超聲速piv流場測試實驗中布撒示蹤粒子的方法及裝置的製作方法
2023-12-02 19:57:16 1
專利名稱：超聲速piv流場測試實驗中布撒示蹤粒子的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及航空航天領域的風洞實驗技術，尤其是涉及超聲速Piv流場測試實驗中布撒示蹤粒子的方法及裝置。
背景技術：
隨著空間技術和高超聲速武器裝備技術的迅速發展，超/高超聲速可壓縮流動的研究及相關的實驗測試技術得到極大的重視和發展，特別是高精度高解析度的定量化速度場分布的測試技術。近年來粒子圖像測速技術(PIV)在流場測速應用方面有了長足的發展，它突破傳統單點測量限制，可瞬時無接觸測量流場中一個截面上的速度分布，並且有較高的測量精度，在諸如超聲速射流、剪切層流動、超燃衝壓內流以及諸如拐角流、尖劈附著激波和圓柱脫體激波等超聲速流場測量中得到了很好的測量結果。超/高超聲速流動區別於低速流動最顯著特點是激波現象。激波會導致在模型表面形成一個流速急劇減速的區域，邊界層和剪切層相對很薄，對PIV技術測試高速可壓縮流動速度場帶來了挑戰要保證測量面內示蹤粒子濃度均勻且滿足Piv測試要求。因此選定粒子均勻性較好的布撒方案是PIV應用超聲速流動研究的關鍵問題作為超聲速PIV測試技術發展的關鍵技術之一，如何實現示蹤粒子均勻布撒且濃度滿足PIV圖像處理要求的 PIV示蹤粒子布撒技術在研究中得到眾多研究學者的關注。
發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種超聲速PIV實驗中布撒示蹤粒子的方法及裝置，使得超聲速PIV示蹤粒子布撒系統可人工控制或遠程控制且實時響應，布撒過程中可避免和減少示蹤粒子聚團現象，並且可以獲得粒子分布效果很好的圖像，經過PIV運算可得到較為理想的流場矢量分布圖。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現超聲速PIV實驗中布撒示蹤粒子的方法，在超聲速風洞高溫高壓大流量流場環境下利用利用真空吸入實現示蹤粒子加注，其特徵在於，該方法包括以下步驟實驗前示蹤粒子貯存在粒子發生器內，在開啟注入氣流後氣流與示蹤粒子充分混合經高壓管路並經粒子布撒器布撒後進入風洞管路，高馬赫數來流條件下示蹤粒子布撒均勻，通過粒子圖像測速系統對示蹤粒子進行測試。所述的粒子發生器內的注入氣流採用環形高壓細縫噴注方式，使氣流噴注均勻且易於攜帶示蹤粒子粉末出發生器。調節粒子發生器注入氣流流量計流量值以及改變粒子發生器上的截止閥組件的組合方式，得到不同氣流流量及壓力條件下適合PIV圖像處理的示蹤粒子布撒濃度及流量。開啟風洞前需平衡實驗段、穩定段與真空球間氣壓至臨近真空狀態。此時開啟閥門，使得粒子發生器也達到臨近真空狀態。當開啟導管閥門且關閉高壓管路閥門時盛放在粒子罐內的示蹤粒子粉末會快速被吸入發生器罐體內，關閉導管閥門後粒子伏在粒子發生器罐體底部，等待實驗開始。提出並實現真空吸入粒子加注方式，可大大減少示蹤粒子與潮溼空氣接觸後發生聚團的現象，並且可降低拆裝粒子發生器埠的次數，明顯提高了示蹤粒子注入效率。超聲速PIV實驗中布撒示蹤粒子的裝置，包括粒子發生器貯存示蹤粒子，經密閉管路與粒子罐連接；粒子布撒器設置在風洞穩定段上遊和加熱器下遊之間，經密閉管路與粒子發生器連接。所述的粒子發生器由下埠與高壓注入氣流管路連接，管路上安裝有截止閥和兩臺流量計，截止閥控制高壓氣流通閉，流量計組可調節高壓氣流流量。實驗前示蹤粒子儲放在粒子罐內，然後利用真空吸入方法經導管、截止閥以及上埠進入粒子發生器，罐內壓力通過壓力表來讀取。粒子發生器由支架支撐固定。實驗時將截止閥開啟，高壓氣流攜帶充分混合的示蹤粒子經高壓管路、布撒管以及粒子布撒器注入風洞，並與風洞主流均勻摻混且不影響風洞各流動參數。利用粒子發生器與風洞穩定段平衡後的真空度將示蹤粒子吸入至粒子發生器內。 高壓注入氣流由下埠進入粒子發生器，經下端導向支、導向罩內管路由導向緊固組間呈環狀方式噴注，由下而上衝擊位於發生器罐底的示蹤粒子粉末，並將粉末均勻的經發生器上埠注入風洞。下埠通過埠壓帽及內部密封裝置實現高壓密封，可耐20MPa高壓。粒子發生器的布撒管內氣流噴嘴為超聲速噴嘴，高壓氣流經噴嘴、布撒口進入風洞管路。布撒口直徑為1mm。布撒管材料選用SS321，可耐16ΜΙ^高壓。所述的粒子布撒器內的布撒管出口端採用超聲速噴嘴，開口方向平行於風洞主流來流方向。該裝置可實現人工控制或遠程控制的開閉並能夠實時響應。與現有技術相比，本發明通過調節示蹤粒子注入氣流的力量及閥門組件組合方式獲得了適應不同來流馬赫數和不同流量的示蹤粒子布撒流量及濃度；提出了利用粒子發生罐與風洞穩定段平衡後的真空度將示蹤粒子吸入至發生器罐內的粒子注入方法，有效避免了示蹤粒子在注入過程中可能發生的聚團現象；通過選定實驗測試流程時序，保證了 PIV 系統以及風洞運行之間精確的時序控制；通過比較測試粒子發生器注入壓力對粒子布撒濃度的影響，確定了滿足Piv運算要求的布撒濃度所對應的測試方案。
圖1為本裝置的布置結構示意圖；圖2為本裝置的結構示意圖；圖3為粒子發生器下埠結構示意圖；圖4為粒子發生器布撒管結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
實施例本發明中超聲速PIV現場布置方式如示意圖1所示，圖中A為超聲速風洞的實驗艙，B為PIV系統，C為風洞穩定段，D、F、G所示分別為示蹤粒子布撒系統中的粒子布撒器 (包括粒子布撒管路)、粒子發生器以及發生器注入氣流管路，E為風洞主流管路。粒子布撒器D設置在風洞穩定段上遊和加熱器下遊之間，粒子發生器F用於示蹤粒子與高壓注入氣流G混合併由其衝擊攜帶進入風洞主流管路。本發明中超聲速PIV實驗中布撒示蹤粒子的裝置如圖2所示，粒子發生器5由下埠 4與高壓注入氣流管路1-1連接，管路上安裝有截止閥2-1和兩臺流量計3-1、流量計 3-2，截止閥控制高壓氣流通閉，流量計組可調節高壓氣流流量。實驗前示蹤粒子儲放在粒子罐9內，然後利用真空吸入方法經導管1-2、截止閥2-2以及上埠 6進入粒子發生器5， 罐內壓力通過壓力表8來讀取。粒子發生器5由支架7支撐固定。實驗時將截止閥2-3、 截止閥2-4開啟，高壓氣流攜帶充分混合的示蹤粒子經高壓管路1-3、高壓管路1-4、布撒管 10-1、布撒管10-2以及布撒器11注入風洞，並與風洞主流均勻摻混且不影響風洞各流動參數。本發明中的粒子發生器下埠結構如圖3所示，高壓注入氣流由下埠 31進入粒子發生器，經下端導向支33、導向罩34內管路由導向緊固組35間呈環狀方式噴注，由下而上衝擊位於發生器罐底的示蹤粒子粉末，並將粉末均勻的經發生器上埠注入風洞。下埠通過埠壓帽32及內部密封裝置實現高壓密封，可耐20MPa高壓。本發明中的粒子發生器布撒管結構如圖4所示，布撒管內氣流噴嘴42為超聲速噴嘴，高壓氣流經噴嘴、布撒口 41進入風洞管路。布撒口直徑為1mm。布撒管材料選用SS321， 可耐16MPa高壓。開啟風洞前需平衡實驗段、穩定段與真空球間氣壓至臨近真空狀態。此時開啟截止閥2-3、截止閥2-4，使得粒子發生器也達到臨近真空狀態。當開啟導管截止閥2-2且關閉高壓管路截止閥2-3、截止閥2-4時盛放在粒子罐內的示蹤粒子粉末會快速被吸入發生器罐體內，關閉導管截止閥2-2後粒子伏在粒子發生器罐體底部，等待實驗開始。提出並實現真空吸入粒子加注方式，可大大減少示蹤粒子與潮溼空氣接觸後發生聚團的現象，並且可降低拆裝粒子發生器埠的次數，明顯提高了示蹤粒子注入效率。依照風洞運行參數，表1給出了馬赫數4. 0和7. 0實驗條件下所選擇的注入壓力以及所對應的示蹤粒子流量和風洞主流流量。利用PIV軟體對採集的圖像對進行互相關運算，流場矢量分布均勻且能充分反映出激波結構特徵。當粒子流量為0. 01kg/s而主流流量為3. lkg/s時，根據粒子密度以及來流流速可估算得到實驗段內的粒子濃度為100，000個 /mm3,因此可以滿足每個判讀小區有10個粒子存在，符合PIV互相關運算要求。表1示蹤粒子注入壓力和流量參數
權利要求
1.超聲速Piv流場測試實驗中布撒示蹤粒子的方法，在超聲速風洞高溫高壓大流量流場環境下利用真空吸入實現示蹤粒子加注，其特徵在於，該方法包括以下步驟實驗前示蹤粒子貯存在粒子發生器內，在開啟注入氣流後氣流與示蹤粒子充分混合經高壓管路並經粒子布撒器布撒後進入風洞管路，高馬赫數來流條件下示蹤粒子布撒均勻，通過粒子圖像測速系統對示蹤粒子進行測試。
2.根據權利要求1所述的超聲速PIV流場測試實驗中布撒示蹤粒子的方法，其特徵在於，所述的粒子發生器內的注入氣流採用環形高壓細縫噴注方式，使氣流噴注均勻且易於攜帶示蹤粒子粉末出發生器。
3.根據權利要求1所述的超聲速PIV流場測試實驗中布撒示蹤粒子的方法，其特徵在於，調節粒子發生器注入氣流流量計流量值以及改變粒子發生器上的截止閥組件的組合方式，得到不同氣流流量及壓力條件下適合PIV圖像處理的示蹤粒子布撒濃度及流量。
4.根據權利要求1所述的超聲速PIV流場測試實驗中布撒示蹤粒子的方法，其特徵在於，測試前需平衡粒子發生器、實驗段、穩定段與真空球間氣壓至臨近真空狀態，利用此時粒子發生器內的真空狀態將示蹤粒子從粒子罐中快速吸入粒子發生器中備用。
5.超聲速PIV流場測試實驗中布撒示蹤粒子的裝置，其特徵在於，該裝置包括粒子發生器貯存示蹤粒子，經密閉管路與粒子罐連接；粒子布撒器設置在風洞穩定段上遊和加熱器下遊之間，經密閉管路與粒子發生器連接。
6.根據權利要求5所述的超聲速PIV流場測試實驗中布撒示蹤粒子的裝置，其特徵在於，所述的粒子發生器上設置有截止閥、壓力表及流量計，通過調節截止閥和流量計控制示蹤粒子注入氣流的流量。
7.根據權利要求5所述的超聲速PIV流場測試實驗中布撒示蹤粒子的裝置，其特徵在於，利用粒子發生器與風洞穩定段平衡後的真空度將示蹤粒子吸入至粒子發生器內。
8.根據權利要求5所述的超聲速PIV流場測試實驗中布撒示蹤粒子的裝置，其特徵在於，所述的粒子布撒器內的布撒管出口端採用超聲速噴嘴，開口方向平行於風洞主流來流方向。
9.根據權利要求5所述的超聲速PIV流場測試實驗中布撒示蹤粒子的裝置，其特徵在於，該裝置可實現人工控制或遠程控制的開閉並能夠實時響應。
全文摘要
本發明涉及超聲速PIV流場測試實驗中布撒示蹤粒子的方法及裝置，在超聲速風洞高溫高壓大流量流場環境下利用真空吸入實現示蹤粒子加注，實驗前示蹤粒子貯存在粒子發生器內，在開啟注入氣流後氣流與示蹤粒子充分混合經高壓管路並經粒子布撒器布撒後進入風洞管路，高馬赫數來流條件下示蹤粒子布撒均勻，通過粒子圖像測速系統對示蹤粒子進行測試。與現有技術相比，本發明，實現了在高溫高壓大流量流場環境條件下PIV示蹤粒子的加注和均勻布撒，有效避免了示蹤粒子在注入過程中可能發生的聚團現象，保證了PIV系統以及風洞運行之間精確的時序控制確定了滿足PIV運算要求的布撒濃度所對應的測試方案。
文檔編號G01P5/20GK102435769SQ20111037205
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月21日 優先權日2011年11月21日
發明者劉洪 , 張亞, 榮臻, 陳方 申請人:上海交通大學