本發(fā)明涉及了一種激波管實(shí)驗(yàn)裝置，尤其是涉及了一種氣固兩相激波管實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

激波與顆粒群相互作用是可壓縮顆粒負(fù)載流中普遍而重要的現(xiàn)象，涉及航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、安全防控及環(huán)境保護(hù)等眾多領(lǐng)域，具體應(yīng)用例如含固體顆粒炸藥爆炸、火箭引擎中固體燃料推進(jìn)、含塵大氣中高速飛行、藥物粉末無針注射、超音速冷噴涂、干粉滅火、粉塵爆炸、火山噴發(fā)等。開展對激波與稠密顆粒群相互作用時(shí)復(fù)雜的氣固兩相流問題的研究，關(guān)鍵在于入射激波與稠密顆粒群相互作用之前激波馬赫數(shù)、顆粒初始空間分布的調(diào)控以及之后的激波、接觸面和顆粒群動(dòng)態(tài)影像數(shù)據(jù)的獲取。

因?yàn)橥ǔ５膶?shí)驗(yàn)條件要求顆粒群初始近似處于靜止?fàn)顟B(tài)，如果采用將顆粒置于裝載室內(nèi)的方式，由于重力作用，顆粒將會集中在裝載室底部或填滿整個(gè)裝載室，而顆粒群初始體積分?jǐn)?shù)顯然無法調(diào)控，為此現(xiàn)有技術(shù)中缺少上述要求的實(shí)驗(yàn)裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述背景技術(shù)中所存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供了一種氣固兩相激波管實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法，在激波與稠密顆粒群相互作用時(shí)進(jìn)行高速紋影拍攝和動(dòng)態(tài)壓力測量，由此能系統(tǒng)地獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：

一、一種氣固兩相激波管實(shí)驗(yàn)裝置：

包括高氣壓段、爆破隔膜、氣壓段、圓變方過渡段、第一方管段、可視化測試段、第二方管段和收集箱；高壓氣瓶的輸出端依次經(jīng)高氣壓段、氣壓段后與第一方管段的入口端連接，高氣壓段和氣壓段端口之間設(shè)有爆破隔膜，氣壓段和第一方管段之間通過圓變方過渡段連接，打開高壓氣瓶使高氣壓段與氣壓段存在一定的氣壓比，通過爆破隔膜爆破的方式產(chǎn)生激波，激波依次氣壓段、圓變方過渡段、第一方管段、可視化測試段和第二方管段后進(jìn)入收集箱；第一方管段的出口端依次經(jīng)可視化測試段、第二方管段后與收集箱，可視化測試段頂端安裝連接有存儲有固體顆粒的顆粒儲存釋放組件，底端安裝連接有豎直的顆粒收集管段，顆粒收集管段正下方設(shè)有動(dòng)態(tài)稱重天平，通過顆粒儲存釋放組件釋放固體顆粒，固體顆粒受重力下落形成顆粒簾穿過可視化測試段，再經(jīng)顆粒收集管段后落在動(dòng)態(tài)稱重天平上；第一方管段上安裝有沿軸向方向間隔布置的第一壓力傳感器與第二壓力傳感器，第二方管段上安裝有沿軸向方向間隔布置的第三壓力傳感器和第四壓力傳感器。

調(diào)整所述的顆粒儲存釋放組件實(shí)現(xiàn)對于顆粒簾厚度和體積分?jǐn)?shù)的調(diào)節(jié)控制，通過四個(gè)壓力傳感器采集獲得激波的衰減變化。

所述的顆粒儲存釋放組件包括內(nèi)芯安裝塊、可替換內(nèi)芯、顆粒儲存室和門閥，內(nèi)芯安裝塊底端通過第一固定螺釘固定安裝在可視化測試段頂端的端口處，內(nèi)芯安裝塊頂端和顆粒儲存室連接，顆粒儲存室中部安裝有用于控制顆粒釋放的門閥；內(nèi)芯安裝塊開有中心通槽，中心通槽的上部為喇叭口結(jié)構(gòu)，可替換內(nèi)芯通過第二固定螺釘固定安裝在內(nèi)芯安裝塊中心通槽中，可替換內(nèi)芯中間開有用于顆粒通過的狹長縫隙?？商鎿Q內(nèi)芯頂端具有內(nèi)芯安裝塊中心通槽上部的喇叭口結(jié)構(gòu)傾斜角度相同的喇叭口結(jié)構(gòu)。

通過替換不同的內(nèi)芯安裝塊，調(diào)整可替換內(nèi)芯狹長縫隙的長和寬，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對于顆粒簾的寬度、厚度和體積分?jǐn)?shù)的調(diào)節(jié)控制。

所述的可替換內(nèi)芯為長方體結(jié)構(gòu)，狹長縫隙的寬度范圍為2～10mm。

所述的可視化測試段的側(cè)壁采用透明材質(zhì)?？梢暬瘻y試段為長方體結(jié)構(gòu)，相較于圓柱體結(jié)構(gòu)，盡量減少光的折射、聚焦等影響，使紋影儀采集的圖像更加清晰。

高速攝影儀與計(jì)算機(jī)連接，對可視化測試段直接攝影，測得顆粒簾的厚度等數(shù)據(jù)，結(jié)合動(dòng)態(tài)稱重天平確定顆粒簾初始體積分?jǐn)?shù)；采用高速紋影技術(shù)，并結(jié)合高速攝影儀及計(jì)算機(jī)觀測記錄激波對稠密顆粒群作用的情況。

二、一種氣固兩相激波管實(shí)驗(yàn)方法：

采用上述裝置，通過顆粒儲存釋放組件釋放固體顆粒，固體顆粒依靠重力下落產(chǎn)生顆粒簾，通過爆破隔膜爆破的方式獲得激波；

當(dāng)高壓氣瓶未打開且顆粒儲存釋放組件釋放固體顆粒，通過高速攝影儀采集可視化測試段中顆粒簾及動(dòng)態(tài)稱重天平變化情況的視頻影像；當(dāng)顆粒儲存釋放組件釋放固體顆粒且爆破隔膜爆破后，激波經(jīng)過可視化測試段時(shí)和顆粒發(fā)生碰撞，使用紋影儀將可視化測試段處激波和顆粒碰撞產(chǎn)生的激波-顆粒相互作用和顆粒-顆粒相互作用反映成影像，同時(shí)用高速攝影儀記錄影像，并且通過四個(gè)壓力傳感器采集壓力數(shù)據(jù)獲得激波馬赫數(shù)的衰減變化。

通過四個(gè)壓力傳感器采集壓力數(shù)據(jù)獲得激波的衰減變化具體采用以下方式：

1)根據(jù)第一壓力傳感器和第二壓力傳感器之間的軸向間距以及第一壓力傳感器和第二壓力傳感器分別采集到壓力數(shù)據(jù)的時(shí)間差采用以下公式計(jì)算獲得激波的速度：

其中，d表示第一傳感器與第二傳感器之間的軸向距離，t₀、t₁分別表示激波通過第一壓力傳感器的第二傳感器的時(shí)刻。

進(jìn)而計(jì)算獲得入射激波的馬赫數(shù)：

其中，a₀為當(dāng)?shù)芈曀佟?/p>

并同時(shí)能夠作出t-x曲線用于直觀得到激波的衰減變化情況，如圖4所示，t表示時(shí)間，x表示激波管的軸向距離；爆破隔膜處定義為x＝0，爆破隔膜爆破時(shí)定義為t＝0。

2)由第三壓力傳感器和第四壓力傳感器采集獲得的壓力數(shù)據(jù)采用與步驟1)相同的方式計(jì)算獲得激波的馬赫數(shù)；

3)將步驟2)獲得的激波的馬赫數(shù)和步驟1)獲得的入射激波的馬赫數(shù)相減的差值作為激波馬赫數(shù)的衰減變化。

優(yōu)選地，采用有十字刻痕的不同厚度鎳合金爆破隔膜產(chǎn)生不同馬赫數(shù)的平面入射激波，避免隔膜碎片化爆破。

本發(fā)明具有的有益效果是：

本發(fā)明同時(shí)利用可視化測試段前后固定的壓力傳感器得到激波的衰減情況，結(jié)合高速攝影儀和紋影儀對激波與稠密顆粒簾相互作用時(shí)的顆粒簾進(jìn)行高速紋影拍攝，觀察和分析激波反射與透射、顆粒簾厚度變化等行為和規(guī)律。

在現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)驗(yàn)中，在實(shí)驗(yàn)前顆粒置于實(shí)驗(yàn)段內(nèi)，顆粒由于重力作用積于實(shí)驗(yàn)段底部，這種放置方式使實(shí)驗(yàn)效果并不十分理想。本發(fā)明改變現(xiàn)有以往的顆粒放置方法，設(shè)計(jì)了顆粒儲存釋放組件，將顆粒放置在實(shí)驗(yàn)段上部的儲存室中，打開門閥后，顆粒利用重力作用下落形成顆粒簾；同時(shí)，采用更換可替換內(nèi)芯的方法改變體積分?jǐn)?shù)，在節(jié)約材料、降低成本的同時(shí)更好地調(diào)控體積分?jǐn)?shù)，使得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

附圖說明

圖1是本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是內(nèi)芯安裝塊剖面圖。

圖3為圖2中第二固定螺釘處的俯視剖面圖。

圖4為實(shí)施例在不同體積分?jǐn)?shù)條件下得到的t-x圖像。

圖5為高速攝影儀記錄的激波與顆粒簾相互作用實(shí)驗(yàn)過程示意圖。

圖中：1、高壓氣瓶，2、高壓段，3、爆破隔膜，4、氣壓段，5、圓變方過渡段，6、第一方管段，7、可視化測試段，8、顆粒收集管段，9、第二方管段，10、收集箱，11、第四壓力傳感器，12、第三壓力傳感器，13、門閥，14、顆粒儲存室，15、第二壓力傳感器，16、第一壓力傳感器，17、第一固定螺釘，18、可替換內(nèi)芯，19、內(nèi)芯安裝塊，20、第二固定螺釘。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明包括高氣壓段2、爆破隔膜3、氣壓段4、圓變方過渡段5、第一方管段6、可視化測試段7、第二方管段9和收集箱10；高壓氣瓶1的輸出端依次經(jīng)高氣壓段2、氣壓段4后與第一方管段6的入口端連接，高氣壓段2和氣壓段4端口之間設(shè)有爆破隔膜3，通過改變爆破隔膜厚度改變控制馬赫數(shù)，氣壓段4和第一方管段6之間通過圓變方過渡段5連接，打開高壓氣瓶，使高氣壓段與氣壓段產(chǎn)生一定的氣壓比，通過爆破隔膜爆破的方式獲得激波，激波依次經(jīng)氣壓段4、圓變方過渡段5、第一方管段6、可視化測試段7和第二方管段9后進(jìn)入收集箱10。

如圖1所示，第一方管段6的出口端依次經(jīng)可視化測試段7、第二方管段9后與收集箱10，可視化測試段7頂端安裝連接有存儲有固體顆粒的顆粒儲存釋放組件，底端安裝連接有豎直的顆粒收集管段8，顆粒收集管段8正下方設(shè)有動(dòng)態(tài)稱重天平，通過顆粒儲存釋放組件釋放固體顆粒，固體顆粒受重力下落穿過可視化測試段7形成顆粒簾，再經(jīng)顆粒收集管段8后落在動(dòng)態(tài)稱重天平上；第一方管段6上安裝有沿軸向方向間隔布置的第一壓力傳感器16與第二壓力傳感器15，第二方管段9上安裝有沿軸向方向間隔布置的第三壓力傳感器12和第四壓力傳感器11。

如圖2所示，顆粒儲存釋放組件包括內(nèi)芯安裝塊19、可替換內(nèi)芯18、顆粒儲存室14和門閥13，內(nèi)芯安裝塊19底端通過第一固定螺釘17固定安裝在可視化測試段7頂端的端口處，內(nèi)芯安裝塊19頂端和顆粒儲存室14連接，顆粒儲存室14中部安裝有用于釋放顆粒的門閥13，未打開門閥前顆粒均置于顆粒儲存室14上部并被門閥13承托；內(nèi)芯安裝塊19內(nèi)安裝可替換內(nèi)芯18，內(nèi)芯安裝塊19內(nèi)壁頂端與可替換內(nèi)芯18頂端為坡度相同的斗狀結(jié)構(gòu)，斗狀結(jié)構(gòu)的大端與顆粒儲存室14內(nèi)孔相接并且尺寸相同，可替換內(nèi)芯18通過第二固定螺釘20固定在替芯安裝塊19內(nèi)部，可替換內(nèi)芯18內(nèi)部開有用于顆粒通過的狹長縫隙。顆粒收集管段8安裝在內(nèi)芯安裝塊19中心通孔正下方對應(yīng)的可視化測試段7底端端口處。

具體實(shí)施的門閥13為一塊板，抽出門閥13即使得顆粒儲存室14內(nèi)的顆粒下落，經(jīng)內(nèi)芯安裝塊19喇叭口后進(jìn)入可替換內(nèi)芯18中心縫隙，在落到可視化測試段7中。

本發(fā)明的實(shí)施例及其具體實(shí)施工作過程如下：

通過爆破隔膜3爆破的方式產(chǎn)生激波，激波依次經(jīng)氣壓段4、圓變方過渡段5、第一方管段6、可視化測試段7和第二方管段9后進(jìn)入收集箱10，顆粒儲存器裝入顆粒，門閥打開通過顆粒儲存釋放組件釋放固體顆粒，顆粒通過測試段入口通道進(jìn)入激波管，固體顆粒依靠重力下落產(chǎn)生顆粒簾，下落依次穿過可視化測試段7、顆粒收集管段8后落在動(dòng)態(tài)稱重天平上。

通道內(nèi)安裝可替換式內(nèi)芯，用于控制顆粒簾厚度，使用高速攝影儀對可視化測試段進(jìn)行高速攝影，測得顆粒簾厚度、寬度及下落速度，結(jié)合顆粒收集管段底部的動(dòng)態(tài)稱重天平，確定顆粒簾的初始體積分?jǐn)?shù)。

具體根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，通過對儲存室進(jìn)入測試段入口通道內(nèi)徑大小的控制實(shí)現(xiàn)對顆粒簾厚度d及體積分?jǐn)?shù)α的控制，利用顆粒簾寬度和厚度方向上的高速攝影，測得顆粒簾的寬度l、厚度d和下落速度u，利用動(dòng)態(tài)稱重天平測得質(zhì)量流量實(shí)驗(yàn)測試段內(nèi)徑高H及顆粒密度ρ已知，具體是采用以下公式分別計(jì)算獲得相關(guān)體積分?jǐn)?shù)和體積流量：

顆粒通過測試段時(shí)間：

顆粒體積體積流量：

顆粒體積：V_p＝q_pv·Δt

顆粒簾體積：V＝dlH

體積分?jǐn)?shù)：

利用不同厚度的爆破隔膜獲得不同的壓力比，通過破膜方式得到的激波穿過氣壓段和第一方管段，經(jīng)過第一、二壓力傳感器，可得到準(zhǔn)確的激波馬赫數(shù)。

使用縫隙厚度為2、4、6mm的可替換內(nèi)芯18進(jìn)行實(shí)驗(yàn)不同材質(zhì)的顆粒的激波與顆粒群相互作用的實(shí)驗(yàn)，得到不同體積分?jǐn)?shù)及顆粒簾厚度條件下顆粒與激波的相互作用的t-x圖，從中進(jìn)行分析，得到規(guī)律。不同體積分?jǐn)?shù)條件下得到的t-x圖像如圖4，從圖4中能得到，隨著體積分?jǐn)?shù)的增大，顆粒對激波的曳力增大，激波衰減越發(fā)明顯。

在可視化測試段與顆粒簾相互作用，利用紋影儀得到激波與稠密顆粒連相互作用的影像，使用高速攝影儀記錄。實(shí)施例高速攝影儀記錄的激波與顆粒簾相互作用實(shí)驗(yàn)過程如圖5，A為激波與顆粒簾相互作用前的示意圖，B為激波與顆粒簾相互作用中的示意圖，C為激波與顆粒簾相互作用后的示意圖。

激波與穿過顆粒簾繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過第三、四壓力傳感器，得到另一組馬赫數(shù)，最終到達(dá)收集箱。在可視化測試段，激波經(jīng)過可視化測試段7時(shí)和顆粒發(fā)生碰撞，使用紋影儀將可視化測試段7處激波和顆粒碰撞產(chǎn)生的激波-顆粒相互作用和顆粒-顆粒相互作用反映成影像，同時(shí)用高速攝影儀記錄影像。如圖5截取三個(gè)實(shí)驗(yàn)階段不同時(shí)刻的圖像不并且通過四個(gè)壓力傳感器采集壓力數(shù)據(jù)。

然后通過前后壓力傳感器得到的數(shù)據(jù)獲得激波馬赫數(shù)的衰減變化。

由此可見，本發(fā)明能夠用于觀察和分析激波反射與透射、顆粒簾厚度變化等行為和規(guī)律的實(shí)驗(yàn)，采用更換可替換內(nèi)芯的方法改變體積分?jǐn)?shù)，在節(jié)約材料、降低成本的同時(shí)更好地調(diào)控體積分?jǐn)?shù)，使得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。