(42)，
所述喷嘴(42)将所述粒子输入管(41)输出的示踪粒子均匀喷射至所述混合管(32)的混合腔内使所述示踪粒子与所述气流均匀混合后从所述气流输出管(33)输出，
所述气流输入管(31)的内腔的径向尺寸小于所述混合管(32)的混合腔的径向尺寸，以使所述气流输入管(31)的内腔与所述混合管(32)的混合腔的连通位置形成后向台阶(34)，
所述喷嘴(42)设置在所述后向台阶(34)上，以利用后台阶气流的分离和再附特性增强所述示踪粒子与所述气流的混合均匀性，喷嘴(42)采用超声速雾化喷嘴。
2.根据权利要求1所述的示踪粒子播撒装置，其特征在于，
所述喷嘴(42)的输出端朝所述混合管(32)的混合腔方向布设。
3.根据权利要求2所述的示踪粒子播撒装置，其特征在于，
所述粒子输入管(41)设置为多个，多个所述粒子输入管(41)沿所述气流输入管(31)的周向均匀间隔布设在所述气流输入管(31)的外部，
所述喷嘴(42)与所述粒子输入管(41)一一对应设置，多个所述喷嘴(42)沿所述混合管(32)的周向均匀间隔布设在所述混合管(32)的混合腔内。
4.根据权利要求1所述的示踪粒子播撒装置，其特征在于，
所述混合管(32)的混合腔内设有用于迫使所述气流发生旋转以增强所述示踪粒子与所述气流的混合均匀性的旋转混合器(35)。
5.根据权利要求1所述的示踪粒子播撒装置，其特征在于，
所述混合管(32)的混合腔的径向尺寸大于所述气流输出管(33)的内腔的径向尺寸，以使所述混合管(32)的混合腔与所述气流输出管(33)的内腔的连通位置形成用于对所述气流进行加速的气流加速段(36)。
6.根据权利要求1所述的示踪粒子播撒装置，其特征在于，
所述气流输入管(31)上设有第一法兰盘(37)，所述混合管(32)上设有第二法兰盘(38)，所述气流输入管(31)与所述混合管(32)之间通过所述第一法兰盘(37)和所述第二法兰盘(38)连接。
7.一种示踪粒子播撒系统，其特征在于，
包括用于输出气体的气瓶(1)、与所述气瓶(1)的输出端连通并用于产生示踪粒子和使所述示踪粒子与所述气体混合进而得到含有所述示踪粒子的混合物的粒子发生器(2)以及与所述粒子发生器(2)的输出端连通并用于将所述混合物播撒至风洞的供气管路(3)内的示踪粒子播撒装置(4)，
所述示踪粒子播撒装置(4)采用权利要求1～6任一项所述的示踪粒子播撒装置。
8.根据权利要求7所述的示踪粒子播撒系统，其特征在于，
所述粒子发生器(2)通过出口管路(5)与所述示踪粒子播撒装置(4)的粒子输入管(41)连通，所述出口管路(5)上设有控制阀(51)。
9.根据权利要求7所述的示踪粒子播撒系统，其特征在于，
所述供气管路(3)设置在所述风洞的稳定段(6)上游。
10.一种风洞试验系统，其特征在于，
包括权利要求1～6任一项所述的示踪粒子播撒装置。
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