磁悬浮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，尤其是涉及了一种改进后实验结果更加精确的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准确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。

因为当前的实验装置是颗粒受到重力作用下落在激波管内形成颗粒床，重力作用的颗粒下落会导致颗粒床不能均匀分布，对于实验精确性产生一定的影响；而且释放颗粒装置影响激波管内壁面光滑从而导致气体通过可视化测试段时气密性不佳，气体在经过颗粒床时会泄露；当前的实验装置只能形成宽度很小的颗粒帘，减少了实验的可操作性。现有的实验装置需要针对上述问题做一定的问题和缺陷。

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磁悬浮气固两相激波管实验装置和实验方法，能够很好的解决激波管内壁光滑度和气密性的问题，而且能更好的使颗粒床呈现静态分布状态，便于后续的测量。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一、一种磁悬浮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；高压气瓶的出口端依次经过高气压段、气压段后与第一方管段的入口段连接，气压段和第一方管段之间通过圆变方过渡段连接，高气压段和气压段端口对接之间设有爆破隔膜，第一方管段的出口端依次经过可视化测试段、第二方管段后与收集箱；可视化测试段内顶面和内底面的两侧均开设有凹槽，每个凹槽内通过隔板固定螺帽和隔板连接杆铰接安装有分隔板，隔板连接杆贯穿于分隔板安装且固定连接，隔板连接杆两端活动安装于可视化测试段侧壁并在端部安装有隔板固定螺帽的进行限位；隔板连接杆作为分隔板旋转轴，分隔板的旋转轴位于靠近可视化测试段中央的一侧；可视化测试段内顶面两侧的两个分隔板以可视化测试段中央对称布置，可视化测试段内底面两侧的两个分隔板以可视化测试段中央对称布置；隔板连接杆端部连接外部的旋转驱动源，驱动隔板连接杆旋转进而带动分隔板旋转落下到竖直位置阻挡住可视化测试段的流通，然后在两块分隔板落下后围成可视化测试段内部封闭空间，封闭空间中具有颗粒；可视化测试段外部的上下方各安装一个可拆卸电磁线圈，两个可拆卸电磁线圈的轴向同轴竖直布置且在可视化测试段的上方和下方以上下对称布置；两个可拆卸电磁线圈均连接到可调直流电源，通过可调直流电源驱动可拆卸电磁线圈通电产生电磁场，电磁场对颗粒施加垂直向上的反重力，通过调节经过可拆卸电磁线圈的电流大小，使得在分隔板围成的内部封闭空间内的颗粒在磁场力和重力的平衡下形成静态悬浮颗粒床；第一方管段上安装有沿爆破方向间隔布置的第一压力传感器和第二压力传感器，第二方管段上安装有沿爆破方向间隔布置的第三压力传感器和第四压力传感器。

所述的可视化测试段内顶面两侧的两个分隔板的长度尺寸为可视化测试段上下内径尺寸加上凹槽的厚度尺寸。

所述的可视化测试段内底面两侧的两个分隔板的长度尺寸为可视化测试段上下内径尺寸加上两个凹槽的厚度尺寸。

所述的可视化测试段内顶面两侧的两个分隔板的旋转轴相比可视化测试段内底面两侧的两个分隔板的旋转轴更靠近可视化测试段中央，形成上下两组分隔板的错位分布；可视化测试段内顶面两侧的两个分隔板之间的间距为d，可视化测试段内底面两侧的两个分隔板之间的间距为3d。

通过调节电磁线圈的电流强度实现对颗粒悬浮和分隔板围成的内部封闭空间内的颗粒体积分数的控制。

通过调整不同组合的两块分隔板落下形成不同大小和位置的内部封闭空间，进而实现气固两相激波管实验的颗粒悬浮和颗粒体积分数的调控。

所述的可视化测试段采用透明材质。

所述的电磁线圈的线圈缠绕符合以下设定要求：

其中，z(n)表示每米线圈缠绕圈数为n时对应的线圈沿z方向的位置，z方向是竖直方向；v为单个颗粒体积大小，μ0为颗粒的真空磁导率，m∞为颗粒的材料的饱和磁化强度，n为每米的线圈缠绕圈数，n0表示z方向为零时即初始位置的线圈缠绕圈数，i为线圈的电流大小，γ表征了颗粒的磁感应特性，c为常数。

二、磁悬浮气固两相激波管实验装置的一种实验方法：

采用上述装置，初始高压气瓶未打开，通过隔板连接杆带动两块分隔板旋转落下至竖直位置，将称量记录好重量的颗粒放置在两块分隔板之间围成的内部封闭空间内，利用震动使颗粒在内部封闭空间内分布均匀；

然后打开可调直流电源使得电磁线圈通电产生电磁场，调节电磁线圈的电流使在内部封闭空间内的颗粒悬浮并形成分布均匀的静态悬浮颗粒床，通过高速摄影仪透过采集可视化测试段中颗粒床的视频影像；

接着打开高压气瓶使高气压段与气压段存在气压比，采用爆破隔膜破膜的方式产生激波，激波依次经过气压段、圆变方过渡段、第一方管段后进入可视化测试段中，激波经过可视化测试段对静态的悬浮颗粒床进行冲击碰撞后，经第二方管段进入收集箱；

激波在经过可视化测试段和静态悬浮颗粒床发生冲击碰撞时，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，完成气固两相激波管实验。

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处理获得：

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vs：

式中，d表示第一压力传感器和第二压力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和第二压力传感器的时刻；

进而计算获得入射激波的马赫数ms：

其中，a0为当地声速；

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。

本发明通过对以前实验装置的改进，利用磁悬浮组件使颗粒形成静态悬浮颗粒床，在不受外在条件的干扰下进行气固两相流实验研究，增加了激波管内壁面的光滑度和气密性，提高了实验精确性以及便利了实验操作。

本发明具有的有益效果是：

本发明可以使颗粒均匀且不受其他外在条件例如重力的影响下静态悬浮在激波管内，而且激波管内壁的气密性和光滑度对比之前的实验装置有了很大的改进，对于后续实验例如高速摄影仪和纹影仪对激波与稠密颗粒床相互作用时的颗粒床进行高速纹影拍摄，观察和分析激波反射与透射、颗粒床厚度变化等行为和规律有了更好的实验技术实现。

现有只能通过释放颗粒实现两相激波管实验过程，存在泄漏、不光滑的颗粒运动情况，并且是加速实现的动态实验，并不准确。本发明能更均匀、更真实的实现两相激波管实验的目标，实现静态的两相激波管的爆破颗粒过程，解决了现有两相激波管实验的实验结果不准确的技术问题。

附图说明

图1是本发明总体结构示意图。

图2是分隔板间距离为d的工作示意图。

图3是分隔板间距离为2d的垂直状态图。

图4是为图3的下半部分剖面图。

图5是沿激波传播方向粒子体积分数图。

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、电磁线圈，9、可调直流电源，10、收集箱，11、分隔板，12、第二方管段，13、收集箱，14、第四压力传感器，15、第三压力传感器，16、第二压力传感器，17、第一压力传感器，18、隔板固定螺帽，19、隔板连接杆，20、可视化测试段内壁。

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，具体实施包括高气压段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12和收集箱13；高压气瓶1的出口端依次经过高气压段2、气压段4后与第一方管段6的入口段连接，气压段4和第一方管段6之间通过圆变方过渡段5连接，高气压段2和气压段4端口对接之间设有爆破隔膜3，第一方管段6的出口端依次经过可视化测试段7、第二方管段12后与收集箱13；打开高压气瓶1使高气压段2与气压段4存在气压比，通过爆破隔膜3爆破方式产生激波，激波依次经过气压段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12后进入收集箱13。

如图2、图3所示，可视化测试段7内顶面和内底面的两侧均开设有凹槽，每个凹槽内通过隔板固定螺帽18和隔板连接杆19铰接安装有分隔板11，如图4所示，隔板连接杆19贯穿于分隔板11安装且固定连接，隔板连接杆19两端活动安装于可视化测试段7侧壁并在穿出侧壁的端部安装有隔板固定螺帽18的进行限位；隔板连接杆19在激波管壁面外部的部分具有螺纹，在到达垂直位置后利用隔板固定螺帽18使分隔板11固定。隔板连接杆19作为分隔板11旋转轴，分隔板11的旋转轴位于靠近可视化测试段7中央的一侧，即隔板连接杆19布置于分隔板11位于靠近可视化测试段7中央的一侧；可视化测试段7内顶面两侧的两个分隔板11以可视化测试段7中央对称布置，可视化测试段7内底面两侧的两个分隔板11以可视化测试段7中央对称布置；隔板连接杆19端部连接外部的旋转驱动源，驱动隔板连接杆19旋转进而带动分隔板11旋转落下到竖直位置阻挡住可视化测试段7的流通，即与壁面垂直状态，然后在两块分隔板11落下后围成可视化测试段7内部封闭空间，封闭空间中具有颗粒。

可视化测试段7外部的上下方各安装一个可拆卸电磁线圈8，两个可拆卸电磁线圈8的轴向同轴竖直布置且在可视化测试段7的上方和下方以上下对称布置；两个可拆卸电磁线圈8均连接到可调直流电源9，通过可调直流电源9驱动可拆卸电磁线圈8通电产生电磁场，电磁场对颗粒施加垂直向上的反重力，能使得颗粒在空间中悬浮形成悬浮颗粒床，通过调节经过可拆卸电磁线圈8的电流大小，使得在分隔板11围成的内部封闭空间内的颗粒在磁场力和重力的平衡下形成静态悬浮颗粒床，颗粒床不受外界条件干扰；第一方管段6上安装有沿爆破方向间隔布置的第一压力传感器17和第二压力传感器16，第二方管段12上安装有沿爆破方向间隔布置的第三压力传感器15和第四压力传感器14。

可视化测试段7内顶面两侧的两个分隔板11的长度尺寸为可视化测试段7上下内径尺寸加上凹槽的厚度尺寸，使得分隔板11旋转到竖直位置时能完整覆盖可视化测试段7的内径尺寸，阻挡可视化测试段7流通。

可视化测试段7内底面两侧的两个分隔板11的长度尺寸为可视化测试段7上下内径尺寸加上两个凹槽的厚度尺寸，使得分隔板11旋转到竖直位置时能完整覆盖可视化测试段7的内径尺寸，阻挡可视化测试段7流通。

可视化测试段7内顶面两侧的两个分隔板11的旋转轴相比可视化测试段7内底面两侧的两个分隔板11的旋转轴更靠近可视化测试段7中央，形成上下两组分隔板11的错位分布；可视化测试段7内顶面两侧的两个分隔板11之间的间距为d，可视化测试段7内底面两侧的两个分隔板11之间的间距为3d。上述结构下，通过不同组合的两块分隔板11能形成的沿爆破方向尺寸宽度为d、2d和3d的内部封闭空间。

具体实施中，由于长方体分隔板在旋转时会发生极大困难，所以应将分隔板两头加工为半圆柱形状，为了减少分隔板圆柱形对激波管内壁面光滑度的影响，分隔板的厚度应尽量小。

通过调节电磁线圈8的电流强度实现对颗粒悬浮和分隔板11围成的内部封闭空间内的颗粒体积分数的控制，颗粒总数量保持固定。

通过调整不同组合的两块分隔板11落下形成不同大小和位置的内部封闭空间，进而实现气固两相激波管实验的颗粒悬浮和颗粒体积分数的调控，颗粒总数量保持固定。

可视化测试段7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。颗粒材料采用磁性材料。

可视化测试段7侧方布置有高速摄影仪，高速摄影仪与计算机连接，对可视化测试段直接摄影，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。

具体实施中，电磁线圈8的线圈缠绕符合以下设定要求：

其中，z(n)表示每米线圈缠绕圈数为n时对应的线圈沿z方向的位置，z方向是竖直方向；v为单个颗粒体积大小，μ0为颗粒的真空磁导率，m∞为颗粒的材料的饱和磁化强度，n为每米的线圈缠绕圈数，n0表示z方向为零时即初始位置的线圈缠绕圈数，i为线圈的电流大小，γ表征了颗粒的磁感应特性，c为常数。

具体实施中，以下方的电磁线圈8下端设定为z方向为零的位置。

本发明具体实施在使用不同距离d、2d、3d表示分隔板间的宽度的分隔板以及不同厚度的爆破隔膜进行操作时，利用纹影仪得到激波与稠密颗粒床相互作用的影像，使用高速摄影仪记录每种状态下的激波与颗粒床的相互作用示意图；激波穿过颗粒床继续向前运动，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；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。

本发明的实验过程是：

采用上述装置，初始高压气瓶1未打开，通过隔板连接杆19带动两块分隔板11旋转落下至竖直位置，将称量记录好重量的颗粒放置在两块分隔板11之间围成的内部封闭空间内，利用震动使颗粒在内部封闭空间内分布均匀；

然后打开可调直流电源9使得电磁线圈8通电产生电磁场，调节电磁线圈8的电流使在内部封闭空间内的颗粒悬浮并形成分布均匀的静态悬浮颗粒床，通过高速摄影仪透过采集可视化测试段7中颗粒床的视频影像；

利用旋转驱动源带动隔板连接杆19将两块分隔板11还原到水平位置，接着打开高压气瓶1使高气压段2与气压段4存在气压比，采用爆破隔膜3破膜的方式产生激波，激波依次经过气压段4、圆变方过渡段5、第一方管段6后进入可视化测试段7中，激波经过可视化测试段7对静态的悬浮颗粒床进行冲击碰撞后，经第二方管段12进入收集箱13；

激波在经过可视化测试段7和静态悬浮颗粒床发生冲击碰撞时，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，并且通过四个压力传感器14-17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14-17采集压力数据获得激波的衰减变化具体为：

1)根据第一压力传感器17和第二压力传感器16之间的轴向间距以及第一压力传感器17和第二压力传感器16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vs：

式中，d表示第一压力传感器17和第二压力传感器16之间的轴向距离，t0、t1分别表示激波通过第一压力传感器17和第二压力传感器16的时刻；

进而计算获得入射激波的马赫数ms：

其中，a0为当地声速；

2)由第三压力传感器15和第四压力传感器14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。

具体实施中，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。

利用高速摄影仪记录的颗粒体积分数随着激波管轴向距离的关系如图5所示，从图中可以看到，从t＝0的初始时刻到t＝280ms时刻，颗粒的峰值体积分数从22％下降到5％。由于均匀静态的悬浮颗粒床，颗粒的体积分数沿测试段激波管轴向方向呈对称性变化，且峰值体积分数随着颗粒的运动逐渐减小。

由此可见，本发明能够使颗粒床均匀静态悬浮在激波管内，更便于观察和分析激波反射与透射、颗粒床厚度变化等行为和规律的实验，采用放置不同距离的分隔板的方法改变体积分数，能够增加装置的气密性和光滑度，使得到的实验结果更加准确。