气固两相激波管实验装置和实验方法与流程

本发明涉及了一种激波管实验装置，尤其是涉及了一种气固两相激波管实验装置和实验方法。

背景技术：

激波与颗粒群相互作用是可压缩颗粒负载流中普遍而重要的现象，涉及航空航天、医疗卫生、安全防控及环境保护等众多领域，具体应用例如含固体颗粒炸药爆炸、火箭引擎中固体燃料推进、含尘大气中高速飞行、药物粉末无针注射、超音速冷喷涂、干粉灭火、粉尘爆炸、火山喷发等。开展对激波与稠密颗粒群相互作用时复杂的气固两相流问题的研究，关键在于入射激波与稠密颗粒群相互作用之前激波马赫数、颗粒初始空间分布的调控以及之后的激波、接触面和颗粒群动态影像数据的获取。

因为通常的实验条件要求颗粒群初始近似处于静止状态，如果采用将颗粒置于装载室内的方式，由于重力作用，颗粒将会集中在装载室底部或填满整个装载室，而颗粒群初始体积分数显然无法调控，为此现有技术中缺少上述要求的实验装置。

技术实现要素：

针对上述背景技术中所存在的问题，本发明的目的在于提供了一种气固两相激波管实验装置和实验方法，在激波与稠密颗粒群相互作用时进行高速纹影拍摄和动态压力测量，由此能系统地获得实验数据。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一、一种气固两相激波管实验装置：

包括高气压段、爆破隔膜、气压段、圆变方过渡段、第一方管段、可视化测试段、第二方管段和收集箱；高压气瓶的输出端依次经高气压段、气压段后与第一方管段的入口端连接，高气压段和气压段端口之间设有爆破隔膜，气压段和第一方管段之间通过圆变方过渡段连接，打开高压气瓶使高气压段与气压段存在一定的气压比，通过爆破隔膜爆破的方式产生激波，激波依次气压段、圆变方过渡段、第一方管段、可视化测试段和第二方管段后进入收集箱；第一方管段的出口端依次经可视化测试段、第二方管段后与收集箱，可视化测试段顶端安装连接有存储有固体颗粒的颗粒储存释放组件，底端安装连接有竖直的颗粒收集管段，颗粒收集管段正下方设有动态称重天平，通过颗粒储存释放组件释放固体颗粒，固体颗粒受重力下落形成颗粒帘穿过可视化测试段，再经颗粒收集管段后落在动态称重天平上；第一方管段上安装有沿轴向方向间隔布置的第一压力传感器与第二压力传感器，第二方管段上安装有沿轴向方向间隔布置的第三压力传感器和第四压力传感器。

调整所述的颗粒储存释放组件实现对于颗粒帘厚度和体积分数的调节控制，通过四个压力传感器采集获得激波的衰减变化。

所述的颗粒储存释放组件包括内芯安装块、可替换内芯、颗粒储存室和门阀，内芯安装块底端通过第一固定螺钉固定安装在可视化测试段顶端的端口处，内芯安装块顶端和颗粒储存室连接，颗粒储存室中部安装有用于控制颗粒释放的门阀；内芯安装块开有中心通槽，中心通槽的上部为喇叭口结构，可替换内芯通过第二固定螺钉固定安装在内芯安装块中心通槽中，可替换内芯中间开有用于颗粒通过的狭长缝隙。可替换内芯顶端具有内芯安装块中心通槽上部的喇叭口结构倾斜角度相同的喇叭口结构。

通过替换不同的内芯安装块，调整可替换内芯狭长缝隙的长和宽，进而实现对于颗粒帘的宽度、厚度和体积分数的调节控制。

所述的可替换内芯为长方体结构，狭长缝隙的宽度范围为2～10mm。

所述的可视化测试段的侧壁采用透明材质。可视化测试段为长方体结构，相较于圆柱体结构，尽量减少光的折射、聚焦等影响，使纹影仪采集的图像更加清晰。

高速摄影仪与计算机连接，对可视化测试段直接摄影，测得颗粒帘的厚度等数据，结合动态称重天平确定颗粒帘初始体积分数；采用高速纹影技术，并结合高速摄影仪及计算机观测记录激波对稠密颗粒群作用的情况。

二、一种气固两相激波管实验方法：

采用上述装置，通过颗粒储存释放组件释放固体颗粒，固体颗粒依靠重力下落产生颗粒帘，通过爆破隔膜爆破的方式获得激波；

当高压气瓶未打开且颗粒储存释放组件释放固体颗粒，通过高速摄影仪采集可视化测试段中颗粒帘及动态称重天平变化情况的视频影像；当颗粒储存释放组件释放固体颗粒且爆破隔膜爆破后，激波经过可视化测试段时和颗粒发生碰撞，使用纹影仪将可视化测试段处激波和颗粒碰撞产生的激波-颗粒相互作用和颗粒-颗粒相互作用反映成影像，同时用高速摄影仪记录影像，并且通过四个压力传感器采集压力数据获得激波马赫数的衰减变化。

通过四个压力传感器采集压力数据获得激波的衰减变化具体采用以下方式：

1)根据第一压力传感器和第二压力传感器之间的轴向间距以及第一压力传感器和第二压力传感器分别采集到压力数据的时间差采用以下公式计算获得激波的速度：

其中，d表示第一传感器与第二传感器之间的轴向距离，t₀、t₁分别表示激波通过第一压力传感器的第二传感器的时刻。

进而计算获得入射激波的马赫数：

其中，a₀为当地声速。

并同时能够作出t-x曲线用于直观得到激波的衰减变化情况，如图4所示，t表示时间，x表示激波管的轴向距离；爆破隔膜处定义为x＝0，爆破隔膜爆破时定义为t＝0。

2)由第三压力传感器和第四压力传感器采集获得的压力数据采用与步骤1)相同的方式计算获得激波的马赫数；

3)将步骤2)获得的激波的马赫数和步骤1)获得的入射激波的马赫数相减的差值作为激波马赫数的衰减变化。

优选地，采用有十字刻痕的不同厚度镍合金爆破隔膜产生不同马赫数的平面入射激波，避免隔膜碎片化爆破。

本发明具有的有益效果是：

本发明同时利用可视化测试段前后固定的压力传感器得到激波的衰减情况，结合高速摄影仪和纹影仪对激波与稠密颗粒帘相互作用时的颗粒帘进行高速纹影拍摄，观察和分析激波反射与透射、颗粒帘厚度变化等行为和规律。

在现有技术的实验中，在实验前颗粒置于实验段内，颗粒由于重力作用积于实验段底部，这种放置方式使实验效果并不十分理想。本发明改变现有以往的颗粒放置方法，设计了颗粒储存释放组件，将颗粒放置在实验段上部的储存室中，打开门阀后，颗粒利用重力作用下落形成颗粒帘；同时，采用更换可替换内芯的方法改变体积分数，在节约材料、降低成本的同时更好地调控体积分数，使得到的实验结果更加准确。

附图说明

图1是本发明总体结构示意图。

图2是内芯安装块剖面图。

图3为图2中第二固定螺钉处的俯视剖面图。

图4为实施例在不同体积分数条件下得到的t-x图像。

图5为高速摄影仪记录的激波与颗粒帘相互作用实验过程示意图。

图中：1、高压气瓶，2、高压段，3、爆破隔膜，4、气压段，5、圆变方过渡段，6、第一方管段，7、可视化测试段，8、颗粒收集管段，9、第二方管段，10、收集箱，11、第四压力传感器，12、第三压力传感器，13、门阀，14、颗粒储存室，15、第二压力传感器，16、第一压力传感器，17、第一固定螺钉，18、可替换内芯，19、内芯安装块，20、第二固定螺钉。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明包括高气压段2、爆破隔膜3、气压段4、圆变方过渡段5、第一方管段6、可视化测试段7、第二方管段9和收集箱10；高压气瓶1的输出端依次经高气压段2、气压段4后与第一方管段6的入口端连接，高气压段2和气压段4端口之间设有爆破隔膜3，通过改变爆破隔膜厚度改变控制马赫数，气压段4和第一方管段6之间通过圆变方过渡段5连接，打开高压气瓶，使高气压段与气压段产生一定的气压比，通过爆破隔膜爆破的方式获得激波，激波依次经气压段4、圆变方过渡段5、第一方管段6、可视化测试段7和第二方管段9后进入收集箱10。

如图1所示，第一方管段6的出口端依次经可视化测试段7、第二方管段9后与收集箱10，可视化测试段7顶端安装连接有存储有固体颗粒的颗粒储存释放组件，底端安装连接有竖直的颗粒收集管段8，颗粒收集管段8正下方设有动态称重天平，通过颗粒储存释放组件释放固体颗粒，固体颗粒受重力下落穿过可视化测试段7形成颗粒帘，再经颗粒收集管段8后落在动态称重天平上；第一方管段6上安装有沿轴向方向间隔布置的第一压力传感器16与第二压力传感器15，第二方管段9上安装有沿轴向方向间隔布置的第三压力传感器12和第四压力传感器11。

如图2所示，颗粒储存释放组件包括内芯安装块19、可替换内芯18、颗粒储存室14和门阀13，内芯安装块19底端通过第一固定螺钉17固定安装在可视化测试段7顶端的端口处，内芯安装块19顶端和颗粒储存室14连接，颗粒储存室14中部安装有用于释放颗粒的门阀13，未打开门阀前颗粒均置于颗粒储存室14上部并被门阀13承托；内芯安装块19内安装可替换内芯18，内芯安装块19内壁顶端与可替换内芯18顶端为坡度相同的斗状结构，斗状结构的大端与颗粒储存室14内孔相接并且尺寸相同，可替换内芯18通过第二固定螺钉20固定在替芯安装块19内部，可替换内芯18内部开有用于颗粒通过的狭长缝隙。颗粒收集管段8安装在内芯安装块19中心通孔正下方对应的可视化测试段7底端端口处。

具体实施的门阀13为一块板，抽出门阀13即使得颗粒储存室14内的颗粒下落，经内芯安装块19喇叭口后进入可替换内芯18中心缝隙，在落到可视化测试段7中。

本发明的实施例及其具体实施工作过程如下：

通过爆破隔膜3爆破的方式产生激波，激波依次经气压段4、圆变方过渡段5、第一方管段6、可视化测试段7和第二方管段9后进入收集箱10，颗粒储存器装入颗粒，门阀打开通过颗粒储存释放组件释放固体颗粒，颗粒通过测试段入口通道进入激波管，固体颗粒依靠重力下落产生颗粒帘，下落依次穿过可视化测试段7、颗粒收集管段8后落在动态称重天平上。

通道内安装可替换式内芯，用于控制颗粒帘厚度，使用高速摄影仪对可视化测试段进行高速摄影，测得颗粒帘厚度、宽度及下落速度，结合颗粒收集管段底部的动态称重天平，确定颗粒帘的初始体积分数。

具体根据实验需求，通过对储存室进入测试段入口通道内径大小的控制实现对颗粒帘厚度d及体积分数α的控制，利用颗粒帘宽度和厚度方向上的高速摄影，测得颗粒帘的宽度l、厚度d和下落速度u，利用动态称重天平测得质量流量实验测试段内径高H及颗粒密度ρ已知，具体是采用以下公式分别计算获得相关体积分数和体积流量：

颗粒通过测试段时间：

颗粒体积体积流量：

颗粒体积：V_p＝q_pv·Δt

颗粒帘体积：V＝dlH

体积分数：

利用不同厚度的爆破隔膜获得不同的压力比，通过破膜方式得到的激波穿过气压段和第一方管段，经过第一、二压力传感器，可得到准确的激波马赫数。

使用缝隙厚度为2、4、6mm的可替换内芯18进行实验不同材质的颗粒的激波与颗粒群相互作用的实验，得到不同体积分数及颗粒帘厚度条件下颗粒与激波的相互作用的t-x图，从中进行分析，得到规律。不同体积分数条件下得到的t-x图像如图4，从图4中能得到，随着体积分数的增大，颗粒对激波的曳力增大，激波衰减越发明显。

在可视化测试段与颗粒帘相互作用，利用纹影仪得到激波与稠密颗粒连相互作用的影像，使用高速摄影仪记录。实施例高速摄影仪记录的激波与颗粒帘相互作用实验过程如图5，A为激波与颗粒帘相互作用前的示意图，B为激波与颗粒帘相互作用中的示意图，C为激波与颗粒帘相互作用后的示意图。

激波与穿过颗粒帘继续向前运动，经过第三、四压力传感器，得到另一组马赫数，最终到达收集箱。在可视化测试段，激波经过可视化测试段7时和颗粒发生碰撞，使用纹影仪将可视化测试段7处激波和颗粒碰撞产生的激波-颗粒相互作用和颗粒-颗粒相互作用反映成影像，同时用高速摄影仪记录影像。如图5截取三个实验阶段不同时刻的图像不并且通过四个压力传感器采集压力数据。

然后通过前后压力传感器得到的数据获得激波马赫数的衰减变化。

由此可见，本发明能够用于观察和分析激波反射与透射、颗粒帘厚度变化等行为和规律的实验，采用更换可替换内芯的方法改变体积分数，在节约材料、降低成本的同时更好地调控体积分数，使得到的实验结果更加准确。