CN115560990B - 超声速气固两相横向射流实验平台及射流测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种超声速气固两相横向射流实验平台及射流测量方法。所述系统包括：观察实验舱，用于观察气固两相横向射流在超声速来流条件下的变化过程；空气加热器，用于产生超声速来流条件；气固横向射流发生器，用于分别调节载气进气量和固体颗粒粉末含量；管路供应子系统，用于提供燃料与氧化剂；测量控制子系统，与可控设备连接，用于控制所述空气加热器、所述观察实验舱以及气固横向射流发生器，并采集参数。通过本发明的超声速气固两相横向射流实验平台可以提供一种能够持续、稳定营造超声速气流流场与气固两相横向射流流场以及能够能够实现固体颗粒粉末质量流量与载气参数相互独立调节。

Description

超声速气固两相横向射流实验平台及射流测量方法

技术领域

本申请涉及超燃冲压发动机技术领域，特别是涉及一种超声速气固两相横向射流实验平台及射流测量方法。

背景技术

近年来，超燃冲压发动机技术的研究已取得了显著的进展，但绝大多数的研究均以液态或气态燃料为主，使用固体燃料的超燃冲压发动机技术的研究相对较少。相对液体燃料发动机，固体燃料超燃冲压发动机以其结构简单、易于存储、反应迅速的优势，在高超声速推进领域具有广阔的应用前景。因此，固体燃料超燃冲压发动机技术的研究逐渐成为国内外学者的关注热点。

在超声速来流条件下，固体燃料在超燃冲压发动机燃烧室中的工作过程是一个高速、非稳态、湍流、固体燃料热解与燃烧等复杂的物理化学过程。由于大流量宽粒径范围的微米级颗粒横向射流在气流与主流相互作用下，受到气动力、惯性力与颗粒间相互作用力并伴随强涡结构、强激波间断与超声速气-固-气三者混合等复杂物理变化过程，目前最真实直观且有效的研究手段是建立相关研究实验平台，模拟真实飞行状态下固体火箭超燃冲压发动机燃烧室内流动条件，来了解固体燃料超燃冲压发动机中燃烧室内的固体颗粒粉末燃烧性能。

然而，目前面对固体火箭超燃冲压发动机建立的研究装置，固体颗粒粉末产生装置为气动式粒子发生器，流化气与固体颗粒粉末流量高度耦合，固体颗粒粉末质量流量的调节精度与范围有限，无法完全相互独立调节，在相关参数影响规律的精细实验研究中局限性比较大。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够持续、稳定营造超声速气流流场与气固两相横向射流流场以及能够实现固体颗粒粉末质量流量与载气参数相互独立调节，以满足不同工况需求的超声速气固两相横向射流实验平台及射流测量方法。

一种超声速气固两相横向射流实验平台，包括：

观察实验舱，用于观察气固两相横向射流在超声速来流条件下的变化过程；

空气加热器，通过喷管与所述观察实验舱连通，用于产生超声速来流条件；

气固横向射流发生器，通过喷嘴与所述观察实验舱连通，用于分别调节载气进气量和固体颗粒粉末含量；

管路供应子系统，分别与空气加热器、气固横向射流发生器连通，用于提供燃料与氧化剂；

测量控制子系统，与可控设备连接，用于控制所述超声速气固两相横向射流实验平台，并采集相关参数。

其中一个实施例中，超声速气固两相横向射流实验平台还包括冷却组件，所述冷却组件包括冷却装置及管路；所述冷却装置环绕设置在所述空气加热器与所述喷管的内壁面上，一端与所述管路相连，并通过所述管路连接至所述喷管尾端，所述管路尾端套设有带小孔的管罩。

其中一个实施例中，所述气固横向射流发生器包括依次连通的供粉组件、旋转给料组件、混合组件以及与所述供粉组件、所述旋转给料组件、所述混合组件电连接的控制机构；

所述供粉组件用于供给固体颗粒粉末，并将固体颗粒粉末输送给所述旋转给料组件；

所述旋转给料组件用于实现固体颗粒粉末的快速分散，并将分散后的固体颗粒粉末输送给所述混合组件；

所述混合组件用于对固体颗粒粉末和载气进行充分混合后通过喷嘴加速至音速并喷射进入观察实验舱；

所述控制机构用于对固体颗粒粉末体积流量进行精确调节与急停操作。

其中一个实施例中，所述供粉组件包括推进电缸、储粉缸以及伺服电机；

所述推进电缸与所述储粉缸均为细长中空部件；其中，在储粉缸底端设置活塞，并同轴套设在所述推进电缸中，所述储粉缸顶端开口并与所述旋转给料组件套连；

所述推进电缸与所述储粉缸在轴向上为滑动密封配合，

通过设置在所述推进电缸中的伺服电机推动活塞将固体颗粒粉末送入所述旋转给料组件中。

其中一个实施例中，所述旋转给料组件包括粉桶、滚刷、滚刷电机以及升降机；

所述粉桶为空腔结构，并开设有与所述储粉缸套连的开口以及与所述混合组件连通的固体颗粒粉末出口；

所述滚刷与所述滚刷电机固连并内置于所述粉桶中，通过滚刷电机带动所述滚刷，将送入粉桶的固体颗粒粉末进行快速分散后通过离心力从所述固体颗粒粉末出口进入所述混合组件中；

所述升降机与所述粉桶连接，通过升降机的升降使所述粉桶与所述储粉缸分离。

其中一个实施例中，所述混合组件包括混合腔、设置在混合腔上的载气进气口和混合气出口；

分散后的固体颗粒粉末以及载气分别从固体颗粒粉末入口与载气进气口进入混合腔进行充分混合后得到气固两相混合气，所述气固两相混合气通过混合气出口后通过喷嘴加速至音速喷射进入所述观察实验舱。

其中一个实施例中，所述气固两相混合气通过混合气出口后进入柔性管路，所述柔性管路中设置有滤网，所述气固两相混合气经过所述滤网后，经过喷嘴加速至音速喷射进入所述观察实验舱。

其中一个实施例中，所述控制机构包括驱动控制模块、驱动系统监控模块、换粉升降模块、滚刷驱动参数检测模块以及推进驱动参数检测模块；

通过所述驱动控制模块用于控制伺服电机与滚刷的启停，以及对推进速度进行设定；

所述驱动系统监控模块、所述滚刷驱动参数检测模块以及所述推进驱动参数检测模块分别对活塞在储粉缸内位置、滚刷运转状态以及伺服电机推进活塞状态进行实时检测。

其中一个实施例中，所述控制机构还包括远程控制模块，用于在外触发模式下，远程启停所述气固横向射流发生器。

其中一个实施例中，所述观察实验舱为密封腔体，所述密封腔体顶部与前后侧面为可观测区域，底部安装喷注面板，气固两相混合气通过喷嘴加速至音速后从所述底部安装喷注面板喷入所述观察实验舱中。

其中一个实施例中，所述喷注面板为顶部和侧部封闭，底部开口的腔体结构；

在所述喷注面板中轴线位置，沿所述喷注面板贯穿开设有横向射流喷注口以及多个测压孔；

在所述喷注面板顶部中轴线位置，开设有一条宽度与所述测压孔直径相适应的窄缝。

其中一个实施例中，超声速气固两相横向射流实验平台还包括设置在观察实验舱周围用于测量固体颗粒粉末的流动特征的射流测量装置，包括激光器、CCD相机、同步控制器及计算机设备；

所述CCD相机用于拍摄固体颗粒粉末的粒子瞬态图像；

所述激光器提供激光光束给所述CCD相机，使所述CCD相机的曝光时间达到设计要求；

所述同步控制器用于控制所述CCD相机曝光延迟时间与光源闪亮时间与频率；

所述计算机设备用于发出信号触发所述同步控制器。

其中一个实施例中，所述CCD相机为两台。

其中一个实施例中，超声速气固两相横向射流实验平台还包括设置在观察实验舱周围的脉冲光源阴影系统，包括脉冲光源、高速相机、光纤探头、凸面镜、同步控制器及计算机设备；

所述脉冲光源提供光源给所述高速相机，使所述高速相机的曝光时间达到设计要求；

所述高速相机用于拍摄瞬态激波流场结构；

所述光纤探头用于产生点光源；

所述凸面镜用于形成面光源；

所述同步控制器用于控制所述高速相机曝光延迟时间与光源闪亮时间与频率；

所述计算机设备用于发出信号触发所述同步控制器。

一种超声速气固两相横向射流测量方法，包括：

通过第一CCD相机和第二CCD相机对观察实验舱进行拍摄区域划分，所述第一CCD相机和所述第二CCD相机分别设置不同光圈；

通过计算机设备设置第一时间和第二时间；

当到达第一时间时，计算机设备发送第一次命令，同步控制信号接收到所述第一次命令后向所述第一CCD相机和所述第二CCD相机发出触发信号，所述第一CCD相机和所述第二CCD相机开始第一次曝光；

当第一次曝光临近结束时，同步控制信号向脉冲光源发送触发信号，所述脉冲光源发射第一束脉冲激光，所述第一CCD相机和所述第二CCD相机分别获得第一曝光图像，并将所述第一曝光图像上传至计算机设备；

当到达第二时间时，计算机设备发送第二次命令，同步控制信号接收到所述第二次命令后向所述第一CCD相机和所述第二CCD相机发出触发信号，所述第一CCD相机和所述第二CCD相机开始第二次曝光；

当第二次曝光临近结束时，同步控制信号向脉冲光源发送触发信号，所述脉冲光源发射第二束脉冲激光，所述第一CCD相机和所述第二CCD相机分别获得第二曝光图像，并将所述第二曝光图像上传至计算机设备；

通过互相关算法对所述第一曝光图像和所述第二曝光图像中粒子的瞬态位置进行计算，得到全视场固体颗粒射流的瞬时运动速度。

相较于现有技术，本发明提供的超声速气固两相横向射流实验平台及射流测量方法具有如下有点：

1、通过空气加热器提供超声速来流条件以及通过管路供应子系统提供稳定的燃料、氧化剂与载气，能够持续、稳定营造超声速气流流场与气固两相横向射流流场；

2、通过气固横向射流发生器分别调节载气进气量和固体颗粒粉末含量，实现了载气与固体颗粒粉末的互相独立调节，满足不同工况条件下固体火箭超燃冲压发动机燃烧室的实验研究；

3、通过测量控制子系统，保证空气加热器以及气固横向射流发生器的稳定性、实验的准确性以及整个系统的安全性；

4、通过实验平台及测量方法，对超声速气流中固体颗粒粉末弥散空间分布、典型平面速度场及气相流场激波系结构进行精细测量及观测。

附图说明

图1为本发明提供的超声速气固两相横向射流实验平台示意图；

图2为本发明提供的气固横向射流发生器剖面示意图；

图3为本发明提供的旋转给料组件以及混合组件的俯视图；

图4为本发明提供的旋转给料组件以及混合组件的仰视图；

图5为本发明提供的旋转给料组件以及混合组件的分解视图；

图6为本发明提供的观察实验舱开窗示意图；

图7为本发明提供的观察实验舱底部安装面板结构示意图，其中，（a）为直腔形状底部安装面板，（b）为凹腔形状底部安装面板；

图8为本发明提供的气固横向射流发生器喷注安装示意图；

图9为本发明提供的脉冲光源阴影系统示意图；

图10为本发明提供的典型实验结果图；

图11为本发明提供的气固两相横向射流测量方法流程图；

附图标号：

试验台架1；

空气加热器11、拉瓦尔喷管111、隔离段112；

观察实验舱22，扩张段221、音速喷嘴222、横向射流喷注口223、测压孔224；

气固横向射流发生器33；

供粉组件331：推进电缸3311、储粉缸3312、伺服电机3313、活塞3314；

旋转给料组件332：粉桶3321、滚刷3322、联轴器33221、外侧端盖3323、轴承3324、轴承端盖3325、滚刷电机3326、电机转轴33261、固体颗粒粉末出口3328、固体颗粒粉末入口3329；

混合组件333：混合腔3331、载气进气口3333、混合气出口3334；

激光器441、CCD相机442、同步控制器443、计算机设备444、凸面镜445、光纤探头446、脉冲光源447、高速相机448。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体地限定。

在一个实施例中，如图1-10所示，本发明提供了一种超声速气固两相横向射流实验平台结构，该实验平台搭设在试验台架1上，主要包括空气加热器11、观察实验舱22、气固横向射流发生器33、管路供应子系统以及测量控制子系统。空气加热器11通过喷管与观察实验舱22连通，用于产生超声速来流条件；气固横向射流发生器33通过喷嘴与观察实验舱22连通，用于分别调节进气量和固体颗粒粉末含量；观察实验舱22用于观察气固两相横向射流在超声速来流条件下的变化过程；管路供应子系统分别与空气加热器11、气固横向射流发生器33连通，用于提供燃料、氧化剂与载气；测量控制子系统与可控设备连接，用于控制空气加热器11、观察实验舱22、气固横向射流发生器33以及射流测量装置，并采集参数；优选地，喷管采用拉瓦尔喷管111，喷嘴采用音速喷嘴222。

具体地，空气加热器11主要采用酒精/氧气/空气三组元加热器，空气加热器11头部（火炬）采用高能点火器放电进行点火，燃料与氧化剂进入加热器燃烧室内混合，在火炬引燃下开始燃烧与加热空气，随后空气经过拉瓦尔喷管111加速产生符合设计要求的超声速气流。拉瓦尔喷管111后连通隔离段112，隔离段112是空气加热器11与观察实验舱22之间的气动热力缓冲段，主要作用是承受后端观察实验舱22的反压变化而不影响前端空气加热器11的流态。火炬安装在加热器头部，为点燃酒精/氧气/空气的掺混气体提供初始能量。空气加热器11与拉瓦尔喷管111中设置有冷却组件，该冷却组件包括冷却装置及管路。在本实施例中，冷却装置可以采用具有冷却功能的部件，优选冷却管，通过冷却管对空气加热器11进行冷却。冷却管环绕设置在空气加热器11和拉瓦尔喷管111的内壁面上，随后该冷却管通过管路连接到扩张段221的尾端区域，管道的尾端套设有带蜂窝小孔的管罩，冷却水通过管罩的蜂窝小孔喷注到气固两相射流尾流中，对固体颗粒粉末进行降温与捕获，利于试验后的固体颗粒的收集。这里的冷却分为两个部分，一部分是空气加热器11与拉瓦尔喷管111中通过冷却组件进行冷却；另一部是在观察实验舱22中受到超声速主流加热效应的高温固体颗粒，在喷出扩张段进入大气环境或者收集装置时，通过喷洒冷却水，冷却水与超声速运动的固体颗粒混合，使得高温固体颗粒冷却。

气固横向射流发生器33用于实现对干燥微米颗粒的气力输送，可根据实验工况设定不同电缸推进速度和进气流量，实现固体颗粒粉末质量流量与载气参数的互为独立调节，满足模拟燃气发生器出口条件的多工况冷态气固横向射流的精确控制与供给。具体地，气固横向射流发生器主要包括供粉组件331、旋转给料组件332、混合组件333以及控制机构334。

其中，供粉组件331主要实现固体颗粒粉末的稳定供给，包括推进电缸3311、储粉缸3312以及伺服电机3313。推进电缸3311与储粉缸3312均为细长中空部件，储粉缸3312为环状细长中空部件，底端设置有活塞3314并同轴套设在所述推进电缸3311中，其内储存有固体颗粒粉末，顶端开口并与旋转给料组件332套连。推进电缸3311底端与底座固定连接，顶端开口，内壁形状与储粉缸3312外壁形状相同，其大小能套设在储粉缸上，内设伺服电机3313并与活塞3314连接。活塞3314加设密封圈，使推进电缸3311与储粉缸3312在轴向运动时能有效避免空气泄露。当伺服电机3313工作时，推进电缸3311与储粉缸3312在周线上滑动配合，通过伺服电机3313推动活塞3314将固体颗粒粉末送入旋转给料组件332中。

旋转给料组件332主要实现固体颗粒粉末的良好分散，包括粉桶3321、滚刷3322、滚刷电机3326和升降机。滚刷3322周向覆盖在联轴器33221的圆柱体表面，联轴器33221套设在电机转轴33261上，通过电机转轴33261与滚刷电机3326连接，实现滚刷3322的轴向旋转。粉桶为圆柱形腔体，大小与滚刷3322包裹联轴器33221后的形状相适应，粉桶3321上设有与储粉缸3312套连的固体颗粒粉末入口3329以及与混合组件333连通的固体颗粒粉末出口3328。粉桶3321两侧设置开口，方便将滚刷3322同轴放入粉桶3321。同时，为了将滚刷3322固定在粉桶3321中，还设置了外侧端盖3323、轴承3324以及轴承端盖3325，外侧端盖3323与轴承端盖3325均为空心圆环结构，轴承3324的外圈套设在外侧端盖3323的内环中，联轴器33221两端分别轴承3324内圈固定连接后与轴承端盖3325固定连接。滚刷3322直接接触储粉缸3312中通过活塞3314推动带入的固体颗粒粉末，当滚刷电机3326工作时，带动滚刷3322高速运转将供粉组件331提供的固体颗粒粉末快速分散，同时固体颗粒粉末在离心力带动下离开旋转给料组件332，通过宽度约2cm的固体颗粒粉末出口3328进入混合腔3331。升降机与粉桶3321连接，通过升降机的升降使粉桶3321与储粉缸3312分离，留出空间往储粉缸3312中装入粉末。进一步的，各连接部位均设有密封圈，滚刷电机3326尾部出线连接处定制高压连接器保证气密性，同时旋转给料组件332上设置有压力表接口、安全阀、进气口和出气口，确保供粉过程的安全性与稳定性。

混合组件333主要实现固体颗粒粉末与载气的充分混合，包括混合腔3331、设置在混合腔上的载气进气口3333和混合气出口3334。管路供应子系统调节设定压强的载气通过载气进气口进入混合腔，进行分散后的固体颗粒粉末通过固体颗粒粉末入口3329进入混合腔3331，混合腔3331内部为收敛曲线面，可实现固体颗粒粉末与载气的充分混合，混合后气固两相混合气通过混合气出口3334进入柔性管路，柔性管路中加入蜂窝状过滤网，通过过滤网可以将极少数团聚大颗粒进行截留，并对固体颗粒射流进行进一步分散与混合，使出口处的气固两相射流更加均衡，出口条件更加准确。通过音速喷嘴222加速至音速并喷射进入观察实验舱22中，形成音速气固两相横向射流。

控制机构主要实现固体颗粒粉末体积流量的精确调节与急停等操作，主要包括驱动控制模块、驱动系统监控模块、换粉升降模块、滚刷驱动参数检测模块、推进驱动参数检测模块以及远程控制模块。驱动控制模块可以控制伺服电机与滚刷的启停、推进速度的设定以及远程控制模块的启动。驱动系统监控模块、滚刷驱动参数检测模块以及推进驱动参数检测模块用于分别对活塞在储粉缸内位置、滚刷运转状态以及伺服电机推进活塞状态进行实时检测。在外触发模式下，可通过触发信号（TTL信号）远程启停气固横向射流发生器。

管路供应子系统能实现空气加热器系统与气固横向射流发生器系统中气体稳定供应，管路供应子系统包含各类气体或液体供应管路、参数测量传感器与其他相关装置。主要供应管路分别为操纵气、加热器空气、加热器酒精、加热器氧气、火炬氧气、火炬酒精、加热器酒精吹除、加热器氧气吹除、气固横向射流发生器载气与冷却水共10条供应管路。其中操纵气为氮气，用于配合测量控制子系统控制气动阀阀门的开合。气体类供应管路组件布置方式较为相似，首先气体从高压气源通过截止阀与压力表进入供应管路组件，随后通过减压阀或减压器进行压力调节，并通过压力传感器、温度传感器与涡轮流量计进行压力、温度和流量参数实时检测，最后通过电磁阀控制的气动阀将调节到指定压力的气体输入实验平台各子系统中，液体类与气体类供应管路组件布置方式较为相似，只是液体类管路的增压是通过高压氮气实现。其中对于氧气类、氧气类吹除和酒精类管路会最后配合单向阀进行流向保护，防止活跃的气体或液体反向进入其他管路。

测量控制子系统主要具备控制高能点火器放电、阀门控制、参数监测、气固横向射流发生器系统与观测设备启停以及整体系统保护性急停等功能。测量控制子系统通过控制线（24V或5V电信号）控制高能点火器、电磁阀与气固横向射流发生器的启停；管路供应子系统、加热器与模型发动机的温度、压力与流量等信息通过传感器电信号传输回系统，并通过前期标定参数实时转换为相应真实参数，该参数可作为实验平台各子系统的工作状态的评价信息与系统保护性急停判断标准。同时还设置有摄像监控器，通过电脑可以监测或记录实验平台的实时影像。由于测量控制子系统可以控制各阀门通道开关与各可控设备的启停，为保证实验的稳定性、准确性与安全性，测量控制子系统进行了时序设置，各关键设备均通过提前设定的测控时序图进行控制，在时序控制下，各设备可精确地实现毫秒量级的“开”与“关”操作。值得说明的是，由于气固横向射流发生器建立稳定射流流场需要一定时间，所以该子系统启动时间较早，且该子系统中载气先于伺服电机开启，其目的为储粉腔提供的固体颗粒粉末可以被载气第一时间带走，而不会堆积在混合腔中，影响固体颗粒粉末供应的稳定性。因此，通过设定的时间间隔可以保证观测设备开启阶段中超声速来流条件与气固横向射流均处于设定的稳定工作状态，保证了实验观测的准确性。

观察实验舱22主要针对气固两相横向射流在超声速主流中的弥散与混合等发展演化过程进行实验观测。同时，观察实验舱22采用模块化设计，通过自由组装和更换，可以实现多种横向射流喷注方式和多种内壁构型。本实施例中开窗实验段分为左右两段，顶部与前后侧面三面均可开窗安装观测玻璃，不用观测时也可对应更换为同样形状的不锈钢堵块，底部安装喷注面板。值得说明的是，观察实验舱22也可以根据实际实验需求进一步加长，分成多段开窗。

具体地，观察实验舱22后端连接扩张段221（又称尾喷管），是发动机产生推力的重要部件。其主要作用是对观察实验舱22中产生的高温高压燃气进一步的膨胀与加速，将热能与压力势能转换为动能，以此获得推力。

所有透光玻璃材质选用K9级别光学玻璃，透光率较高。侧窗玻璃的高度可覆盖整个超声速流场范围，顶部观察窗的单块玻璃需满足顶部视场透光范围，其透光范围可以满足固体颗粒粉末粒子图像测速技术中脉冲激光透光使用要求。

底部安装的喷注面板如图7所示，喷注面板为顶部和侧部封闭，底部开口的腔体结构；在喷注面板中轴线位置，沿喷注面板贯穿开设有横向射流喷注口以及多个测压孔；在喷注面板顶部中轴线位置，开设有一条宽度与所述测压孔直径相适应的窄缝。优选地，喷注面板的形状包括但不限于图7提供的直腔形状与凹腔形状，也可以根据不同实验工况设计不同构型，不论是何种构型，其安装尺寸相同，实验段仅通过更换喷注面板即可实现两种类型燃烧室的转换。测压孔优选直径为1毫米。在喷注面板的顶部设置窄缝，脉冲光源发射的脉冲激光入射此位置，其作用为一是脉冲激光可在窄缝中反射与衰减，减弱其直接照射底壁面时产生的反射，这是因为本发明的使用场景是高温高速条件，传统的将底壁或者其他位置涂黑的材料易被融化与脱落，因而采用设置窄缝对脉冲激光进行反射和衰减。二是有利于激光快速且准确地确定位置，起到定位作用。

凹腔结构细节如图7（b）所示，除了外观尺寸与直腔更换件保持一致，凹腔设计尺寸包括凹腔深度，凹腔长度，凹腔后缘倾角以及喷孔距离凹腔前缘距离。

横向射流喷注安装如图8所示，通过螺丝紧固在喷注面板上，并配有密封凹槽和密封圈，可以有效的避免气固两相射流泄露。喷注的内流道需要确保壁面光滑，不易残留固体颗粒粉末，同时内壁面采用渐缩形式收缩到音速喷嘴喉道，与音速喷嘴喉道固定连接，可以确保固体颗粒粉末射流质量流量计算的准确性，优选的，喷注口形状为正圆形。

其中一个实施例中，超声速气固两相横向射流实验平台还包括设置在观察实验舱22左段部分周围用于测量固体颗粒粉末的流动特征的射流测量装置，包括激光器441、CCD相机442、同步控制器443、计算机设备444。具体地，采用两台CCD相机442来拍摄固体颗粒粉末的粒子瞬态图像；激光器441提供激光光束给CCD相机442，使CCD相机442的曝光时间达到设计要求；同步控制器443用于控制相机曝光延迟时间与光源闪亮时间与频率。

之所以采用两台CCD相机，是由于本发明针对的实验工况，即示踪粒子为大流量宽粒径范围的微米级颗粒横向射流，导致本发明的示踪粒子具有粒径分布范围广泛以及大流量的特点，且射流在实验舱中发展演化迅速，上游与下游固体颗粒浓度相差较大，不同浓度的颗粒射流在同样激光能量照射下，高浓度颗粒射流反射光能量强，极容易过曝，引起相机损坏与记录信息错误；而低浓度颗粒射流反射光能量低，不易被相机成像捕捉，因此粒子图像测速技术的传统单CCD相机设置方式并不适用。本发明考虑固体火箭冲压发动机的实际工况条件，针对大流量宽粒径范围的微米级颗粒横向射流，考虑采用两台CCD相机进行同视场分区域拍摄，并通过不同的光圈设置以及脉冲光源的激光能量调节来解决上述问题。通过两台CCD相机使用同一激光器441发出的光束，并且同时拍摄截取同一截面不同区域数据，通过两次拍摄后得到曝光图像，通过互相关算法计算示踪粒子在时间内的位移，并得到粒子在时间的平均运动速度。当时间间隔对于流动的特征时间足够小时，粒子的平均速度即可认为是该时刻的瞬时速度。通过图像拼接两组图像，得到全视场的固体颗粒粉末射流瞬时流动状态与速度场的捕捉观测。

其中一个实施例中，超声速气固两相横向射流实验平台还包括设置在观察实验舱22右段的冲光源阴影系统，包括脉冲光源447、高速相机448、光纤探头446、凸面镜445、同步控制器443及计算机设备444。

具体地，如图9所示，脉冲光源447通过光纤探头446产生点光源，并通过凸面镜445形成面光源，光通过需要观测区域进入高速相机448被记录。其中激光器441的开启与CCD相机442的曝光通过同步控制器443进行同步控制，并且由计算机设备444发出信号触发同步控制器443。

值得说明的是，脉冲光源447提供光源给高速相机448，通过光源的亮光时间解决使用高速相机448的曝光时间不够短的缺陷，更加有效冻结流场，分析流场结构。同时通过同步控制器443设定触发信号，控制高速相机448曝光延迟时间与光源闪亮时间与频率，使得光源的触发正好落在高速相机448的曝光时间内。射流测量装置与脉冲光源阴影系统使用同一套同步控制器443与计算机设备444。同时，可以如本实施所示分别放置在观察实验舱22的左右两段，也可以根据实际需求将射流测量装置与脉冲光源阴影系统放在同一段位置一起拍摄。

区别于常规超声速流场中采用纹影或阴影技术进行激波结构显示，本发明采用阴影成像法技术观测到激波穿过固体粒子层时的透射、衍射和反射变化，基于阴影成像法的光路设计，同时利用脉冲光源的优势，拍摄更为短曝光时间内瞬态激波流场结构，结构更加清。如图10所示为本发明提供的典型实验结果图，显示的为每个像素点对应86.41微米的实际物理长度。其中，图10显示的为气固两相横向射流实验结果，虚框部分为气相单相横向射流实验结果，通过气固两相横向射流实验结果与气相单相横向射流实验结果进行对比，可以分析固体颗粒对流场结构的影响规律，探究固体颗粒对于流场的作用机理。

在其中一个实施例中，如图11所示，为本发明提供的一种气固两相横向射流测量方法，通过第一CCD相机和第二CCD相机对观察实验舱进行拍摄区域划分，第一CCD相机和第二CCD相机分别设置不同光圈；并通过计算机设备设置第一时间和第二时间；

当到达第一时间时，计算机设备发送第一次命令，同步控制信号接收到第一次命令后向第一CCD相机和第二CCD相机发出触发信号，第一CCD相机和第二CCD相机开始第一次曝光；

当第一次曝光要结束时，同步控制信号向脉冲光源发送触发信号，脉冲光源发射第一束脉冲激光，第一CCD相机和第二CCD相机分别获得第一曝光图像，并将第一曝光图像上传至计算机设备；

当到达第二时间时，计算机设备发送第二次命令，同步控制信号接收到第二次命令后向第一CCD相机和第二CCD相机发出触发信号，第一CCD相机和第二CCD相机开始第二次曝光；

当第二次曝光将要结束时，同步控制信号向脉冲光源发送触发信号，脉冲光源发射第二束脉冲激光，第一CCD相机和第二CCD相机分别获得第二曝光图像，并将第二曝光图像上传至计算机设备；

通过互相关算法对所述第一曝光图像和所述第二曝光图像中粒子的瞬态位置进行计算，得到全视场固体颗粒射流的瞬时运动速度。

值得说明的是，通过互相关算法计算全视场固体颗粒射流的瞬时运动速度，有以下两种方式：

（1）将第一CCD相机与第二CCD相机分别获取的第一曝光图像进行拼接得到第一拼接图像，将第一CCD相机与第二CCD相机分别获取的第二曝光图像进行拼接得到第二拼接图像，将第一拼接图像与第二拼接图像进行互相关算法，得到全视场固体颗粒射流的瞬时运动速度。

（2）将第一CCD相机的第一曝光图像与第二曝光图像进行互相关算法得到第一视场图，将第二CCD相机的第一曝光图像与第二曝光图像进行互相关算法得到第二视场图，将第一视场图与第二视场图进行拼接，得到全视场图固体颗粒射流的瞬时运动速度。

应该理解的是，虽然图11的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图11中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种超声速气固两相横向射流实验平台，其特征在于，包括：

观察实验舱，用于观察气固两相横向射流在超声速来流条件下的变化过程；

空气加热器，通过喷管与所述观察实验舱连通，用于产生超声速来流条件；

气固横向射流发生器，通过喷嘴与所述观察实验舱连通，用于分别调节载气进气量和固体颗粒粉末含量；

管路供应子系统，分别与空气加热器、气固横向射流发生器连通，用于提供燃料与氧化剂；

测量控制子系统，与可控设备连接，用于控制所述超声速气固两相横向射流实验平台，并采集相关参数；

所述气固横向射流发生器包括依次连通的供粉组件、旋转给料组件、混合组件以及与所述供粉组件、所述旋转给料组件、所述混合组件电连接的控制机构；

所述供粉组件用于供给固体颗粒粉末，并将固体颗粒粉末输送给所述旋转给料组件；

所述旋转给料组件用于实现固体颗粒粉末的快速分散，并将分散后的固体颗粒粉末输送给所述混合组件；

所述混合组件用于对固体颗粒粉末和载气进行充分混合后通过喷嘴加速至音速并喷射进入观察实验舱；

所述控制机构用于对固体颗粒粉末体积流量进行精确调节与急停操作；

所述供粉组件包括推进电缸、储粉缸以及伺服电机；

所述推进电缸与所述储粉缸均为细长中空部件；其中，在储粉缸底端设置活塞，并同轴套设在所述推进电缸中，所述储粉缸顶端开口并与所述旋转给料组件套连；

所述推进电缸与所述储粉缸在轴向上为滑动密封配合；

通过设置在所述推进电缸中的伺服电机推动活塞将固体颗粒粉末送入所述旋转给料组件中；

所述旋转给料组件包括粉桶、滚刷、滚刷电机以及升降机；

所述粉桶为空腔结构，并开设有与所述储粉缸套连的开口以及与所述混合组件连通的固体颗粒粉末出口；

所述滚刷与所述滚刷电机固连并内置于所述粉桶中，通过滚刷电机带动所述滚刷，将送入粉桶的固体颗粒粉末进行快速分散后通过离心力从所述固体颗粒粉末出口进入所述混合组件中；

所述升降机与所述粉桶连接，通过升降机的升降使所述粉桶与所述储粉缸分离；

所述混合组件包括混合腔、设置在混合腔上的载气进气口和混合气出口；

分散后的固体颗粒粉末以及载气分别从固体颗粒粉末入口与载气进气口进入混合腔进行充分混合后得到气固两相混合气，所述气固两相混合气通过混合气出口后通过喷嘴加速至音速喷射进入所述观察实验舱；

所述观察实验舱为密封腔体，所述密封腔体顶部与前后侧面为可观测区域，底部安装喷注面板，气固两相混合气通过喷嘴加速至音速后从所述底部安装喷注面板喷入所述观察实验舱中；

所述喷注面板为顶部和侧部封闭，底部开口的腔体结构；

在所述喷注面板中轴线位置，沿所述喷注面板贯穿开设有横向射流喷注口以及多个测压孔；

在所述喷注面板顶部中轴线位置，开设有一条宽度与所述测压孔直径相适应的窄缝。

2.根据权利要求1所述的超声速气固两相横向射流实验平台，其特征在于，还包括冷却组件，所述冷却组件包括冷却装置及管路；所述冷却装置环绕设置在所述空气加热器与所述喷管的内壁面上，一端与所述管路相连，并通过所述管路连接至所述喷管尾端，所述管路尾端套设有带小孔的管罩。

3.根据权利要求1所述的超声速气固两相横向射流实验平台，其特征在于，所述气固两相混合气通过混合气出口后进入柔性管路，所述柔性管路中设置有滤网，所述气固两相混合气经过所述滤网后，经过喷嘴加速至音速喷射进入所述观察实验舱。

4.根据权利要求3所述的超声速气固两相横向射流实验平台，其特征在于，所述控制机构包括驱动控制模块、驱动系统监控模块、换粉升降模块、滚刷驱动参数检测模块以及推进驱动参数检测模块；

通过所述驱动控制模块用于控制伺服电机与滚刷的启停，以及对推进速度进行设定；

所述驱动系统监控模块、所述滚刷驱动参数检测模块以及所述推进驱动参数检测模块分别对活塞在储粉缸内位置、滚刷运转状态以及伺服电机推进活塞状态进行实时检测。

5.根据权利要求4所述的超声速气固两相横向射流实验平台，其特征在于，所述控制机构还包括远程控制模块，用于在外触发模式下，远程启停所述气固横向射流发生器。

6.根据权利要求1-5任一项所述的超声速气固两相横向射流实验平台，其特征在于，还包括设置在观察实验舱周围用于测量固体颗粒粉末的流动特征的射流测量装置，包括激光器、CCD相机、同步控制器及计算机设备；

所述CCD相机用于拍摄固体颗粒粉末的粒子瞬态图像；

所述激光器提供激光光束给所述CCD相机，使所述CCD相机的曝光时间达到设计要求；

所述同步控制器用于控制所述CCD相机曝光延迟时间与光源闪亮时间与频率；

所述计算机设备用于发出信号触发所述同步控制器。

7.根据权利要求6所述的超声速气固两相横向射流实验平台，其特征在于，所述CCD相机为两台。

8.根据权利要求1-5任一项所述的超声速气固两相横向射流实验平台，其特征在于，还包括设置在观察实验舱周围的脉冲光源阴影系统，包括脉冲光源、高速相机、光纤探头、凸面镜、同步控制器及计算机设备；

所述脉冲光源提供光源给所述高速相机，使所述高速相机的曝光时间达到设计要求；

所述高速相机用于拍摄瞬态激波流场结构；

所述光纤探头用于产生点光源；

所述凸面镜用于形成面光源；

所述同步控制器用于控制所述高速相机曝光延迟时间与光源闪亮时间与频率；

所述计算机设备用于发出信号触发所述同步控制器。

9.一种超声速气固两相横向射流测量方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的超声速气固两相横向射流实验平台，所述方法包括：

通过第一CCD相机和第二CCD相机对观察实验舱进行拍摄区域划分，所述第一CCD相机和所述第二CCD相机分别设置不同光圈；

通过计算机设备设置第一时间和第二时间；

当到达第一时间时，计算机设备发送第一次命令，同步控制信号接收到所述第一次命令后向所述第一CCD相机和所述第二CCD相机发出触发信号，所述第一CCD相机和所述第二CCD相机开始第一次曝光；

当第一次曝光临近结束时，同步控制信号向脉冲光源发送触发信号，所述脉冲光源发射第一束脉冲激光，所述第一CCD相机和所述第二CCD相机分别获得第一曝光图像，并将所述第一曝光图像上传至计算机设备；

当到达第二时间时，计算机设备发送第二次命令，同步控制信号接收到所述第二次命令后向所述第一CCD相机和所述第二CCD相机发出触发信号，所述第一CCD相机和所述第二CCD相机开始第二次曝光；

当第二次曝光临近结束时，同步控制信号向脉冲光源发送触发信号，所述脉冲光源发射第二束脉冲激光，所述第一CCD相机和所述第二CCD相机分别获得第二曝光图像，并将所述第二曝光图像上传至计算机设备；

通过互相关算法对所述第一曝光图像和所述第二曝光图像中粒子的瞬态位置进行计算，得到全视场固体颗粒射流的瞬时运动速度。

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