CN110332967B - 一种基于动能法测量高压气体射流质量流量的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于动能法测量高压气体射流质量流量的方法和装置属于流体力学的高压气体射流质量测量领域。高压气体喷射射流会不断卷吸周围的气体，引起射流过程中不同位置的气体质量流量发生变化。然而传统的测量方法如排水法、容积法只能测量高压气体的出口质量。本专利根据能量守恒定理，在高压气体喷射路径上设置安装了弹簧的挡板，获得气体射流初期撞击挡板引起挡板的运动过程，进而获得射流在该位置的气体动能，结合纹影法获得气体射流在该位置的气体传播速度，计算得到该位置气体的质量流量。

Description

一种基于动能法测量高压气体射流质量流量的方法和装置
技术领域：
本发明属于流体力学的高压气体射流质量测量领域，涉及一种测量高压气体射流质量流量的方法和装置。
技术背景：
高压气体射流在航空航天、汽车、冶金、化工、食品加工等领域广泛应用。如在汽车内燃机领域中，天然气发动机使用传统的进气道喷射方式以及更为先进的缸内直喷方式，两种喷射方式都涉及到了高压气体射流。
高压气体喷射过程中，从喷孔出来的高速气体会不断卷吸周围的气体，从而导致在射流方向上不同位置气体质量流量发生变化，如图1所示。
然而传统的测量方法如排水法、容积法只能测量高压气体的出口质量流量。
本专利将提出一种基于能量守恒原理的装置和方法，可以测量距离喷孔不同位置的包括卷吸质量的高压气体质量流量。
发明内容
假设高压气体射流撞击挡板的瞬间，单位时间内气体完全与挡板相撞；考虑到气体的粘性，相撞后气体与挡板以相同的速度继续向前。如图2所示。
撞击前，气体动能可以表示为：
Figure BDA0002123982230000011
在距离高压气体喷孔某位置处设置安装了带有弹簧的挡板，挡板后安装位移传感器，高压气体射流撞击挡板后，位移传感器记录挡板撞击瞬时位移量变化过程，可计算得到该时间挡板的速度、挡板的动能、弹簧的动能、弹簧的弹性势能。此时挡板弹簧系统的能量为：
Figure BDA0002123982230000021
式中：v1——高压气体撞击挡板后，挡板的瞬时速度
k——弹簧弹性势能
Δx——Δt内弹簧的形变量，也是挡板的位移量
m1——挡板的质量
m2——弹簧的质量
考虑到气体的粘性，认为高压气体射流的质量撞击挡板后，会粘在挡板上同挡板相同的速度，继续前进。根据能量守恒定理，有以下公式：
Figure BDA0002123982230000022
根据公式(3)，可计算得到撞击挡板的高压气体动能。
采用纹影法，测量相同射流条件下气体射流的传播速度，并获得高压气体射流在挡板初始位置对应的速度。根据公式(3)，得到的气体动能，可进一步计算得高压气体射流在该位置的质量流量m。改变挡板与出口的距离，使用相同方法可计算得高压气体射流在距离喷孔不同位置的质量流量。
附图说明
图1，高压气体射流示意图。其中射流出口的质量流量为m0，高压气体射流喷射过程中，因为卷吸周围的气体，x1处高压气体射流的质量流量为
Figure BDA0002123982230000023
图2，为高压气体射流撞击挡板装置图。在高压气体喷射路径上，设置安装弹簧的挡板，挡板通过弹簧固定在与气体射流方向相反的一侧。挡板后设置位移传感器，可记录挡板的随时间变化的位移量。
图3，高压气体射流撞击挡板的瞬间，位移传感器采集到的挡板的位移量。其中横坐标为时间，纵坐标为位移传感器与挡板的距离。
具体实施方式：
测量挡板、弹簧的质量以及弹簧的k值。
如图2，喷嘴开启后，高压气体从喷嘴喷出撞击挡板。挡板后的位移传感器采集挡板的位移量。
如图3，位移传感器采集到的挡板的位移量。其中横坐标为时间，纵坐标为挡板距离位移传感器的距离。通过计算撞击瞬间挡板的位移量Δx以及时间Δt，可计算得到挡板的速度v1。
根据【00016】可计算弹簧系统得到的能量。
根据能量守恒定理，高压气体撞击挡板的瞬间，认为高压气体将动能转为弹簧系统的能量。因此可计算得高压气体射流喷射至挡板位置处质量m的动能。
测量高压气体射流喷射至挡板位置处的速度。可以设置风速仪采集射流速度，也可以在定容弹内使用纹影法，拍摄射流发展过程，计算挡板位置处射流速度。
根据【00018】和【00019】的数据代入式(3)，可计算得高压气体射流在距离喷孔该处的质量m。
改变挡板与喷孔之间的距离，以及测量射流不同位置的速度，可计算得射流喷射至不同位置的质量流量。

Claims (2)

1.一种基于动能法测量高压气体射流质量流量的方法，其特征在于，所用装置包括：在高压气体射流路径需要测量的位置，设置带有弹簧的挡板；采用高速位移传感器记录挡板位移量；
根据气体冲击上述装置初始过程的挡板位移随时间的变化过程，获得单位时间挡板的速度和位移，计算冲击后挡板弹簧系统的动能以及弹性势能；根据能量守恒定理，上述能量即为冲击气体的动能；根据冲击气体的气体动能，获得该位置的气体传播速度，计算得到该位置的气体流量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：根据冲击气体的气体动能，通过纹影法获得该位置的气体传播速度。
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