CN114252390A - 一种应用于电弧加热流场的粒子播发装置及播发方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种应用于电弧加热流场的粒子播发装置及播发方法，包括粒子播发罐，粒子播发罐内盛装有三氧化二铝粒子，粒子播发罐的上部连接有播发气管；粒子播发罐的底部连接有引射播发器，引射播发器内设有播发管和引射管，播发管与粒子播发罐的底部连通，引射管与播发管并联连接，引射管与引发气体连接；粒子播发器设置在引射播发器的下方，播发管延伸至粒子播发器内部，播发管位于粒子播发器内部的一端设有直角弯管，直角弯管的轴向与高温空气的流动方向一直。本发明解决三氧化二铝粒子的播发问题，将三氧化二铝粒子较为均匀的播发进入电弧加热器，并保证三氧化二铝粒子流量可调，并可在试验过程中针对不同的试验状态进行轨道模拟。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器地面模拟气动热侵蚀试验技术领域，尤其是涉及一 种应用于电弧加热流场的粒子播发装置及播发方法。
背景技术
高超声速飞行器在再入大气层过程中，除了要经受高温高压热环境外， 还要经受空气中的雨滴、冰晶、尘埃等粒子的高速撞击，进行防热材料抗 粒子侵蚀性能试验的方法有很多种，如固体火箭发动机烧蚀/侵蚀试验，固 定靶材由二级轻气炮发射液体粒子或固体粒子的单粒子碰撞侵蚀试验，在 大气层中进行的由小型火箭发射的自由飞行侵蚀试验，固定雨屏由二级轻 气炮发射模型的弹道靶侵蚀试验，电弧加热器加粒子烧蚀/侵蚀试验等。但 从试验条件对真实环境的模拟程度和试验经费等方面考虑，目前大量选用 的一般为电弧加热器粒子烧蚀/侵蚀试验。
20世纪70到80年代，美国在电弧加热器上进行了大量的粒子烧蚀/侵 蚀试验研究，主要是将碳粒子注入到高温电弧射流中形成耦合的烧蚀/侵蚀 流场。对于火星飞行器器除面临严酷的气动加热环境外，还可能面临沙尘 粒子对防热材料的高速撞击。为模拟火星沙尘暴环境，日本JAXA在其1MW 电弧风洞中添加三氧化二铝粒子，由高压氮气吹入流场，检验了材料的抗 粒子侵蚀性能。
国内采用电弧加热器播发粒子的烧蚀/侵蚀试验技术，开展防热材料的 抗侵蚀性能研究，粒子均为石墨粒子，三氧化二铝粒子由于其熔点低于石 墨粒子，造成播发困难，容易堵塞。因此，有必要设计一种应用于电弧加 热流场的粒子播发装置及播发方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于电弧加热流场的粒子播发装置及播 发方法，解决三氧化二铝粒子的播发问题，将三氧化二铝粒子较为均匀的 播发进入电弧加热器，并保证三氧化二铝粒子流量可调。
根据本发明的一个目的，本发明提供一种应用于电弧加热流场的粒子 播发装置，包括粒子播发罐、引射播发器和粒子播发器，所述粒子播发罐 内盛装有三氧化二铝粒子，所述粒子播发罐的上部连接有播发气管；
所述粒子播发罐的底部连接有所述引射播发器，所述引射播发器内设 有播发管和引射管，所述播发管与所述粒子播发罐的底部连通，所述引射 管与所述播发管并联连接，所述引射管与引发气体连接；
所述粒子播发器设置在所述引射播发器的下方，所述播发管延伸至所 述粒子播发器内部，所述播发管位于所述粒子播发器内部的一端设有直角 弯管，所述直角弯管的轴向与高温空气的流动方向一直。
进一步地，所述播发气管与压缩空气或氮气连接。
进一步地，所述三氧化二铝粒子的直径为45μm。
进一步地，所述三氧化二铝粒子从所述直角弯管喷出的初速度为 600-1500m/s。
进一步地，所述引射管的压力大于所述播发气管的压力。
根据本发明的另一个目的，本发明提供一种应用于电弧加热流场的粒 子播发方法，包括如下步骤：
S1，根据试验状态要求，确定三氧化二铝粒子流量和播发气、引射气 压力；
S2，确定在电弧加热器电弧后的粒子流量；
S3，确定三氧化二铝粒子流量后，进行电弧加热器粒子烧蚀/侵蚀试验。
进一步地，三氧化二铝粒子的流量可根据试验模拟需求，通过调整粒 子粒子播发气的压力、引射压力和控制粒子播发管道直径进行，以满足不 同试验模拟的要求。
进一步地，S2中，通过高速摄像机标定三氧化二铝粒子流量，即通过 高速摄像机拍摄粒子流场获得粒子的播放时间，结合事先得到的粒子质量 获得粒子流量。
进一步地，三氧化二铝粒子的速度由下列加速方程得到：
其中，Vp为粒子速度，单位m/s,三氧化二铝粒子的速度与粒径Dp成 反比；CD为粒子阻力系数，考虑粒子非球形度的影响，对非球形粒子的阻力 系数可按下式给出：CD＝2.42(28Re-0.85+0.48)；
利用Runge-Kutta方法求解由以上方程和喷管一维气流方程组成的微 分方程组，对已知喷管几何形状和气流初始参数，计算出粒子速度。
进一步地，粒子浓度是按下式计算得出：
其中，
为三氧化二铝粒子流量，ξ为三氧化二铝粒子在加速过程中 由于受到热和力的影响其直径减小的修正因子，取0.2。
本发明的技术方案解决三氧化二铝粒子的播发问题，将三氧化二铝粒 子较为均匀的播发进入电弧加热器，并保证三氧化二铝粒子流量可调、装 置较为简便，并可在试验过程中针对不同的试验状态进行轨道模拟。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下 面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普 通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获 得其他的附图。
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的使用状态示意图；
图中，1、粒子播发罐；2、引射播发器；3、粒子播发器；4、三氧化 二铝粒子；5、播发气管；6、播发管；7、引射管；8、直角弯管；9、电弧 加热器；10、试验模型。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、" 长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、" 水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置 关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化 描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定 的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示 相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、 "第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明 的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此 外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接， 也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接； 可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的 连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本 发明中的具体含义。
实施例1
如图1和图2所示，一种应用于电弧加热流场的粒子播发装置，包括 粒子播发罐1、引射播发器2和粒子播发器3，粒子播发罐1内盛装有三氧 化二铝粒子4，三氧化二铝粒子4的直径为45μm左右，粒子播发罐1的 上部连接有播发气管5；播发气管5与压缩空气或氮气连接。
粒子播发罐1的底部连接有引射播发器2，引射播发器2内设有播发管 6和引射管7，播发管6与粒子播发罐1的底部连通，引射管7与播发管6 并联连接其两者之间呈锐角设置，引射管7与引发气体连接；引射管7的 压力大于播发气管5的压力。
粒子播发器3设置在引射播发器2的下方，播发管6延伸至粒子播发 器3内部，播发管6位于粒子播发器3内部的一端设有直角弯管8，直角弯 管8的轴向与高温空气的流动方向一直。三氧化二铝粒子4从直角弯管8 喷出的初速度为600-1500m/s。三氧化二铝粒子4喷出后在经电弧加热器9 加热后的高温空气中加速，对位于出口处的试验模型10进行侵蚀。三氧化 二铝粒子4的喷出浓度可以通过调节播发气管5的压力值进行调节。
实施例2
一种应用于电弧加热流场的粒子播发方法，包括如下步骤：
S1，根据试验状态要求，确定三氧化二铝粒子流量和播发气、引射气 压力；
S2，确定在电弧加热器电弧后的粒子流量；
S3，确定三氧化二铝粒子流量后，进行电弧加热器粒子烧蚀/侵蚀试验。
三氧化二铝粒子的流量可根据试验模拟需求，通过调整粒子粒子播发 气的压力、引射压力和控制粒子播发管道直径进行，以满足不同试验模拟 的要求。
通过高速摄像机标定三氧化二铝粒子流量，即通过高速摄像机拍摄粒 子流场获得粒子的播放时间，结合事先得到的粒子质量获得粒子流量。
三氧化二铝粒子的速度由下列加速方程得到：
其中，Vp为粒子速度，单位m/s,三氧化二铝粒子的速度与粒径Dp成 反比；CD为粒子阻力系数，考虑粒子非球形度的影响，对非球形粒子的阻力 系数可按下式给出：CD＝2.42(28Re-0.85+0.48)；
利用Runge-Kutta方法求解由以上方程和喷管一维气流方程组成的微 分方程组，对已知喷管几何形状和气流初始参数，计算出粒子速度。
粒子浓度是按下式计算得出：
其中，
为三氧化二铝粒子流量，ξ为三氧化二铝粒子在加速过程中 由于受到热和力的影响其直径减小的修正因子，取0.2。
本发明解决三氧化二铝粒子的播发问题，将三氧化二铝粒子较为均匀 的播发进入电弧加热器，并保证三氧化二铝粒子流量可调、装置较为简便， 并可在试验过程中针对不同的试验状态进行轨道模拟。
本发明利用播发气和下游的压力差将三氧化二铝粒子注入到高温空气 中，并经过超声速粒子加速喷管形成侵蚀试验流场。该试验方法和试验装 置可以对战略弹头的端头部位、固体火箭发动机喉衬材料进行地面侵蚀试 验考核。该方法粒子三氧化二铝粒子浓度可调、装置较为简便，并可在试 验过程中针对不同的试验状态进行轨道模拟。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非 对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的 普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进 行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或 者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种应用于电弧加热流场的粒子播发装置，其特征在于，包括粒子播发罐、引射播发器和粒子播发器，所述粒子播发罐内盛装有三氧化二铝粒子，所述粒子播发罐的上部连接有播发气管；
所述粒子播发罐的底部连接有所述引射播发器，所述引射播发器内设有播发管和引射管，所述播发管与所述粒子播发罐的底部连通，所述引射管与所述播发管并联连接，所述引射管与引发气体连接；
所述粒子播发器设置在所述引射播发器的下方，所述播发管延伸至所述粒子播发器内部，所述播发管位于所述粒子播发器内部的一端设有直角弯管，所述直角弯管的轴向与高温空气的流动方向一直。
2.根据权利要求1所述的应用于电弧加热流场的粒子播发装置，其特征在于，所述播发气管与压缩空气或氮气连接。
3.根据权利要求1所述的应用于电弧加热流场的粒子播发装置，其特征在于，所述三氧化二铝粒子的直径为45μm。
4.根据权利要求1所述的应用于电弧加热流场的粒子播发装置，其特征在于，所述三氧化二铝粒子从所述直角弯管喷出的初速度为600-1500m/s。
5.根据权利要求1所述的应用于电弧加热流场的粒子播发装置，其特征在于，所述引射管的压力大于所述播发气管的压力。
6.根据权利要求1所述的应用于电弧加热流场的粒子播发方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，根据试验状态要求，确定三氧化二铝粒子流量和播发气、引射气压力；
S2，确定在电弧加热器电弧后的粒子流量；
S3，确定三氧化二铝粒子流量后，进行电弧加热器粒子烧蚀/侵蚀试验。
7.根据权利要求6所述的应用于电弧加热流场的粒子播发方法，其特征在于，三氧化二铝粒子的流量可根据试验模拟需求，通过调整粒子粒子播发气的压力、引射压力和控制粒子播发管道直径进行，以满足不同试验模拟的要求。
8.根据权利要求6所述的应用于电弧加热流场的粒子播发方法，其特征在于，S2中，通过高速摄像机标定三氧化二铝粒子流量，即通过高速摄像机拍摄粒子流场获得粒子的播放时间，结合事先得到的粒子质量获得粒子流量。
9.根据权利要求6所述的应用于电弧加热流场的粒子播发方法，其特征在于，三氧化二铝粒子的速度由下列加速方程得到：
其中，Vp为粒子速度，单位m/s,三氧化二铝粒子的速度与粒径Dp成反比；CD为粒子阻力系数，考虑粒子非球形度的影响，对非球形粒子的阻力系数可按下式给出：CD＝2.42(28Re-0.85+0.48)；
利用Runge-Kutta方法求解由以上方程和喷管一维气流方程组成的微分方程组，对已知喷管几何形状和气流初始参数，计算出粒子速度。
10.根据权利要求6所述的应用于电弧加热流场的粒子播发方法，其特征在于，粒子浓度是按下式计算得出：
其中，
为三氧化二铝粒子流量，ξ为三氧化二铝粒子在加速过程中由于受到热和力的影响其直径减小的修正因子，取0.2。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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