CN200952973Y - 一种多功能气体波制冷射流流场显示装置 - Google Patents

Abstract

一种多功能气体波制冷射流流场显示装置属于压力气体的射流与膨胀制冷及测量控制技术领域。本实用新型是一种采用集成化结构理念设计的既能转动又能静止工作并设有视窗可供观测和拍摄流场图像，能够真实模拟多种类型气体波机器工作机理及性能，为将高精度PIV等先进仪器引入到波机器流场测量提供了平台，对不同类型机器重要参数实施同步测量，能很好满足实验研究对准确测量的要求，并能够完成各种变工况，变换实验结构件、变转速、气液两相等研究内容，以实现结构与参数的最佳匹配等一系列重要实验。结构合理简单、操作使用简便、性能稳定可靠。适用于更换条件、变换研究内容的多功能气体波制冷显示测量领域。

Description

一种多功能气体波制冷射流流场显示装置

技术领域

本实用新型属于压力气体的射流与膨胀制冷及测量控制技术领域。

背景技术

气波制冷机，中国专利89213744.4和多级气波制冷机，发明专利96115022.X，属于一次和多次不定常膨胀制冷，均是以一定的旋转速度将气体介质依次向环机体四周的各末端封闭的接受管射流，使管内的驻留气做不定常膨胀功。多级气波制冷机是在单级气波制冷机基础上开发的新型制冷设备，适用于大流量、大膨胀比工况场合，具有效率高，适用范围宽等特点。多管式射流振荡制冷机，已获实用新型专利，发明专利待受权，申请号：200410021388X则是压力气体通过静止喷嘴膨胀加速，利用静止的气体分配器--与声振荡器共同作用实现气体的周期性偏转、射流，间歇周期性地射入前方辐射排布的多根数米长末端封闭的振荡接受管中，以实现气体的膨胀制冷。上述几种制冷机均是利用机器上的激波振荡管产生的冷、热效应从而达到制冷的目的。它们都归属于气体波制冷技术领域。工作时，它们所具有的共同之处就是：带有压力的进口来料气体通过喷嘴膨胀加速，由喷嘴出口高速喷出，依次间歇地射入前方辐射排布的多根末端封闭的振荡接受管中，在周期性激振作用下管内气体接受射入气体的压力能，并通过波系--激波、压缩波和膨胀波的相互作用完成不定常膨胀做功和能量转换，并消除反射激波的不利影响实现气体制冷。差异只在于结构上有所不同，气波制冷机和多级气波制冷机喷嘴是旋转的，皆是依靠电机驱动或利用气体的压差带动气体分配器枛旋转喷嘴自旋，以一定的旋转速度将气体依次对环周向的各末端封闭的接受管射流。而射流振荡制冷机则喷嘴是静止的，从射流喷嘴到整个机器完全是静止不动的，无任何运动部件。以上几种制冷机均是由我们研制发明的，通常将它们统称为气体波制冷机械。

该类制冷机械一般都具有结构简单、制造及运行成本低、节省能源、操作维护简便、可靠性高等优点，目前已广泛应用于石油气中轻烃回收、天然气脱水和液化、混合气体的液化分离、低温冷气流源以及国防军工科研等领域。

前面介绍的皆是已形成应用前景的制冷整机专利技术，上述技术的发展是在大量科学研究的基础上取得的，今后除了要解决在应用推广过程中不断出现的实际问题外，目前仍有一些机理性研究内容亟需进一步深入探讨解决。例如，建立先进的流场参数实时测量与控制平台，则是改进和提高研究技术和手段所必须具备的基本实验条件之一。

以往对于此类机械运行机理所做的研究常局限于数值模拟计算或在制冷整机上完成部分压力波形的数据采集等内容，无法拍摄到真实的流场图像照片。由于整机开车耗气量大且不稳定，对于诸多影响波制冷机效率的因素进行实验研究和综合分析很难进行，特别是有一些涉及机理研究的内容，例如：振荡接受管内各种波的形成过程；波的强弱；波的强度如何？激波能否形成？压缩波、激波、膨胀波在何处形成？反射激波能否完全消除？会否返回入口膨胀端降低制冷效率？波机器在不同的运行工况、不同的压力及膨胀比、不同的转速下性能和效率究竟如何？有多大差别？不同管径及管长对转速及效率的影响？结构及工况的最佳匹配？射流振荡制冷机在不同结构、不同容积的声振荡器的作用影响下射流情况如何？连接管通流截面的大小对效率的影响究竟有多大？机器射流振荡频率如何？流场波形如何？在气液两相存在下又如何？要搞清整个流场的真实情况，用以揭示其中速度场、密度场、温度场的形成与分布状况等等。这些有关机理特性方面的研究内容对于进一步提高机器的制冷性能及效率都是非常有价值的和至关重要的。

发明内容

本实用新型的目的就是要提供一种结构合理简单、操作使用简便、性能稳定可靠，能够真实模拟气波制冷机和射流振荡制冷机等波机器工作过程、如实反映其工作性能适于更换实验件、变换研究内容的多一种多功能气体波制冷射流流场显示装置。

本实用新型的技术解决方案是：

●采用集成化结构设计方法，兼顾“气波制冷机”和“射流振荡制冷机”的结构要素，集二种机器的结构形式及特点于一体。

●用多种形态工作，以完成对此类不同机器类型重要参数的同步测量，尽管两种机器的内部结构及外形有许多不同，例如：射流管的数量一般分别为60-80和5-13根，但关键制冷元件枛振荡接受管的基本结构是一致的，均为固定式。最显著的差别体现在喷嘴的运行方式上，气波制冷机喷嘴是旋转的，而射流振荡制冷机的喷嘴是静止的。气体波制冷机械的核心问题是激波振荡接受管中气体的流动和多种气体波的形成情况。因此选择其中一根管子为研究模型，剖析考察其流场情况，即可全面认识其它接受管的内部流场情况。鉴于如能在被测试接受管的两边多安装几根接受管则更能真实模拟被测接受管周边接受管对其测取数据的影响。可以清楚准确地分析判断整个机内流场状况，为开展相关机理研究提供有效数据。故本装置设计取5支流道再连接相应的接受管。

本实用新型的技术解决方案还包括以下几点结构特征：

1、为满足测量采集图像时能够拍摄到清晰的流场图像对透光的特殊要求，在5支流道中最中间的一支流道上下镶装光学玻璃，另为了达到承压要求和对喷嘴射流段位置的拍摄采集图像要求，光学玻璃38上下厚度均取45-55mm，前端制成阶梯形状。玻璃与周围机体侧壁及流道之间运用多种密封方式，防止气体泄漏。

2、主机体12为板式结构，厚度为100-120mm，在上表面左边一侧为孔径为Φ200，深80mm的内腔圆孔，以与射流喷嘴11作间隙配合，右边一侧铣削加工出5条长500mm、宽8-10mm、深60-80mm截面为矩形的射流流道40，并呈放射状分布，流道间的偏转角度为7-10度，靠近喷嘴11一端的流道间间距是渐缩的，呈收窄状并与Φ200通孔贯通，至射进区一端流道40的间距为2mm，流道右端通过与过渡接头体42与长度为4000-6000mm的振荡接受管44连接；另外为避免射流气体在流道中受阻，接头体42内部加工呈“天方地圆”过渡形状。

3、射流喷嘴与转轴做成一体，而转盘轴段13不变，喷嘴采用二种不同尺寸结构的形式，其中一种旋转喷嘴外圆为回转体，其与机体孔的配合间隙仅为0.08-0.10mm，喷嘴口开口位置根据喷嘴口的数量例如二口或三口均匀分布；另一种静止式射流喷嘴则外圆有半圈与旋转喷嘴外圆尺寸相同，喷嘴口所处的另半圈则外圆尺寸减小10mm，与机体上流道的距离超过5mm，这样将使声振荡器45有效发挥功能，此喷嘴口为单一射流口，具体使用哪种喷嘴要根据研究内容的需要确定。

4、将进、排气管路系统整合为一个零部件，其中包含一个内置的进气管并外包隔温绝热材料，使其穿过体积空间较大的出口缓冲腔上下盖板的中心，排气管从缓冲腔腔室侧壁开孔接出，其下端盖同时也是该装置的上部封盖，另进、排气管上分别接阀门，设置测温、测压点，以控制进、排气压力，由以上零部件构成了进排气缓冲腔总成，见图7。其中下端盖21与上轴承座19一起配钻加工出4-6个排气孔，以作为通道将低温气体汇集至收集腔内。并在此两件靠近流道视窗处铣削出缺口，供观测喷嘴射流流场情况。

5、声振荡器45采用可调节容腔大小的结构，外壳由单封头和筒体构成，另一端由可移动的活塞环做封盖，该活塞环设有两道O形密封圈，以防漏气，活塞由传动丝杆带着移动，在筒体内部长度的中间位置由三根支撑筋固定螺母环。

6、根据几类制冷机的主要结构特点，构思确定了本装置的整体框架结构，包括有：射流振荡制冷机的板式主机体及气波制冷机的旋转轴系等，但完全是根据本装置的结构需要进行了全新的设计。

本实用新型所达到的有益效果和益处是：

1.能真实、可靠模拟气波制冷机、射流振荡制冷机等波机器的工作机制和过程，可开展多种有关机理、结构、性能等方面的深入研究。

2.结构简单，易于加工、安装和拆卸。

3.互换性好，更换实验件方便快捷。

4.具有可视功能，可观察和拍摄流场。

5.测点多，可测试的内容多，如：转速、温度、压力、流量、流场内的气速、压力波形等等。

6.可以实现高频振荡，能够保证机器的效率。

7.流量、压力和膨胀比可调范围大。

8.适应气液两相工况场合。

9.因结构简单，耗气、耗原材料少，制造、使用及维护容易，故可节省研究经费。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

图1是多功能气体波制冷射流流场显示测量装置结构示意图。

图2是多功能气体波制冷射流流场显示测量装置俯视图。

图3是流场显示测量装置主机体结构示意图。

图4是主机体A-A向剖视图。

图5是主机体B-B向剖视图。

图6是主机体C-C向剖视图。

图7是主机体流道A-A断面剖视图。

图8是主机体流道B-B断面剖视图。

图9是主机体流道C-C断面剖视图。

图10是主机体流道D-D断面剖视图。

图11是双口旋转喷嘴结构示意图。

图12是双口旋转喷嘴俯视图。

图13是静止单开口射流喷嘴结构示意图。

图14是静止单开口射流喷嘴俯视图。

图15是进、排气缓冲腔总成结构示意图。

图16是一种可调式声振荡器结构示意图。

图17是可调式声振荡器A-A向剖视图。

图18是方圆过渡连接压块结构示意图。

图19是方圆过渡连接压块A-A向剖视图。

图20是激波振荡管制冷方法原理图。

图21是激波振荡管制冷方法原理图。

图中：1.计数齿轮，2.测速传感器，3.小带轮，4.底端盖，5.骨架密封，6.O形密封圈，7.轴承外圈压帽，8.下轴承，9.O形密封圈，10.下轴承座，11.喷嘴轴段，12.板式主机体，13.转盘轴段，14.密封填料，15.压帽，16.密封垫，17.上轴承，18.轴承内圈压帽，19.上轴承座，20.O形密封圈，21.法兰，22.双头螺柱组件，23.筒体，24.排气管，25.出口控制阀，26.出口测温传感器，27.压力表座，28.进气管，29.进气控制阀，30.进气管，31.密封填料件，32.压块，33.上轴承座缺口，34.密封压条，35.柔性石墨填料，36.密封胶板，37.玻璃压盖，38.光学玻璃，39.压紧螺钉，40.矩形流道，41.端面垫片，42.连接接头组件，43.方圆过渡连接压块，44.振荡接受管，45、声振荡器，46.流道焊接封压条，47.电机，48.橡胶板。

具体实施方式

见图1，实施本实用新型的一种多功能气体波制冷射流流场显示测量装置主要由振荡接受管44、主机体12、上轴承座19、转盘轴段13、射流喷嘴11、光学玻璃38和声振荡器45等部分组成。主机体12是由尺寸为100-120mm厚度的金属板材加工制成，机体上部距左侧端线160mm的中心位置向下加工出一个深70mm、直径Φ200mm的圆形腔室，以配合放置旋转或静止喷嘴11，下部则加工一个Φ40的圆孔，供喷嘴轴段11的轴端伸出，轴端上通过键联接安装由小皮带轮与计速齿轮1合为一体的组合件，计数齿轮1由60个齿组成，按模数m＝2制造，电机轴上安装大皮带轮，电机通过皮带传动带动装置主轴旋转，为更换轴承方便拆卸而设置的上、下二个轴承座19、10分别通过螺栓与主机体12连接。在上轴承座19之上，进气与排气管路系统制作成一整体，它是一个包含内置的进气管30、隔温绝热材料、法兰21、筒体23和排气管24等构成的缓冲腔集合体，详见图15总成结构图，此部件中各零件之间都是通过焊接制作完成的。该零部件总成中法兰21通过螺栓与上轴承座19连接，进气管30上焊接盘管后安装压力表，并钻孔绞丝安装测温传感器，还通过螺纹与进气控制阀29连接。排气管24上也同进气管一样以相同的方式连接压力表、测温传感器和排气阀门25。喷嘴轴段11与转盘轴段13通过螺栓连接，在配合组成内部分流腔室充当射流气体分配器的同时，也构成了该装置的主轴。该转动轴件以上、下各一套轴承作为支撑，轴承安装放置在上、下二个轴承箱座19、10内，下轴承采取内、外圈分别压紧，上轴承则只压紧内圈，使轴承留有一定的余隙。转盘轴段13为一段空心轴，最上部为进气端口，未经制冷的常温气体经静止的进气管30及进口阀门29进入由转盘轴段13和喷嘴轴段11组成的腔室，喷嘴轴段11有二种不同的尺寸结构，其中之一做转动射流实验的旋转喷嘴结构见图11、图12，外圆上开口数分别有：二口、三口或多口形式，圆周角度分配按开口数量均分，喷嘴射流口从内向外做成收缩型的且带一定的偏角。做静止射流实验时则喷嘴结构见图13和图14，喷嘴射流口采用拉瓦尔喷管，也即缩放型或平直开口型式，喷嘴口径尺寸及形状依据流量和研究内容的需要确定。在装置主要零件配合联接处设置了多种形式的密封，其中法兰21与上轴承座19、下端盖4与下轴承座10、喷嘴轴段11与转盘轴段13及下轴承座与机体12之间的连接均采用O形圈密封，上轴承座19与主机体12之间通过石棉橡胶垫放入定位凹槽中压紧密封，由于机体12中间镶装玻璃和视窗，为了要能够拍摄到喷嘴口射出，进入流道瞬间这一十分重要的流场图像，轴承座19和法兰21二零件的圆周上与视窗相对的位置上须开观测缺口，轴承座19圆周上开出长55mm、宽为35mm且上下通透的缺口，此石棉垫不是一个完整的环形垫，而是在到达视窗位置时断开，其空缺处的密封分别由压块32压紧密封填料件31和由压条34压紧柔性石墨填料35完成。在上轴承座19内轴承下面通过螺纹压帽压紧由柔性石墨材料制成的填料块来密封，轴承内圈也由螺纹压帽压紧，在下轴承下部的端盖内设置选用了骨架密封5，以防止气体从下部外泄。在缓冲腔总成组件中内置的进气管30的下部加工一段轴向迷宫密封，通过该件的静止与转盘轴段13的转动之间的动静配合达到阻滞气流进入上轴承座19冲刷轴承内的润滑脂的密封目的。主机体12右侧的结构则是从其上表面向下分别铣削出5支长为500mm、宽为8-10mm、深为60-80mm，该尺寸除流道外还包括从上部向下安装的镶嵌封条尺寸，截面为矩形的流道40，图2为该装置俯视图，图中流道总体分布呈发散状，偏转角度一般为7-10°，靠近喷嘴一端的流道间间距是渐缩的，流道近喷嘴11一端端头的间距为1-2mm，各流道之间呈尖劈收窄状。机体尾端宽间距是为布置连接接头42和方圆过渡连接压块43以联接振荡管而确定的，靠近机头一端间距小则有利于实现喷嘴射流连续顺畅。机体流道加工成矩形截面的原因是这段长度的流场情况复杂且极为重要，要能够拍摄到清晰的流场图像，圆管材料由于受限于结构和无法满足流场清晰度的要求，固不被采用。因要通过PIV质子影像速度场仪或激光多谱勒高速摄像以及热线风速仪来测量射流过程中不同部位的流场波动图像和气体流速，故选择其中居中的一根流道作为测量采集图像之用，此项测量流道必须上下透光，故上下均须镶装光学玻璃，所以主机体12板面上这一位置是需要铣透的，由于流道为5根，而其中间一根做测量之用需上下镶装光学玻璃建立视窗，以满足透光要求，而其余只作辅助之用，以模拟相邻各流道对测试管可能产生的影响。光学玻璃与机体及流道上下面之间的密封非常重要和关键，具体实施较为复杂。方法如下，见图7-图10，各条流道除中间一根外内部都加工一阶梯台，是专供焊接封装流道的镶条定位用，并借以确保流道深度尺寸。矩形流道上下两面的光学玻璃的宽度均取30mm，厚度取45-55mm，机体下面唯一只加工一条镶装光学玻璃的宽槽，并不加工另四条流道，槽略宽于玻璃，空出的间隙用作密封，光学玻璃与所接触到的流道上平面之间皆通过涂厌氧密封胶密封，因该胶拆卸时可清除。若玻璃与机体流道等处直接接触，则流道之间会串气导致无法密封而影响流场。玻璃与机体侧壁间的密封则是通过胶板、柔性石墨、压条、盖板完成，具体安装时将光学玻璃38和胶板36一起从流道尾端一侧送入流道，胶板36与光学玻璃及机体侧壁间均要涂密封胶，胶板上填充柔性石墨35，再放入压条34，面上摆放密封胶垫，最后将盖板37用螺栓39紧固，这样的安装方法可实现定期拆卸清洗玻璃和流道。由于流道是由机体上部向下加工的，流道上部因有多根流道渐近相汇，故使镶装玻璃的过程及密封较下部复杂。玻璃与密封件的安装除与流道下面的玻璃安装相同外，还涉及到与周边多支流道的配合和密封，不同部位碰到的流道数量和镶嵌焊接的流道封条宽窄是不一样的，故必须通过手工研磨作配合加工，具体详见流道中不同部位局部断面剖图，即图7-图10。因流道较长，有500mm，无法从机体一端钻通，故采取除中间一根流道铣透外，其余流道均从机体上平面向下铣削加工至流道止，最后再用流道焊接封压条46焊接封闭，机体流道上沿与流道焊接封压条46须分别加工焊接坡口，焊接完成后扫平。机体右端对应中间镶装玻璃的流道要加工一个与过渡连接压块43相配合的凹槽缺口，以安装该连接压块，使流道由矩形过渡到圆形，使内部形成“天方地圆”形状，再通过可拆卸接头体42与圆形的振荡接受管44连接；接受管长度一般在4000-6000mm之间选取，并在其上每间隔150mm安装一定数量的压力和温度传感器。管径及管长须由喷嘴口径、处理量、气流速度等参数来确定和变换，这些都是可以根据实验要求随时调整改变的。本机接受管材质选取要兼顾和满足导热、传热性能和强度要求，一般以紫铜管或无缝钢管为宜，采取收拢并留有间隔的排布紧固在机架上，以减小占地空间。

测量方法及技术

本实用新型的装置及技术能够完成诸如：变换机器结构、喷嘴口径尺寸，变管长、管径、变换弯管部位、激波振荡管后部异径管连接变换、改变反射激波吸收腔的结构和尺寸、改变压力工况及膨胀比等一系列组合匹配重要实验。通过在管束中的一根接受管的各个不同部位安装温度和压力传感器，就可以采集获取这些关键部位的压力波形和温度数据。其突出的构思表现在：

●首次将高精度PIV激光成像仪并配备先进而完整的系统管理软件、高解析度CCD系统、热线风速仪等高级科学仪器引入到波机器研发平台上来，以期实时拍摄变工况条件下的瞬间流场图像，测定流场内不同部位的气流速度，探测激波发生、发展的运动规律。●由于转速对波机器的效率影响很大，因而变转速的实验内容非常重要，本装置可运用调频器来调节电机的转速，还可通过计数齿轮结合计数传感器读取实际转速，这样便可在其他工况参数不变的情况下，通过调节转速来研究在不同膨胀比等条件下转速对制冷效率的影响，以获得最佳转速等有价值数据。●还可通过加入诸如液相等介质，以检验在气液两相存在情况下对流场的影响。在实现上述功能后，则利用本装置既可以极大地提高实验研究效率，又能满足多任务、多目标准确测量要求，为顺利开展波机问题基础研究提供支持和保证。同时，对其它相关领域的研究工作具备推广和参考价值。因此，从测控方法学层面而言，其意义是十分明显的。

本装置模拟转式气体波机器的测量操作过程是由电机通过其上安装的大皮带轮带动装置主轴上的小带轮，进而带动主轴上的旋转喷嘴分配射流，主轴转速由皮带传动比来确定，总体调速范围在500-9000rpm，，因而能涵盖多个最佳转速区段，当轴与喷嘴一起随电机驱动的皮带轮作不同旋转速度的转动时，转速由调频器调节控制，还可通过安装固定在主机体12下面的测速传感器2接收计数齿轮1给出的信号，再通过转速表读取转速值，以校验调频器显示的读值，由于转速对波机器的效率影响很大，因而变转速的实验内容非常重要，通过此种变频调速的方法手段便可在其他工况参数不变的情况下，通过调节转速来研究在不同膨胀比等条件下转速对制冷效率的影响，以获得最佳转速等有价值数据。本装置可实现在诸多影响效率因素存在下，分别只改变其中一种因素或一种工况条件，而其它因素条件均不改变，以完成研究探索项目内容，例如：只改变转速或频率，而压力、膨胀比、喷嘴形状口径，接受管管长、管径等均不改变，流场怎样变化，效率曲线如何。具体操作步骤为：首先调节调频器启动电机，带动装置主轴及喷嘴转动，然后再先后打开进、排气缓冲腔总成上安装的排、进气阀门，必须先打开排气阀，实验中可根据需要调节进、出口阀门，以改变压力和膨胀比，进、出口压力通过装在进、出口管上的压力表读出，相应的温度值则通过装在进、出口管上的温度传感器经温度表读出。未经制冷的常温气体经静止的进气管30进入旋转着的由转盘轴段13和喷嘴轴段11组成的腔室，从喷嘴口中射出的压力气体间歇周期性地射入到机体内各流道40再进入振荡接收管44中，由于接收管是一端封闭的结构，从接收管内返出的经制冷后的低温气体则通过喷嘴的上端空隙间流向低压腔室，其路径是经上轴承座19与法兰21配钻加工出4-6个通气孔，低温气体汇集到缓冲腔收集，再经装置出口管24排出外输。正式做流场测量控制实验时，须向装置内加入示踪粒子，以增强激光镜头前气相介质的反光强度，强化流场信号，以便于捕捉拍摄到清晰的气体流动图像。示踪粒子加入是在进口阀门29前的管路上设置一个漏斗罐，需要时可增加搅龙机构，漏斗罐内装示踪粒子，罐底接管上装有小阀门，示踪粒子通过重力加气流引射挟带进入装置，并随气体一起经喷嘴射入流道及振荡接受管内并返出，其中也包括进入中间一支由上下两面光学玻璃与机体构成的流道。此类波制冷机械的制冷原理主要都是通过流道和振荡接受管中气体波系间的相互作用和关系来实现的，所有流道及振荡接受管内的工作过程均可概要描述为：高速气流射向每一流道的瞬间，射入的新鲜气体与流道内原有的滞存气体之间会形成一接触面，该接触面可视为一无质量的气体摶钊麛；由于接触面两边压力和速度都不相等，故该摶钊麛是不断前后移动的，向前运动时，则在摶钊麛的前方将出现同方向运动的激波，激波所产生的能量大大强于压缩波，激波产生和到达扫过之处，气体连续受到压缩，温度和压力升高，经过多周期的作用，管内气体温度越发升高，并通过管壁散热，完成能量转换。由于射入气体对管内气体膨胀做功，故使自身总能下降，温度降低。在气体分配器和射流振荡源的共同作用下，射流偏转，停止向管内射气，由于管内压力大于管外压力，管内射入气体反向流出管口，经汇总后出机器外输，完成一个制冷循环。激波的产生是我们希望的，因从能量守衡的理论分析：一边温度越高，则另一边温度就越低，制冷效率将越高，但如果接受管尾端不变径，直接封闭，则气体遇固壁会产生反射激波，反射激波会将部分热量传回管口，抵消部分制冷后的温降，造成效率降低，这是我们不愿看到的，故在接受管尾端加装了激波吸收腔，即是突扩的变径空心管，以吸收反射激波，提高机器制冷效率。由于该类波机器机体周围分布的所有振荡接受管的内外部结构均完全相同，因而剖析其中任何一根振荡接受管的流场情况均能反映机器上其余接受管内的流动状况，示踪粒子的加入，使流道和振荡接受管内的气体波系，指：压缩波、激波、膨胀波和反射激波的运动等流场流动信号加强，通过调节架设在机体上部玻璃视窗之上的PIV质子影像速度场仪镜头的位置、高度距离、光圈焦距以及穿过下面玻璃视窗的激光光源的斜向角度，调整最佳的位置和角度，避免激光光源损坏精密仪器的关键部件，该仪器可将流道中流场的形状、波的形状、气流的分布等如实的呈现并拍摄下来。除此之外，选择除中间流道外的一支流道，用每隔150mm打孔插入并封装的热线风速仪双针式传感探头采集气流速度信号，在另一根流道和管上用每隔150mm分别相对安装的压力传感器和热电偶温度传感器，以采集压力信号和温度信号，压力信号通过电荷放大器输入到32通道多功能数据分析仪后可获得各点的压力波形，温度信号则通过计算机的处理作出各点的温度分布曲线，还须用接触式温度测量仪测量接受管壁面各点的温度。另外在装置的某些关键部位设置测点进行测量，如：在喷嘴射气口与流道间隙处，此位置是最低温度点，用测温传感器采集该处的温度。为模拟检验在工程中常碰到的气液两相存在情况下对流场的影响，在装置入口处接入自主研发的雾化喷射泵，通过加入其它液态介质，拍摄和获取此状态下的流场影像及测量数据。做转动射流实验时两个声振荡器的控制阀门是必须要关闭的。

要完成和实现静止式射流的操作和测量工作，须有效地控制声振荡器的振荡频率，也即确保可靠的射流振荡源，这是该装置正常工作的基础和前提。具体实施的过程和操作是将电机停掉，更换喷嘴，转盘轴段13一直使用无需更换，只要将单开口静止射流喷嘴换上，并调整转轴将喷嘴出口对准流道中最中间的一根，固定使其静止不动，通气前的准备及排气、进气阀门的操作控制与前面叙述的旋转气波机操作一样，气体进入到静止的喷嘴内射流。在主机体12的两侧设有二个分流通道与两个声振荡器45连接，这是二条供气流往返的通道，两分流通道中心线与中间射流喷嘴中心线的夹角对称同为65-75度；并分别与机体内的腔室联通，工作时打开机体两侧两个声振荡器45连接管上的控制阀，通过调节并记录下阀门的开度，也即通径，使声振荡器工作，用以改变频率的大小。通过不断进入和积存在容器腔内的气流充、排作用而实现对射流的控制，使其不断地切换与扫荡。在此类射流工程中必须有流体的脉动信号产生并要求有效地控制，根据运动气体在容腔和管道中的响应及传播特性可以激发产生脉动波的原理，在振荡和射流元件的设计研制中须尽量确保出口流容且使流阻影响减小到最少的要求，由我们开发的声振荡器可实现高频振荡，振荡频率可达500-700Hz，可自发产生压力脉动信号，在此脉动信号作用下，通过静止的射流喷嘴与声振荡器共同作用及利用流体在双稳附壁元件中的附壁、切换特性，可使从喷嘴射出的气流周期性地在两个声振荡器间来回扫荡，以实现气流的周期性偏转、射流，间歇性地以一定的射流频率射入周围均布的振荡接受管内。实际上射流振荡的切换过程也完全是自动完成的，在射入的半周期中，压缩振荡管中的循环气，在非射入的半周期，从射流的空隙间排出振荡管，并通过装置出口排出。另外接受管振荡频率的高低决定着管壁温度的分布，同时影响到向外界散发热量的多少。在振荡过程中，伴随着气体温度的变化，同时管壁温度从常温逐渐按某种规律分布，由于气体与管间的传热膜系数远小于金属壁之间的导热系数，稳定后管壁温度基本上是沿某曲线分布的定值；由于温度梯度的存在，热量沿管壁大量散发到外界，同时部分热量轴向沿管壁返回到冷气中；在管内某定点，气体质点在该点附近振荡，温度、压力呈周期性转变。为了获得振荡接受管这一关键和重要的射流制冷元件内不同位置的压力及温度等有价值的研究数据及参数，在机体射流流道和后续连接的振荡接受管上的不同位置安装了一组多个压力传感器和温度传感器，以采集温度和压力数据。通过该装置可以试验多种新型射流元件以及完成声振荡器的振荡腔形对流场或温度效应影响的研究。另外根据我们改变声振荡器容器的形状及容积大小可改变频率的高低的研究结果，在本装置上首次将丝杠活塞可移动结构应用于声振荡器的设计开发，具体结构详见图16、图17，声振荡器容积改变的大小通过在振荡器容器外部测量活塞移动的位置尺寸算出。本装置还可进行各种新型射流元件试验及开展大量有关声振荡器的振荡腔形对流场或温度效应影响的研究探索。

Claims (7)

1.一种多功能气体波制冷射流流场显示装置，其特征在于，由振荡接受管(44)、主机体(12)、上轴承座(19)、转盘轴段(13)、射流喷嘴(11)、光学玻璃(38)和声振荡器(45)组成，主机体(12)主机体(12)为板式结构，外形尺寸为780mm×320mm×100mm，主机体(12)上部距左侧端线160mm的中心位置设置一个放置喷嘴(11)的Φ200mm、深70mm的圆形腔室，在该腔室的下面设置一个供实心的喷嘴轴段(11)伸出的Φ40的圆孔，伸出的喷嘴轴段(11)的轴端通过键联接由小皮带轮(3)与计速齿轮(1)合为一体的组合件，计数齿轮(1)由60个齿组成，模数m＝2，电机上安装大皮带轮，电机(47)通过皮带与喷嘴轴段(11)连接，上轴承座(19)与主机体(12)上部设置Φ200mm圆形腔室的部分通过螺栓连接，法兰(21)通过螺栓与上轴承座(19)连接，在法兰(21)上焊接筒体(23)，在筒体(23)的上面焊接一块中间开孔的圆板，进气管(30)内插在法兰(21)和圆板的中间并外包隔温绝热材料，排气管(24)从筒体(23)的侧壁开孔焊接，由法兰(21)、筒体(23)、进气管(30)、排气管(24)和圆板构成缓冲腔总成，法兰(21)通过螺栓与上轴承座(19)连接，且二件一起设置4-6个排气孔，在缓冲腔总成组件中内置的进气管件(30)的下部设置一段轴向迷宫密封，进气控制阀(29)与设置有压力表和测温传感器的进气管(30)连接；排气阀门(25)与设置有压力表和测温传感器的排气管(24)连接；喷嘴轴段(11)与转盘轴段(13)通过螺栓连接，构成了该装置的主轴，该转动轴件以上、下各一套轴承作为支撑，轴承分别安装放置在上轴承座(19)、下轴承座(10)内，下轴承采取内、外圈分别压紧，上轴承则只压紧内圈；转盘轴段(13)是一段空心轴，喷嘴轴段(11)下部是一段实心轴，由此二件内插式配合构成了一个内部的分流腔室，在装置中设置的密封有：法兰(21)与上轴承座(19)、下端盖(4)与下轴承座(10)、喷嘴轴段(11)与转盘轴段(13)及下轴承座与机体(12)之间的连接均采用O形圈密封，上轴承座(19)与机体(12)之间通过压紧嵌入到定位凹槽中的石棉橡胶垫密封，由于上轴承座(19)圆周上开有长55mm、宽为35mm且上下通透的缺口，该石棉垫是一个中间断开的环形垫片，其空缺处平面的密封由玻璃盖板(37)和压条(34)压紧柔性石墨填料(35)完成，侧面的密封由压块(32)压紧密封填料件(31)完成；在上轴承座(19)内部最下边有一平台，以承接柔性石墨环(14)，在其上面通过螺纹压帽(15)压紧密封，另由螺纹压帽(18)压紧上轴承(17)的内圈，在下端盖(4)内设置骨架密封(5)；主机体(12)右侧的结构是设置了5支截面为矩形的长500mm、宽8-10mm、深60-80mm的流道(40)，中间一根除外，各条流道内都设有一阶梯台；流道总体分布呈发散状，流道间的偏转角度为7-10度，靠近喷嘴一端的流道间间距是渐缩的，呈收窄状并与Φ200通孔贯通，流道近喷嘴(11)一端的间距为1-2mm，在5支流道中只中间一支上下镶装光学玻璃，中间一根流道通透，机体下表面向上只加工一条玻璃镶装槽，机体流道上沿与金属板条(46)须分别留有焊接坡口，用金属板条(46)焊接封闭，光学玻璃(38)上下厚度为45-55mm，宽度均为30mm，前端制成阶梯形状，玻璃与机体之间的密封具体是将光学玻璃(38)和胶板(36)一起安装，胶板(36)与光学玻璃及机体侧壁间均要涂密封胶，胶板上填充柔性石墨(35)，再放入压条(34)，面上摆放密封胶垫，最后用螺栓(39)将玻璃盖板(37)紧固；布置连接接头(42)和方圆过渡连接压块(43)以联接振荡管，机体尾端的间距宽于前端，在机体右端对应中间流道设置一个与过渡连接压块(43)相配合的凹槽缺口，安装该连接压块，压块(43)内部加工呈天方地圆过渡形状；再通过可拆卸的接头体(42)与圆形的振荡接受管(44)连接；接受管长度为4000-6000mm，并在非安装光学玻璃的流道中选择两支流道和接受管每间隔150mm安装一组压力和温度传感器。

2.根据权利要求1所述的一种多功能气体波制冷射流流场显示装置，其特征在于，声振荡器(45)外壳一部分由单个的椭圆封头和筒体焊接制成，筒体径尺寸为Φ219×5mm，高800mm，另一部分即容器腔的一端是由能够移动的活塞环做封盖，该活塞环设有两道“O”形密封圈，活塞与传动丝杆连接，筒体内距一端400mm处焊接三根支撑筋固定螺母环。

3.根据权利要求1所述的一种多功能气体波制冷射流流场显示装置，其特征在于，喷嘴(11)是旋转喷嘴。

4.根据权利要求1所述的一种多功能气体波制冷射流流场显示装置，其特征在于，喷嘴(11)是静止喷嘴。

5.根据权利要求1所述的一种多功能气体波制冷射流流场显示装置，其特征在于，主机体(12)上的圆形腔室与射流喷嘴(11)作间隙配合。

6.根据权利要求1所述的一种多功能气体波制冷射流流场显示装置，其特征在于，喷嘴外圆为回转体，其与机体内Φ200孔的单边配合间隙仅为0.08-0.10mm，喷嘴口开口位置均匀分布；做转动射流实验的旋转喷嘴射流口的形状有方形、矩形或圆形，单口面积范围在25-400mm2，喷嘴内喉部做成收缩型且带5-18度的偏角。

7.根据权利要求1所述的一种多功能气体波制冷射流流场显示装置，其特征在于，喷嘴射流口采用拉瓦尔喷管或平直开口型式，其外圆有半圈与旋转喷嘴外圆尺寸相同，喷嘴口所处的另半圈则外圆直径尺寸减小10mm，与机体上流道的距离为5.08-5.10mm，且喷嘴口为单一射流口。

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