專利名稱：一種研究噴嘴噴注霧化特性的實驗裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種實驗裝置，具體為一種研究噴嘴噴注霧化特性的實驗裝置。
背景技術：
在水下發(fā)射的燃氣-蒸汽式發(fā)射動力裝置內，存在著高溫高壓燃氣湍流流動，形成冷卻水射流，冷卻水射流在噴嘴出口處一次霧化、在橫向高速燃氣流中二次霧化與汽化， 含相變的水、汽兩相流動等復雜的流動過程。噴嘴噴注的冷卻水在橫向高速燃氣流中的二次霧化與汽化以及相變過程等對燃氣_蒸汽式發(fā)射動力裝置的能量特性以及對外做功的能力有重要影響。目前研究噴嘴噴注的冷卻水在橫向高速燃氣流中的二次霧化與汽化以及相變過程的方法主要有數值模擬計算、低速低溫條件下的實驗研究以及利用超燃實驗臺進行的實驗研究。其中低速低溫條件下的實驗研究不能模擬燃氣_蒸汽式發(fā)射動力裝置噴嘴工作的環(huán)境，且大多是針對單噴嘴進行；利用超燃實驗臺進行的實驗研究，雖然可以提供一定燃溫的超音速橫流環(huán)境，但是橫流的溫度以及壓強要比燃氣-蒸汽式發(fā)射動力裝置中的小很多，且采用超燃實驗臺單純進行了噴嘴噴注霧化特性研究比較浪費和不方便。

實用新型內容要解決的技術問題為研究水下發(fā)射的燃氣-蒸汽式發(fā)射動力裝置內，噴嘴出口處冷卻水的一次霧化，冷卻水在橫向高速燃氣流中的二次霧化與汽化，含相變的水、汽兩相流動等復雜的流動過程，獲得噴嘴噴注霧化特性，并為燃氣_蒸汽式發(fā)射動力裝置的設計提供理論依據，本實用新型提出了一種研究噴嘴噴注霧化特性的實驗裝置，能夠提供與燃氣_蒸汽式發(fā)射動力裝置類似的燃氣環(huán)境，能夠模擬噴嘴后的氣流壓強、溫度及流速等參數，可以提供包括常規(guī)測試手段和非接觸測試手段在內的多種測試接口。技術方案本實用新型的技術方案為一種研究噴嘴噴注霧化特性的實驗裝置，其特征在于包括供水系統、燃氣發(fā)生器、實驗測試段、數據采集系統和時序控制點火器；實驗測試段兩端為連接法蘭，分別與燃氣發(fā)生器和排氣管道連接，實驗測試段中心軸線位置開有燃氣通道；實驗測試段中段外表面對稱開有水槽，水槽底面開有多個垂直于實驗測試段中心軸線的噴嘴安裝孔，噴嘴安裝孔將水槽與燃氣通道連通，實驗時按照實驗需要將噴嘴或噴嘴盲板固定在噴嘴安裝孔內； 水槽蓋板通過螺栓與實驗測試段固定連接，并將水槽密封，水槽蓋板上還裝有進水接口，并通過進水接口與供水系統連接；在實驗測試段外表面上還開有兩個對稱的觀察測試孔，觀察測試孔在兩個對稱水槽之間，觀察測試模塊安裝在觀察測試孔內，并通過壓板與實驗測試段固定連接，觀察測試模塊上的測溫測壓傳感器與數據采集系統連接；時序控制點火器與燃氣發(fā)生器和供水系統中的進水電磁閥連接。[0009]優(yōu)選技術方案其特征在于供水系統為擠壓式供水系統，將水通過電磁閥擠壓入進水接口。優(yōu)選技術方案其特征在于燃氣發(fā)生器采用多根內外孔燃燒的固體推進劑裝藥， 且燃氣發(fā)生器噴管為可拆卸噴管。優(yōu)選技術方案其特征在于水槽為長方體水槽，水槽底部噴嘴安裝孔沿實驗測試段軸線方向分布，且兩個水槽的噴嘴安裝孔也對稱分布。優(yōu)選技術方案其特征在于在一側觀察測試孔內固定有石英玻璃觀察窗，在另一側觀察測試孔內固定有測壓測溫模塊；與數據采集系統相連的高速攝像機透過石英玻璃觀察窗對實驗測試段進行非接觸測試。優(yōu)選技術方案其特征在于在兩側的觀察測試孔內均固定有石英玻璃觀察窗， 采用與數據采集系統相連的激光相位多普勒粒子分析系統或粒子圖像測速系統對實驗測試段進行非接觸測試。優(yōu)選技術方案其特征在于在排氣管道中裝有消音裝置。優(yōu)選技術方案其特征在于在水槽蓋板上裝有測壓接口，測試水槽中擠壓氣體的壓力；在水槽兩側的實驗測試段上分別裝有測壓接口，測試對應位置燃氣通道內燃氣的壓力。有益效果本實用新型能夠模擬燃氣_蒸汽式發(fā)射動力裝置噴嘴的工作環(huán)境，為研究燃氣-蒸汽式發(fā)射動力裝置噴嘴噴注的冷卻水在橫向高速燃氣流中的二次霧化與汽化以及相變過程提供了可靠的手段。本實用新型操作簡單，維護方便，測試靈活多樣，可以通過不同觀察測試模塊的組合實現多種接觸或非接觸測試方式。

圖1 本實用新型的實驗裝置示意圖；圖2 實驗測試段的結構示意圖；圖3 實驗測試段的C向視圖；圖4 實驗測試段的A-A剖視圖；圖5 實驗測試段的B-B剖視圖；圖6 實驗測試結果曲線圖；其中1、供水系統；2、燃氣發(fā)生器；3、實驗測試段；4、數據采集系統；5、高速攝像系統；6、時序控制點火器；7、消音裝置；8、電磁閥；9、進水接口 ；10、前燃氣測壓接口 ；11、 水槽測壓接口 ；12、后燃氣測壓接口 ；13、實驗測試段腔體；14、水槽蓋板；15、噴嘴；16、噴嘴盲板；17、壓板；18、石英玻璃觀察窗；19、測壓測溫模塊；20、水槽。
具體實施方式
下面結合具體實施例說明本實用新型。實施例參照附圖1，本實施例組建的一種研究噴嘴噴注霧化特性的實驗裝置包括供水系統1、燃氣發(fā)生器2、實驗測試段3、數據采集系統4、高速攝像系統5和時序控制點火器6。供水系統1為擠壓式供水系統，采用高壓氮氣作為擠壓源，擠壓氣體的擠壓壓強由實驗測試段內的理論燃氣壓強與冷調時的擠壓壓強相加得到，其中冷調時的擠壓壓強表示為
Jfl^
P1 =， 2一 2 4，式中為水的質量流量；P為水的密度；η為噴嘴的個數；Cd為噴嘴流量 2pn L ',π rm
系數；r為噴嘴噴孔的半徑，實驗測試段3內的理論燃氣壓強根據燃氣發(fā)生器2的工作壓強、流量以及燃氣發(fā)生器2噴管喉部面積和實驗測試段3的流道面積，由氣動關系式計算得出，本實施例中擠壓氣體工作壓強為6. 5MPa，水來自城市自來水管網，水流量為0. 35kg/s。 燃氣發(fā)生器2采用四根DSD裝藥，裝藥量為6. 8kg，通過黑火藥點火，燃氣發(fā)生器2噴管喉部為20mmX 15. 7mm的方形結構。燃氣發(fā)生器2產生高溫高速燃氣橫向射流進入實驗測試段 3，提供滿足壓強、流速以及溫度要求的工作環(huán)境。通過調節(jié)裝藥量以及燃氣發(fā)生器2噴管喉徑大小，可以實現根據要求改變高溫高壓燃氣工作壓強、溫度和流速參數的目的。實驗測試段3兩端為連接法蘭，分別與燃氣發(fā)生器2和排氣管道連接，連接法蘭之間為圓柱狀，實驗測試段3中心軸線位置開有方形燃氣通道，燃氣通道為20mmX30mm的方形結構。實驗測試段3與燃氣發(fā)生器2連接后，燃氣發(fā)生器2噴管喉部位置與燃氣通道位置對應。參照附圖2、3、4、5，實驗測試段3中段外表面對稱開有長方形水槽20，水槽20底面開有9個垂直于實驗測試段中心軸線的噴嘴安裝孔，噴嘴安裝孔沿實驗測試段軸線方向分布，在相對稱的另一水槽的底面也對稱地開有9個垂直于實驗測試段中心軸線的噴嘴安裝孔，噴嘴安裝孔沿實驗測試段軸線方向分布，噴嘴安裝孔將水槽與燃氣通道連通。在實驗時，可以根據實驗要求，在不同的噴嘴安裝孔中螺紋固定噴嘴15或噴嘴盲板16，安裝噴嘴 15的位置可以通過噴嘴15將冷卻水噴注到實驗測試段3的燃氣通道中，安裝噴嘴盲板16 的位置則被封閉。在本實施例中兩個水槽的噴嘴安裝孔中各安裝了一個噴嘴15，噴嘴中噴孔直徑為2mm，且為臨近錯位安裝，其余的噴嘴安裝孔中均安裝噴嘴盲板16，如附圖4所示； 在水槽兩側的實驗測試段上裝有前燃氣測壓接口 10和后燃氣測壓接口 12，測壓接口中裝有測壓傳感器，與數據采集系統系統連接。水槽蓋板14通過螺栓與實驗測試段3固定連接，并在水槽蓋板14周圍涂有密封膠，將水槽20密封。水槽蓋板14上還裝有進水接口 9和水槽測壓接口 11，進水接口 9與供水系統1的電磁閥8連接，水槽測壓接口 11中裝有測壓傳感器，與數據采集系統系統連接。實驗測試段外表面上還對稱開有觀察測試孔，觀察測試孔在兩個對稱水槽之間， 觀察測試孔內可以安裝觀測測試模塊，并通過帶螺栓的壓板17將觀測測試模塊與實驗測試段3固定連接。觀測測試模塊的類型有測壓測溫模塊19，用于進行接觸式測試；還有石英玻璃觀察窗18，通過高速攝像系統5進行非接觸式測試；此外當兩側的觀察測試孔內均固定為石英玻璃觀察窗18，則可采用激光相位多普勒粒子分析系統(PDPA)和粒子圖像測速系統(PIV)等手段進行非接觸式測試。本實施例中，采用一側觀察測試孔內安裝測壓測溫模塊19，另一側觀察測試孔內安裝石英玻璃觀察窗18的方式進行測試；測壓測溫模塊19 中的壓力傳感器和溫度傳感器與數據采集系統連接，高速攝像系統5透過石英玻璃觀察窗 18進行拍攝，并傳輸到數據采集系統。此外，采用時序控制點火器6進行控制，根據實驗要求編制實驗工作時序，包括點火時間，供水系統電磁閥開關時間，高速攝像機開關機時間等。另外，由于采用了固體推進劑燃氣發(fā)生器2，實現了流道中的超音速流動，且流體為高溫介質，因此整個實驗過程中的噪聲比較大，所以在排氣管道中裝有消音裝置7，起到一定的環(huán)境保護以及高溫工作介質導流的作用。 本實施例中燃氣發(fā)生器的工作壓強為12. 4MPa，水槽兩側的前燃氣測壓接口 10和后燃氣測壓接口 12中壓力傳感器和測壓測溫模塊中的壓力傳感器得到的壓強-時間如圖6 所示。本實施例表明本實用新型能夠模擬燃氣_蒸汽式發(fā)射動力裝置 噴嘴的工作環(huán)境，為研究燃氣-蒸汽式發(fā)射動力裝置噴嘴噴注的冷卻水在橫向高速燃氣流中的二次霧化與汽化以及相變過程提供了可靠的手段。
權利要求1.一種研究噴嘴噴注霧化特性的實驗裝置，其特征在于包括供水系統、燃氣發(fā)生器、 實驗測試段、數據采集系統和時序控制點火器；實驗測試段兩端為連接法蘭，分別與燃氣發(fā)生器和排氣管道連接，實驗測試段中心軸線位置開有燃氣通道；實驗測試段中段外表面對稱開有水槽，水槽底面開有多個垂直于實驗測試段中心軸線的噴嘴安裝孔，噴嘴安裝孔將水槽與燃氣通道連通，實驗時按照實驗需要將噴嘴或噴嘴盲板固定在噴嘴安裝孔內；水槽蓋板通過螺栓與實驗測試段固定連接，并將水槽密封，水槽蓋板上還裝有進水接口，并通過進水接口與供水系統連接；在實驗測試段外表面上還開有兩個對稱的觀察測試孔，觀察測試孔在兩個對稱水槽之間，觀察測試模塊安裝在觀察測試孔內，并通過壓板與實驗測試段固定連接，觀察測試模塊上的測溫測壓傳感器與數據采集系統連接；時序控制點火器與燃氣發(fā)生器和供水系統中的進水電磁閥連接。
2.根據權利要求1所述的一種研究噴嘴噴注霧化特性的實驗裝置，其特征在于供水系統為擠壓式供水系統，將水通過電磁閥擠壓入進水接口。
3.根據權利要求1所述的一種研究噴嘴噴注霧化特性的實驗裝置，其特征在于燃氣發(fā)生器采用多根內外孔燃燒的固體推進劑裝藥，且燃氣發(fā)生器噴管為可拆卸噴管。
4.根據權利要求1所述的一種研究噴嘴噴注霧化特性的實驗裝置，其特征在于水槽為長方體水槽，水槽底部噴嘴安裝孔沿實驗測試段軸線方向分布，且兩個水槽的噴嘴安裝孔也對稱分布。
5.根據權利要求1所述的一種研究噴嘴噴注霧化特性的實驗裝置，其特征在于在一側觀察測試孔內固定有石英玻璃觀察窗，在另一側觀察測試孔內固定有測壓測溫模塊；與數據采集系統相連的高速攝像機透過石英玻璃觀察窗對實驗測試段進行非接觸測試。
6.根據權利要求1所述的一種研究噴嘴噴注霧化特性的實驗裝置，其特征在于在兩側的觀察測試孔內均固定有石英玻璃觀察窗，采用與數據采集系統相連的激光相位多普勒粒子分析系統或粒子圖像測速系統對實驗測試段進行非接觸測試。
7.根據權利要求1所述的一種研究噴嘴噴注霧化特性的實驗裝置，其特征在于在排氣管道中裝有消音裝置。
8.根據權利要求1所述的一種研究噴嘴噴注霧化特性的實驗裝置，其特征在于在水槽蓋板上裝有測壓接口，測試水槽中擠壓氣體的壓力；在水槽兩側的實驗測試段上分別裝有測壓接口，測試對應位置燃氣通道內燃氣的壓力。
專利摘要本實用新型提出了一種研究噴嘴噴注霧化特性的實驗裝置，能夠提供與燃氣-蒸汽式發(fā)射動力裝置類似的燃氣環(huán)境，能夠模擬噴嘴后的氣流壓強、溫度及流速等參數，可以提供包括常規(guī)測試手段和非接觸測試手段在內的多種測試接口。為研究水下發(fā)射的燃氣-蒸汽式發(fā)射動力裝置內，噴嘴出口處冷卻水的一次霧化，冷卻水在橫向高速燃氣流中的二次霧化與汽化，含相變的水、汽兩相流動等復雜的流動過程，獲得噴嘴噴注霧化特性，并為燃氣-蒸汽式發(fā)射動力裝置的設計提供理論依據。
文檔編號G01M13/00GK201945443SQ20102066050
公開日2011年8月24日 申請日期2010年12月14日 優(yōu)先權日2010年12月14日
發(fā)明者何國強, 呂翔, 彭麗娜, 李江, 陳劍, 魏祥庚 申請人:西北工業(yè)大學