CN110208149B - 一种砂粒速度和方向精准可控的砂粒投放装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种砂粒速度和方向精准可控的砂粒投放装置，包括枪管、存放砂粒的弹托、堵头、泄压支管、连接头、电磁阀，高压气室，气压表，柔性导管，圆柱接头及支架。通过调整枪管的方向控制砂粒喷射的角度，改变高压气室的压力改变砂粒喷出的速度。以弹托为载体，可以控制喷出砂粒的数量。枪管前部设有泄压支管，以免高压空气喷出对气动实验造成影响。本发明操作简单，制作成本低廉，适合于需要控制砂粒速度和方向的实验，有助于开展单颗或有限颗砂粒的运动轨迹研究。

Description

一种砂粒速度和方向精准可控的砂粒投放装置
技术领域
本发明涉及微小颗粒气动特性试验装置设计领域，尤其是应用于颗粒冲击或碰撞试验的发射装置。
背景技术
颗粒两相流运动广泛存在于自然界和工业流程中，在航空领域中，直升机因其能够实现空中悬停、对起降场地要求低，可敏捷改变飞行航线等优点，而被广泛应用于军事及民用领域。但是独特的飞行性能也为直升机带来了更为严峻的工作环境，当直升机工作于沙漠、雪地、戈壁、海滩等恶劣的环境中，旋翼下洗气流会卷起地面的砂尘、冰雪等颗粒，这些异物颗粒被发动机吞入后，会对发动机的正常工作造成不可忽略的影响。为此直升机发动机必须采取有效的进气防护手段，研究也表明，安装进气防护装置之后的发动机寿命可以提高约10倍。
作为一类与发动机进气系统高度融合的防护装置,无旋式惯性粒子分离装置在结构重量、气动性能等多个方面具有突出的优势。其工作原理为利用砂尘与空气之间的密度差异，借助惯性将砂尘甩至流道外侧，从而实现砂尘与洁净空气的分离。砂尘在惯性粒子分离器中运动的过程本质是一个两相流动问题，此外惯性分离装置一般为分叉管道结构形式，分叉管道的壁面曲率大，两相流流速高，所以砂尘与分离装置之间难免发生碰撞，这使得砂尘在流道中的轨迹更加复杂。所以高分砂效率防护装置的设计面临极大挑战，若能够给出砂尘在流场中完整的轨迹，可以为惯性粒子分离器的设计提供参考。
目前已经开展的粒子轨迹的实验研究中，经常采用高速摄影仪，结合数字图像处理技术跟踪砂粒的运动轨迹，并对不同粒径的砂粒轨迹进行跟踪与分类研究。常用的喷砂枪一般利用高压空气直接将大量砂粒喷出，这种方法不利于控制砂粒的数量，并且高压空气会对试验段的流场造成影响。所以粒子投放装置一般加装在流道入口与分叉流道之间的稳流段内，这样粒子在稳流段气流带动下将粒子吹入分叉流道中，但是这种方法并不能严格控制吹入流道中的砂粒的速度和方向，不利于对砂尘运动轨迹开展更精细的分类研究。
发明内容
本发明提供了一种砂粒速度和方向精准可控的砂粒投放装置，能够实现按照一定速度和方向喷出单颗或多颗砂粒，尤其可应用在分叉流道中砂粒轨迹预测实验中，并将高压空气对实验的影响降到最小。
为达到上述目的，本发明的砂粒投放装置可采用如下技术方案：
一种砂粒速度和方向精准可控的砂粒投放装置，包括枪管、位于枪管内并用于承载砂粒的弹托、安装在枪管前端的堵头、柔性导管、连接于枪管与柔性导管之间的后连接头、与柔性导管连接并用以向柔性导管供气的高压气室、作为高压气室开闭开关的电磁阀、固定枪管的圆柱接头与支架；所述枪管通过后连接头与柔性导管连通。
进一步的，所述的枪管与弹托间隙配合，弹托在枪管内滑动；弹托前端面中心向内凹设有凹坑，可存放单颗或多颗砂粒。
进一步的，弹托在枪管内被高压气体推动加速。
进一步的，枪管前段的堵头通过螺纹与枪管连接，堵头上的通孔的直径小于弹托的直径，但大于弹托中心圆形凹坑的直径；当弹托运行到枪管出口时被堵头阻挡卡住以射出砂粒。
进一步的，枪管前部设有泄压支管，距离枪管前段的距离大于弹托的长度，弹托在枪管前部停止时，高压空气通过泄压支管向两侧泄出。
进一步的，枪管与后连接头之间用螺纹联接。
进一步的，后连接头、电磁阀及高压气室之间通过柔性管相连，并在高压气室上装有气压表用以监测高压气室内的压强。
进一步的，通过带螺纹的圆柱接头与螺母将喷砂枪固定在支架上。
有益效果：根据本发明的技术方案，通过改变高压气室的压力来调节砂粒喷出的速度，调整枪管来调节砂粒喷出的方向，其操作简单，制作成本低廉，有效提升了砂粒碰撞及轨迹跟踪研究的准确性。
附图说明
图1是本发明一种砂粒速度和方向精准可控的砂粒投放装置的剖面示意图
图2是本发明实施例获得的高压气室压力与砂粒速度关系图
具体实施方式
为使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明的实施例及附图对本发明的实施方案做详细的阐述。
参阅图1所示，本发明公开一种新型砂粒投放装置，包括枪管1、弹托2及其凹坑内的砂粒12、防止弹托掉落的堵头3、减小高压空气对实验影响的泄压支管4、用于装载弹托的后连接头5、电磁阀6，高压气室7，气压表8，将电磁阀与高压气室及枪管末端联接头连接的柔性导管9，以及固定枪管的圆柱接头10与支架11。其中弹托2前端面中心向内凹设有凹坑，可存放单颗或多颗砂粒12。
其中，枪管1与前段堵头3及后连接头5之间均用螺纹联接，以便于弹托2的装拆。柔性管9与后连接头5、电磁阀6及高压气室7之间用胶水联接，确保密封性。
在进行砂粒轨迹跟踪预测试验时，可以根据需要将单颗或者多颗砂粒放置于弹托2中心的圆形凹坑中。将弹托2从枪管1末端放置于枪管中，并通过螺纹将后连接头5与枪管1相连。
参阅图2所示，高压气室5的压力范围为0.2～0.5MPa，砂粒的速度范围为12-50m/s，在该压力范围内，砂粒12速度与压力大小成线性关系。
考虑到不同粒径的砂粒12的质量相对弹托2均可以忽略，所以研究不同粒径砂粒12的运动轨迹时，可以直接根据所需的速度确定高压气室7的压力即可。当气压表8的示数达到所需值时，打开电磁阀6。在高压空气的推动下，弹托2带动砂粒12运动。枪管1前端设有通过螺纹与枪管1连接的堵头3，堵头3上的通孔的直径小于弹托2的直径，以防止弹托2掉落，同时堵头3上的通孔的直径大于弹托2中心圆形凹坑的直径，这样可以保证砂粒12正常的喷出。
枪管1前部设有泄压支管4，且距离枪管1前端的距离大于弹托2的长度。当弹托2在枪管1前部停止时，高压空气可以通过泄压支管4向两侧泄出，以免高压空气喷入分叉流道中，减小对气动实验入口流场的影响。
通过圆柱接头10及螺母将喷砂枪固定在支架11上，并且可以根据需要调整枪管1与水平线的夹角，使得砂粒12按照一定角度喷出。
本发明公开的一种速度和方向精准可控的砂粒投放装置，可以保证砂粒按照一定速度、一定方向喷出，其操作简单，制作成本低廉，有效提升了砂粒碰撞及轨迹跟踪研究的准确性，有助于对砂粒轨迹开展更精细的参数化研究，为惯性粒子分离器的设计提供参考。

Claims (6)

1.一种砂粒速度和方向精准可控的砂粒投放装置，其特征在于：包括枪管（1）、位于枪管内并用于承载砂粒的弹托（2）、安装在枪管前端的堵头（3）、柔性导管（9）、连接于枪管与柔性导管之间的后连接头（5）、与柔性导管连接并用以向柔性导管供气的高压气室（7）、作为高压气室（7）开闭开关的电磁阀（6）、固定枪管的圆柱接头（10）与支架（11）；所述枪管通过后连接头与柔性导管连通；
所述的枪管(1)与弹托(2)间隙配合，弹托在枪管(1)内滑动；弹托(2)前端面中心向内凹设有凹坑，可存放单颗或多颗砂粒(12)；高压气室5的压力范围为0.2～0.5MPa，砂粒的速度范围为12-50m/s;枪管(1)前部设有泄压支管(4)，距离枪管(1)前段的距离大于弹托(2)的长度，弹托(2)在枪管前部停止时，高压空气通过泄压支管(4)向两侧泄出。
2.根据权利要求1所述的砂粒投放装置，其特征在于：弹托（2）在枪管（1）内被高压气体推动加速。
3.根据权利要求2所述的砂粒投放装置，其特征在于：枪管（1）前段的堵头（3）通过螺纹与枪管（2）连接，堵头（3）上的通孔的直径小于弹托（2）的直径，但大于弹托（2）中心圆形凹坑的直径；当弹托（2）运行到枪管（1）出口时被堵头（3）阻挡卡住以射出砂粒（12）。
4.根据权利要求1所述的砂粒投放装置，其特征在于：枪管（1）与后连接头（5）之间用螺纹联接。
5.根据权利要求1或3所述的砂粒投放装置，其特征在于：后连接头（5）、电磁阀（6）及高压气室（7）之间通过柔性管（9）相连，并在高压气室上装有气压表（8）用以监测高压气室内的压强。
6.根据权利要求1所述的砂粒投放装置，其特征在于：通过带螺纹的圆柱接头（10）与螺母将喷砂枪固定在支架（11）上。
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