CN115266115A - 周期式反压震荡喷雾实验装置及方法 - Google Patents

周期式反压震荡喷雾实验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种周期式反压震荡喷雾实验装置及方法，包括高压罐、雾化喷嘴和两组周期性可控气体压缩机构；每组周期性可控气体压缩机构均包括缸筒、活塞、曲柄连杆机构和曲柄连杆限位装置；两个缸筒密封对称布设在高压罐两侧，曲柄连杆机构包括曲柄、连杆和曲柄旋转驱动装置；曲柄通过曲柄轴转动安装在背离高压罐一侧的缸筒中；连杆一端与曲柄相铰接，另一端与活塞相连接，活塞与缸筒内壁面密封滑动连接；曲柄连杆限位装置能对曲柄或连杆的位置进行限位。本发明能根据实验需求，在不同的背压环境下进行实验；其中，通过控制活塞的运动行程，及单活塞或者双活塞的运动方式，调节振幅；通过电动马达的转速调节来改变反压震荡频率。

Description

周期式反压震荡喷雾实验装置及方法
技术领域
本发明涉及发动机燃烧技术领域，特别是一种周期式反压震荡喷雾实验装置及方法。
背景技术
燃烧不稳定是发动机燃烧室周期性振荡现象，伴随有燃气压力、温度和速度的振荡，通常以压力的周期性振荡来表征，其可能导致发动机振动加剧和热负荷增加，从而使发动机部件遭到破坏和烧蚀。液体火箭发动机燃烧不稳定性按室压振荡频率分为三类：
①高频燃烧不稳定性：燃烧过程与燃烧室声学振荡相耦合的结果，振荡频率通常为1000HZ以上。
②中频燃烧不稳定性：燃烧室内的燃烧过程与推进剂供应系统中某一部分流动过程相耦合而引起的振荡，频率范围约为200～1000HZ。
③低频燃烧不稳定性：由推进剂供应系统内的流动过程与燃烧室内燃烧过程相耦合而产生，振荡频率较低，通常在200HZ以下。
大量研究表明，推进剂的雾化与燃烧不稳定有着非常重要的联系，在反压振荡的作用下，雾化特性将会发生显著变化，成为正反馈机制的关键。因此燃烧不稳定的机理需要对反压条件下雾化特性开展研究，掌握雾化的非稳态特性。
目前国际上对反压震荡环境下雾化状态的研究，多采用扬声器产生的压力震荡。由于扬声器功率限制，反压舱的压力评率和幅值都比较小，不能全面真实的模拟发动机燃烧不稳定时的压力震荡环境条件。因此需要一种可达到高频、高幅值反压震荡环境装置和方法，对雾化过程进行实验研究，为揭示形成周期性雾化的一般规律，提供基础实验数据。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种周期式反压震荡喷雾实验装置及方法，该周期式反压震荡喷雾实验装置及方法能根据实验需求，在不同的背压环境下进行实验；其中，通过控制活塞的运动行程，及单活塞或者双活塞的运动方式，调节振幅；通过电动马达的转速调节来改变反压震荡频率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种周期式反压震荡喷雾实验装置，包括高压罐、雾化喷嘴和两组周期性可控气体压缩机构。
雾化喷嘴设置在高压罐顶部，用于向高压罐内喷射雾化的推进剂。
高压罐上设置有进气孔和排气孔；进气孔用于向高压罐内通入背景气；排气孔用于排出高压罐内的背景气。
两组周期性可控气体压缩机构对称布设在高压罐的两侧。
每组周期性可控气体压缩机构均包括缸筒、活塞、曲柄连杆机构和曲柄连杆限位装置。
两个缸筒密封对称布设在高压罐两侧，且与高压罐相连通。
曲柄连杆机构包括曲柄、连杆和曲柄旋转驱动装置。
曲柄通过曲柄轴转动安装在背离高压罐一侧的缸筒中，且能在曲柄旋转驱动装置的驱动下绕曲柄轴旋转。
连杆一端与曲柄相铰接，连杆另一端与活塞相连接，活塞与缸筒内壁面密封滑动连接。
曲柄连杆限位装置能对曲柄或连杆的位置进行限位，进而对活塞在缸筒中的轴向位置进行限位。
高压罐和缸筒均呈圆柱体，两个缸筒密封对称且垂直布设在高压罐两侧，形成十字形结构。
高压罐和缸筒一体设置，高压罐和缸筒的内外径尺寸均相同。
高压罐的两端均设置有位于同一直线的观察窗，观察窗外侧设置有观测设备
曲柄旋转驱动装置为电动马达，电动马达设置在缸筒外侧，且与对应的曲柄轴可拆卸连接；电动马达的转速能根据所需要的反压震荡频率进行选择或调节。
活塞为具有密封端面的筒状结构，活塞的外径小于缸筒的内径，活塞的外壁套设有至少两圈密封环，密封环与缸筒内壁密封滑动连接。
一种周期式反压震荡喷雾实验方法，通过两组周期性可控气体压缩机构中曲柄连杆机构的周期性运动，使得高压罐中的气体体积周期性改变，进而使得高压罐中的气体产生周期性的反压震荡；通过调节曲柄旋转驱动装置的转速，能改变反压震荡频率，进而模拟发动机燃烧不稳定时的不同反压震荡频率；通过控制活塞的运动行程、以及两个活塞的运动方式，能实现反压震荡振幅的调节与控制。
反压震荡包括高频震荡、中频震荡和低频震荡；曲柄旋转驱动装置为电动马达。
高频震荡是指振荡频率在1000hz以上；低频震荡是指振荡频率在200HZ以下；中频震荡是指振荡频率在200～1000HZ之间。
当需模拟高频震荡时，电动马达的转速需达到60000r/min及以上。
当需模拟低频震荡时，电动马达的转速选择为12000r/min。
当需模拟中频震荡时，电动马达的转速在12000～60000r/min之间进行选择。目前主轴电动马达可达到十几乃至几十万转每分钟，完全可达到需求。
反压震荡振幅的调节与控制方法，包括如下步骤。
步骤1、计算反压震荡最大振幅K：设两组周期性可控气体压缩机构分别位于高压罐左右两侧，且分别为第一周期性可控气体压缩机构和第二周期性可控气体压缩机构。
当两组周期性可控气体压缩机构中曲柄连杆机构的连杆均伸长至最大值时，高压罐具有最小体积值Vmin和最大压力值Pmax，并设此时的活塞位移值为零，活塞密封截面积为S。
当两组周期性可控气体压缩机构中曲柄连杆机构的连杆均收缩至最小值时，高压罐具有最大体积值Vmax和最小压力值Pmin；此时，活塞具有最大位移行程L。
则反压震荡最大振幅K的计算公式为：
Figure BDA0003705988690000031
步骤2、确定活塞运动方式：根据所需反压震荡的振幅K0进行确定，具体确定方法为：
A、当K0＞K时，通过更换曲柄连杆机构中的曲柄或连杆，增大活塞最大位移行程L，使得连杆更换后的反压震荡最大振幅与K0相等；接着，两组周期性可控气体压缩机构中的曲柄旋转驱动装置同频反向转动，两个活塞相向或相背运动。
B、当K0＝K时，两组周期性可控气体压缩机构中的曲柄旋转驱动装置同频反向转动，两个活塞相向或相背运动。
C、当K/2≤K0<K时，将其中一组周期性可控气体压缩机构中的曲柄或连杆位置进行限位，进而使对应活塞进行限位，形成限位活塞；另一组周期性可控气体压缩机构中的活塞单独周期运动，且处于运动状态的活塞具有最大位移行程L。
步骤3、确定限位活塞的限位距离X：X为限位活塞与对应位移零点之间的距离，具体确定方法包括如下步骤。
步骤3A、计算限位后的反压震荡最大振幅K′，具体计算公式为：
Figure BDA0003705988690000032
步骤3B、求解X：令步骤3A中的K′＝K0，从而求解得到限位距离X。
步骤1中，高压罐的最小体积值Vmin和活塞的最大位移行程L满足如下关系式：SL＜Vmin≤2SL。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明在密闭高压罐中，可以根据实验需求，在不同的背压环境下进行实验。
2、本发明通过电动马达的转速调节来改变反压震荡频率。目前已知高速电动马达转速可达十几万，可满足低频，中频，以及高频的实验需要。已知实验装置，多为常压或者高压下的频率控制，此实验装置不仅能实现常压、高压条件下的频率控制。
3、本发明能通过控制活塞的运动行程，及单活塞或者双活塞的运动方式，调节振幅，创造性的实现了振幅定量控制，有助于对背压震荡的机理、现象进行研究。
附图说明
图1显示了本发明一种周期式反压震荡喷雾实验装置的三维仿真透视图。
图2显示了本发明一种周期式反压震荡喷雾实验装置的三维结构示意图。
图3显示了本发明一种周期式反压震荡喷雾实验装置的俯视图。
图4显示了图3中的C-C剖面图。
图5显示了本发明一种周期式反压震荡喷雾实验装置的左视图。
图6显示了本发明中两组周期性可控气体压缩机构中曲柄连杆机构的连杆均收缩至最小值时的结构示意图。
图7显示了本发明中两组周期性可控气体压缩机构中曲柄连杆机构的连杆均伸长至最大值时的结构示意图。
图8显示了本发明中一组周期性可控气体压缩机构限位，另一组周期性可控气体压缩机构周期运动的结构示意图。
图9显示了本发明中限位距离X的标注示意图。
图10显示了本发明中一种周期式反压震荡喷雾实验装置外设观测设备的示意图。
其中有：
10.高压罐；11.进气孔；12.排气孔；13.观察窗；14.高速摄像机；15.背景板；16.光源；
20.雾化喷嘴；
30.缸筒；
40.活塞；
50.曲柄连杆机构；51.曲柄；52.曲柄轴；53.连杆；54.电动马达；
60.曲柄连杆限位装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1至图5所示，一种周期式反压震荡喷雾实验装置，包括高压罐10、雾化喷嘴20和两组周期性可控气体压缩机构。
雾化喷嘴设置在高压罐顶部，用于向高压罐内喷射雾化的推进剂，结构为现有技术，这里不再赘述。
高压罐上设置有进气孔11和排气孔12；进气孔优选设置在高压罐的顶部，用于向高压罐内通入背景气；排气孔优选设置在高压罐的底部，用于排出高压罐内的背景气和排水。
高压罐的两端均设置有位于同一直线的观察窗13，观察窗外侧优选设置有观测设备。
本实施例中，如图10所示，观测设备优选为高速摄像机14、背景板15和光源16。
高速摄像机放置在观察窗一侧，光源背景板放置在光源另一侧。用于拍摄喷雾瞬时形态图像，研究反压震荡对雾化的影响。
高速摄像机拍摄像机时间极短，可以人为设置某一时刻的瞬时图像。根据实验需求设置，设置合适的时间间隔，该时间间隔优选与实验装置周期相匹配。
实验开始前调整好高速摄像机焦距，使其在雾化区域可以成清晰的像，调整好后打开光源照亮背景板以及雾化区域，做好准备工作后可以开始进行实验，并记录实验过程雾化成像。
作为替换，上述观测设备也可以为激光粒径仪等其他外接测量设备。激光粒径仪能观察雾化粒径等雾化参数。
两组周期性可控气体压缩机构优选对称布设在高压罐的左右两侧，分别为左周期性可控气体压缩机构和右周期性可控气体压缩机构。
每组周期性可控气体压缩机构均包括缸筒30、活塞、40曲柄连杆机构50和曲柄连杆限位装置60。
两个缸筒密封对称布设在高压罐两侧，且与高压罐相连通。
高压罐和缸筒均优选呈圆柱体，两个缸筒密封对称且垂直布设在高压罐两侧，形成十字形结构。
进一步，高压罐和缸筒优选一体设置，高压罐和缸筒的内外径尺寸均优选相同。
更一步，缸筒的长度优选大于高压罐的长度，进而使得高压罐的体积压缩量能大于50％，进而使得理论上反压震荡的压力变化量最高可达到原压力环境的50％。
曲柄连杆机构包括曲柄51、曲柄轴52、连杆53和曲柄旋转驱动装置。
曲柄通过曲柄轴转动安装在背离高压罐一侧的缸筒中，且能在曲柄旋转驱动装置的驱动下绕曲柄轴旋转。本实施例中，曲柄旋转驱动装置优选为电动马达54。电动马达优选设置在缸筒外侧，且与对应的曲柄轴可拆卸连接；电动马达的转速能根据所需要的反压震荡频率进行选择或调节。
连杆一端与曲柄相铰接，连杆另一端与活塞相连接，活塞与缸筒内壁面密封滑动连接。
活塞为优选具有密封端面的筒状结构，活塞的外径优选小于缸筒的内径，活塞的外壁套设有至少两圈密封环，密封环与缸筒优选内壁密封滑动连接。
曲柄连杆限位装置能对曲柄或连杆的位置进行限位，进而对活塞在缸筒中的轴向位置进行限位。曲柄连杆限位装置优选为限位杆或制动片等，具体结构为现有技术，这里不再赘述。
一种周期式反压震荡喷雾实验方法，通过两组周期性可控气体压缩机构中曲柄连杆机构的周期性运动，使得高压罐中的气体体积周期性改变，进而使得高压罐中的气体产生周期性的反压震荡；通过调节曲柄旋转驱动装置的转速，能改变反压震荡频率，进而模拟发动机燃烧不稳定时的不同反压震荡频率；通过控制活塞的运动行程、以及两个活塞的运动方式，能实现反压震荡振幅的调节与控制。
反压震荡包括高频震荡、中频震荡和低频震荡。
高频震荡是指振荡频率在1000hz以上；当需模拟高频震荡时，电动马达的转速需达到60000r/min及以上。
低频震荡是指振荡频率在200HZ以下；当需模拟低频震荡时，电动马达的转速选择为12000r/min。
中频震荡是指振荡频率在200～1000HZ之间。当需模拟中频震荡时，电动马达的转速在12000～60000r/min之间进行选择。进一步，转速优选等于设定振荡频率的60倍。
反压震荡振幅的调节与控制方法，包括如下步骤。
步骤1、计算反压震荡最大振幅K：设两组周期性可控气体压缩机构分别位于高压罐左右两侧，且分别为第一周期性可控气体压缩机构和第二周期性可控气体压缩机构。
如图7所示，当两组周期性可控气体压缩机构中曲柄连杆机构的连杆均伸长至最大值时，高压罐具有最小体积值Vmin和最大压力值Pmax，并设此时的活塞位移值为零，活塞密封截面积为S。
如图6所示，当两组周期性可控气体压缩机构中曲柄连杆机构的连杆均收缩至最小值时，高压罐具有最大体积值Vmax和最小压力值Pmin；此时，活塞具有最大位移行程L。
则反压震荡最大振幅K的计算公式为：
Figure BDA0003705988690000071
进一步，本实施例中，高压罐的最小体积值Vmin和活塞的最大位移行程L满足如下关系式：
SL＜Vmin≤2SL
这种设置方式，能够使得本发明中的高压罐在低频、中频或高频时，均能达到K＝20％的最大振幅要求。
步骤2、确定活塞运动方式：根据所需反压震荡的振幅K0进行确定，具体确定方法为：
A、当K0＞K时，通过更换曲柄连杆机构中的连杆，增大活塞最大位移行程L，使得连杆更换后的反压震荡最大振幅与K0相等；接着，两组周期性可控气体压缩机构中的曲柄旋转驱动装置同频反向转动，两个活塞相向或相背运动。
B、当K0＝K时，两组周期性可控气体压缩机构中的曲柄旋转驱动装置同频反向转动，两个活塞相向或相背运动。
C、当K/2≤K0<K时，如图8所示，将其中一组周期性可控气体压缩机构中的曲柄或连杆位置进行限位，进而使对应活塞进行限位，形成限位活塞；另一组周期性可控气体压缩机构中的活塞单独周期运动，且处于运动状态的活塞具有最大位移行程L。
步骤3、确定限位活塞的限位距离X：如图9所示，X为限位活塞与对应位移零点之间的距离，具体确定方法包括如下步骤。
步骤3A、计算限位后的反压震荡最大振幅K′，具体计算公式为：
Figure BDA0003705988690000072
步骤3B、求解X：令步骤3A中的K′＝K0，从而求解得到限位距离X。
本发明中，先向高压罐内充入高压气体，达到实验要求压强，根据试验要求，选装对应的电动马达，再根据上述活塞运动方式，启动对应的电动马达，马达控制曲柄连杆机构带动活塞周期性运动。当达到稳定频率与振幅之后，进行喷雾实验。并通过前后观察窗进行现象观察以及数据拍照记录。待实验结束之后通过排气孔进行放气，排水。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种周期式反压震荡喷雾实验装置，其特征在于：包括高压罐、雾化喷嘴和两组周期性可控气体压缩机构；
雾化喷嘴设置在高压罐顶部，用于向高压罐内喷射雾化的推进剂；
高压罐上设置有进气孔和排气孔；进气孔用于向高压罐内通入背景气；排气孔用于排出高压罐内的背景气；
两组周期性可控气体压缩机构对称布设在高压罐的两侧；
每组周期性可控气体压缩机构均包括缸筒、活塞、曲柄连杆机构和曲柄连杆限位装置；
两个缸筒密封对称布设在高压罐两侧，且与高压罐相连通；
曲柄连杆机构包括曲柄、连杆和曲柄旋转驱动装置；
曲柄通过曲柄轴转动安装在背离高压罐一侧的缸筒中，且能在曲柄旋转驱动装置的驱动下绕曲柄轴旋转；
连杆一端与曲柄相铰接，连杆另一端与活塞相连接，活塞与缸筒内壁面密封滑动连接；
曲柄连杆限位装置能对曲柄或连杆的位置进行限位，进而对活塞在缸筒中的轴向位置进行限位。
2.根据权利要求1所述的周期式反压震荡喷雾实验装置，其特征在于：高压罐和缸筒均呈圆柱体，两个缸筒密封对称且垂直布设在高压罐两侧，形成十字形结构。
3.根据权利要求2所述的周期式反压震荡喷雾实验装置，其特征在于：高压罐和缸筒一体设置，高压罐和缸筒的内外径尺寸均相同。
4.根据权利要求1或2所述的周期式反压震荡喷雾实验装置，其特征在于：高压罐的两端均设置有位于同一直线的观察窗，观察窗外侧设置有观测设备。
5.根据权利要求1所述的周期式反压震荡喷雾实验装置，其特征在于：曲柄旋转驱动装置为电动马达，电动马达设置在缸筒外侧，且与对应的曲柄轴可拆卸连接；电动马达的转速能根据所需要的反压震荡频率进行选择或调节。
6.根据权利要求1所述的周期式反压震荡喷雾实验装置，其特征在于：活塞为具有密封端面的筒状结构，活塞的外径小于缸筒的内径，活塞的外壁套设有至少两圈密封环，密封环与缸筒内壁密封滑动连接。
7.一种周期式反压震荡喷雾实验方法，其特征在于：通过两组周期性可控气体压缩机构中曲柄连杆机构的周期性运动，使得高压罐中的气体体积周期性改变，进而使得高压罐中的气体产生周期性的反压震荡；通过调节曲柄旋转驱动装置的转速，能改变反压震荡频率，进而模拟发动机燃烧不稳定时的不同反压震荡频率；通过控制活塞的运动行程、以及两个活塞的运动方式，能实现反压震荡振幅的调节与控制。
8.根据权利要求7所述的周期式反压震荡喷雾实验方法，其特征在于：反压震荡包括高频震荡、中频震荡和低频震荡；曲柄旋转驱动装置为电动马达；
高频震荡是指振荡频率在1000hz以上；低频震荡是指振荡频率在200HZ以下；中频震荡是指振荡频率在200～1000HZ之间；
当需模拟高频震荡时，电动马达的转速需达到60000r/min及以上；
当需模拟低频震荡时，电动马达的转速选择为12000r/min；
当需模拟中频震荡时，电动马达的转速在12000～60000r/min之间进行选择。
9.根据权利要求7所述的周期式反压震荡喷雾实验方法，其特征在于：反压震荡振幅的调节与控制方法，包括如下步骤：
步骤1、计算反压震荡最大振幅K：设两组周期性可控气体压缩机构分别位于高压罐左右两侧，且分别为第一周期性可控气体压缩机构和第二周期性可控气体压缩机构；
当两组周期性可控气体压缩机构中曲柄连杆机构的连杆均伸长至最大值时，高压罐具有最小体积值Vmin和最大压力值Pmax，并设此时的活塞位移值为零，活塞密封截面积为S；
当两组周期性可控气体压缩机构中曲柄连杆机构的连杆均收缩至最小值时，高压罐具有最大体积值Vmax和最小压力值Pmin；此时，活塞具有最大位移行程L；
则反压震荡最大振幅K的计算公式为：
Figure RE-FDA0003869335300000021
步骤2、确定活塞运动方式：根据所需反压震荡的振幅K0进行确定，具体确定方法为：
A、当K0>K时，通过更换曲柄连杆机构中的连杆，增大活塞最大位移行程L，使得连杆更换后的反压震荡最大振幅与K0相等；接着，两组周期性可控气体压缩机构中的曲柄旋转驱动装置同频反向转动，两个活塞相向或相背运动；
B、当K0＝K时，两组周期性可控气体压缩机构中的曲柄旋转驱动装置同频反向转动，两个活塞相向或相背运动；
C、当K/2≤K0<K时，将其中一组周期性可控气体压缩机构中的曲柄或连杆位置进行限位，进而使对应活塞进行限位，形成限位活塞；另一组周期性可控气体压缩机构中的活塞单独周期运动，且处于运动状态的活塞具有最大位移行程L；
步骤3、确定限位活塞的限位距离X：X为限位活塞与对应位移零点之间的距离，具体确定方法包括如下步骤：
步骤3A、计算限位后的反压震荡最大振幅K′，具体计算公式为：
Figure RE-FDA0003869335300000031
步骤3B、求解X：令步骤3A中的K′＝K0，从而求解得到限位距离X。
10.根据权利要求8所述的周期式反压震荡喷雾实验方法，其特征在于：步骤1中，高压罐的最小体积值Vmin和活塞的最大位移行程L满足如下关系式：SL<Vmin≤2SL。
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