CN112717739A - 一种适用于高速流场环境下的化学物质掺混装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于高速流场环境下的化学物质掺混装置及方法，所述装置为水冷中空夹层结构，所述夹层结构中接触流场的表面刻有蜂窝状的倾斜小孔，且倾斜小孔和夹层结构中接触流场的表面呈一定角度，喷洒出射的气体亲电子物质与背景流场方向存在较大的分速度，从而实现最大效果的掺混和吸附反应。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于高速流场环境下的化学物质掺混装置及方法，是应用于高温、高碰撞、高速流场等极端复杂等离子体环境下，释放吸附性化学物质与等离子体掺杂混合的一种技术方案，包括气化物质喷射掺混装置以及高速流场等离子体环境下的释放方法，可以用于高超声速风洞环境下的气化物质掺混，高温高密度托克马克等离子体边界区域掺混，以及未来高超声速飞行器表面再入表面等离子体区域化学物质掺混释放等。
背景技术
当卫星、航天飞船、宇宙飞船等航天飞行器以极高的速度再入空间大气层时，会与稠密的高层大气发生摩擦和强大的挤压，飞行器表面的温度会激增至3000K以上，进而导致大气分子的电离，被电离的大气会在目标表面及其周围形成包围在飞行器表面有一定厚度的致密等离子体。形成的致密等离子体会直接影响飞行器的热传导、气动过程和无线电通讯等特性，鞘套的形成会对目标信号的有效传输产生严重的威胁。由于电磁屏蔽的作用，地面与飞行器之间的无线电通信会出现失真或中断，从而导致传输数据的丢失而危及飞行器的安全。因此，该再入致密等离子体环境极易对飞行器的安全性能造成干扰，它的存在会严重削弱电子的对抗能力。针对飞行器表面等离子体的高密度、强碰撞和流场环境的复杂特性，亲电子气体化学物质释放主动干预技术是降低该区域等离子体电子密度一种新方法。传统实验室环境下的释放技术方案是通过外界气瓶和放电腔内的压力差把化学物质喷射进入等离子体放电区域，并与等离子体进行充分的混合反应，实现实验室静态环境下的气态化学物质掺杂混合。然而在高速流场等离子环境下，存在较高的等离子体流速，粒子碰撞以及较强的气态间粘滞力等特性，导致进入等离子体中的化学物质可能不能进行有效的充分混合反应，进而导致释放效果较差，反应不充分，主动干预失败等问题。最终会造成通讯信号衰减，目标信号或数据传输丢失等严重后果。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种适用于高速流场环境下的化学物质掺混装置及方法，高速流场环境下，能够使气态化学物质在高速流场等离子体环境下实现充分掺混，进而与高流速背景等离子体进充分的化学物理反应，有效的实现亲电子物质释放主动干预等离子体电子密度技术，降低等离子体电子密度参数，为再入过程航空航天测控通信信号和载荷数据的有效传输提供保障。
本发明的技术解决方案：
一种适用于高速流场环境下的化学物质掺混装置，所述装置为水冷中空夹层结构1，所述中空夹层结构1中接触流场的不锈钢表面2刻有蜂窝状的倾斜小孔3，且蜂窝状的倾斜小孔3和中空夹层结构1中接触流场的不锈钢表面2呈一定夹角4，喷洒出射的气体亲电子物质与背景流场方向存在分速度，从而实现最大效果的掺混和吸附反应。
所述倾斜小孔和夹层结构中接触流场的表面呈30度夹角，且与流场方向一致。
所述倾斜小孔的直径范围取决于掺混装置的流场接触面壁厚，在保证小孔之间喷射出的高速流体之间不存在干扰的情况下，小孔数量密度越大，掺混效果更好，为了能保证相互之间不干扰和忽略气阻，小孔尺寸应满足孔径大于1mm，小孔分布间距大于5mm。
所述夹层结构由两块夹层不锈钢板拼接而成，应用中选择使用其中一块或者两块进行气体喷射。
所述中空夹层结构侧面为两个水冷出口5、6。
所述循环水冷管壁必须与掺混装置流场接触面紧密贴合才能达到有效的冷却效果，且水冷出口与水冷套确保紧密密封，防止出现真空密封效果差。
本发明的一种适用于高速流场环境下的化学物质掺混方法，实现步骤如下：
(1)根据掺杂混合目的和有效掺混区域要求，选择一块或者两块拼接结构来进行高速流场环境下的气体化学物质掺杂混合，且斜孔的方向与流场方向一致；
(2)通过调控掺混装置在高速流场环境下的安装移动位置来有效的控制掺杂混合的区域以及对应的物理化学反应区域；
(3)在高速流场环境下，存在较高的粒子碰撞加热。因此在流场接触面区域要盘绕循环水冷套，以达到降低掺杂气体的温度，防止发生非预期的化学物理分解等，破坏掺杂目的；
(4)由于高速流场高温环境会造成掺混物质的降解和电离，因此掺混装置一般需要安装在高速流场出口环境，防止出现掺杂物质高温物理化学分解。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)高速流场环境下气体快速掺混技术是一个极具挑战性的课题，因为高速流场环境下对应的流体等离子体特性不同于实验室环境下的准静态环境。准静态流体等离子体能够保证在被外界泵源排除之前，释放的化学气体物质与等离子体发生充分掺混和吸附物理反应，能够有效的干预等离子体放电特性。而高速流场环境下，需要考虑到较高的流体流速，粒子碰撞频率和高密度等离子体电子碰撞特性的影响。为了解决这一问题，本发明不仅仅可以提升气流喷射的气流速度，还可以提升对应气流横向速率以及对应的喷射混合投影面积。因此，该种设计结构可以有效的在高超声速高碰撞率流体等离子体环境，进行气体化学物质混合干预等离子体放电试验。该平板特殊设计结构已在实际高超声速电弧风洞以及高频风洞中进行了验证。
(2)通过本发明的装置，喷洒出射的气体流束与背景等离子体流场方向存在较大的分速度，喷射投影面积能够有效增大，此外蜂窝状的喷射面板能够更有效提升其喷射速度和接触面积，达到更广泛的扩散效应，能够最大效率的保证气流与高速流场等离子体充分掺混均匀。还能降低气体化学物质流体注入对高速流场等离子体的扰动，避免带来额外的不稳定性波动，导致等离子体放电不稳定或者等离子体掺混效果不明显。
附图说明
图1为本发明的适用于高速流场环境下的化学物质掺混装置结构图，其中图为正视的掺混装置双拼结构面板，流场接触面板刻有蜂窝状的倾斜小孔，对应的倾斜小孔与面板接触面倾斜夹角为30度；
图2为本发明装置中蜂窝结构三维视图，其中侧面为两个水冷出口，蜂窝结构与平板表面呈30度夹角；
图3为本发明装置中循环水冷结构三维视图，循环水冷结构能够有效的降低风洞环境下的热负荷，维持稳定长时间的气体掺混；
图4为本发明装置中倾斜小孔安装示意图及掺混效果探测探针安装位置图；
图5为Ar放电等离子体环境下CO2释放速率约8g/s示意图，其中横坐标表示放电时间和喷射时刻点，纵坐标表示电子密度，量级为1012cm-3，“+”表示是释放前电子密度随着放电时间的变化，“o”空心圆圈表示化学物质喷射后电子密度随着时间的变化；
图6为电弧风洞等离子体环境下，CO2释放干预电子密度下降约80％示意图，其中横坐标表示放电时间和喷射时刻点，纵坐标表示电子密度，量级为1012cm-3，“+”表示是释放前电子密度随着放电时间的变化，“o”空心圆圈表示化学物质喷射后电子密度随着时间的变化。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明的装置由两块110*100mm2尺寸不锈钢板拼接的中空夹层结构1组成，拼接后尺度110*200mm2。应用中可以选择使用其中一块或者两块，来进行气体喷射。为了更好的达到气体掺混效果，不锈钢表面2刻有蜂窝状的倾斜小孔3，倾斜小孔3和不锈钢表面2呈30度夹角4，这样喷洒出射的气体流束与背景等离子体流场方向存在较大的分速度。相比于垂直喷射的气流控制设计方案，该设计方案具有较大的喷射投影面积，能够与更大层面的等离子体发生掺混，此外蜂窝状的喷射面板能够更有效的提升其喷射速度和接触面积，达到更有效的扩散效应，能够最大效率的保证气流与高速流场等离子体充分掺混均匀，并充分的发生吸附反应，降低解吸附反应对释放效果的影响。同时，该装置带有冷却系统，能够克服高温流场烧蚀问题，具备长时间稳定释放能力。
如图2所示，图2为掺混装置夹层板剖面图，其中侧面两个水冷套出水小孔5为放置安装水冷套的无倾斜夹角的圆形小孔，表面刻有蜂窝状的倾斜小孔3，倾斜小孔3的夹角4为30度。
如图3所示，掺混装置夹层板面刻有蜂窝状的倾斜小孔3。其中水冷套6与中空夹层结构1壁面紧密接触，并从夹层板侧面水冷套出水小孔5流出。
本发明分别在电弧风洞和高频风洞中开展了相关测试试验,利用该种气体化学物质喷射装置，经过测试能够有效的实现气体化学物质与高流场等离子体充分掺混，实现了电负性气体化学物质主动干预等离子体电子密度1-2个量级的衰减。试验过程中，在风洞中采取了纯Ar气放电、Ar和空气混合放电等气体放电模拟等离子体鞘套环境。本测试是在电子密度为1011cm-3-1012cm-3量级范围的等离子体环境下开展地。试验采用出口尺寸为60mm×180mm、喉道为60mm×30mm的矩形喷管，气流的名义马赫数是3.4，流场流速位为1000-2000m/s，等效1-2Mach，碰撞频率在2-5GHz范围内变化。试验掺混气体化学物质选取CO2等亲电子物质开展喷洒实验。
如图4所示，是中空夹层结构1构成的单面板气体掺混装置安装和探针7放置示意图，气体掺混装置安装在流场出口8，可移动探针7安装在流场下游，在该区域可以有效快速的探测到气体混和干预区域。
如图5所示，为纯氩气放电，背景等离子体密度达到1012次方量级，对应释放的化学物质CO2释放速率为8g/s，放电气压为1890Pa。释放前电子密度约为1.18×1012cm-3，而释放后等离子体电子密度下降约为85％，接近1个量级，等离子体电子频率从10GHz下降到4GHz。说明在该种流场环境下，对应的化学物质CO2能够充分的与高速流场进行混合并发生吸附反应。
如图6所示，为氩气和空气混合放电，为了验证其实用性，在7g氩气和50g空气混合放电等离子体中喷射CO2，对应的释放速率为8g/s，总放电气压为1890Pa。对应的放电电流800A。同样短时间实现了电子密度从1.3×1012cm-3下降到0.3×1012cm-3，也就是说在以空气放电为主的背景等离子体环境下，同样的实现了等离子体电子密度的急剧降低。说明了在这种情况下，二氧化碳和空气进行了充分的混合，也就是我们设计的蜂窝状斜孔平板喷射模块的释放方案，能够很好的解决传统狭缝释放案存在的问题，如无法充分进行接触混合，穿透不深以及较大喷射粘滞力导致背景流场不稳定的问题，最终导致对应的等离子体放电不稳或者对应的化学物质释放掺混效果不明显等。
此外，本掺混装置也在高频风洞中进行了尝试，同样能够实现完美的掺混效果。因此本掺混装置可以为未来飞行器再入过程中解决阶段性信号数据丢失以及测控通信提供很好的释放技术方案。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。
Claims (7)
1.一种适用于高速流场环境下的化学物质掺混装置，其特征在于：所述装置为水冷中空夹层结构，所述夹层结构中接触流场的表面刻有蜂窝状的倾斜小孔，且倾斜小孔和夹层结构中接触流场的表面呈一定角度，喷洒出射的气体亲电子物质与背景流场方向存在分速度，从而实现最大效果的掺混和吸附反应。
2.根据权利要求1所述的适用于高速流场环境下的化学物质掺混装置，其特征在于：所述倾斜小孔和夹层结构中接触流场的表面呈30度夹角，且与流场方向一致。
3.根据权利要求1所述的适用于高速流场环境下的化学物质掺混装置，其特征在于：所述倾斜小孔的直径范围取决于掺混装置的流场接触面壁厚，在保证倾斜小孔之间喷射出的高速流体之间不存在干扰的情况下，倾斜小孔数量密度越大，掺混效果更好，为了能保证相互之间不干扰和忽略气阻，倾斜小孔尺寸满足孔径大于1mm，倾斜小孔分布间距大于5mm。
4.根据权利要求1所述的适用于高速流场环境下的化学物质掺混装置，其特征在于：所述夹层结构由两块夹层不锈钢板拼接而成，应用中选择使用其中一块或者两块进行气体喷射。
5.根据权利要求1所述的适用于高速流场环境下的化学物质掺混装置，其特征在于：所述中空夹层结构侧面为两个水冷出口。
6.根据权利要求1所述的适用于高速流场环境下的化学物质掺混装置，其特征在于：所述循环水冷管壁必须与掺混装置流场接触面紧密贴合才能达到有效的冷却效果，且水冷出口与水冷套确保紧密密封，防止出现真空密封效果差的问题。
7.一种适用于高速流场环境下的化学物质掺混方法，其特征在于实现步骤如下：
(1)根据掺杂混合目的和有效掺混区域要求，选择一块或者两块拼接结构来进行高速流场环境下的气体化学物质掺杂混合，且斜孔的方向与流场方向一致；
(2)通过调控掺混装置在高速流场环境下的安装移动位置来有效的控制掺杂混合的区域以及对应的物理化学反应区域；
(3)在高速流场环境下，存在较高的粒子碰撞加热。因此在流场接触面区域要盘绕循环水冷套，以达到降低掺杂气体的温度，防止发生非预期的化学物理分解等，破坏掺杂目的；
(4)由于高速流场高温环境会造成掺混物质的降解和电离，因此掺混装置一般需要安装在高速流场出口环境，防止出现掺杂物质高温物理化学分解。
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