CN117029944A - 一种燃气瞬态质量流率测试方法、系统、装置及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种燃气瞬态质量流率测试方法、系统、装置及介质，涉及燃气质量流率测试领域，所述方法包括：获取力传感器检测的燃气喷射出口处的压力数据；所述力传感器设于所述定容容器内的喷射器喷嘴口处；获得计量天平检测的定容容器排出的排水质量；所述计量天平通过管道与定容容器连接；根据所述压力数据和所述排水质量应用动量法和质量置换法计算燃气瞬态质量流率。通过标定燃气动量流和燃气喷射量来达到测试甲烷瞬态质量流率的目的。
Description
技术领域
本发明涉及气体质量流率测试领域，特别是涉及一种基于动量法和质量置换法的燃气(甲烷)瞬态质量流率测试方法、系统及介质。
背景技术
天然气高压缸内直喷技术实现了天然气的扩散燃烧，有利于提高发动机效率和清洁排放。相关研究人员一直关注高压气体喷射的演化规律，并证明燃气质量流率是发动机的宏观和微观特性发生变化的重要因素之一。然而目前对于天然气高压缸内直喷发动机燃料喷色和系统执行器喷射特性的研究较少，燃料喷射特性是一个动态过程，对于充分理解燃气射流特性及其燃料与空气的混合及燃烧至关重要。
一些研究人员采用测试装置直接测量甲烷射流质量流率。里杜特等人在喷油器喷嘴周围建立了一个带有多孔壁圆柱形室的试验台，以直接测量湍流射流中的轴向质量流率。阿扎德等人使用热线风速计和皮托管测量不同喷嘴尺寸下空气射流的轴向速度。
一些研究员在定容装置中对高压氢氧射流在氩气氛中的注入和混合特性进行了光学测试，以研究气体射流质量流率。此外，另一些研究人员使用与气体射流混合的微量气体或颗粒来测量气体射流特性。王等使用CO2作为空气射流中的示踪气体，Prashanth等人使用二氧化钛作为示踪粒子，在定容弹中使用纹影图像和PIV检测甲烷射流的速度，布鲁诺等人利用激光诱导荧光和PIV技术，采用甘油作为示踪粒子，在定容弹中测试甲烷射流，根据浓度和速度数据计算质量流率。
里杜特等人方法中试验台腔室可能会改变射流边界和测量结果，对喷射过程有重大影响。阿扎德等人的方法中，对于直喷发动机的高压甲烷射流，喷嘴为毫米级，气流复杂，因此，沿射流方向的气体射流质量流量很小，并且在横截面上分布不均匀。因此，这种使用测量装置进行直接测量的方法并不能准确测量甲烷射流在不同部分的质量流率。
对高压氢氧射流在氩气氛中的注入和混合特性进行了光学测试的方法，但是假设当压力梯度小时气体射流密度是恒定的，因此，该方法不适用于分析压差较大的高压甲烷气体射流。此外，与气体射流混合的微量气体或颗粒来测量气体射流特性的方法添加的微量气体或颗粒改变了喷射气体的性质和气体冲击试验的试验结果。并且这种方法比较复杂，测试设备复杂，价格昂贵。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃气瞬态质量流率测试方法、系统、装置及介质，通过标定燃气动量流和燃气喷射量来达到测试甲烷瞬态质量流率的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种燃气瞬态质量流率测试方法，所述方法包括：
获取力传感器检测的燃气喷射出口处的压力数据；所述力传感器设于所述定容容器内的喷射器喷嘴口处；
获得计量天平检测的定容容器排出的排水质量；所述计量天平通过管道与定容容器连接；
根据所述压力数据和所述排水质量应用动量法和质量置换法计算燃气瞬态质量流率。
可选的，根据所述压力数据和所述排水质量应用动量法和质量置换法计算燃气瞬态质量流率，具体包括：
根据所述压力数据采用动量法获得燃气射流动量流曲线；
根据所述排水质量计算燃气喷射量；
根据所述燃气射流动量流曲线和所述燃气喷射量进行数据标定，得到所述燃气瞬态质量流率。
可选的，所述燃气喷射量的表达式为：
其中，mwater为排水的质量；ρwater为水的密度；z为气体压缩系数；t为冲击力持续时间；T0为燃气温度；pm为环境压力。
本发明还提供一种燃气瞬态质量流率测试系统，所述系统包括：
压力数据获取模块，用于获取力传感器检测的燃气喷射出口处的压力数据；所述力传感器设于所述定容容器内的喷射器喷嘴口处；
排水质量获取模块，用于获得计量天平检测的定容容器排出的排水质量；所述计量天平通过管道与定容容器连接；
计算模块，用于根据所述压力数据和所述排水质量应用动量法和质量置换法计算燃气瞬态质量流率。
可选的，所述计算模块具体包括：
曲线构建单元，用于根据所述压力数据采用动量法获得燃气射流动量流曲线；
喷射量计算单元，用于根据所述排水质量计算燃气喷射量；
标定单元，用于根据所述燃气射流动量流曲线和所述燃气喷射量进行数据标定，得到所述燃气瞬态质量流率。
本发明还提供一种燃气瞬态质量流率测试装置，所述装置包括：喷射器、定容容器、燃气储蓄罐、力传感器、计量天平、采集系统和上位机；
所述喷射器的燃气进气端连接所述燃气储蓄罐；所述喷射器的喷嘴设于所述定容容器内，所述力传感器设于所述定容容器内喷射器喷嘴处；所述力传感器与所述采集系统通信连接；所述定容容器通过排水管道与所述计量天平连接；
所述上位机与所述采集系统通信连接；
所述上位机，用于执行所述的燃气瞬态质量流率测试方法。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的燃气瞬态质量流率测试方法。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种燃气瞬态质量流率测试方法、系统、装置及介质，考虑了甲烷燃气到达冲击力传感器前的沿程动量损失，在甲烷瞬态质量流率的测试上具有准确性。只需获取动量流和排出水的质量两个物理量，并且在测试过程中，无需其他操作，容易实现。确定了甲烷燃气动量流与质量流率之间的对应关系，为研究高压燃气喷射特性提供了新的方法和路径。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的燃气瞬态质量流率测试装置结构图；
图2为本发明实施例提供的喷射器结构示意图；
图3为本发明实施例提供的燃气瞬态质量流率测试方法流程图；
图4为本发明实施例提供的测试循环时序图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明的目的是提供一种燃气瞬态质量流率测试方法、系统、装置及介质，通过标定燃气动量流和燃气喷射量来达到测试甲烷瞬态质量流率的目的。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种燃气瞬态质量流率测试装置，所述装置包括：喷射器、定容容器、燃气储蓄罐(甲烷储存罐)、力传感器、计量天平、采集系统和上位机。
所述喷射器的燃气进气端连接所述燃气储蓄罐；所述喷射器的喷嘴设于所述定容容器内，所述力传感器设于所述定容容器内喷射器喷嘴处；所述力传感器与所述采集系统通信连接；所述定容容器通过排水管道与所述计量天平连接。
所述上位机与所述采集系统通信连接。
所述上位机，用于执行权利要求实施例一所述的燃气瞬态质量流率测试方法。
如图1所示，所需要的测试硬件装置，其中主要包括：甲烷储存罐、甲烷输送管道、一只用于测试的喷油器、力传感器、定容容器、计量天平等等。其中，甲烷储存罐、压力泵、压力表及甲烷输送管道用于甲烷的储存和将甲烷送入喷射器中。冲击力传感器安装在喷油器出口处，经电荷放大器后与PXI采集系统连接，最终连接上位机，可通过采集卡获取冲击力信号；定容容器安装在喷射器下游，其上有小管道与计量天平连接，通过计量天平获取甲烷喷射量。
如图2所示，提供本发明使用到的喷射器结构示意图，甲烷经天然气压力室后喷射，进入定容容器中。
如图3所示，基于测试硬件装置实现的燃气瞬态质量流率测试方法，具体包括：
(1)获取力传感器检测的燃气喷射出口处的压力数据；所述力传感器设于所述定容容器内的喷射器喷嘴口处。
(2)获得计量天平检测的定容容器排出的排水质量；所述计量天平通过管道与定容容器连接。
(3)根据所述压力数据和所述排水质量应用动量法和质量置换法计算燃气瞬态质量流率。具体包括：
根据所述压力数据采用动量法获得燃气射流动量流曲线。
根据所述排水质量计算燃气喷射量。
根据所述燃气射流动量流曲线和所述燃气喷射量进行数据标定，得到所述燃气瞬态质量流率。
所述燃气喷射量的表达式为：
其中，mwater为排水的质量；ρwater为水的密度；z为气体压缩系数；t为冲击力持续时间；T0为燃气温度；pm为环境压力。
下面为甲烷瞬态质量流率获取的流程，燃气喷射后通过力传感器和定容容器俩个路径后得到甲烷动量流和喷射量，然后将获取的甲烷喷射量在喷射循环内标定燃气射流动量流，实现燃气质量流率的测量。
通过布置在甲烷喷射器喷嘴处的冲击力传感器，基于动量法的测试原理能够获得燃气射流动量流曲线。其测试原理如下：
由动量定理可知：
Ft·t＝mvt (1)
可以推得：
在喷孔和挡板之间的甲烷喷雾有质量守恒：
联立得：
Ft＝ρ·vt·v0·A0 (4)
式中：Ft为传感器测试所得的力信号数值，即动量流；vt为甲烷到达挡板时的速度大小；v0为甲烷在喷孔出口处的速度大小；ρ为燃油的密度；A0为喷孔的面积。
同时根据假设可知喷孔处燃油速度和挡板出燃油速度相等，因此：
vt＝v0 (5)
因此可以推得测试力信号与喷油器喷油规律的数学关系式为：
其中：Ft为传感器测试所得的力信号数值；t为冲击力持续时间；为击打在挡板上的燃油质量；vt为甲烷到达挡板时的速度大小；v0为甲烷在喷孔出口处的速度大小；ρ为甲烷的密度；A0为喷孔的面积，n为喷孔数。
由于气体高压射流在喷嘴处会发生明显的膨胀现象，并且气体射流的惯量较小。因此气体射流在冲击传感器表面之前会发生明显的动量损失，利用动量法需要对公式(1)进行如下修正：
Ft·t＝kmvt (7)
其中k是0到1之间的不定常数用于描述气体射流的动量损失。由于k受环境温度压力的影响较大，通过经验公式对其求解难度极大。因此对于气体射流的来说仅可以得到如下表达式：
根据本测试方法，由于甲烷不溶于水，所以喷射出的甲烷体积与排水量体积相等，如式(9)所示。
其中，VCH4为甲烷的体积，Vwater为排水的体积，mwater为排水的质量，ρwater为水的密度。
甲烷密度ρCH4随甲烷压力pCH4变化而变化，甲烷密度与甲烷压力之间的关系由气体状态方程推导出，如式(10)所示。
其中，TCH4为甲烷温度(此处温度等于环境温度T0)，Rg为甲烷气体常数，z为实际气体压缩系数。根据气体热力学，z是压力和温度的函数。但是，在测试中，气体喷射到周围环境中并迅速与空气混合，总测试过程中需要比喷射持续时间(几毫秒)更长的时间(几秒)，因此，Rg和z对于恒定大气压力和温度可认为是恒定的。
甲烷喷射质量流率如式(11)所示：
联立式(9)、(10)、(11)可得甲烷质量流率为：
在甲烷喷射后，定容容器中的水被甲烷通过定容容器与大气压的压力差经小管道排出到计量天平上，获得排除水的质量。将其代入到式(12)，即可得到甲烷的质量流率。
压力传感器用于测试动量，动量法测得的质量流率与通过排水测得的质量流率进行标定，因为在实际喷射过程中无法用排水的方法获得质量流率，是通过标定后的动量流来测试实际喷射过程中的质量流率。
经由上述步骤，得到甲烷射流的动量流曲线，并在每个动量流的测试过程中，通过质量置换法得到甲烷喷射量，将其一一对应，。即通过甲烷喷射量在喷射循环内标定燃气射流动量流，然后可通过动量流的信号即可得到甲烷的瞬态质量流率，实现甲烷质量流率的测试。
图4提供了本专利进行测试的测试循环时序图，一个测试循环的时序逻辑首先控制系统发出循环开始的激励信号，这个信号也是燃气驱动电流与数据采集的起始同步信号。根据力传感器的信号计算甲烷质量流率的大小。
本实施例中具体如下优势：
(1)与当前现有的甲烷瞬态质量流率的测试方法相比，本方法考虑了甲烷燃气到达冲击力传感器前的沿程动量损失，在甲烷瞬态质量流率的测试上具有准确性。
(2)本方法在甲烷燃气喷射量的测试中，仅在喷射器下游加装一个定容容器，装置简单，在瞬态质量流率的测试中有更强的便捷性。
(3)在测试量的获取上，本方法只需获取动量流和排出水的质量两个物理量，并且在测试过程中，无需其他操作，容易实现。
(4)本方法确定了甲烷燃气动量流与质量流率之间的对应关系，为研究高压燃气喷射特性提供了新的方法和路径。
综合上述，本发明与使用测量装置进行直接测量的方法相比，能够避免出现气体射流质量流量小，并在横截面上分布不均匀的问题；与与气体射流混合的微量气体或颗粒来测量气体射流特性的方法相比，本发明的甲烷是直接喷射的，未添加其他物质，不会改变喷射气体的性质和气体冲击试验的试验结果，并且本发明设备简单，经济性好。综上，本发明具有测试方便、经济性好，在甲烷瞬态质量流率的测量中更有准确性的优点。
实施例二
本实施例提供一种燃气瞬态质量流率测试系统，所述系统包括：
压力数据获取模块，用于获取力传感器检测的燃气喷射出口处的压力数据；所述力传感器设于所述定容容器内的喷射器喷嘴口处。
排水质量获取模块，用于获得计量天平检测的定容容器排出的排水质量；所述计量天平通过管道与定容容器连接。
计算模块，用于根据所述压力数据和所述排水质量应用动量法和质量置换法计算燃气瞬态质量流率。
所述计算模块具体包括：
曲线构建单元，用于根据所述压力数据采用动量法获得燃气射流动量流曲线。
喷射量计算单元，用于根据所述排水质量计算燃气喷射量。
标定单元，用于根据所述燃气射流动量流曲线和所述燃气喷射量进行数据标定，得到所述燃气瞬态质量流率。
实施例三
本实施例提供一种电子设备，包括存储器及处理器，存储器用于存储计算机程序，处理器运行计算机程序以使电子设备执行实施例一的燃气瞬态质量流率测试方法。
可选地，上述电子设备可以是服务器。
另外，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现实施例一的燃气瞬态质量流率测试方法。
本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种燃气瞬态质量流率测试方法，其特征在于，所述方法包括：
获取力传感器检测的燃气喷射出口处的压力数据；所述力传感器设于所述定容容器内的喷射器喷嘴口处；
获得计量天平检测的定容容器排出的排水质量；所述计量天平通过管道与定容容器连接；
根据所述压力数据和所述排水质量应用动量法和质量置换法计算燃气瞬态质量流率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述压力数据和所述排水质量应用动量法和质量置换法计算燃气瞬态质量流率，具体包括：
根据所述压力数据采用动量法获得燃气射流动量流曲线；
根据所述排水质量计算燃气喷射量；
根据所述燃气射流动量流曲线和所述燃气喷射量进行数据标定，得到所述燃气瞬态质量流率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃气喷射量的表达式为：
其中，mwater为排水的质量；ρwater为水的密度；z为气体压缩系数；t为t为冲击力持续时间；T0为燃气温度；pm为环境压力。
4.一种燃气瞬态质量流率测试系统，其特征在于，所述系统包括：
压力数据获取模块，用于获取力传感器检测的燃气喷射出口处的压力数据；所述力传感器设于所述定容容器内的喷射器喷嘴口处；
排水质量获取模块，用于获得计量天平检测的定容容器排出的排水质量；所述计量天平通过管道与定容容器连接；
计算模块，用于根据所述压力数据和所述排水质量应用动量法和质量置换法计算燃气瞬态质量流率。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述计算模块具体包括：
曲线构建单元，用于根据所述压力数据采用动量法获得燃气射流动量流曲线；
喷射量计算单元，用于根据所述排水质量计算燃气喷射量；
标定单元，用于根据所述燃气射流动量流曲线和所述燃气喷射量进行数据标定，得到所述燃气瞬态质量流率。
6.一种燃气瞬态质量流率测试装置，其特征在于，所述装置包括：喷射器、定容容器、燃气储蓄罐、力传感器、计量天平、采集系统和上位机；
所述喷射器的燃气进气端连接所述燃气储蓄罐；所述喷射器的喷嘴设于所述定容容器内，所述力传感器设于所述定容容器内喷射器喷嘴处；所述力传感器与所述采集系统通信连接；所述定容容器通过排水管道与所述计量天平连接；
所述上位机与所述采集系统通信连接；
所述上位机，用于执行权利要求1至3任一项所述的燃气瞬态质量流率测试方法。
7.一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至3任一项所述的燃气瞬态质量流率测试方法。
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| CN202311005685.4A Pending CN117029944A (zh) | 2023-08-10 | 2023-08-10 | 一种燃气瞬态质量流率测试方法、系统、装置及介质 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117029944A (zh) |
-
2023
- 2023-08-10 CN CN202311005685.4A patent/CN117029944A/zh active Pending
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Legal Events
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