凝膠推進劑單液滴二次破碎實驗裝置的製作方法

2023-05-26 06:23:06

本發明屬於凝膠推進劑二次霧化研究技術領域，特別是一種凝膠推進劑單液滴二次破碎實驗裝置。

背景技術：
凝膠推進劑具有便於運輸貯存、安全、高效等優勢，被認為是傳統液體推進劑的有效替代品。為了將凝膠推進劑更好的應用於航天及軍工領域，其霧化問題是目前迫切需要解決的關鍵技術之一。凝膠推進劑的主要應用領域是火箭及衝壓發動機。對於液體發動機，液體推進劑霧化性能的好壞與發動機的燃燒效率密切相關，凝膠推進劑發動機也是如此。霧化研究，不僅可以為發動機燃燒室的優化設計提供依據，還可以預測燃燒性能。另外，噴霧的初始參數是燃燒室內流場及發動機工作過程數值仿真所必需的參數。因此，凝膠推進劑的霧化研究是凝膠發動機研製工作中的基礎環節之一。二次霧化作為凝膠燃料霧化的最後階段，對最終的霧化性能將產生非常大的影響，因此，對凝膠推進劑二次霧化過程進行實驗研究具有很大的理論與工程意義。進行研究的實驗設備依據原理一般有兩類：激波管法和射流法。激波管法氣流持續時間短，不適用於凝膠燃料的二次霧化研究。射流法因實驗器材簡單方便，氣流持續時間長，便於測量參數而被廣泛採用。但是此方法的射流邊界層會對液滴產生幹擾。另外，凝膠推進劑為非牛頓流體，常態下並不具有流動性。而液滴生成的前提是流體的流動性要好。一般採取對凝膠推進劑施加剪切力的方式使其變稀，從而使其克服屈服應力而流動起來。但該方法需要的設備較複雜，不便於操作。

技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種能夠便於產生液滴，結構簡單，操作方便，可以快捷的與光學測量系統進行配合，完成液滴二次破碎的產生、發展與過程記錄的凝膠推進劑單液滴二次破碎實驗裝置。實現本發明目的的技術解決方案為：一種凝膠推進劑單液滴二次破碎實驗裝置，包括支架系統、液滴發生器和噴管機構，其中，支架系統包括底板、下支架、立支架和液滴發生器支架，下支架與底板在水平方向上滑動配合，立支架與下支架在水平方向上滑動配合，且其滑動方向與下支架和底板之間的滑動方向垂直，液滴發生器支架與立支架在豎直方向上滑動配合，且其滑動方向與下支架和底板之間的滑動方向以及立支架和下支架之間的滑動方向均垂直；液滴發生器與液滴發生器支架固連，液滴發生器的軸線方向平行於液滴發生器支架與立支架之間的滑動方向；噴管機構固定設置在底板1上，噴管機構的軸線與底板1平行，噴管機構包括擴張收斂噴管和擾流器，入口至出口橫截面為先保持不變，而後擴張，最後收縮的過渡方式，擴張收斂噴管的出口端固定設置有擾流器，擾流器包括擾流器外罩和擾流柱，擾流器外罩開口截面與擴張收斂噴管的出口截面配合，擾流柱固定在擾流器外罩內，並從豎直方向上對稱分隔擾流器外罩的開口；液滴發生器包括上蓋、下蓋、內筒、擠壓活塞、針頭和內筒封蓋，上蓋和下蓋圍成空腔，上蓋和下蓋的側壁開有與空腔連通的孔，內筒置於空腔內，內筒端部的開孔與下蓋端部的開孔位置對應且密封配合，兩開孔的對應位置連接有針頭，內筒封蓋固定設置在上蓋端部開口處，並對內筒的端部限位，內筒與上蓋端部的開口密封配合，內筒封蓋端部的開口與內筒端部的開口連通，擠壓活塞設置在內筒的腔體內，並與內筒滑動密封配合，擠壓活塞的端面與針頭之間的腔體內有凝膠推進劑。本發明與現有技術相比，其顯著優點：(1)本發明利用支架系統能夠實現液滴發生器的上下可調，從而使得在重力作用下下落的液滴具有不同的速度。一方面，不同的下落速度可以作為研究凝膠二次霧化過程的一個參數；另一方面，加大液滴進入流場的速度可有效的減小流場邊界層的幹擾。另外，利用支架系統，本發明可以實現液滴下落位置的三維空間可調性，可以用來研究液滴與流場不同的空間相對位置對液滴破碎過程的影響。(2)本發明採用對凝膠推進劑進行水浴加熱的方式使其具有較好的流動性，避免了使用剪切變稀裝置的繁瑣，從而使得結構簡單可靠。另外，不同的水浴溫度會對凝膠推進劑的物性產生影響，因此，本發明可以用來研究凝膠液滴的溫度對破碎過程的影響。(3)本發明噴管出口處的擾流柱可拆卸。加入擾流柱，得到的氣流流場為紊流流場；去除擾流柱，氣流流場近似為層流流場。於是，本發明可以用於兩種工況：氣流為層流和氣流為紊流。下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。附圖說明圖1是本發明凝膠推進劑單液滴二次破碎實驗裝置的結構示意圖。圖2是本發明凝膠推進劑單液滴二次破碎實驗裝置的滑軌系統的結構示意圖。圖3是本發明凝膠推進劑單液滴二次破碎實驗裝置液滴生成器的結構示意圖。圖4是本發明凝膠推進劑單液滴二次破碎實驗裝置噴管機構的結構示意圖。圖5是本發明凝膠推進劑單液滴二次破碎實驗裝置擾流器的結構示意圖。具體實施方式結合圖1～圖5：本發明一種凝膠推進劑單液滴二次破碎實驗裝置，包括支架系統、液滴發生器和噴管機構，其中，支架系統包括底板1、下支架4、立支架6和液滴發生器支架9，下支架4與底板1在水平方向上滑動配合，立支架6與下支架4在水平方向上滑動配合，且其滑動方向與下支架4和底板1之間的滑動方向垂直，液滴發生器支架9與立支架6在豎直方向上滑動配合，且其滑動方向與下支架4和底板1之間的滑動方向以及立支架6和下支架4之間的滑動方向均垂直；液滴發生器與液滴發生器支架9固連，液滴發生器的軸線方向平行於液滴發生器支架9與立支架6之間的滑動方向；噴管機構固定設置在底板1上，噴管機構的軸線與底板1平行，噴管機構包括擴張收斂噴管3和擾流器15，入口至出口橫截面為先保持不變，而後擴張，最後收縮的過渡方式，擴張收斂噴管3的出口端固定設置有擾流器15，擾流器15包括擾流器外罩18和擾流柱19，擾流器外罩18開口截面與擴張收斂噴管3的出口截面配合，擾流柱19固定在擾流器外罩18內，並從豎直方向上對稱分隔擾流器外罩18的開口；液滴發生器包括上蓋8、下蓋10、內筒11、擠壓活塞13、針頭14和內筒封蓋16，上蓋8和下蓋10圍成空腔，上蓋8和下蓋10的側壁開有與空腔連通的孔，內筒11置於空腔內，內筒11端部的開孔與下蓋10端部的開孔位置對應且密封配合，兩開孔的對應位置連接有針頭14，內筒封蓋16固定設置在上蓋8端部開口處，並對內筒11的端部限位，內筒11與上蓋8端部的開口密封配合，內筒封蓋16端部的開口與內筒11端部的開口連通，擠壓活塞13設置在內筒11的腔體內，並與內筒11滑動密封配合，擠壓活塞13的端面與針頭14之間的腔體內有凝膠推進劑。擴張收斂噴管3內的通道截面為矩形。下支架4與底板1、立支架6與下支架4以及液滴發生器支架9與立支架6之間的滑動配合通過導軌和滑塊實現。噴管機構通過底座12固定於底板1上。如圖1所示，本發明凝膠推進劑單液滴二次破碎實驗裝置主要包括液滴生成器，噴管機構和支架系統。支架系統內支架之間的滑動通過第一導軌滑塊系統2、第二導軌滑塊系統5、第三導軌滑塊系統7實現相對滑動。擴張收斂噴管3通過轉接頭21連接氮氣氣源，氣體經過擴張收斂噴管3後以一定的速度射出，形成射流。凝膠液滴由液滴生成器產生後自由下落，以一定的速度進入氣流射流中。液滴在氣流的氣動力作用下發生變形和破碎，完成二次霧化過程。如圖2所示，支架系統可以實現液滴生成器的三維空間位置調節。第一導軌滑塊系統2的導軌固定於底板1上，滑塊可實現x方向的自由滑動。幾字形下支架4固定於第一導軌滑塊系統2的滑塊之上，則凡是位於下支架4上的部件均會由滑塊帶動，實現x方向的自由運動。第二導軌滑塊系統5的導軌固定於下支架4上，滑塊可實現y方向的自由運動。立支架6固定於第二導軌滑塊系統5的滑塊之上，跟隨滑塊運動。可實現固定於立支架6上的部件在x-y平面內的自由運動。第三導軌滑塊系統7的導軌固定於立支架6上，滑塊可實現z方向上的自由滑動。同時，第三導軌滑塊系統7的滑塊通過液滴發生器支架9直接與液滴發生器固定連接，於是液滴發生器便能在z方向自由滑動。整體便可實現液滴發生器在三維空間位置的自由調節。液滴發生器的位置直接與液滴的位置相關。z方向的自由調節使得液滴所處的高度產生變化，在重力作用下自由下落後，會以不同的速度進入氣流流場之中。於是，便可研究不同的入射速度對液滴破碎過程的影響。同時，液滴以一定速度進入射流可以減小射流邊界層對液滴變形破碎的幹擾。如圖3所示，內筒封蓋16將內筒11上端封死，其上端與氣源的管路相連。內筒內裝有擠壓活塞13，凝膠推進劑裝在擠壓活塞13之下。當低壓氣體經內筒封蓋16進入內筒11後，作用於擠壓活塞13，迫使其向下運動。凝膠推進劑在擠壓活塞13的擠壓下從針頭14流出。由於壓力較低，擠壓活塞13運動緩慢，凝膠的流量較小，因此，在針頭14處，凝膠在表面張力的作用下會首先凝結成液滴，而後從主體剝落。針對凝膠推進劑常態下流動性差的問題，本發明採用加熱凝膠的方法進行解決。如圖3所示，在內筒11的外側設有上蓋8和下蓋10將其包裹，之間形成空腔。在上蓋8和下蓋10的側面開有螺紋孔，是進出水的通道。如此便形成水浴加熱的結構。具有一定溫度的水由下蓋10的進水孔進入空腔，由上蓋8的出水孔流出空腔，空腔內的水對內筒11內的凝膠進行加熱。受熱後的凝膠推進劑流動性變好，屈服應力變小，在針頭14處會凝結成液滴，而不是呈柱狀流出。採用此種方式，解決了凝膠不易形成液滴的問題。同時，由於溫度對凝膠物性變化有重要影響，而改變水浴的水溫可以有效調節凝膠推進劑的溫度。因此，本發明還可以被用來研究溫度對於凝膠液滴破碎過程的影響。如圖4所示，本發明的射流由噴管機構產生，噴管機構的剖面圖如圖4，轉接頭21連接氣源管路和擴張收斂噴管3。擴張收斂噴管3的擴張段20內通道截面為矩形，高度首先不變，而後逐漸變大。高度不變段起到穩定氣流的作用。而後收斂段17內通道形狀同擴張段，高度逐漸減小。擴張段20與收斂段17配合，使氣流速度降低，同時穩住氣流。如圖5所示，擾流器15由擾流器外罩18及擾流柱19組成。擾流柱19將收斂段17出口截面分為兩個部分，氣流從擾流柱19的兩側流出。在這裡，擾流柱19阻礙了氣流的流動，從而使得其附近的流動出現了渦旋。因此，出口氣流變成了紊流。擾流器15可以拆卸，從而使得本發明可以被用來研究不同的氣流狀態對液滴破碎過程的影響。