CN115266006A - 用于同轴柱面爆燃驱动装置的双侧充气预混夹膜装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于同轴柱面爆燃驱动装置的双侧充气预混夹膜装置，包括第一夹膜环、第二夹膜环和第三夹膜环；第二夹膜环和第三夹膜环之间设置有膜片；第二夹膜环上设置有至少两个第一进气通道；第一夹膜环上设置有第一凹形部；掺混通道内设置有金属丝，金属丝呈螺旋状；每个第一进气通道均与掺混通道相连通；掺混通道通过出气通道与爆燃驱动段内相连通，出气通道具有混气出气口，混气出气口位于第二环状体的内壁上；掺混通道具有进气部、混合部和出气部；第三夹膜环上设置有第二进气通道，第二进气通道与被驱动段内相连通。本发明可以使气流在流经时产生湍流，从而强化各组分的混合，之后混气经出气通道流入爆燃驱动段内，混气的均匀性显著提高。
Description
技术领域
本发明涉及高温高速气体动力学、高速飞行器等实验研究的技术领域，更具体地，涉及一种用于同轴柱面爆燃驱动装置的双侧充气预混夹膜装置。
背景技术
激波管/风洞是一种广泛用于高温高速气体动力学、高速飞行器等领域的实验设备，基本原理是：高压驱动气体通过激波压缩低压试验气体，使之达到所需的试验状态。如图1所示，典型的激波管/风洞包括驱动段1’、被驱动段2’、喷管3’和试验段4’；试验前，驱动段1’与被驱动段2’以膜片5’隔开，在驱动段1’中充入高压的驱动气体，在被驱动段2’中充入低压的试验气体；试验时，膜片5’破裂，高压气体膨胀、进入被驱动段2’，同时在被驱动段2’中产生一道快速运动的激波；若直接采用激波后的气体开展试验，则设备以激波管模式运行；若利用经喷管3’加速后的试验气体开展试验，则设备以激波风洞模式运行。
试验气体的总温、总压范围是衡量设备能力的主要指标，二者取决于高压驱动气体的驱动能力。常温高压气体已无法满足日益苛刻的试验需求，为此，国内外已发展出三种高性能的驱动技术：活塞驱动、加热轻气体驱动以及爆轰驱动。其中，爆轰驱动技术具有成本低、结构简单而且较为安全等特点，是目前国内的主流技术。
爆轰驱动激波管是由Bird在1957年首先提出的。中国科学院力学研究所的俞鸿儒先生在1981年建造了一个13.3m长的爆轰驱动激波管，1983年投入使用。中国科学院力学研究所于1994年研制了JF-10爆轰驱动高焓激波风洞【参见俞鸿儒、赵伟、袁生学的氢氧爆轰驱动激波风洞的性能-气动试验与测量控制，1993，7(3)：38-42】。在俞鸿儒先生的帮助下Gronig等人于1993年在德国亚琛工业大学建造了应用反向爆轰驱动的高焓激波风洞(TH2-D)。1994年，NASA修改原来的自由活塞驱动的设计方案，在GASL建成建设了正向爆轰驱动高焓激波风洞(HYPULSE)，该风洞同时可以工作于反射激波风洞模式和膨胀管模式【参见ChueRSM，Tsai C-Y，Bakos RJ，Erdos JI，Rogers RC(2002)NASA’s HYPULSE Facility atGASL-ADual Mode，Dual Driver Reflected-Shock/Expansion Tunnel.In：Lu F，Marren D(eds)，Advanced Hypersonic Test Facilities，Progress in Astronautics andAeronautics，Vol.198，AIAA，Chapter 3，pp29-71】。
爆轰驱动需要在驱动段内形成沿轴向传播的爆轰波，爆轰波后的不均匀的流场导致该驱动技术存在以下问题：第一，可爆轰的气体混合比例范围比可爆燃的范围窄的多，驱动气体的温度和声速范围也相应更窄，因此限制了爆轰驱动能够提供的试验气体总温范围；第二，爆轰驱动提供的有效驱动压力不超过设备承压极限的40％，限制了试验气体的总压范围。
为克服爆轰驱动的上述问题，提出了同轴柱面爆燃驱动技术，该技术需要在驱动段两端分别插接高压电极，在两个高压电极之间布置一条与驱动段同轴的点火丝，利用点火丝使轴线上的气体同时点火。这种方式对驱动气体的掺混均匀性要求苛刻，传统的充气方式无法满足要求。传统的充气结构为了使结构简单、提高安全性，通常直接在管壁上设置相互独立的充气孔，各路驱动气体分别进入驱动段管道后再混合；传统的充气结构在进气口位置设计方面也无特殊要求，位于驱动段任意位置均可。实验表明，传统的充气结构无法满足同轴柱面爆燃驱动技术所需的气体掺混均匀性。现有文献1(CN111579200A)公开了螺杆控温夹膜装置，所述的夹膜装置包括前后排列的左法兰和右法兰，左法兰和右法兰的中心均开有内螺纹孔，左法兰的周向开有均布的内螺纹孔，右法兰的周向位置上开有与内螺纹孔对应的通孔；驱动段为圆筒Ⅰ，圆筒的右端设置有外螺纹，驱动段的外螺纹与左法兰的内螺纹孔Ⅰ通过螺纹装配，将驱动段固定在左法兰的左端面上，驱动段的腔体内充有高压驱动气体；被驱动段为圆筒Ⅱ，圆筒Ⅱ的左端设置有外螺纹，被驱动段的外螺纹与右法兰的内螺纹孔Ⅰ通过螺纹装配，将被驱动段固定在右法兰的右端面上，被驱动段的腔体内充有低压被驱动气体；在左法兰右端面和右法兰的左端面之间的中轴线上，从前至后依次固定有水平移动的膜片Ⅰ、夹膜环Ⅰ、膜片Ⅱ和夹膜环Ⅱ；在左法兰右端面和右法兰的左端面之间还对称安装有伸缩油缸；连接螺杆从左至右依次穿过内螺纹孔Ⅱ和通孔，连接螺杆的左端通过外螺纹与内螺纹孔Ⅱ的装配，将连接螺杆的左端固定在左法兰上，连接螺杆的右端通过外螺纹与紧固螺母装配，将连接螺杆的右端固定在右法兰上；连接螺杆的中心轴线上开有空腔，在左法兰右端面和右法兰的左端面之间的空腔内安装有加热器，与加热器对应位置的连接螺杆外套装有水冷套，加热器与外置的电源连接，但通过上述方案仍未解决上述技术问题。
现有文献2(CN102407947A)公开了激波风洞爆轰双驱装置，包括：激波风洞，该激波风洞具爆轰驱动段，该爆轰驱动段的一端设置有卸爆段，另一端设置有被驱动段；在所述卸爆段和爆轰驱动段之间设有第一膜片，在所述被驱动段和爆轰驱动段之间设有第二膜片；在所述爆轰驱动段的靠近所述卸爆段的一段设置有正向爆轰驱动点火装置，在所述爆轰驱动段的靠近所述被驱动段的一段设置有反向爆轰驱动点火装置；在所述正向爆轰驱动点火装置和反向爆轰驱动点火装置之间连接有可控延时触发装置，其方法如下：1)在激波风洞爆轰驱动段的靠近卸爆段的一端设置正向爆轰点火装置，在爆轰驱动段的靠近被驱动段的一端设置反向爆轰驱动点火装置；2)通过正向爆轰点火装置进行点火，形成正向驱动爆轰波；3)当正向爆轰波沿爆轰驱动段传播预定时间后，通过反向爆轰驱动点火装置进行点火，形成反向驱动爆轰波；4)反向驱动爆轰波将设置在被驱动段和爆轰驱动段之间的膜片撕裂，正向爆轰波与反向爆轰波相交后形成运动激波，该运动激波进入被驱动段，以对被驱动段的试验气体进行压缩。
为了满足同轴柱面爆燃驱动技术对驱动气体的掺混均匀性的要求，本发明提出一种用于同轴柱面爆燃驱动装置的双侧充气预混夹膜装置，并且该用于同轴柱面爆燃驱动装置的双侧充气预混夹膜装置是本领域技术人员不容易想到的。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于同轴柱面爆燃驱动装置的双侧充气预混夹膜装置，包括第一夹膜环、第二夹膜环和第三夹膜环，其中，所述第一夹膜环与爆燃驱动段相连通，所述第三夹膜环与被驱动段相连通，所述第二夹膜环位于所述第一夹膜环与所述第三夹膜环之间；
所述第二夹膜环和所述第三夹膜环之间设置有膜片；
所述第二夹膜环上沿圆周方向设置有至少两个第一进气通道；
所述第一夹膜环靠近所述第二夹膜环一侧设置有第一凹形部；
所述第二夹膜环靠近第一夹膜环一侧设置有与所述第一凹形部相配合的第一凸形部，所述第一凹形部与所述第一凸形部相连接，所述第一凸形部上设置有沿圆周方向的掺混通道；
所述掺混通道内设置有金属丝，所述金属丝呈螺旋状；
每个所述第一进气通道均与所述掺混通道相连通；
所述掺混通道通过出气通道与所述爆燃驱动段内相连通，所述出气通道具有混气出气口，所述混气出气口位于所述第二环状体的内壁上；
所述掺混通道具有进气部、混合部和出气部，所述进气部位于所述掺混通道一端，所述出气部位于所述掺混通道另一端，所述混合部位于所述进气部和所述出气部之间；
所述进气部靠近所述混合部一端通过所述混合部与所述出气部靠近混合部一端相连通，所述进气部远离所述混合部一端与所述出气部远离混合部一端之间设置阻挡部；
所述第三夹膜环上设置有第二进气通道，所述第二进气通道与被驱动段内相连通。
可选地，所述混气出气口靠近所述膜片一侧。
可选地，所述出气通道包括第一进气段和与第一进气段相连通的第一出气段，所述第一进气段位于所述出气通道靠近所述掺混通道一侧，所述第一出气段位于所述出气通道远离所述掺混通道一侧，所述第一进气段通过所述第一出气段与所述混气出气口相连通，所述第一进气段与所述第一出气段的夹角为80°-100°。
可选地，所述第一进气通道包括第二进气段和与所述第二进气段相连通的第二出气段，所述第二进气段位于靠近所述第一进气通道远离掺混通道一侧；所述第二出气段位于靠近掺混通道远离所述第一进气通道一侧，所述第二进气段与所述第二出气段之间的夹角为80°-100°。
可选地，所述金属丝位于混合部。
与现有技术相比，本发明提供的用于同轴柱面爆燃驱动装置的双侧充气预混夹膜装置，至少实现了如下的有益效果：
第一，现有技术中单纯在管壁上设置相互独立的充气孔，各路驱动气体分别进入爆燃驱动段管道后再掺混，掺混效果差。而本发明中在各路驱动气体在进入爆燃驱动段之前，先汇入第二夹持件的掺混通道，由于掺混通道内固定有螺旋状的金属丝，可以使气流在流经时产生湍流，从而强化各组分的混合，之后混气经出气通道流入爆燃驱动段内，混气的均匀性显著提高；
第二，相对于现有技术的充气结构中进气口位置方面无特殊要求，而本发明中混气出气口均位于非常靠近膜片的位置，可以显著减小气体流动的死角，保证驱动段1和被驱动段2管道内气体组分分布的一致性。
当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是现有技术中提供的一种激波管/风洞的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种用于同轴柱面爆燃驱动装置的双侧充气预混夹膜装置的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种用于同轴柱面爆燃驱动装置的双侧充气预混夹膜装置的爆炸图；
图4是本发明实施例提供的用于同轴柱面爆燃驱动装置的双侧充气预混夹膜装置的侧视图；
图5是图4中AA的剖视图；
图6是本发明实施例提供的第二夹膜环的主视图；
图7是本发明实施例提供的第二夹膜环的的透明视图；
图8是本发明实施例提供的金属丝的结构示意图；
图9是本发明实施例提供的第二夹膜环的仰视图；
图10是本发明实施例提供的第一夹膜环的仰视图；
图11是本发明实施例提供的一种用于激波管/风洞的同轴柱面爆燃驱动装置的结构示意图；
图12是图11中B处结构放大图；
图13是图11中放电系统的结构放大图；
图14是本发明实施例提供的一种放电系统的逻辑框图；
图15是本发明实施例提供的一种激波管/风洞的结构示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
图2是本发明实施例提供的一种用于同轴柱面爆燃驱动装置的双侧充气预混夹膜装置的结构示意图；图3是本发明实施例提供的一种用于同轴柱面爆燃驱动装置的双侧充气预混夹膜装置的爆炸图；图4是本发明实施例提供的用于同轴柱面爆燃驱动装置的双侧充气预混夹膜装置的侧视图；
图5是图4中AA的剖视图；图6是本发明实施例提供的第二夹膜环的主视图；图7是本发明实施例提供的第二夹膜环的的透明视图；图8是本发明实施例提供的金属丝的结构示意图；图9是本发明实施例提供的第二夹膜环的仰视图；图10是本发明实施例提供的第一夹膜环的仰视图；参照图2-图10所示，本实施例提供一种用于同轴柱面爆燃驱动装置的双侧充气预混夹膜装置1000，包括第一夹膜环100、第二夹膜环200和第三夹膜环300，其中，第一夹膜环100与爆燃驱动段1相连通，第三夹膜环300与被驱动段2相连通，第二夹膜环200位于第一夹膜环100与第三夹膜环300之间；
第二夹膜环200和第三夹膜环300之间设置有膜片5；
第二夹膜环200上沿圆周方向设置有至少两个第一进气通道201；
第一夹膜环100靠近第二夹膜环200一侧设置有第一凹形部101；
第二夹膜环200靠近第一夹膜环100一侧设置有与第一凹形部101相配合的第一凸形部202，第一凹形部101与第一凸形部202相连接，第一凸形部202上设置有沿圆周方向的掺混通道203；
掺混通道203内设置有金属丝204，金属丝204呈螺旋状；
每个第一进气通道201均与掺混通道203相连通；
掺混通道203通过出气通道205与爆燃驱动段1内相连通，出气通道205具有混气出气口206，混气出气口206位于第二环状体200的内壁上；
掺混通道203具有进气部207、混合部208和出气部209，进气部207位于掺混通道203一端，出气部209位于掺混通道203另一端，混合部208位于进气部207和出气部209之间；
进气部207靠近混合部208一端通过混合部208与出气部209靠近混合部208一端相连通，进气部207远离混合部208一端与出气部209远离混合部208一端之间设置阻挡部210；
第三夹膜环300上设置有第二进气通道301，第二进气通道301与被驱动段2内相连通。
具体的，该用于同轴柱面爆燃驱动装置的双侧充气预混夹膜装置1000包括第一夹膜环100、第二夹膜环200和第三夹膜环300，第一夹膜环100、第二夹膜环200和第三夹膜环300的形状分别为环形，其中，第一夹膜环100与爆燃驱动段1相连通，第三夹膜环300与被驱动段2相连通，第二夹膜环200位于第一夹膜环100与第三夹膜环300之间；
在第二夹膜环200和第三夹膜环300之间安装有膜片5，膜片5将爆燃驱动段1和被驱动段2隔开；
第二夹膜环200上沿圆周方向设置有至少两个第一进气通道201，通过第一进气通道201向爆燃驱动段1充可燃气体，第一进气通道201数量可以为3个；
第一夹膜环100、第二夹膜环200和第三夹膜环300分别通过凹凸面相连接，如第二夹膜环200靠近第一夹膜环100一侧设置有第一凸形部202，第二夹膜环200靠近第三夹膜环300一侧设置有第二凹形部211，第一夹膜环100靠近第二夹膜环200一侧设置有第一凹形部101，第三环形件300靠近第二夹膜环200一侧设置有第二凸形部302，第一凸形部202与第一凹形部101配合连接，第二凹形部211与第二凸形部302配合连接，第一凸形部202靠近第一夹膜环100一侧设置有沿圆周方向的掺混通道203，将多个第一进气通道201在进入爆燃驱动段1之前，需要先汇入掺混通道203将不同第一进气通道201的可燃气体进行混合；
在掺混通道203内固定连接有金属丝204，金属丝204呈螺旋状，使气流在流经螺旋状的金属丝204时产生湍流，从而强化各组分的混合，如燃料、氧化剂和惰性气体分别通过第一进气通道201流入掺混通道203，通过螺旋状的金属丝204使气流在流经时产生湍流，从而强化燃料、氧化剂和惰性气体之间的混合，此外，可以将金属丝204的螺旋外径比掺混通道203的宽度大0.5mm，利用金属丝204的弹性直接卡接在掺混通道203内；当然，也可以令金属丝204的外径小于等于掺混通道的宽度，将金属丝204直接粘接至掺混通道203内。
每个第一进气通道201与均掺混通道203相连通，如燃料、氧化剂和惰性气体通过第一进气通道201分别进入掺混通道203进行混合；
掺混通道203通过出气通道205与爆燃驱动段1内相连通，出气通道205具有混气出气口206，混气出气口206位于第二环状体的内壁上，该出气通道205的数量为1个，掺混通道203内的混合气体通过出气通道205进入爆燃驱动段1，相对于现有技术中将各路驱动气体分别充入爆燃驱动段1管道后再掺混的方式，本发明使各路驱动气体先在掺混通道203内掺混，再进入爆燃驱动段1管道，能够明显改善混气的均匀性，此外，由于第二环状体与第三环状体之间设置膜片5，因此，该混气出气口206离膜片5位置比较近，可以减小了气体流动的四角，保证爆燃驱动段1内的气体均匀性；
掺混通道203具有进气部207、混合部208和出气部209，进气部207位于掺混通道203一端，进气部207对应各个第一进气通道201，出气部209位于掺混通道203另一端，出气部209对应出气通道205，混合部208位于进气部207和出气部209之间，可以将螺旋状的金属丝204固定在混合部208，便于更有效地混气，掺混通道203占第一凸形部202周长的4/5；
进气部207靠近混合部208一端通过混合部208与出气部209靠近混合部208一端相连通，进气部207远离混合部208一端与出气部209远离混合部208一端之间设置阻挡部210，阻挡部210占第一凸形部202周长的1/5；
第三夹膜环300上设置有第二进气通道301，第二进气通道301的数量可以为1个，第二进气通道301为直线型，第二进气通道301与被驱动段2内相连通，通过第二进气通道301向被驱动段2内冲入试验气体，如空气或惰性气体。
具体使用时，先将第一夹膜环100与爆燃驱动段1相连通，第三夹膜环300与被驱动段2相连通，在第一夹膜环100与第三夹膜环300之间夹持有第二夹膜环200，其中，在第二夹膜环200与第三夹膜环300之间安装膜片5；其次，通过各个第一进气通道201接各路驱动气体，将各路驱动气体通过第一进气通道201充入掺混通道203进行混合，混合后的可燃混气通过出气通道205进入爆燃驱动段1内；通过第二进气通道301接试验气体，如空气或惰性气体，试验气体通过出气通道205进入被驱动段2内。
与现有技术相比，本发明提供的用于同轴柱面爆燃驱动装置的双侧充气预混夹膜装置，至少实现了如下的有益效果：
第一，现有技术中单纯在管壁上设置相互独立的充气孔，各路驱动气体分别进入爆燃驱动段管道后再掺混，掺混效果差。而本发明中在各路驱动气体在进入爆燃驱动段之前，先汇入第二夹持件的掺混通道，由于掺混通道内固定有螺旋状的金属丝，可以使气流在流经时产生湍流，从而强化各组分的混合，之后混气经出气通道流入爆燃驱动段内，混气的均匀性显著提高；
第二，相对于现有技术的充气结构中进气口位置方面无特殊要求，而本发明中混气出气口均位于非常靠近膜片的位置，可以显著减小气体流动的死角，保证驱动段1和被驱动段2管道内气体组分分布的一致性。
在一些可选的实施例中，继续参照图5所示，混气出气口206靠近膜片5一侧，通过将混气出气口206紧邻膜片5位置，显著地减小了气体流动的死角，更有效保证爆燃驱动段1内的气体纯度。
在一些可选的实施例中，继续参照图7所示，出气通道205包括第一进气段212和与第一进气段212相连通的第一出气段213，第一进气段212位于出气通道205靠近掺混通道203一侧，第一出气段213位于出气通道205远离掺混通道203一侧，第一进气段212通过第一出气段213与混气出气口206相连通，第一进气段212与第一出气段213的夹角为80°-100°。
具体的，出气通道205包括第一进气段212和第一出气段213，第一进气段212和第一出气段213相连通，第一进气段212位于出气通道205靠近掺混通道203一侧，第一出气段213位于出气通道205远离掺混通道203一侧，第一进气段212通过第一出气段213与混气出气口206相连通，将第一进气段212与第一出气段213的夹角设计为80°-100°之间都可以，通过常规机械加工手段即可完成，无需采用浇筑或3D打印方式制作，从而降低成本、提升强度，可以将第一进气段212与第一出气段213的夹角可以为90°，也就是说将第一进气段212与第一出气段213之间的夹角设计为直角，更好加工。
在一些可选的实施例中，继续参照图5所示，第一进气通道201包括第二进气段214和与第二进气段214相连通的第二出气段215，第二进气段214位于第一进气通道201远离掺混通道203一侧；第二出气段215位于第一进气通道201靠近掺混通道203一侧，第二进气段214与第二出气段215之间的夹角为80°-100°。
具体的，第一进气通道201包括第二进气段214和第二出气段215，第二进气段214和第二出气段215相连通，第二进气段214位于第一进气通道201远离掺混通道203一侧；第二出气段215位于第一进气通道201靠近掺混通道203一侧，第二进气段214与第二出气段215之间的夹角为80°-100°，通过常规机械加工手段即可完成，无需采用浇筑或3D打印方式制作，从而降低成本、提升强度，可以将第二进气段214和第二出气段215之间的夹角设计成90°，使其更好加工。
图11是本发明实施例提供的一种用于激波管/风洞的同轴柱面爆燃驱动装置的结构示意图；图12是图11中B处结构放大图；图13是图11中放电系统的结构放大图；图14是本发明实施例提供的一种放电系统的逻辑框图。如图11-图14所示，本实施例提供一种用于激波管/风洞的同轴柱面爆燃驱动装置，包括爆燃驱动段1、被驱动段2、双侧充气预混夹膜装置1000、盲板14以及放电系统7，其中，爆燃驱动段1一端通过双侧充气预混夹膜装置1000与被驱动段2相连接，另一端连接盲板14；
爆燃驱动段1为等截面直管，爆燃驱动段1上插接有沿径向Y延伸的第一电极11和第二电极12，第一电极11位于爆燃驱动段靠近盲板14一侧，第二电极12位于爆燃驱动段1靠近被驱动段2一侧，第一电极11与第二电极12之间电连接有沿轴向X延伸的点火丝13，轴向X为由爆燃驱动段1指向被驱动段2的轴中心线的方向，径向Y与轴向X相交；
沿轴向X上，第一电极11与盲板14之间的长度为L1，第二电极12与膜片5之间的长度为L2，L1和L2的长度限定为0.5cm-20cm；
爆燃驱动段1上开设有与第一电极11和第二电极12相配合的开孔8，第一电极11和第二电极12与开孔8的接触面设置有密封圈81；
爆燃驱动段1内充有可燃混气；
放电系统7包括高压电容71、点火开关720和卸荷开关730，由高压电容71正极、点火开关720、第一电极11、点火丝13、第二电极12、高压电容71负极构成点火回路72；由高压电容71正极、卸荷开关730以及高压电容71负极构成卸荷回路73；点火回路72与卸荷回路73并联，高压电容71用于存储高压电，并向点火丝放电。
具体的，该用于激波管/风洞的同轴柱面爆燃驱动装置包括爆燃驱动段1、被驱动段2，爆燃驱动段1一端连通被驱动段2，另一端连接盲板14，
双侧充气预混夹膜装置1000为上述用于同轴柱面爆燃驱动装置的双侧充气预混夹膜装置1000，膜片5位于第二夹膜环200和第三夹膜环300之间，通过膜片5将爆燃驱动段1与被驱动段2之间隔开，被驱动段2通过喷管3连通试验段4，盲板14为法兰盖，利用盲板14堵上爆燃驱动段1的端头，无需再使用传统的卸爆段以及在卸爆段与爆燃驱动段之间设置膜片，不仅有利于降低占用空间面积，还可以降低成本；
在爆燃驱动段1插接有沿径向Y延伸的第一电极11和第二电极12，第一电极11位于爆燃驱动段1靠近盲板14一侧，第二电极12位于爆燃驱动段1靠近被驱动段2一侧，也就是说将第一电极11和第二电极12插接于爆燃驱动段1的两端；在第一电极11与第二电极12之间电连接有沿轴向延伸的点火丝13，轴向X为由盲板14指向被驱动段2的轴中心线的方向，径向Y与轴向X相交，可选地，点火丝13可以为铜、银、镍铬、钨和合金中任一项金属材质，点火丝13的长度可以根据爆燃驱动段1的长度进行调整；
第一电极11到盲板14的轴向距离为L1，第二电极12与膜片5的轴向距离为L2，若L1和L2的长度小于0.5cm，有可能发生击穿，导致设备损坏或危害人员安全；若L1和L2的长度大于20cm，则有可能导致爆燃驱动段1内可燃混气燃烧不稳定，因此，将L1和L2的长度限定为0.5cm-20cm，不仅尽可能将点火丝13在爆燃驱动段内沿轴向布置的更长一些，能够进一步使爆燃驱动段1内可燃混气燃烧的更充分，而且可以避免第一电极11与爆燃驱动段端头之间以及第二电极12与膜片5之间的距离过近，从而避免发生击穿，保证设备以及人员的安全；
图12是图11中B处结构放大图；图11中C处放大图与B处放大图相同，在爆燃驱动段1上开设有与第一电极11和第二电极12相配合的开孔8，图12中为了在图上显示开孔8，将开孔8的孔径画的比实际大些，开孔8与第一电极11相配合，第二电极12与开孔8相配合，通过开孔8便于将第一电极11和第二电极12插接于燃烧驱动段1，为了保证爆燃驱动段1内的密封性，在第一电极1与开孔8相接触的爆燃驱动段1的接触面设置密封圈81，在第二电极12与开孔8相接触的爆燃驱动段1的接触面设置密封圈81；
爆燃驱动段1通过第二夹膜环200上的第一进气通道201充入可燃混气，可燃混气可以包括燃料、氧化剂和惰性气体，其中，燃料为氢、一氧化碳或烷烯炔烃，也可以为其它可燃气体；氧化剂为氧或一氧化二氮，也可以为其它氧化性气体，惰性气体为氮气、稀有气体或二氧化碳，也可以为其它不参与燃烧反应的气体；燃料：氧化剂：惰性气体之间的比例可以为1:1:1，燃料：氧化剂：惰性气体之间的比例也可以为2:1:1，燃料：氧化剂：惰性气体之间的比例还可以为2:1:7，当然，关于燃料、氧化剂和惰性气体三者的比例关系是根据实验要求设定；被驱动段2通过第三夹膜环300上的第二进气通道301充入试验气体，如空气或者惰性气体；
还包括放电系统7，放电系统7包括高压电容71、点火开关720和卸荷开关730，高压电容71正极、点火开关720、第一电极11、点火丝13、第二电极12、高压电容71负极构成点火回路72；高压电容71正极、卸荷开关730以及高压电容71负极构成卸荷回路73，点火回路72与卸荷回路73并联，高压电容71用于存储高压电；
高压电容71充电后，先闭合点火开关720，高压电容71分别通过第一电极11和第二电极12与点火丝13导通，开始点火；持续预定时间后，闭合卸荷开关730，将高压电容71正负极短路，高压电容71中的电荷即经由卸荷回路73瞬间返回高压电容71，完成卸荷，上述预定时间可以为5-30毫秒。
该用于激波管/风洞的同轴柱面爆燃驱动装置的组装顺序如下：
提供爆燃驱动段1；
首先，在爆燃驱动段1上开设有放置第一电极11和第二电极12的开孔8；其次，在第一电极11和第二电极12与开孔8的接触面安装密封圈81，在开孔8内插接第一电极11和第二电极12，第一电极11位于爆燃驱动段靠近盲板14一侧，第二电极12位于爆燃驱动段1靠近被驱动段2一侧，插接好第一电极11和第二电极12之后，在第一电极11与第二电极12之间连接沿轴向X延伸的点火丝13；
在爆燃驱动段1一端通过双侧充气预混夹膜装置1000安装被驱动段2，在第二夹膜环200与第三夹膜环300之间安装膜片5，在爆燃驱动段1的另一端安装盲板14；
通过第一进气通道201向爆燃驱动段1内充入驱动气体，通过第二进气通道301向被驱动段2充入试验气体；
连接放电系统7，将高压电容71正极、点火开关720、第一电极11、点火丝13、第二电极12、高压电容71负极构成点火回路72；将高压电容71正极、卸荷开关730以及高压电容71负极构成卸荷回路73；点火回路72与卸荷回路73之间并联。
按照上述组装顺序对用于激波管/风洞的同轴柱面爆燃驱动装置进行组装，不仅可以更好地插接第一电极以及第二电极，使点火丝13的位置布设的更精确，而且可以避免可燃混气漏气，保证人身安全，同时便于操作。
当然，在不考虑高压电容向点火丝放电的情况下，上述组装顺序可以做出适当调整，可以在安装完被驱动段2或盲板14之后，先连接放电系统，再向爆燃驱动段1内充驱动气体，具体如下：
第一，提供爆燃驱动段1；
第二，首先，在爆燃驱动段1上开设有放置第一电极11和第二电极12的开孔8；其次，在开孔8内插接第一电极11和第二电极12，第一电极11位于爆燃驱动段靠近盲板14一侧，第二电极12位于爆燃驱动段1靠近被驱动段2一侧，插接好第一电极11和第二电极12之后，在第一电极11和第二电极12与开孔8的接触面安装密封圈81；在第一电极11与第二电极12之间连接沿轴向X延伸的点火丝13；
第三，在爆燃驱动段1一端通过双侧充气预混夹膜装置1000安装被驱动段2，在第二夹膜环200与第三夹膜环300之间安装膜片5，爆燃驱动段1的另一端安装盲板14；
第四，连接放电系统7，将高压电容71正极、点火开关720、第一电极11、点火丝13、第二电极12、高压电容71负极构成点火回路72；将高压电容71正极、卸荷开关730以及高压电容71负极构成卸荷回路73；点火回路72与卸荷回路73之间并联；
第五，通过第一进气通道201向爆燃驱动段1内充入驱动气体，通过第二进气通道301向被驱动段2充入试验气体。
需要说明的是：第一，提供爆燃驱动段1；第二，首先，在爆燃驱动段1上开设有放置第一电极11和第二电极12的开孔8；其次，在第一电极11和第二电极12与开孔8的接触面安装密封圈81，在开孔8内插接第一电极11和第二电极12，第一电极11位于爆燃驱动段靠近盲板14一侧，第二电极12位于爆燃驱动段1靠近被驱动段2一侧，插接好第一电极11和第二电极12之后，在第一电极11与第二电极12之间连接沿轴向X延伸的点火丝13；第三，在爆燃驱动段1一端通过双侧充气预混夹膜装置1000安装被驱动段2，在第二夹膜环200与第三夹膜环300之间安装膜片5，在爆燃驱动段1的另一端安装盲板14；上述三个步骤组装顺序是不可逆的，也就是上述组装顺序无法颠倒的，颠倒后则无法实施。
工作原理如下：在爆燃驱动段1内有一根沿轴向X布置的点火丝13，高压电容71充电后，先闭合点火开关720，高压电容71分别通过第一电极11和第二电极12与点火丝13导通，点火丝13两端施加数千至数万伏特的高电压，在点火开关720通电瞬间，点火丝13剧烈发热，在微秒量级的时间内点燃点火丝13附近的驱动气体，点燃后形成柱状火焰面，并沿径向扩大；通过使点火丝13与爆燃驱动段1的管道严格同轴，保证沿轴向各处同时燃尽；由于高压电容71的放电过程比燃烧过程更长，需要在燃烧结束前将高压电容71中剩余的电荷卸掉，因此当持续预定时间后，闭合卸荷开关730，将高压电容71正负极短路，高压电容71中的电荷即经由卸荷回路瞬间返回高压电容71，完成卸荷，从而防止高压电容71正极附近击穿燃烧产物，产生安全事故。
需要说明的是：传统的爆轰驱动技术需要在驱动段管道内形成沿轴向传播的爆轰波，而本发明采用的爆燃驱动技术则是使爆燃驱动段1的管道内的气体沿轴向同时点火，以爆燃而非爆轰的方式完成燃烧，并沿轴向X同时结束燃烧。
通常激波管/风洞的有效工作时间大致在几毫秒至100毫秒量级，为了提供精确的试验条件，必须严格保证爆燃驱动段中的驱动气体同时点火，同时燃尽。
通过上述实施例可知，本发明提供的用于激波管/风洞的同轴柱面爆燃驱动装置，至少实现了如下的有益效果：
第一，现有技术中由爆轰驱动在驱动段管道内形成沿轴向传播的爆轰波，由于爆轰波极高的压力峰不能全部用来驱动，爆轰驱动提供的有效压力大大低于设备的承压极限，而本发明中以爆燃取代爆轰，不存在爆轰中的压力峰，燃烧压力可以100％用于压缩试验气体，因此提高了试验气体的压力；
第二，爆燃的混气比例极限比爆轰宽得多，驱动气体的温度和声速范围更大，对应的试验气体总温范围也因此比爆轰驱动更大。
第三，现有技术中单纯在管壁上设置相互独立的充气孔，各路驱动气体分别进入爆燃驱动段管道后再掺混，而本发明中在各路气体在进入爆燃驱动段之前，先汇入第二夹持件的掺混通道，由于掺混通道内固定有螺旋状的金属丝，可以使气流在流经时产生湍流，从而强化各组分的混合，之后混气经出气通道流入爆燃驱动段内，显著改善了混气的均匀性；
第四，相对于现有技术的充气结构中进气口位置方面无特殊要求，本发明中混气出气口位于第二环状体的内壁上，靠近膜片的位置，可以减小气体流动的死角，提高混气的空间分布一致性；
图15是本发明实施例提供的一种激波管/风洞的结构示意图；本发明实施例还有一种激波管/风洞，包括本发明实施例提供的用于激波管/风洞的同轴柱面爆燃驱动装置。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (5)
1.一种用于同轴柱面爆燃驱动装置的双侧充气预混夹膜装置，其特征在于，包括第一夹膜环、第二夹膜环和第三夹膜环，其中，所述第一夹膜环与爆燃驱动段相连通，所述第三夹膜环与被驱动段相连通，所述第二夹膜环位于所述第一夹膜环与所述第三夹膜环之间；
所述第二夹膜环和所述第三夹膜环之间设置有膜片；
所述第二夹膜环上沿圆周方向设置有至少两个第一进气通道；
所述第一夹膜环靠近所述第二夹膜环一侧设置有第一凹形部；
所述第二夹膜环靠近第一夹膜环一侧设置有与所述第一凹形部相配合的第一凸形部，所述第一凹形部与所述第一凸形部相连接，所述第一凸形部上设置有沿圆周方向的掺混通道；
所述掺混通道内设置有金属丝，所述金属丝呈螺旋状；
每个所述第一进气通道均与所述掺混通道相连通；
所述掺混通道通过出气通道与所述爆燃驱动段内相连通，所述出气通道具有混气出气口，所述混气出气口位于所述第二环状体的内壁上；
所述掺混通道具有进气部、混合部和出气部，所述进气部位于所述掺混通道一端，所述出气部位于所述掺混通道另一端，所述混合部位于所述进气部和所述出气部之间；
所述进气部靠近所述混合部一端通过所述混合部与所述出气部靠近混合部一端相连通，所述进气部远离所述混合部一端与所述出气部远离混合部一端之间设置阻挡部；
所述第三夹膜环上设置有第二进气通道，所述第二进气通道与被驱动段内相连通。
2.根据权利要求1所述的用于同轴柱面爆燃驱动装置的双侧充气预混夹膜装置，其特征在于，所述混气出气口靠近所述膜片一侧。
3.根据权利要求1所述的用于同轴柱面爆燃驱动装置的双侧充气预混夹膜装置，其特征在于，所述出气通道包括第一进气段和与第一进气段相连通的第一出气段，所述第一进气段位于所述出气通道靠近所述掺混通道一侧，所述第一出气段位于所述出气通道远离所述掺混通道一侧，所述第一进气段通过所述第一出气段与所述混气出气口相连通，所述第一进气段与所述第一出气段的夹角为80°-100°。
4.根据权利要求1所述的用于同轴柱面爆燃驱动装置的双侧充气预混夹膜装置，其特征在于，所述第一进气通道包括第二进气段和与所述第二进气段相连通的第二出气段，所述第二进气段位于靠近所述第一进气通道远离掺混通道一侧；所述第二出气段位于靠近掺混通道远离所述第一进气通道一侧，所述第二进气段与所述第二出气段之间的夹角为80°-100°。
5.根据权利要求1-4任一项所述的用于同轴柱面爆燃驱动装置的双侧充气预混夹膜装置，其特征在于，所述金属丝位于混合部。
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2022
- 2022-07-29 CN CN202210908552.7A patent/CN115266006A/zh active Pending
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