专利名称：一种研究喷嘴喷注雾化特性的实验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种实验装置，具体为一种研究喷嘴喷注雾化特性的实验装置。
技术背景
在水下发射的燃气-蒸汽式发射动力装置内，存在着高温高压燃气湍流流动，形 成冷却水射流，冷却水射流在喷嘴出口处一次雾化、在横向高速燃气流中二次雾化与汽化， 含相变的水、汽两相流动等复杂的流动过程。喷嘴喷注的冷却水在横向高速燃气流中的二 次雾化与汽化以及相变过程等对燃气-蒸汽式发射动力装置的能量特性以及对外做功的 能力有重要影响。
目前研究喷嘴喷注的冷却水在横向高速燃气流中的二次雾化与汽化以及相变过 程的方法主要有数值模拟计算、低速低温条件下的实验研究以及利用超燃实验台进行的实 验研究。其中低速低温条件下的实验研究不能模拟燃气-蒸汽式发射动力装置喷嘴工作 的环境，且大多是针对单喷嘴进行；利用超燃实验台进行的实验研究，虽然可以提供一定燃 温的超音速横流环境，但是横流的温度以及压强要比燃气-蒸汽式发射动力装置中的小很 多，且采用超燃实验台单纯进行了喷嘴喷注雾化特性研究比较浪费和不方便。发明内容
要解决的技术问题
为研究水下发射的燃气-蒸汽式发射动力装置内，喷嘴出口处冷却水的一次雾 化，冷却水在横向高速燃气流中的二次雾化与汽化，含相变的水、汽两相流动等复杂的流动 过程，获得喷嘴喷注雾化特性，并为燃气-蒸汽式发射动力装置的设计提供理论依据，本发 明提出了一种研究喷嘴喷注雾化特性的实验装置，能够提供与燃气-蒸汽式发射动力装置 类似的燃气环境，能够模拟喷嘴后的气流压强、温度及流速等参数，可以提供包括常规测试 手段和非接触测试手段在内的多种测试接口。
技术方案
本发明的技术方案为
一种研究喷嘴喷注雾化特性的实验装置，其特征在于包括供水系统、燃气发生 器、实验测试段、数据采集系统和时序控制点火器；实验测试段两端为连接法兰，分别与燃 气发生器和排气管道连接，实验测试段中心轴线位置开有燃气通道；实验测试段中段外表 面对称开有水槽，水槽底面开有多个垂直于实验测试段中心轴线的喷嘴安装孔，喷嘴安装 孔将水槽与燃气通道连通，实验时按照实验需要将喷嘴或喷嘴盲板固定在喷嘴安装孔内； 水槽盖板通过螺栓与实验测试段固定连接，并将水槽密封，水槽盖板上还装有进水接口，并 通过进水接口与供水系统连接；在实验测试段外表面上还开有两个对称的观察测试孔，观 察测试孔在两个对称水槽之间，观察测试模块安装在观察测试孔内，并通过压板与实验测 试段固定连接，观察测试模块上的测温测压传感器与数据采集系统连接；时序控制点火器 与燃气发生器和供水系统中的进水电磁阀连接。
优选技术方案其特征在于供水系统为挤压式供水系统，将水通过电磁阀挤压入 进水接口。
优选技术方案其特征在于燃气发生器采用多根内外孔燃烧的固体推进剂装药， 且燃气发生器喷管为可拆卸喷管。
优选技术方案其特征在于水槽为长方体水槽，水槽底部喷嘴安装孔沿实验测试 段轴线方向分布，且两个水槽的喷嘴安装孔也对称分布。
优选技术方案其特征在于在一侧观察测试孔内固定有石英玻璃观察窗，在另一 侧观察测试孔内固定有测压测温模块；与数据采集系统相连的高速摄像机透过石英玻璃观 察窗对实验测试段进行非接触测试。
优选技术方案其特征在于在两侧的观察测试孔内均固定有石英玻璃观察窗，采 用与数据采集系统相连的激光相位多普勒粒子分析系统或粒子图像测速系统对实验测试 段进行非接触测试。
优选技术方案其特征在于在排气管道中装有消音装置。
优选技术方案其特征在于在水槽盖板上装有测压接口，测试水槽中挤压气体的 压力；在水槽两侧的实验测试段上分别装有测压接口，测试对应位置燃气通道内燃气的压 力。
有益效果
本发明能够模拟燃气-蒸汽式发射动力装置喷嘴的工作环境，为研究燃气-蒸汽 式发射动力装置喷嘴喷注的冷却水在横向高速燃气流中的二次雾化与汽化以及相变过程 提供了可靠的手段。本发明操作简单，维护方便，测试灵活多样，可以通过不同观察测试模 块的组合实现多种接触或非接触测试方式。


图1本发明的实验装置示意图2实S金测试段的结构示意图3实S金测试段的C向视图4实S金测试段的A-A剖视图5实S金测试段的B-B剖视图6实S金测试结果曲线其中:1、供水系统；2、燃气发生器；3、实验测试段；4、数据采集系统；5、高速摄像系统；6、时序控制点火器；7、消音装置；8、电磁阀；9、进水接口 ；10、前燃气测压接口 ；11、 水槽测压接口 ；12、后燃气测压接口 ；13、实验测试段腔体；14、水槽盖板；15、喷嘴；16、喷嘴 盲板；17、压板；18、石英玻璃观察窗；19、测压测温模块；20、水槽。
具体实施方式
下面结合具体实施例说明本发明。
实施例
参照附图1，本实施例组建的一种研究喷嘴喷注雾化特性的实验装置包括供水 系统1、燃气发生器2、实验测试段3、数据采集系统4、高速摄像系统5和时序控制点火器6。供水系统1为挤压式供水系统，采用高压氮气作为挤压源，挤压气体的挤压压强由实验测试段内的理论燃气压强与冷调时的挤压压强相加得到，其中冷调时的挤压压强表示为■ 2mPi = 2pn2eyrA式中·为水的质量流量；P为水的密度；η为喷嘴的个数；Cd为喷嘴流量系数；r为喷嘴喷孔的半径，实验测试段3内的理论燃气压强根据燃气发生器2的工作压 强、流量以及燃气发生器2喷管喉部面积和实验测试段3的流道面积，由气动关系式计算得 出，本实施例中挤压气体工作压强为6. 5MPa，水来自城市自来水管网，水流量为0. 35kg/s。 燃气发生器2采用四根DSD装药，装药量为6. 8kg,通过黑火药点火，燃气发生器2喷管喉部 为20mmX 15. 7mm的方形结构。燃气发生器2产生高温高速燃气横向射流进入实验测试段 3，提供满足压强、流速以及温度要求的工作环境。通过调节装药量以及燃气发生器2喷管 喉径大小，可以实现根据要求改变高温高压燃气工作压强、温度和流速参数的目的。
实验测试段3两端为连接法兰，分别与燃气发生器2和排气管道连接，连接法兰之 间为圆柱状，实验测试段3中心轴线位置开有方形燃气通道，燃气通道为20mmX30mm的方 形结构。实验测试段3与燃气发生器2连接后，燃气发生器2喷管喉部位置与燃气通道位 置对应。
参照附图2、3、4、5，实验测试段3中段外表面对称开有长方形水槽20，水槽20底 面开有9个垂直于实验测试段中心轴线的喷嘴安装孔，喷嘴安装孔沿实验测试段轴线方向 分布，在相对称的另一水槽的底面也对称地开有9个垂直于实验测试段中心轴线的喷嘴安 装孔，喷嘴安装孔沿实验测试段轴线方向分布，喷嘴安装孔将水槽与燃气通道连通。在实验 时，可以根据实验要求，在不同的喷嘴安装孔中螺纹固定喷嘴15或喷嘴盲板16，安装喷嘴 15的位置可以通过喷嘴15将冷却水喷注到实验测试段3的燃气通道中，安装喷嘴盲板16 的位置则被封闭。在本实施例中两个水槽的喷嘴安装孔中各安装了一个喷嘴15，喷嘴中喷 孔直径为2mm，且为临近错位安装，其余的喷嘴安装孔中均安装喷嘴盲板16，如附图4所示； 在水槽两侧的实验测试段上装有前燃气测压接口 10和后燃气测压接口 12，测压接口中装 有测压传感器，与数据采集系统系统连接。
水槽盖板14通过螺栓与实验测试段3固定连接，并在水槽盖板14周围涂有密封 胶，将水槽20密封。水槽盖板14上还装有进水接口 9和水槽测压接口 11，进水接口 9与供 水系统1的电磁阀8连接，水槽测压接口 11中装有测压传感器，与数据采集系统系统连接。
实验测试段外表面上还对称开有观察测试孔，观察测试孔在两个对称水槽之间， 观察测试孔内可以安装观测测试模块，并通过带螺栓的压板17将观测测试模块与实验测 试段3固定连接。观测测试模块的类型有测压测温模块19，用于进行接触式测试；还有石 英玻璃观察窗18，通过高速摄像系统5进行非接触式测试；此外当两侧的观察测试孔内均 固定为石英玻璃观察窗18，则可采用激光相位多普勒粒子分析系统(PDPA)和粒子图像测 速系统(PIV)等手段进行非接触式测试。本实施例中，采用一侧观察测试孔内安装测压测 温模块19，另一侧观察测试孔内安装石英玻璃观察窗18的方式进行测试；测压测温模块19 中的压力传感器和温度传感器与数据采集系统连接，高速摄像系统5透过石英玻璃观察窗 18进行拍摄，并传输到数据采集系统。
此外，采用时序控制点火器6进行控制，根据实验要求编制实验工作时序，包括点 火时间，供水系统电磁阀开关时间，高速摄像机开关机时间等。另外，由于采用了固体推进剂燃气发生器2，实现了流道中的超音速流动，且流体为高温介质，因此整个实验过程中的 噪声比较大，所以在排气管道中装有消音装置7，起到一定的环境保护以及高温工作介质导 流的作用。
本实施例中燃气发生器的工作压强为12. 4MPa，水槽两侧的前燃气测压接口 10和 后燃气测压接口 12中压力传感器和测压测温模块中的压力传感器得到的压强-时间如图6 所示。本实施例表明本发明能够模拟燃气-蒸汽式发射动力装置喷嘴的工作环境，为研究 燃气-蒸汽式发射动力装置喷嘴喷注的冷却水在横向高速燃气流中的二次雾化与汽化以 及相变过程提供了可靠的手段。
权利要求
1.一种研究喷嘴喷注雾化特性的实验装置，其特征在于包括供水系统、燃气发生器、 实验测试段、数据采集系统和时序控制点火器；实验测试段两端为连接法兰，分别与燃气发 生器和排气管道连接，实验测试段中心轴线位置开有燃气通道；实验测试段中段外表面对 称开有水槽，水槽底面开有多个垂直于实验测试段中心轴线的喷嘴安装孔，喷嘴安装孔将 水槽与燃气通道连通，实验时按照实验需要将喷嘴或喷嘴盲板固定在喷嘴安装孔内；水槽 盖板通过螺栓与实验测试段固定连接，并将水槽密封，水槽盖板上还装有进水接口，并通过 进水接口与供水系统连接；在实验测试段外表面上还开有两个对称的观察测试孔，观察测 试孔在两个对称水槽之间，观察测试模块安装在观察测试孔内，并通过压板与实验测试段 固定连接，观察测试模块上的测温测压传感器与数据采集系统连接；时序控制点火器与燃 气发生器和供水系统中的进水电磁阀连接。
2.根据权利要求1所述的一种研究喷嘴喷注雾化特性的实验装置，其特征在于供水 系统为挤压式供水系统，将水通过电磁阀挤压入进水接口。
3.根据权利要求1所述的一种研究喷嘴喷注雾化特性的实验装置，其特征在于燃气 发生器采用多根内外孔燃烧的固体推进剂装药，且燃气发生器喷管为可拆卸喷管。
4.根据权利要求1所述的一种研究喷嘴喷注雾化特性的实验装置，其特征在于水槽 为长方体水槽，水槽底部喷嘴安装孔沿实验测试段轴线方向分布，且两个水槽的喷嘴安装 孔也对称分布。
5.根据权利要求1所述的一种研究喷嘴喷注雾化特性的实验装置，其特征在于在一 侧观察测试孔内固定有石英玻璃观察窗，在另一侧观察测试孔内固定有测压测温模块；与 数据采集系统相连的高速摄像机透过石英玻璃观察窗对实验测试段进行非接触测试。
6.根据权利要求1所述的一种研究喷嘴喷注雾化特性的实验装置，其特征在于在两 侧的观察测试孔内均固定有石英玻璃观察窗，采用与数据采集系统相连的激光相位多普勒 粒子分析系统或粒子图像测速系统对实验测试段进行非接触测试。
7.根据权利要求1所述的一种研究喷嘴喷注雾化特性的实验装置，其特征在于在排 气管道中装有消音装置。
8.根据权利要求1所述的一种研究喷嘴喷注雾化特性的实验装置，其特征在于在水 槽盖板上装有测压接口，测试水槽中挤压气体的压力；在水槽两侧的实验测试段上分别装 有测压接口，测试对应位置燃气通道内燃气的压力。
全文摘要
本发明提出了一种研究喷嘴喷注雾化特性的实验装置，能够提供与燃气-蒸汽式发射动力装置类似的燃气环境，能够模拟喷嘴后的气流压强、温度及流速等参数，可以提供包括常规测试手段和非接触测试手段在内的多种测试接口。为研究水下发射的燃气-蒸汽式发射动力装置内，喷嘴出口处冷却水的一次雾化，冷却水在横向高速燃气流中的二次雾化与汽化，含相变的水、汽两相流动等复杂的流动过程，获得喷嘴喷注雾化特性，并为燃气-蒸汽式发射动力装置的设计提供理论依据。
文档编号G01M13/00GK102032987SQ201010588610
公开日2011年4月27日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月14日
发明者何国强, 吕翔, 彭丽娜, 李江, 陈剑, 魏祥庚 申请人:西北工业大学