大尺寸可视圆柱爆轰实验装置及爆轰实验光学记录方法

本发明属于爆轰实验技术领域，具体涉及大尺寸可视圆柱爆轰实验装置及爆轰实验光学记录方法。

背景技术：

爆轰过程不仅是一个流体动力学过程，还包括复杂的化学反应动力学过程，两者互相影响、互相耦合，与此同时伴随着热、光、电等效应。爆轰同周围介质相互作用时，周围介质中会产生激波或应力波，推动物体运动，造成物体破坏。爆轰现象的研究通常包括爆轰的起爆、爆轰波的结构和爆轰同周围介质的相互作用等问题。

实验室内的爆轰传播实验主要是在圆形或者矩形截面管道中进行，而对于圆柱爆轰波，通常在圆盘形通道内进行。现有的实验装置通常尺寸较小，无法进行大尺度的实验，这限制了实验中胞格尺寸的大小以及对于爆轰波胞格结构的研究的程度。对于大尺寸的圆柱爆轰实验装置，困难主要在于如何精确的控制圆柱形腔的厚度，以及如何实现快速的拆装操作。由于尺寸比较大，装置的部件比较重，原始的利用烟膜获得胞格的手段很耗时耗力，容易产生气密性的问题。因此，需要使用光学记录技术，利用长曝光快门来捕捉胞格结构和爆轰波速度的测量。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种大尺寸、拆装方便、坚固耐用、可变厚度以及可视的圆柱爆轰实验装置和相应的光学记录方法，可用于捕捉爆轰波的胞格结构、波阵面和爆轰波速度的测量。

本发明提供了一种大尺寸可视圆柱爆轰实验装置，包括爆轰装置、高能点火电路、同步电路及光学记录设备，所述爆轰装置包括光学玻璃板、遮光板、密封圈、固定圆盘、定位块及预爆轰管；所述光学玻璃板与所述固定圆盘间隔设置，所述密封圈设置于所述光学玻璃板和所述固定圆盘之间，所述固定圆盘和所述光学玻璃板之间的间距用精密加工的所述定位块确定，所述定位块的厚度小于所述密封圈的厚度，所述圆形遮光板设置于所述光学玻璃板背离爆轰波冲击的一面圆心处，所述圆形遮光板的直径大于所述预爆轰管的直径，所述固定圆盘的直径等于所述光学玻璃板，所述预爆轰管设置于所述固定圆盘的中心处；所述同步电路用于同步所述光学记录设备的快门和所述高能点火电路，所述光学记录设备正对所述光学玻璃板设置。

作为一种优选：所述预爆轰管的长度范围为1000～1500mm，所述固定圆盘直径范围为800～1200mm，厚度范围为10～20mm；所述光学玻璃板直径与所述固定圆盘相同，厚度范围为20～40mm；所述光学玻璃板与所述固定圆盘的间距为5mm～25mm。

作为一种优选：所述光学记录设备为高速摄像机；或者，所述光学记录设备为单反相机。

作为一种优选：所述爆轰装置还包括用于固定所述固定圆盘和所述光学玻璃的夹具。

本发明还提供了一种爆轰实验实验光学记录方法，使用如上述的大尺寸可视圆柱爆轰实验装置，具体步骤为：

步骤一、通过高能点火电路将预爆轰管内混合气体引燃，爆轰波从预爆轰管向圆柱腔内传播；

步骤二、点火同时，通过同步电路触发光学记录设备的快门，通过设置延时时间的长短从而得到不同时刻的爆轰波阵面结构。

作为一种优选：若设置较短的延时时间，高速摄像机可以捕捉瞬时的波阵面结构，从而用于测速，其特征在于：延时时间范围为2.5毫秒-0.25毫秒。

作为一种优选：设置较长的延时时间，单反相机可以积分不同时刻的波阵面结构，用于捕捉爆轰波胞格结构，其特征在于：延时时间范围为0.8秒-1.4秒之间。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1)大尺寸圆柱爆轰实验装置，可以在更宽的尺寸范围和较小的初始压力下进行爆轰实验；

2)通过同步电路，同步可燃气体的点火和照相机光学快门触发时间，从而可以更为精确的测量爆轰波的传播速度、记录捕捉爆轰波的胞格结构和波阵面结构；

3)通过定位块和密封圈的组合，实现了圆柱腔厚度的扩展，从而可进行更大范围的实验研究。

附图说明

图1大尺寸可视圆柱爆轰实验装置以及光学记录方法示意图；

图2大尺寸可视圆柱爆轰实验装置示意图；

图3大尺寸可视圆柱爆轰实验装置连接示意图；

图4固定圆盘示意图；

图5预爆轰管示意图；

图6底座和支架连接示意图；

图7底座、支架和固定圆盘连接示意图；

图8光学记录方法得到的胞格和波阵面结构。

图中：1-光学玻璃板；2-遮光板；3-密封圈；4-夹具；5-固定圆盘；6-定位块；7-预爆轰管；8-支架；9-底座；10-第一螺栓；11-第二螺栓；12-气瓶组；13-气路控制面板；14-真空泵；15-高能点火电路；16-同步电路；17-光学记录设备；18-第一螺纹通孔；19-第二螺纹通孔；20-凹槽；21-定位槽；22-小螺纹孔；23-螺纹孔。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明，但本发明不只限于该实例。

本发明的一种大尺寸可视圆柱爆轰实验装置以及光学记录方法，装置如图1和图2所示：大尺寸可视圆柱爆轰实验装置包括：光学玻璃板1，遮光板2，密封圈3，夹具4，固定圆盘5，定位块6，预爆轰管7，支架8和底座9。辅助设备，如图1所示，包括气瓶组12，气路控制面板13，真空泵14，高能点火电路15，同步电路16，光学记录设备17构成。

光学玻璃板1为一大尺寸钢化玻璃，厚度足够承受负压下的爆轰压力，厚度范围为20～40mm。特征在于光学玻璃板1外侧背离爆轰波冲击的一面圆心处需要粘贴一圆形遮光板2，直径略大于预爆轰管7的直径。固定圆盘5为钢制，直径与光学玻璃板1一致，固定圆盘5中心处加工有第二螺纹通孔19，用于连接预爆轰管7。固定圆盘5内侧外缘加工有凹槽20，用于安装矩形截面密封圈3。凹槽20的外侧加工有轴对称的八个定位槽21，用于安装定位块6。固定圆盘5和光学玻璃1之间用多个夹具4固定，便于拆装。固定圆盘5沿着十字轴心加工有多组第一螺纹通孔18，用于安装传感器。固定圆盘5和光学玻璃板1之间的间距用精密加工的定位块6确定，定位块6的厚度小于密封圈5的厚度，保证在压缩密封圈5保证气密性的情况下维持圆柱腔的厚度。

底座9通过四组第一螺栓10连接支架，之间通过四组第二螺栓11连接固定圆盘。

预爆轰管7为紫铜材料，一端通过螺纹与固定圆盘连接，一端封闭，但是端面上加工有三个轴对称的小螺纹孔22和一个处于中心处的螺纹孔23，分别用以连接气路和点火枪。

同步电路16用于同步高速摄像机(单反相机)17的快门和高能点火电路15的开关。

触发相机与触发点火器之间时间间隔为ttotal，计算公式为：ttotal＝tignition+ttransition+tothers

其由三部分组成，其中tignition为点火器点火时间，ttransition为爆轰波传播至圆柱平面所需时间，tothers为电信号由延时继电器传播至相机以及点火器所需时间。

1.由于电信号以光速传播，因此tothers可忽略不计；

2.点火器点火时间tignition计算步骤如下：

点火器总能为etotal，由点火器说明书可得其值，计算公式为：

其中rspark为电火花电阻，i为电流，其计算公式为：

式中a为幅值，e为自然底数，ωa为衰减频率，β为衰减系数，其计算公式为，

其中rt为电路中总电阻，f为电路总电感，ωn为自然频率，

ωa与ωn的计算公式为，

其中t周期，阻尼系数γ均已知，γ为电路总电容。

电路总电阻rt为，

rt＝2fβ＝rspark+rcircle

其中rcircle为回路电阻

联立上式可得

从而求得点火时间tignition；

3.爆轰波传播至圆柱平面所需时间ttransition可由下式求得，

其中为预爆轰管的长度，adetonation为爆燃转爆轰的近似加速度，由初始压力以及可燃气体组分决定。

综上可求得触发相机与触发点火器之间的时间间隔ttotal。

本发明提供一种爆轰实验光学记录方法，实施步骤如下：

步骤s0，选择平整地面放置底座9，通过第一螺栓10固定两个支架8，通过第二螺栓11连接支架8和固定圆盘5。安装密封圈3和定位块6，安装光学玻璃板1和遮光板2。通过夹具4夹紧固定圆盘5和光学玻璃板1，通过定位块6形成圆柱腔。按照上述说明和图2和图3组装成大尺寸可视圆柱爆轰实验装置；

步骤s1，通过pu管连接气瓶组12、真空泵14和气路控制面板13，而后将气路控制面板13连接到预爆轰管7。通过电缆连接高能点火电路15和点火枪，点火枪通过螺纹固定到预爆轰管7上；

步骤s2，通过真空泵14抽真空，使用所述气路控制面板13将预先配好的一定比例混合气体通入预爆轰管7中，而后关闭预爆轰管阀门；

步骤s3，通过高能点火电路15将预爆轰管7内的混合气体起爆，在预爆轰管7内形成爆轰波，然后进入圆柱腔形成圆柱爆轰波。

步骤s4，通过同步电路16，触发光学记录设备17快门记录波阵面结构或者爆轰波胞格结构，如图8所示。

以上所述的，仅为本发明的较佳实验例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所做的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明的权利要求保护范围。