诱发强激波的分阶段进气装置及方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911055377.6 (22)申请日 2019.10.31 (71)申请人 西安交通大学 地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号 (72)发明人 张英佳孙五川黄文林黄佐华 (74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任 公司 61200 代理人 李鹏威 (51)Int.Cl. G01M 15/02(2006.01) G01M 10/00(2006.01) (54)发明名称 一种诱发强激波的分阶段进气装置及方法 (57)摘要 本发明公开了一种诱发强激波的分阶段进 气。

2、装置及方法， 一种诱发强激波的分阶段进气装 置， 包括依次连接且同轴设置的拓展段、 驱动段、 夹膜段和实验段， 所述拓展段与驱动段之间通过 阀门连通， 所述夹膜段设置在驱动段与实验段之 间， 且夹膜段与驱动段之间以及夹膜段与实验段 之间分别设置有用于隔开腔室的膜片， 所述压力 传感器的信号输出端通过信号转换器连接至数 据采集器， 所述数据采集器用于采集压力传感器 收集的电压信号， 所述拓展段、 驱动段、 夹膜段和 实验段分别通过阀门连接在输气管道上， 所述输 气管道上连接有用于为拓展段进行充气的拓展 气体罐。 本发明可大幅降低稀有资源氦气的使 用， 节约了实验成本， 能显著拓宽激波管高压实 验。

3、测量物理边界。 权利要求书2页 说明书4页 附图1页 CN 110686902 A 2020.01.14 CN 110686902 A 1.一种诱发强激波的分阶段进气装置， 其特征在于， 包括依次连接且同轴设置的拓展 段(1)、 驱动段(3)、 夹膜段(4)和实验段(5)， 所述拓展段(1)与驱动段(3)之间通过阀门(2) 连通， 且夹膜段(4)与驱动段(3)之间以及夹膜段(4)与实验段(5)之间分别设置有用于隔开 夹膜段(4)和实验段(5)的膜片， 所述实验段(5)的末端连接有压力传感器， 所述压力传感器 的信号输出端通过信号转换器(8)连接至数据采集器(9)， 所述数据采集器(9)用于采集。

4、压 力传感器收集的电压信号， 所述拓展段(1)、 驱动段(3)、 夹膜段(4)和实验段(5)分别通过阀 门连接在输气管道(17)上， 所述输气管道(17)上连接有用于为拓展段(1)进行充气的拓展 气体罐(14)。 2.根据权利要求1所述的一种诱发强激波的分阶段进气装置， 其特征在于， 所述阀门 (2)的内径与拓展段(1)内径和驱动段(3)内径相同。 3.根据权利要求1所述的一种诱发强激波的分阶段进气装置， 其特征在于， 所述压力传 感器包括第一压力传感器(6)和第二压力传感器(7)， 其中， 所述第一压力传感器(6)设置有 多个， 且第一压力传感器(6)设置在实验段(5)的侧壁上， 所述第二压。

5、力传感器(7)设置在实 验段(5)的末端。 4.根据权利要求1所述的一种诱发强激波的分阶段进气装置， 其特征在于， 所述输气管 道(17)上还分别通过阀门连接有混气罐(10)、 氮气罐(12)、 氦气罐(13)， 所述氦气罐(13)或 氮气罐(12)和氦气罐(13)作为驱动气体用于为驱动段(3)充气， 所述混气罐(10)用于存储 待进行测试的气体为实验段(5)充气， 所述输气管道(17)通过通气管(18)连通大气， 通气管 (18)上设置有阀门。 5.根据权利要求1所述的一种诱发强激波的分阶段进气装置， 其特征在于， 所述输气管 道(17)上还连接有一真空泵(11)， 所述真空泵(11)用于为。

6、拓展段(1)、 驱动段(3)、 夹膜段 (4)和实验段(5)抽真空。 6.根据权利要求1所述的一种诱发强激波的分阶段进气装置， 其特征在于， 所述输气管 道(17)上通过阀门连接有用于监测输气管道内以及拓展段(1)、 驱动段(3)和夹膜段(4)的 气体压力的第二压力计(16)， 所述实验段(5)上通过阀门连接有用于监测实验段气体压力 的第一压力计(15)。 7.根据权利要求1所述的一种诱发强激波的分阶段进气装置， 其特征在于， 所述拓展段 (1)、 驱动段(3)、 夹膜段(4)和实验段(5)内径相同。 8.根据权利要求1所述的一种诱发强激波的分阶段进气装置， 其特征在于， 所述拓展气 体罐(1。

7、4)内为空气、 氮气或二氧化碳。 9.根据权利要求1所述的一种诱发强激波的分阶段进气装置， 其特征在于， 所述第一压 力传感器(6)采用PCB 113B22， 所述第二压力传感器(7)采用PCB113B03。 10.根据权利要求1-9任一项所述的进气装置的工作方法， 其特征在于， 包括如下步骤： 1)根据实验需求， 由激波方程计算达到目标工况下所需驱动气体压力和实验气体压 力， 并根据驱动气体压力和实验气体压力确定夹膜段(4)气体压力值； 在夹膜段(4)与驱动 段(3)之间以及夹膜段(4)与实验段(5)之间夹入膜片， 打开阀门(2)， 将拓展段(1)、 驱动段 (3)、 夹膜段(4)和实验段(。

8、5)抽至真空状态， 之后关闭阀门(2)； 2)向夹膜段(4)、 驱动段(3)通入驱动气体， 在通入过程中保证夹膜段(4)与驱动段(3) 之间以及夹膜段(4)与实验段(5)之间的压差小于许用压差， 当夹膜段(4)气体压力达到夹 权利要求书 1/2 页 2 CN 110686902 A 2 膜段(4)气体压力值时， 夹膜段(4)停止进气， 驱动段(3)继续进入驱动气体直至达到目标工 况下所需驱动气体压力； 3)向拓展段(1)通入拓展气体， 直至拓展段(1)与驱动段(3)的压力相同； 然后， 将实验 气体进入实验段(5)， 直至达到实验气体压力后停止通气， 然后将数据采集器(9)调至自动 记录数据状。

9、态； 4)打开阀门(2)， 然后将夹膜段(4)连通大气， 膜片因为压力变化超过许用压力而破裂， 此时， 激波产生并沿着驱动段(3)轴线方向向实验段(5)传播， 当激波经过实验段(5)的压力 传感器时， 压力传感器捕捉压力上升信号， 然后经由信号转换器(8)进行信号转换， 转换后 的信号进入数据采集器(9)， 数据采集器(9)开始记录实验段(5)内实验气体的压力随时间 变化的信号， 当激波达到试实验段(5)末端经端面反射， 实验段(5)内的实验气体的温度和 压力再一次达到实验所需， 然后对数据采集器(9)的电压信号进行处理， 得到实验气体的自 着火时间、 着火温度和压力。 权利要求书 2/2 页。

10、 3 CN 110686902 A 3 一种诱发强激波的分阶段进气装置及方法 技术领域 0001 本发明涉及激波管实验领域， 具体涉及一种诱发强激波的分阶段进气装置及方 法。 背景技术 0002 以计算流体力学(CFD)仿真为基础的现代化发动机设计方法已广泛应用于企业和 型号研究所对新产品的开发。 燃烧反应模型作为CFD仿真的必要化学源项， 其可靠性和准确 性将直接影响对燃烧室结构的设计和优化。 点火延迟期作为重要的基础燃烧参数， 其宽工 况下准确的实验表征对于燃烧反应模型开发尤为关键。 激波管装置可产生强激波诱导实验 流体在瞬时达到高温高压， 并在毫秒时间内保持恒温恒压的近绝热环境， 是国际。

11、上点火延 迟期测量的主流装置。 0003 激波管通过夹膜段两侧的高值驱动气体和待测实验气体之间的压差产生激波， 通 过激波与流体介质间的能量传递， 诱发可燃混合气着火。 其中， 激波管驱动段的长度和实验 段的直径均显著影响其性能。 具体为： 驱动段长度越长， 有效实验时间越长， 可测温度范围 更广； 实验段的直径越大， 边界层越小， 所得实验数据越理想。 传统激波管的驱动段、 夹膜 段、 实验段均采用同轴心等截面结构， 通过增加驱动段的长度和实验段直径等方式提高其 性能和拓展其可测范围， 但同时会大幅增加驱动气体的消耗。 一般而言， 分子量越小、 绝热 指数越大的气体如氢气、 氦气是较为理想的。

12、强激波驱动气。 但氢气具有高扩散性和强爆炸 性， 有潜在安全问题， 因此， 氦气作为驱动气是国际主流研究方法。 然而， 氦气是国防军工和 高科技发展不可或缺的稀有战略物资， 我国氦气资源相当匮乏， 含量低， 对外依存度大， 价 格昂贵。 解决激波管氦气使用成本与强激波产生的平衡难题势在必行。 发明内容 0004 本发明的目的在于解决上述问题， 提供一种诱发强激波的分阶段进气装置及方 法， 解决现有激波管技术高成本的问题。 0005 为实现上述目的， 本发明提供如下技术方案： 0006 一种诱发强激波的分阶段进气装置， 包括依次连接且同轴设置的拓展段、 驱动段、 夹膜段和实验段， 所述拓展段与驱。

13、动段之间通过阀门连通， 且夹膜段与驱动段之间以及夹 膜段与实验段之间分别设置有用于隔开夹膜段和驱动段的膜片， 所述实验段的末端连接有 压力传感器， 所述压力传感器的信号输出端通过信号转换器连接至数据采集器， 所述数据 采集器用于采集压力传感器收集的电压信号， 所述拓展段、 驱动段、 夹膜段和实验段分别通 过阀门连接在输气管道上， 所述输气管道上连接有用于为拓展段进行充气的拓展气体罐。 0007 进一步的， 所述阀门(2)的内径与拓展段(1)内径和驱动段(3)内径相同。 0008 进一步的， 所述压力传感器包括第一压力传感器和第二压力传感器， 其中， 所述第 一压力传感器设置有多个， 且第一压力。

14、传感器设置在实验段的侧壁上， 所述第二压力传感 器设置在实验段的末端。 说明书 1/4 页 4 CN 110686902 A 4 0009 进一步的， 所述输气管道上还分别通过阀门连接有混气罐、 氮气罐、 氦气罐， 所述 氦气罐或氦气罐和氮气罐作为驱动气体用于为驱动段充气， 所述混气罐用于存储待进行测 试的气体为实验段充气， 所述输气管道通过通气管连通大气， 通气管上设置有阀门。 0010 进一步的， 所述输气管道上还连接有一真空泵， 所述真空泵用于为拓展段、 驱动 段、 夹膜段和实验段抽真空。 0011 进一步的， 所述输气管道上通过阀门连接有用于监测输气管道内以及拓展段、 驱 动段和夹膜段。

15、的气体压力第二压力计， 所述实验段上通过阀门连接有用于监测实验段气体 压力的第一压力计。 0012 进一步的， 所述拓展段、 驱动段、 夹膜段和实验段内径相同。 0013 进一步的， 所述拓展气体罐内为空气、 氮气或二氧化碳。 0014 进一步的， 所述第一压力传感器采用PCB 113B22， 所述第二压力传感器采用 PCB113B03。 0015 本发明还提供了一种诱发强激波的分阶段进气装置的工作方法， 包括如下步骤： 0016 1)根据实验需求， 由激波方程计算达到目标工况下所需驱动气体压力和实验气体 压力， 并根据驱动气体压力和实验气体压力确定夹膜段气体压力值； 在夹膜段与驱动段之 间以。

16、及夹膜段与实验段之间夹入膜片， 打开阀门， 通过真空泵将拓展段、 驱动段、 夹膜段和 实验段抽至真空状态， 之后关闭阀门； 0017 11)向夹膜段、 驱动段通入驱动气体， 在通入过程中保证夹膜段与驱动段之间以及 夹膜段与实验段之间的压差小于许用压差， 当夹膜段气体压力达到夹膜段气体压力值时， 关闭夹膜段进气， 驱动段继续进入驱动气体直至达到目标工况下所需驱动气体压力停止进 气； 0018 12)向拓展段通入拓展气体， 直至拓展段与驱动段的压力相同； 然后， 将混气罐中 实验气体进入实验段， 直至达到实验气体压力后停止通气， 然后将数据采集器调至自动记 录数据状态； 0019 2)打开阀门， 。

17、然后将夹膜段连通大气， 膜片因为压力变化超过许用压力而破裂， 此 时， 激波产生并沿着驱动段轴线方向向实验段传播， 当激波经过实验段的压力传感器时， 压 力传感器捕捉压力上升信号， 然后经由信号转换器进行信号转换， 转换后的信号进入数据 采集器， 数据采集器开始记录实验段内实验气体的压力随时间变化的信号， 当激波达到试 实验段末端经端面反射， 实验段内的实验气体的温度和压力再一次达到实验所需， 然后对 数据采集器的电压信号处理， 得到实验气体的自着火时间和着火温度和压力。 0020 与现有技术相比， 本发明至少具有如下有益效果： 0021 本发明提出了一种诱发强激波的分阶段进气装置， 其使用阀。

18、门隔开拓展段和驱动 段， 驱动段中充入的是氦气或氦气和氮气作为驱动气体， 在保证激波强度的同时增加有效 实验时间， 实验的温度要求区间更大， 拓展段相当于进一步的延长了驱动段的总长度， 且拓 展段中充入相对于氦气价值更低的拓展气体， 可大幅降低稀有资源氦气的使用， 节约了实 验成本， 另外， 本发明实验装置安全简易， 易于操作， 实验范围更加宽广， 更具有经济性。 0022 本发明还提供一种诱发强激波的分阶段进气方法， 向每个腔室充入满足实验要求 的气体体积， 然后打开拓展段和驱动段的阀门的同时使夹膜段接通大气， 使夹膜段的膜片 因为压差而破裂， 达到实验目的， 相比传统整体驱动段的氦气充入方。

19、法， 本发明采用驱动段 说明书 2/4 页 5 CN 110686902 A 5 充入氦气或氦气和氮气， 在拓展段中充入拓展气体， 可以使本发明在保证激波强度的同时 增加有效时间， 节约成本， 并且本发明的实验压力越高， 效果越显著， 能显著拓宽激波管高 压实验测量物理边界。 附图说明 0023 图1为本发明的结构示意图； 0024 附图中： 1-拓展段， 2-阀门， 3-驱动段， 4-夹膜段， 5-实验段， 6-第一压力传感器， 7- 第二压力传感器， 8-信号转换器， 9-数据采集器， 10-混气罐， 11-真空泵， 12-氮气罐， 13-氦 气罐， 14-拓展气体罐， 15-第一压力计，。

20、 16-第二压力计， 17-输气管道， 18-通气管。 具体实施方式 0025 下面结合附图对本发明进一步详细说明。 0026 如图1所示的一种诱发强激波的分阶段进气装置， 包括依次连接且同轴设置的拓 展段1、 驱动段3、 夹膜段4和实验段5， 所述拓展段1与驱动段3之间通过阀门2连通， 所述夹膜 段4设置在驱动段3与实验段5之间， 且夹膜段4与驱动段3之间以及夹膜段4与实验段5之间 分别设置有用于隔开腔室的膜片， 所述实验段5的末端连接有压力传感器， 所述压力传感器 的信号输出端通过信号转换器8连接至数据采集器9， 所述数据采集器9用于将信号转换器8 转换后的电压信号转换为压力信号， 所述拓。

21、展段1、 驱动段3、 夹膜段4和实验段5分别通过阀 门连接在输气管道17上， 所述输气管道17上连接有用于为拓展段1进行充气的拓展气体罐 14。 0027 进一步的， 所述拓展段、 驱动段、 夹膜段和实验段内径相同， 所述阀门(2)的内径与 拓展段(1)内径和驱动段(3)内径相同， 所述阀门2优选高压涡轮球阀。 0028 进一步的， 所述压力传感器包括第一压力传感器6和第二压力传感器7， 其中， 所述 第一压力传感器6设置有多个， 且第一压力传感器6设置在实验段5的侧壁上， 所述第二压力 传感器7设置在实验段5的末端。 0029 进一步的， 所述输气管道17上还分别通过阀门连接有混气罐10、 。

22、氮气罐12、 氦气罐 13， 所述氦气罐13或氮气罐12和氦气罐13作为驱动气体用于为驱动段3充气， 所述混气罐10 用于存储待进行测试的气体为实验段5充气， 所述输气管道17通过通气管18连通大气， 通气 管18上设置有阀门。 0030 进一步的， 所述输气管道17上还连接有一真空泵， 所述真空泵用于为拓展段1、 驱 动段3、 夹膜段4和实验段5抽真空， 在真空泵准备抽真空阶段， 由于阀门2阀体的内部球体空 间也需要抽至真空， 因此需要打开阀门2。 0031 本发明通过打开拓展段1和驱动段3之间的阀门2然后通过通气管18将夹膜段4连 通大气， 然后驱动段3和实验段5的压差冲破夹膜段4两端的膜。

23、片， 产生入射压缩激波向实验 段5传播， 波后待测流体温度和压力瞬间升高， 同时正压差反方向会产生扇形稀疏膨胀波， 并沿着实验段5轴线方向向驱动段3传播； 在本发明的某一实施例中， 打开阀门2， 然后在5S 内通过通气管18将夹膜段4连通大气。 0032 由于激波管运行时驱动气体和实验气体不发生质量交换， 因此破膜后会形成一个 接触面。 开始时接触面和激波基本重合， 但由于其运动速度小于激波传播速度， 因此会随着 说明书 3/4 页 6 CN 110686902 A 6 流动距离增加， 接触面与激波的间距不断扩大。 入射激波在实验段5末端反射， 形成二次反 射激波， 再次提升实验气体的温度和压。

24、力， 对实验气体进行二次加压加温， 通过驱动气体和 实验气体压力来调控二次波后的压力和温度， 达到预设的实验条件。 实验段5气体末端装有 压力传感器， 当入射激波经过第一压力传感器6时， 触发着火诊断系统， 数据采集器9开始记 录各传感器的输出信号； 通过激波到达第一压力传感器6各个传感器的时间间隔以及各个 传感器的安装位置可以获得入射激波速度， 再由一维激波方程推算出自着火温度； 通过第 二压力传感器7捕捉的压力上升信号可以获得压力以及自点火时间。 至此， 可以得到燃料在 设定压力和温度条件下的自点火时间。 对于稀疏膨胀波， 到达驱动段3端面后同样发生反 射， 致使稀疏波头朝向以声速实验段5。

25、方向传播并追赶接触面。 0033 由上述分析可知， 激波管可实现的最长有效实验时间受制于二次反射激波后实验 段5气体高压高温状态可维持时间， 影响该状态的主要因素是二次反射激波或稀疏波与接 触面接触后再次反射非定常波干扰波后气体状态， 对于该影响通常使用缝合接触面运行方 式， 即混合氦气和氮气， 按一定比例匹配驱动气分子量和绝热指数， 使二次反射激波与接触 面接触后完全投射而不发生任何反射。 显然， 缝合条件下， 波后实验气体状态仅取决于反射 稀疏膨胀波波头到达接触面的时间。 采用缝合接触面运行方式， 有效实验时间显著提升。 因 此， 增加激波管驱动段3长度是延长有效实验时间最为行之有效的方法。

26、。 但是， 驱动段3体积 的增加必然导致氦气使用量的提升， 缝合条件尤为显著。 0034 本发明通过阀门2用于隔开拓展段1和驱动段3； 所述拓展段1充入相对于氦气价值 更低的拓展气体， 显著降低氦气使用成本， 同时可用于延长驱动段3总长度， 以提升有效实 验时间； 所述驱动段3充入的是氦气或氦气和氮气作为驱动气体， 驱动段3中的驱动气体需 满足可以产生强激波的要求， 氦气绝热指数大， 分子量小， 可以产生强激波， 其中氦气中可 混入氮气， 混合后的气体能够更加有效地拓展有效实验时间， 获得更大的实验温度区间。 说明书 4/4 页 7 CN 110686902 A 7 图1 说明书附图 1/1 页 8 CN 110686902 A 8 。