一种气体射流特性综合测量装置及方法与流程

本发明属于流体力学的气体射流测量技术领域，涉及一种气体射流特性综合测量装置及方法。

背景技术：

气体射流技术在航空航天、冶金、化工、食品加工领域广泛应用。在冶金领域，气体射流被应用于转炉、电炉冶炼、rh真空精炼等冶金过程，喷吹气体射流冲击到熔池液面引起反应器内熔池的穿透、喷溅、流动等复杂物理现象。在吹炼过程中，喷吹气体射流对熔池液面的冲击力对于熔池内的冶金效率、成渣速率和钢液飞溅情况有较大影响。故而，顶吹装置的喷吹性能测试和喷吹气体射流特性的研究成为顶吹技术研究的重点和难点。鉴于冶炼环境具有高温等特殊条件，无法直接观察、测量喷吹气体射流的流体特性和对熔池液面的物理行为，通常采用冷态试验对气体射流特性进行研究。

皮托管测速法是一种应用较为普遍的气体射流测量方法，将皮托管放入气体射流测量射流中某一点的总压和静压的压差，根据伯努利方程计算得到该点的流体流速，进而测得气体射流的流体特性。但测量超音速射流时，皮托管的置入会造成流场扰动，给测量带来困难。

粒子图像测速(piv)技术是一种非侵入式流体测量技术，通过在射流中投入示踪粒子，利用图像记录系统(如ccd相机等)记录不同时刻下示踪粒子在流场中的位置，利用图像处理技术计算示踪粒子的位移和速度，从而得到粒子所在位置的流体速度和相关运动参数。

激光相位多普勒粒子分析(pdpa)技术通过在射流中投放示踪粒子，利用多普勒分析仪测量激光照射下示踪粒子散射光的多普勒频移，根据多普勒频移计算粒子速度，进而得到粒子所在位置的流体速度。

发明专利申请201410146590.9公开了一种气体喷射流场的测量方法。利用沃拉斯顿棱镜光学元件组成差分干涉测量系统，对测试段空间流场中心剖面成像，采集气流喷射前和气流喷射时任一时刻的带有载波条纹的差分干涉条纹图，进而获得全场的条纹级数分布和流体光学折射率梯度，并同时获得流体的密度梯度场，密度场，温度场，温度梯度场。

发明专利申请201510644060.1公开了一种贴壁射流速度场和浓度场的同步测量装置和方法，通过使用piv相机拍摄贴壁射流中piv粒子在主气流中的流动轨迹，以及高速ccd摄像机拍摄氧敏涂层壁面随射流中氧浓度变化的显色规律，实现贴壁射流与主气流相互作用过程中速度场和浓度场的同步测量。

文献《喷管性能测试系统开发》公开了一种喷管性能测试系统，该系统利用测压探针、负压传感器、压差传感器、位移电位器等测量喷管前后压力的比值来反映喷管中不同截面处的压力变化，并通过所测压差计算流体流量。

文献《火箭燃气冲击载荷识别平台的设计与研究》公开了一种火箭燃气射流冲击载荷识别的通用测量平台，该系统基于stewart平台的衍生机构3-(2sps)并联机构，将一维拉压力传感器通过并联机构组合为六维力测量平台。当测量平台上的被测模型受到冲击载荷时，通过对六根驱动杆上一维拉压力传感器的输出值进行耦合，可测得被测模型所受的力载荷。该系统可直接测量射流的冲击载荷，但存在平台结构复杂、测量系统标定过程困难繁琐的缺点。

文献《顶吹气体平面射流对熔池穿透深度的冷态试验研究》公开了一种测量喷吹射流冲击力的方法，通过测量气体射流对水面的冲击深度，根据冲击深度和水表面张力推导计算喷吹射流冲击力。该方法能较直观地反应气体射流的冲击效果，但仅适用于模型实验，难以实施于实际工程现场喷吹装置的射流特性评价，且存在推导计算过程繁琐、无法描述射流发散程度等其他射流特性等缺点。

现有的气体射流测量技术大部分通过测量射流流速描述气体射流的流场特性，无法多维度综合描述射流装置或喷头性能，并存在测试系统复杂、成本高昂、计算推导过程繁琐等缺点，且难以在实际工程现场实施、测量评价喷吹装置的射流特性。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种一种气体射流特性综合测量装置及方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种气体射流特性综合测量装置，包括气体射流发生装置和测试数据实时采集系统；所述测试数据实时采集系统包括气体管道压力实时采集装置、气体管道流量实时采集装置、气体射流喷吹力实时采集装置、采集模块以及计算机，所述气体射流喷吹力实时采集装置正对气体射流发生装置设置并可相对气体射流发生装置移动，所述气体管道压力实时采集装置、气体管道流量实时采集装置设置在气体射流发生装置的气体通道入口处，所述气体射流喷吹力实时采集装置、气体管道压力实时采集装置、气体管道流量实时采集装置均通过采集模块连接计算机。

进一步，所述气体射流发生装置设置在测试平台上。

进一步，所述气体射流发生装置包括依次通过供气管道连接的高压气源、稳压罐、调节阀、截止阀、喷吹装置，所述气体射流喷吹力实时采集装置正对喷吹装置设置并可相对喷吹装置移动，所述气体管道压力实时采集装置、气体管道流量实时采集装置设置在喷吹装置的气体通道入口处。

进一步，所述气体射流喷吹力实时采集装置设置在喷吹装置喷头的中心线正下方。

进一步，所述气体射流喷吹力实时采集装置包括测力盘、测力盘支架、力传感器、固定装置，所述测力盘可拆卸地设置在测力盘支架上，通过力传感器固定在固定装置上，所述固定装置的高度可调节。

一种气体射流特性综合测量方法，所述方法是将高压气源的压缩气体经供气管道、调节阀和截止阀通入喷吹装置的气体通道，经喷头产生喷吹射流；气体管道压力实时采集装置和气体管道流量实时采集装置安装在气体通道入口处，实时采集气体管道压力和气体射流的流量大小；气体射流喷吹力实时采集装置正对喷吹装置的喷头安装，实时采集射流的喷吹力大小；通过更换气体射流喷吹力实时采集装置上不同面积的测力盘和调整气体射流喷吹力实时采集装置与喷口的距离，可测量不同面积上、离喷口不同距离处的气体射流喷吹力；射流喷吹力信号、入口压力信号和气体流量信号由采集模块和计算机收集、记录和显示。

进一步，所述方法根据所测离喷口不同距离处、不同面积上的射流喷吹力大小，采用喷吹力指标评价喷吹射流的集束性和发散度，用以描述喷吹射流的流场特性和物理行为；根据所测同一射流截面、不同面积上的射流喷吹力大小，可得到该截面上的射流喷吹力分布。

进一步，所述气体射流喷吹力实时采集装置安装在喷吹装置喷头的正下方。

本发明的有益效果在于：本发明一种气体射流特性综合测量装置及方法，首次通过同时直接测量射流的流量、管道压力以及喷吹力描述射流的物理行为，比描述射流的速度流场更直接反映气体射流对熔池液面的作用，能够多维度综合描述射流装置或喷头性能。本发明所述测量装置简单、测试成本低廉，所述方法数据处理过程简单直观，实施难度低，可在实际工程中现场测试评价喷吹装置的射流特性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1是本发明气体射流特性综合测量装置的连接示意图；

图2是喷吹装置a和喷吹装置b的入口压力、流量和喷吹射流喷吹力对比图；

图3是喷吹装置a和喷吹装置b的集束性对比图；

图4是喷吹装置a和喷吹装置b的发散度对比图；

图5是1200mm处喷吹装置a的喷吹力分布图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示，本发明一种气体射流特性综合测量装置的连接示意图，包括气体射流发生装置和测试数据实时采集系统，所述气体射流发生装置包括依次通过供气管道连接的高压气源、稳压罐1、调节阀3、截止阀4、喷吹装置8；所述测试数据实时采集系统包括气体管道压力实时采集装置5、气体管道流量实时采集装置6、气体射流喷吹力实时采集装置、采集模块13以及计算机14，本实施例气体射流喷吹力实时采集装置包括测力盘10、测力盘支架15、力传感器11、固定装置12，测力盘10可拆卸地设置在测力盘支架15上，通过力传感器11固定在固定装置12上述固定装置12的高度可调节。气体射流喷吹力实时采集装置正对设置在喷吹装置8喷头的下方，固定装置12可上下调节高度，从而改变喷头离测力盘10的距离，气体管道压力实时采集装置5、气体管道流量实时采集装置6设置在喷嘴装置的气体通道入口处，所述气体射流喷吹力实时采集装置、气体管道压力实时采集装置5、气体管道流量实时采集装置6均通过采集模块13连接计算机14。

高压气源，压缩空气储气罐1，储气罐压力为0.6～0.67mpa，容积5m³，通过供气管道2与调节阀3法兰连接，用于提供测试介质压缩空气；

调节阀3，通过供气管道1一端与气源法兰连接，另一端与截止阀4法兰连接，用于调节入口压力；

截止阀4，通过供气管道2一端与调节阀3法兰连接，另一端与气体通道入口7法兰连接，用于开启或切断气路；

气体管道压力实时采集装置5，采用压力变送器，量程0-1mpa，规格2线制4-20ma，安装于气体通道入口7处，用于测量、采集入口压力大小；

气体管道流量实时采集装置6，采用涡街流量计，型号dltuge1306-p2，规格dn65法兰式，pn1.6mpa，量程0-1200nm³/h，安装于气体通道入口7处，用于测量、采集气体流量大小；

喷吹装置8，本实施例采用的喷吹装置为喷吹装置a和喷吹装置b，分别测试喷吹装置a和喷吹装置b，进行比较；

测试平台9，用于安装供气管道2、调节阀3、截止阀4、压力变送器、涡街流量计和喷吹装置7；

测力盘10，面积分别为0.5m²和1m²的圆盘，安装在气体射流喷吹力实时采集装置上；

气体射流喷吹力实时采集装置，型号nw50，最大称重范围：50kg，通过固定装置12安装于喷头中心线下，用于测量、采集射流喷吹力大小；

固定装置12，用于安装测力盘10、测力盘支架15、力传感器11，固定装置12高度可调节。

采集模块13和计算机14，用于数据采集、记录和显示。

顶吹气体射流特性综合测量的具体实施步骤如下：

(1)如图1所示连接好管路，将供气管道2连接至喷吹装置b的氧气通道入口7，连接仪表线路，调试就绪；

(2)对储气罐充气到0.65～0.67mpa备用，通过调节阀3调整入口压力为0.45mpa；

(3)将0.5m²测力盘10安装在气体射流喷吹力实时采集装置上，测力盘10距喷口1200mm；

(4)开启截止阀4，其间自动采集入口压力、流量及喷吹力，同时记录大气温度、气压，30秒后关闭截止阀3；

(5)重复测试3次以上；

(6)更换不同测力盘10和气体射流喷吹力实时采集装置的位置进行测试，气体射流喷吹力实时采集装置依次安装在喷头中心线下距喷头1200mm、1700mm、2200mm、2700mm距离，分别测量0.5m²和1m²面积的圆盘上的射流喷吹力。

(7)将供气管道1连接至喷吹装置a的氧气通道入口，重复步骤(2)～(6)。

测试完毕后，对试验数据进行处理和分析。如图2所示，喷吹力随测力盘10与出口距离的增大而逐渐减小，小测力盘和大测力盘所测喷吹力的差值逐渐增大，意味着射流随离开喷口的距离发散；测力盘10与出口距离相同条件下，喷吹装置a喷吹力小于喷吹装置b，意味着喷吹装置a对钢液面的冲击力小于喷吹装置b。

对喷吹过程中入口压力稳定段的喷吹力求平均值，以喷吹力为指标评价射流的集束性和发散度。集束性是指同一射流截面上射流喷吹力分布的集中程度；发散度是指距喷口不同距离下、同一受力面积上的射流喷吹力相对于喷口处相同受力面积上射流喷吹力的损失程度。按下式计算喷吹射流的集束性和发散度：

如图3所示是喷吹装置a和喷吹装置b的集束性对比图，圆孔喷头与环孔喷头的集束性相当。图4是喷吹装置a和喷吹装置b的发散度对比图，射流的发散度随距出口距离的增加而增大，在较小测力面积上，射流发散度的增加尤为显著。同时，随着距出口距离的增加，射流发散的程度更快、更明显；在该试验条件下，喷吹装置a的射流发散度大于喷吹装置b。

如图5所示，针对1200mm处喷吹装置a的喷吹力分布，通过采用不同面积(半径)大小的测力盘，可测得射流截面不同面积上的平均喷吹力大小，进而获得该截面上的喷吹力分布情况。可以发现，所采用的的测力盘越多、所测范围的面积(半径)分辨率越高，测试得到的喷吹力分布情况则越接近真实的喷吹力分布情况。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。