高反压环境下喷雾场脉动速度测量系统

1.本发明涉及液体火箭发动机喷嘴动态特性测量系统技术领域，尤其是涉及一种高反压环境下喷雾场脉动速度测量系统。


背景技术：

2.燃烧稳定性对与液体火箭发动机而言具有重要意义，推进剂喷嘴在发动机工作过程中不光起着雾化和掺混的作用，还具有相位调节和放大器的效果，其动态特性的好坏是影响发动机燃烧稳定性的重要因素。为了表征喷嘴的动态特性，最直接的方法便是研究喷嘴对谐波压力脉动的响应，喷嘴的动态响应将以出口参数的脉动为特征，其中一个总要出口参数为脉动喷雾场脉动速度(例如：脉动喷雾场内的一个设定位置的脉动速度)。因此对脉动喷雾场脉动速度的研究具有重要意义。
3.液体火箭发动机燃烧室室压高，一般可达几兆帕甚至十几兆帕，因此，目前亟需一种能够在高反压环境下测量脉动喷雾场脉动速度的装置。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种高反压环境下喷雾场脉动速度测量系统，以在一定程度上解决上述技术问题。
5.本发明提供了一种高反压环境下喷雾场脉动速度测量系统，包括：第一惰性气体瓶、工质储罐、脉动激发装置、工质流通管道、反压舱、第二惰性气体瓶、激光照射器和相机；所述反压舱包括舱体、设置在所述舱体内的喷嘴以及设置在所述舱体上的激光视窗口和相机视窗口；所述第一惰性气体瓶与所述工质储罐连通，所述工质流通管道连通在所述工质储罐和所述喷嘴之间，所述脉动激发装置与所述工质流通管道连接，以使所述工质流通管道内的工质产生脉动流量；所述相机设置在所述舱体外以与所述相机视窗口相对，所述激光照射器设置在所述舱体外以与所述激光视窗口相对；所述第二惰性气体瓶与所述舱体连通。
6.在第一惰性气体瓶和第二惰性气体瓶中均充入具有一定压力的惰性气体(例如：氮气)；使第二惰性气体瓶中惰性气体进入舱体内，以使舱体内具有一定的反压，使惰性气体进入工质储罐内，以将工质储罐内的工质挤压进入工质流通管道内，工质在工质流通管道内流动，脉动激发装置使工质流通管道内的工质产生脉动流量，脉动流量进入喷嘴，喷嘴将脉动流量在舱体内雾化，以在舱体内形成脉动喷雾场，激光照射器通过激光视窗口向舱体内照射激光，为相机摄像提供光源，相机对舱体内的脉动喷雾场进行拍摄，从而获得脉动喷雾图像。通过本发明提供的高反压环境下喷雾场脉动速度测量系统，可以在一定反压条件下测量得到脉动喷雾场中的某一粒子的速度，也可以得到脉动喷雾场中的某一位置的脉动速度，通过脉动速度可以研究在具有一定反压条件下，喷嘴喷雾场的动态特性以及液体燃料的非定常雾化。
7.进一步地，所述脉动激发装置包括信号发生器、功率放大器和电动激振台；所述信
号发生器与所述功率放大器通信连接，所述功率放大器与所述电动激振台通信连接；所述工质流通管道包括前段管道、激荡管道和后段管道，所述前段管道的一端与所述工质储罐连通，另一端与所述激荡管道的一端连通，所述激荡管道的另一端与所述后段管道的一端连接，所述后段管道的另一端与所述喷嘴连通，所述激荡管道的长度方向与所述水平方向相交设置；所述电动激荡台与所述激荡管道连通。
8.进一步地，所述高反压环境下喷雾场脉动速度测量系统还包括科式力流量计；所述科式力流量计连通在所述前段管道上。
9.进一步地，所述高反压环境下喷雾场脉动速度测量系统还包括控制阀，所述控制阀连接在所述前段管道上，以调节所述前段管道内的工质流量。
10.进一步地，所述高反压环境下喷雾场脉动速度测量系统还包括第一压力传感器，所述第一压力传感器设置在所述舱体上以检测所述舱体内的气体压力。
11.进一步地，所述高反压环境下喷雾场脉动速度测量系统还包括第二压力传感器，所述第二压力传感器设置在所述工质储罐上，以对所述工质储罐内的压力进行检测。
12.进一步地，高反压环境下喷雾场脉动速度测量系统还包括数采卡，所述第一压力传感器和所述第二压力传感器均与所述数采卡通信连接。
13.进一步地，所述激光照射器为面激光照射器，所述相机设置在与所述面激光照射器的激光面垂直的方向上。
14.进一步地，所述舱体上设有多个视窗口，其中，第一个所述视窗口为激光视窗口，第二个所述视窗口为相机视窗口，第三个所述视窗口为激光出口。
15.进一步地，所述工质储罐内添加有试验工质和荧光工质，所述荧光工质的颜色与所述激光照射器的激光光源相匹配。
16.应当理解，前述的一般描述和接下来的具体实施方式两者均是为了举例和说明的目的并且未必限制本公开。并入并构成说明书的一部分的附图示出本公开的主题。同时，说明书和附图用来解释本公开的原理。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例的高反压环境下喷雾场脉动速度测量系统的结构示意图；
19.图2为图1所示的高反压环境下喷雾场脉动速度测量系统实验时设定粒子的前一次曝光图像；
20.图3为图2所示的高反压环境下喷雾场脉动速度测量系统实验时设定粒子的后一次曝光图像；
21.图4为喷雾场速度矢量图；
22.图5为喷雾场速度矢量图中设定位置的脉动速度曲线；
23.图6为图5中的脉动速度曲线频谱图。
24.图标：1-第一惰性气体瓶；2-工质储罐；3-信号发生器；4-功率放大器；5-电动激振
台；6-前段管道；7-激荡管道；8-后段管道；9-反压舱；10-第二惰性气体瓶；11-激光照射器；12-相机；14-科式力流量计；15-控制阀；16-第一压力传感器；17-第二压力传感器；18-数采卡；19-计算机；20-视窗口。
具体实施方式
25.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
26.通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
27.基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.需要说明的是，本发明实施例中所述的“反压”是指喷嘴出口环境压力；“高反压”可以理解为喷嘴出口环境压力大于大气压。
31.如图1所示，本发明提供一种高反压环境下喷雾场脉动速度测量系统，包括：第一惰性气体瓶1、工质储罐2、脉动激发装置、工质流通管道、反压舱9、第二惰性气体瓶10、激光照射器11和相机12；反压舱9包括舱体、设置在舱体内的喷嘴以及设置在舱体上的激光视窗口和相机12视窗口；第一惰性气体瓶1与工质储罐2连通，工质流通管道连通在工质储罐2和喷嘴之间，脉动激发装置与工质流通管道连接，以使工质流通管道内的工质产生脉动流量；相机12设置在舱体外以与相机12视窗口相对，激光照射器11设置在舱体外以与激光视窗口相对；第二惰性气体瓶10与舱体连通。
32.本实施例中，在第一惰性气体瓶1和第二惰性气体瓶10中均充入具有一定压力的惰性气体(例如：氮气)；使第二惰性气体瓶10中惰性气体进入舱体内，以使舱体内具有一定的反压，使惰性气体进入工质储罐2内，以将工质储罐2内的工质挤压进入工质流通管道内，工质在工质流通管道内流动，脉动激发装置使工质流通管道内的工质产生脉动流量，脉动流量进入喷嘴，喷嘴将脉动流量在舱体内雾化，以在舱体内形成脉动喷雾场，激光照射器11通过激光视窗口向舱体内照射激光，为相机12摄像提供光源，相机12对舱体内的脉动喷雾场进行拍摄，从而获得脉动喷雾图像。
33.其中，可以以喷雾液滴作为示踪粒子，粒子的竖线粒子的瞬间轨迹以粒子图像的形式曝光记录在高速相机12，第一次曝光时间(t1)和第二次曝光时间(t2)时刻的某一粒子
的空间位置分别为和如图2和图3所示，对应在图像记录平面的位置分别为和其速度为：
[0034][0035]
其中，m为放大率。需要说明的是，m即观测喷雾场区域和成像平面之比，可采取标定的方式确认具体值，一般情况下m小于1。
[0036]
可以基于互相关算法的图像处理技术进行图像处理，从而得到喷雾场的脉动速度。具体的，互相关的两帧图像为数字图像(图像的像素大小可以为1024*1024)，可以将整个数字图像分割成很多个判读小区di(判读小区的像素大小可以根据需要来选择，例如：16*16或者32*32)，从而可以得到流场的速度向量数为：
[0037][0038]
其中，n
i1
代表水平方向像素数，n
i2
代表垂直方向像素数。
[0039]
从而得到喷雾场速度矢量图，经过标定便可得到喷雾场速度分布；提取喷雾场中某一固定位置的速度的时序变化，便可得到该喷雾场空间位置的脉动速度曲线。
[0040]
从而，通过本实施例提供的高反压环境下喷雾场脉动速度测量系统，可以在一定反压条件下测量得到脉动喷雾场中的某一粒子的速度，也可以得到脉动喷雾场中的某一位置的脉动速度，通过脉动速度可以研究在具有一定反压条件下，喷嘴喷雾场的动态特性以及液体燃料的非定常雾化。
[0041]
本实施例中，通过惰性气体将工质挤压进入工质流通管道，可以保障工质平稳；可以直接将雾化后的液滴作为示踪粒子，且是通过相机12拍摄从而实现测量，即为非接触测量，可以保障喷雾场信息的完整性；通过激光照射器11为舱体内的喷雾场提供光源，能够减小具有一定反压环境下因强气液剪切作用形成的反雾对拍摄视场信息的干扰，从而提高信噪比，进而使测量结果更准确；可以通过调节舱体内的气体压力，来测量不同反压条件下的喷雾场脉动速度，实用性好。
[0042]
作为一种可选方案，如图1所示，脉动激发装置包括信号发生器3、功率放大器4和电动激振台5；信号发生器3与功率放大器4通信连接，功率放大器4与电动激振台5通信连接；工质流通管道包括前段管道6、激荡管道7和后段管道8，前段管道6的一端与工质储罐2连通，另一端与激荡管道7的一端连通，激荡管道7的另一端与后段管道8的一端连接，后段管道8的另一端与喷嘴连通，激荡管道7的长度方向与水平方向相交设置；电动激荡台与激荡管道7连通。
[0043]
本实施例中，利用信号发生器3产生一定频率的正弦信号，正弦信号经过功率放大器4放大后传给电动激振台5，电动激振台5按给定频率信号上下周期性的往复运动，带动激振管道内的工质周期性运动，从而输出特定频率的脉动流量。其中，可以利用信号发生器3产生不同频率的正弦信号，利用功率放大器4输出功率的大小来调节脉动流量幅值的大小，也即可以基于信号发生器3和功率放大器4结合产生实验中需要的不同频率和不同幅值的
喷雾场振荡。本实施例提供的脉动喷雾场脉动速度测量装置中的脉动激发装置能够产生稳定的脉动流量，且在实验中可控，可实时调节，方便使用，实用性更强。
[0044]
如图1所示，在上述实施例基础之上，进一步地，高反压环境下喷雾场脉动速度测量系统还包括科式力流量计14；科式力流量计14连通在前段管道6上。本实施例中，工质由工质储罐2进入前段管道6后，再流过科式力流量计14，科式力流量计14能够测得前段管道6内的稳态流量。
[0045]
如图1所示，在上述实施例基础之上，进一步地，高反压环境下喷雾场脉动速度测量系统还包括控制阀15，控制阀15连接在前段管道6上，以调节前段管道6内的工质流量(例如：关闭前段管道6或者调节前段管道6的打开大小)。设置控制阀15，可以方便对前段管道6内的工质的流动进行调节。
[0046]
如图1所示，在上述实施例基础之上，进一步地，高反压环境下喷雾场脉动速度测量系统还包括第二压力传感器17，第二压力传感器17设置在工质储罐2上，以对工质储罐2内的压力进行检测。通过在舱体上设置第一压力传感器16，可以对舱体内的压力进行实时检测，从而可以对舱体内的反压大小控制精确，进而提高测量准确性。
[0047]
如图1所示，在上述实施例基础之上，进一步地，高反压环境下喷雾场脉动速度测量系统还包括第二压力传感器17，第二压力传感器17设置在工质储罐2上，以对工质储罐2内的压力进行检测。通过对工质储罐2内的压力进行检测，从而可以获得惰性气体对工质的挤压速度和挤压量。
[0048]
如图1所示，在上述实施例基础之上，进一步地，高反压环境下喷雾场脉动速度测量系统还包括数采卡18，第一压力传感器16、第二压力传感器17均与数采卡18通信连接。
[0049]
本实施例中，数采卡18可以采集第一压力传感器16和第二挤压压力传感器的数据，并将数据传输给计算机19，计算机19可以将数据进行分析计算，最终将压力信息显示在计算机19的显示屏上，使得工作人员可以随时了解第一惰性气体瓶1的压力以及第二惰性气体瓶10的压力。
[0050]
在上述实施例基础之上，进一步地，激光照射器11为面激光照射器11，相机12设置在与面激光照射器11的激光面垂直的方向上，这样可以使得计算过程简单，避免计算相机12与激光面之间的角度。
[0051]
如图1所示，在上述实施例基础之上，进一步地，所述舱体上设有多个视窗口20，其中，第一个所述视窗口20为激光视窗口，第二个所述视窗口20为相机视窗口，第三个所述视窗口20为激光出口，也即，激光照射器11在激光视窗口向舱体内射入激光，激光由激光出口射出，相机12在相机视窗口进行拍摄。
[0052]
其中，相机12可选采用高速相机，高速相机，相比起普通相机，高速相机具有高图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等优点。
[0053]
可以在工质储罐2内添加试验工质和荧光工质，荧光工质的颜色与激光照射器11的激光光源相匹配，这样使得追踪更加清晰，使得测量更加准确，具体地，可选择与一定波长的激光光源相匹配的染色剂作为荧光工质对试验工质进行染色，从而产生足够强度的荧光信号被相机所接收，保证对强气液剪切作用下雾滴的示踪效果。
[0054]
可以通过添加纳米固体示踪粒子，来测量在高反压环境下添加固体示踪粒子对喷雾速度场真实性有无影响。
[0055]
下面以具体示例来说明本发明实施例提供的高反压环境下喷雾场脉动速度测量系统的工作过程：
[0056]
压降0.45mpa、脉动频率100hz、反压1mpa，液体工质为水；第一惰性气体瓶1内的惰性气体将工质挤压进入前段管道6，工质流经科氏力流量计测得稳态流量；信号发生器3输出100hz的正弦信号，经功率放大器4放大，输出给电动激振台5，电动激振台5以100hz的频率上下振动并带动激振管道内的工质随之往复运动，从而产生并输出脉动流量至后段管道8内，脉动流量经过喷嘴雾化产生脉动喷雾场。第二惰性气体瓶10向舱体内充气达到1mpa，舱体上的第一压力传感器16对舱体内的压力进行实时监测。利用激光照射器11透过激光视窗口照射喷雾场，相机12垂直于激光面方向拍摄喷雾场，帧速率为20k每秒，曝光时间为1/80000s,将得到的喷雾图像进行互相关算法处理，得到如图4所示的速度矢量图，经过标定便可得到喷雾场速度分布，通过提取某一固定位置(如图4中方框区域)速度的时序变化，便可得到该喷雾场空间位置的脉动速度曲线，如图5所示，通过对所得脉动曲线频谱分析(fft)，发现速度脉动曲线频率与信号发生器3产生信号频率一致，如图6所示。
[0057]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。