专利名称：超声速piv流场测试实验中布撒示踪粒子的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及航空航天领域的风洞实验技术，尤其是涉及超声速Piv流场测试实验中布撒示踪粒子的方法及装置。
背景技术：
随着空间技术和高超声速武器装备技术的迅速发展，超/高超声速可压缩流动的研究及相关的实验测试技术得到极大的重视和发展，特别是高精度高分辨率的定量化速度场分布的测试技术。近年来粒子图像测速技术(PIV)在流场测速应用方面有了长足的发展，它突破传统单点测量限制，可瞬时无接触测量流场中一个截面上的速度分布，并且有较高的测量精度，在诸如超声速射流、剪切层流动、超燃冲压内流以及诸如拐角流、尖劈附着激波和圆柱脱体激波等超声速流场测量中得到了很好的测量结果。超/高超声速流动区别于低速流动最显著特点是激波现象。激波会导致在模型表面形成一个流速急剧减速的区域，边界层和剪切层相对很薄，对PIV技术测试高速可压缩流动速度场带来了挑战要保证测量面内示踪粒子浓度均勻且满足Piv测试要求。因此选定粒子均勻性较好的布撒方案是PIV应用超声速流动研究的关键问题作为超声速PIV测试技术发展的关键技术之一，如何实现示踪粒子均勻布撒且浓度满足PIV图像处理要求的 PIV示踪粒子布撒技术在研究中得到众多研究学者的关注。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种超声速PIV实验中布撒示踪粒子的方法及装置，使得超声速PIV示踪粒子布撒系统可人工控制或远程控制且实时响应，布撒过程中可避免和减少示踪粒子聚团现象，并且可以获得粒子分布效果很好的图像，经过PIV运算可得到较为理想的流场矢量分布图。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现超声速PIV实验中布撒示踪粒子的方法，在超声速风洞高温高压大流量流场环境下利用利用真空吸入实现示踪粒子加注，其特征在于，该方法包括以下步骤实验前示踪粒子贮存在粒子发生器内，在开启注入气流后气流与示踪粒子充分混合经高压管路并经粒子布撒器布撒后进入风洞管路，高马赫数来流条件下示踪粒子布撒均勻，通过粒子图像测速系统对示踪粒子进行测试。所述的粒子发生器内的注入气流采用环形高压细缝喷注方式，使气流喷注均勻且易于携带示踪粒子粉末出发生器。调节粒子发生器注入气流流量计流量值以及改变粒子发生器上的截止阀组件的组合方式，得到不同气流流量及压力条件下适合PIV图像处理的示踪粒子布撒浓度及流量。开启风洞前需平衡实验段、稳定段与真空球间气压至临近真空状态。此时开启阀门，使得粒子发生器也达到临近真空状态。当开启导管阀门且关闭高压管路阀门时盛放在粒子罐内的示踪粒子粉末会快速被吸入发生器罐体内，关闭导管阀门后粒子伏在粒子发生器罐体底部，等待实验开始。提出并实现真空吸入粒子加注方式，可大大减少示踪粒子与潮湿空气接触后发生聚团的现象，并且可降低拆装粒子发生器端口的次数，明显提高了示踪粒子注入效率。超声速PIV实验中布撒示踪粒子的装置，包括粒子发生器贮存示踪粒子，经密闭管路与粒子罐连接；粒子布撒器设置在风洞稳定段上游和加热器下游之间，经密闭管路与粒子发生器连接。所述的粒子发生器由下端口与高压注入气流管路连接，管路上安装有截止阀和两台流量计，截止阀控制高压气流通闭，流量计组可调节高压气流流量。实验前示踪粒子储放在粒子罐内，然后利用真空吸入方法经导管、截止阀以及上端口进入粒子发生器，罐内压力通过压力表来读取。粒子发生器由支架支撑固定。实验时将截止阀开启，高压气流携带充分混合的示踪粒子经高压管路、布撒管以及粒子布撒器注入风洞，并与风洞主流均勻掺混且不影响风洞各流动参数。利用粒子发生器与风洞稳定段平衡后的真空度将示踪粒子吸入至粒子发生器内。 高压注入气流由下端口进入粒子发生器，经下端导向支、导向罩内管路由导向紧固组间呈环状方式喷注，由下而上冲击位于发生器罐底的示踪粒子粉末，并将粉末均勻的经发生器上端口注入风洞。下端口通过端口压帽及内部密封装置实现高压密封，可耐20MPa高压。粒子发生器的布撒管内气流喷嘴为超声速喷嘴，高压气流经喷嘴、布撒口进入风洞管路。布撒口直径为1mm。布撒管材料选用SS321，可耐16ΜΙ^高压。所述的粒子布撒器内的布撒管出口端采用超声速喷嘴，开口方向平行于风洞主流来流方向。该装置可实现人工控制或远程控制的开闭并能够实时响应。与现有技术相比，本发明通过调节示踪粒子注入气流的力量及阀门组件组合方式获得了适应不同来流马赫数和不同流量的示踪粒子布撒流量及浓度；提出了利用粒子发生罐与风洞稳定段平衡后的真空度将示踪粒子吸入至发生器罐内的粒子注入方法，有效避免了示踪粒子在注入过程中可能发生的聚团现象；通过选定实验测试流程时序，保证了 PIV 系统以及风洞运行之间精确的时序控制；通过比较测试粒子发生器注入压力对粒子布撒浓度的影响，确定了满足Piv运算要求的布撒浓度所对应的测试方案。
图1为本装置的布置结构示意图；图2为本装置的结构示意图；图3为粒子发生器下端口结构示意图；图4为粒子发生器布撒管结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例本发明中超声速PIV现场布置方式如示意图1所示，图中A为超声速风洞的实验舱，B为PIV系统，C为风洞稳定段，D、F、G所示分别为示踪粒子布撒系统中的粒子布撒器 (包括粒子布撒管路)、粒子发生器以及发生器注入气流管路，E为风洞主流管路。粒子布撒器D设置在风洞稳定段上游和加热器下游之间，粒子发生器F用于示踪粒子与高压注入气流G混合并由其冲击携带进入风洞主流管路。本发明中超声速PIV实验中布撒示踪粒子的装置如图2所示，粒子发生器5由下端口 4与高压注入气流管路1-1连接，管路上安装有截止阀2-1和两台流量计3-1、流量计 3-2，截止阀控制高压气流通闭，流量计组可调节高压气流流量。实验前示踪粒子储放在粒子罐9内，然后利用真空吸入方法经导管1-2、截止阀2-2以及上端口 6进入粒子发生器5， 罐内压力通过压力表8来读取。粒子发生器5由支架7支撑固定。实验时将截止阀2-3、 截止阀2-4开启，高压气流携带充分混合的示踪粒子经高压管路1-3、高压管路1-4、布撒管 10-1、布撒管10-2以及布撒器11注入风洞，并与风洞主流均勻掺混且不影响风洞各流动参数。本发明中的粒子发生器下端口结构如图3所示，高压注入气流由下端口 31进入粒子发生器，经下端导向支33、导向罩34内管路由导向紧固组35间呈环状方式喷注，由下而上冲击位于发生器罐底的示踪粒子粉末，并将粉末均勻的经发生器上端口注入风洞。下端口通过端口压帽32及内部密封装置实现高压密封，可耐20MPa高压。本发明中的粒子发生器布撒管结构如图4所示，布撒管内气流喷嘴42为超声速喷嘴，高压气流经喷嘴、布撒口 41进入风洞管路。布撒口直径为1mm。布撒管材料选用SS321， 可耐16MPa高压。开启风洞前需平衡实验段、稳定段与真空球间气压至临近真空状态。此时开启截止阀2-3、截止阀2-4，使得粒子发生器也达到临近真空状态。当开启导管截止阀2-2且关闭高压管路截止阀2-3、截止阀2-4时盛放在粒子罐内的示踪粒子粉末会快速被吸入发生器罐体内，关闭导管截止阀2-2后粒子伏在粒子发生器罐体底部，等待实验开始。提出并实现真空吸入粒子加注方式，可大大减少示踪粒子与潮湿空气接触后发生聚团的现象，并且可降低拆装粒子发生器端口的次数，明显提高了示踪粒子注入效率。依照风洞运行参数，表1给出了马赫数4. 0和7. 0实验条件下所选择的注入压力以及所对应的示踪粒子流量和风洞主流流量。利用PIV软件对采集的图像对进行互相关运算，流场矢量分布均勻且能充分反映出激波结构特征。当粒子流量为0. 01kg/s而主流流量为3. lkg/s时，根据粒子密度以及来流流速可估算得到实验段内的粒子浓度为100，000个 /mm3,因此可以满足每个判读小区有10个粒子存在，符合PIV互相关运算要求。表1示踪粒子注入压力和流量参数
权利要求
1.超声速Piv流场测试实验中布撒示踪粒子的方法，在超声速风洞高温高压大流量流场环境下利用真空吸入实现示踪粒子加注，其特征在于，该方法包括以下步骤实验前示踪粒子贮存在粒子发生器内，在开启注入气流后气流与示踪粒子充分混合经高压管路并经粒子布撒器布撒后进入风洞管路，高马赫数来流条件下示踪粒子布撒均勻，通过粒子图像测速系统对示踪粒子进行测试。
2.根据权利要求1所述的超声速PIV流场测试实验中布撒示踪粒子的方法，其特征在于，所述的粒子发生器内的注入气流采用环形高压细缝喷注方式，使气流喷注均勻且易于携带示踪粒子粉末出发生器。
3.根据权利要求1所述的超声速PIV流场测试实验中布撒示踪粒子的方法，其特征在于，调节粒子发生器注入气流流量计流量值以及改变粒子发生器上的截止阀组件的组合方式，得到不同气流流量及压力条件下适合PIV图像处理的示踪粒子布撒浓度及流量。
4.根据权利要求1所述的超声速PIV流场测试实验中布撒示踪粒子的方法，其特征在于，测试前需平衡粒子发生器、实验段、稳定段与真空球间气压至临近真空状态，利用此时粒子发生器内的真空状态将示踪粒子从粒子罐中快速吸入粒子发生器中备用。
5.超声速PIV流场测试实验中布撒示踪粒子的装置，其特征在于，该装置包括粒子发生器贮存示踪粒子，经密闭管路与粒子罐连接；粒子布撒器设置在风洞稳定段上游和加热器下游之间，经密闭管路与粒子发生器连接。
6.根据权利要求5所述的超声速PIV流场测试实验中布撒示踪粒子的装置，其特征在于，所述的粒子发生器上设置有截止阀、压力表及流量计，通过调节截止阀和流量计控制示踪粒子注入气流的流量。
7.根据权利要求5所述的超声速PIV流场测试实验中布撒示踪粒子的装置，其特征在于，利用粒子发生器与风洞稳定段平衡后的真空度将示踪粒子吸入至粒子发生器内。
8.根据权利要求5所述的超声速PIV流场测试实验中布撒示踪粒子的装置，其特征在于，所述的粒子布撒器内的布撒管出口端采用超声速喷嘴，开口方向平行于风洞主流来流方向。
9.根据权利要求5所述的超声速PIV流场测试实验中布撒示踪粒子的装置，其特征在于，该装置可实现人工控制或远程控制的开闭并能够实时响应。
全文摘要
本发明涉及超声速PIV流场测试实验中布撒示踪粒子的方法及装置，在超声速风洞高温高压大流量流场环境下利用真空吸入实现示踪粒子加注，实验前示踪粒子贮存在粒子发生器内，在开启注入气流后气流与示踪粒子充分混合经高压管路并经粒子布撒器布撒后进入风洞管路，高马赫数来流条件下示踪粒子布撒均匀，通过粒子图像测速系统对示踪粒子进行测试。与现有技术相比，本发明，实现了在高温高压大流量流场环境条件下PIV示踪粒子的加注和均匀布撒，有效避免了示踪粒子在注入过程中可能发生的聚团现象，保证了PIV系统以及风洞运行之间精确的时序控制确定了满足PIV运算要求的布撒浓度所对应的测试方案。
文档编号G01P5/20GK102435769SQ20111037205
公开日2012年5月2日 申请日期2011年11月21日 优先权日2011年11月21日
发明者刘洪 , 张亚, 荣臻, 陈方 申请人:上海交通大学