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一種噴嘴空化流動納秒級閃光成像試驗裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種噴嘴空化流動納秒級閃光成像試驗裝置及方法。該裝置包括測試系統(tǒng)和管路系統(tǒng)，其中：測試系統(tǒng)包括共軌控制系統(tǒng)、計算機、第一CCD相機、第二CCD相機、同步器、納秒級白光源閃光系統(tǒng)；管路系統(tǒng)包括通過管路依次相連的液體儲存罐、濾清器、高壓泵、共軌管、壓力表、透明噴嘴，液體儲存罐上設(shè)置有加熱瓦和冷卻風(fēng)扇，高壓泵上連接有電機，共軌管的出流管路分別連接至共軌控制系統(tǒng)和透明噴嘴，共軌管和透明噴嘴的連接管道上設(shè)置有壓力表。本發(fā)明能有效獲得納秒級別空泡自身的出生、發(fā)展和潰滅過程；油箱中裝有加熱瓦、冷卻風(fēng)扇和溫度傳感器，通過控制面板可實時的控制流體溫度，為研究不同溫度下流體在噴嘴內(nèi)空化流動提供了條件。
【專利說明】一種噴嘴空化流動納秒級閃光成像試驗裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及宇航、國防、航海、化工、水利機械、柴油機燃油噴霧等領(lǐng)域，可用于多相流當(dāng)中的空化流試驗研究，特指一種噴嘴內(nèi)部空化兩相流特性研究的試驗裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]空化是在一定的環(huán)境溫度條件下，流體介質(zhì)中的局部的絕對壓力降低到當(dāng)?shù)販囟认碌娘柡驼羝麎簳r，溶在流體中的氣體會釋放出來，同時流體汽化而產(chǎn)生大量的空化泡，空泡在隨流體的進一步流動中，遇到周圍的壓力增大時，體積將急劇縮小直至潰滅，從而造成材料表面的破壞。長期以來，空化嚴重影響泄洪建筑物，水力機械，船舶螺旋槳的性能和使用壽命，成為宇航、國防、航海、化工、原子能等領(lǐng)域的難題之一。此外，柴油機自研發(fā)至今，已經(jīng)深深地融入到了我們的生活當(dāng)中。無論是工程機械領(lǐng)域還是在車輛、船舶、國防等其他領(lǐng)域都有大量的應(yīng)用，對國民經(jīng)濟發(fā)展具有重要的支撐作用。現(xiàn)代柴油機的發(fā)展與噴油壓力的提高直接相關(guān)，隨著柴油機噴射壓力的提高，使得噴油器噴嘴內(nèi)不可避免的出現(xiàn)空化現(xiàn)象，而此種現(xiàn)象成為把噴油嘴內(nèi)部流動和噴霧行為聯(lián)系起來的一種關(guān)鍵因素。而關(guān)于柴油機噴嘴內(nèi)空化流動對柴油機噴霧霧化的影響機理還非常不了解，因此非常有必要對噴嘴內(nèi)空化流動進行詳細而深入的研究。
[0003]然而，研究噴嘴內(nèi)空化流動有一難點:空泡的發(fā)生、發(fā)展和潰滅過程有其自身的周期，是一個非穩(wěn)態(tài)過程，其自身的發(fā)展周期在10-7秒左右，為了研究其自身的發(fā)展過程，需要兩幅照片的拍攝間隔為納秒級，而現(xiàn)有的高速數(shù)碼相機的拍攝頻率基本無法滿足上述要求。目前，在國內(nèi)還沒有針對該項試驗的試驗裝置，整個試驗裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的難點，以來更好的研究噴嘴內(nèi)空化流動，本發(fā)明提供了一種納秒級閃光成像的試驗裝置及方法來研究噴嘴內(nèi)空化流動的詳細過程，獲得空泡出生、發(fā)展和潰滅的詳細信息。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種噴嘴空化流動納秒級閃光成像試驗裝置，包括測試系統(tǒng)和管路系統(tǒng)，其中:
所述測試系統(tǒng)包括共軌控制系統(tǒng)、計算機、第一 CCD相機、第二 CCD相機、同步器、納秒級白光源閃光系統(tǒng)，所述同步器分別與共軌控制系統(tǒng)、計算機、第一 CCD相機、第二 CCD相機、納秒級白光源閃光系統(tǒng)相連，用于控制高速納秒級白光源閃光系統(tǒng)發(fā)射白光的時間與第一 CCD相機和第二 CCD相機的拍攝時間，所述共軌控制系統(tǒng)還分別與液體儲存罐中的溫度傳感器、共軌管相連接，測試系統(tǒng)用于測試透明噴嘴內(nèi)部空泡發(fā)生、發(fā)展和潰滅過程；所述管路系統(tǒng)包括通過管路依次相連的液體儲存罐、濾清器、高壓泵、共軌管、壓力表、透明噴嘴，所述液體儲存罐上設(shè)置有加熱瓦和冷卻風(fēng)扇，所述高壓泵上連接有電機，所述共軌管的出流管路分別連接至共軌控制系統(tǒng)和透明噴嘴，共軌管和透明噴嘴的連接管道上設(shè)置有壓力表；當(dāng)共軌管里的流體壓力高于試驗所設(shè)定壓力值時，共軌管中的流體通過第一回流管路流回至液體儲存罐，以使共軌管里的流體壓力與試驗所設(shè)定壓力一致；透明噴嘴中的流體通過第二回流管路回流至液體儲存罐；管路系統(tǒng)用于為整個試驗系統(tǒng)提供連續(xù)、穩(wěn)定的高壓流體，實現(xiàn)整個裝置的自動循環(huán)，同時還可實現(xiàn)燃油溫度的自動調(diào)節(jié)。
[0006]一種噴嘴空化流動納秒級閃光成像試驗方法，包括如下步驟:
A、液體儲存罐中的流體經(jīng)過加熱瓦加熱或經(jīng)冷卻風(fēng)扇冷卻而達到試驗所設(shè)定的值；
B、隨后，液體儲存罐中的流體經(jīng)濾清器到達高壓泵的入口，經(jīng)過高壓泵加壓后，流體被送入共軌管；
C、當(dāng)共軌管里的流體壓力高于試驗所設(shè)定壓力值時，打開第一回流管路進行泄壓，當(dāng)共軌管里的流體壓力與試驗所設(shè)定壓力一致時，通過同步器控制共軌控制系統(tǒng)發(fā)出指令，使流體經(jīng)過壓力表到達透明噴嘴；
D、當(dāng)流體流過透明噴嘴時，同步器控制納秒級白光源閃光系統(tǒng)發(fā)射白光的時間與相機拍攝的時間，使得納秒級白光源閃光系統(tǒng)發(fā)射第一次白光時，第一 CCD相機成像，納秒級白光源閃光系統(tǒng)發(fā)射第二次白光時，第二 CCD相機成像,納秒級白光源閃光系統(tǒng)發(fā)射第三次白光時，第一 CCD相機成像，如此的循環(huán)，獲得相隔為納秒時刻的圖片，將拍攝的圖片存儲到計算機，用于后期分析，流過透明噴嘴的流體隨后通過第二回流管路流回液體儲存罐。
[0007]進一步，所述試驗方法還包括燃油溫度控制方法，其步驟為:通過共軌控制系統(tǒng)設(shè)定燃油溫度在試驗所需要的溫度并啟動燃油溫度控制按鈕，系統(tǒng)進入燃油溫度自動控制；當(dāng)燃油溫度低于設(shè)定的試驗溫度時，系統(tǒng)自動開啟加熱瓦，對燃油進行加熱，當(dāng)溫度升至設(shè)定的試驗溫度時，溫度傳感器發(fā)出信號，加熱瓦停止對燃油加熱；當(dāng)燃油溫度高于設(shè)定的試驗溫度時，系統(tǒng)自動地開啟冷卻風(fēng)扇，對燃油進行降溫，當(dāng)溫度降至設(shè)定的試驗溫度時，溫度傳感器發(fā)出信號，冷卻風(fēng)扇對燃油停止冷卻。
[0008]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明一種噴嘴空化流動納秒級閃光成像試驗裝置及方法能有效獲得納秒級別空泡自身的出生、發(fā)展和潰滅過程，從而為更好地研究噴嘴內(nèi)空化流動奠定了基礎(chǔ)；油箱中裝有加熱瓦、冷卻風(fēng)扇和溫度傳感器，通過控制面板可以實時的控制流體溫度，為研究不同溫度下流體在噴嘴內(nèi)空化流動提供了條件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明一種噴嘴空化流動納秒級閃光成像試驗裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0010]圖中:1、液體儲存罐；2、加熱瓦；3、濾清器；4、高壓泵；5、冷卻風(fēng)扇；6、電機；7、共軌管；8、共軌控制系統(tǒng)；9、壓力表；10、計算機；11、第一 C⑶相機；12、第二 C⑶相機；13、同步器；14、透明噴嘴；15、納秒級白光源閃光系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0011]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0012]本發(fā)明一種噴嘴空化流動納秒級閃光成像試驗裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括測試系統(tǒng)和管路系統(tǒng)，其中:
測試系統(tǒng)包括共軌控制系統(tǒng)8、計算機10、第一 CXD相機11、第二 CXD相機12、同步器
13、納秒級白光源閃光系統(tǒng)15。同步器13分別與共軌控制系統(tǒng)8、計算機10、第一 CCD相機11、第二 CCD相機12、納秒級白光源閃光系統(tǒng)15相連，用于控制高速納秒級白光源閃光系統(tǒng)15發(fā)射白光的時間與第一 CCD相機11和第二 CCD相機12的拍攝時間。共軌控制系統(tǒng)8還分別與液體儲存罐I中的溫度傳感器、共軌管7相連接，測試系統(tǒng)用于測試透明噴嘴內(nèi)部空泡發(fā)生、發(fā)展和潰滅過程。
[0013]管路系統(tǒng)包括通過管路依次相連的液體儲存罐1、濾清器3、高壓泵4、共軌管7、壓力表9、透明噴嘴14。液體儲存罐I上設(shè)置有加熱瓦2和冷卻風(fēng)扇5，高壓泵4上連接有電機6，共軌管7的出流管路分別連接至共軌控制系統(tǒng)8和透明噴嘴14，共軌管7和透明噴嘴14的連接管道上設(shè)置有壓力表9。當(dāng)共軌管7里的流體壓力高于試驗所設(shè)定壓力值時，共軌管7中的流體通過第一回流管路流回至液體儲存罐1，以使共軌管7里的流體壓力與試驗所設(shè)定壓力一致；透明噴嘴14中的流體通過第二回流管路回流至液體儲存罐I。該系統(tǒng)主要為整個試驗裝置提供所需要的連續(xù)穩(wěn)定的高壓流體，流體從液體儲存罐經(jīng)過高壓泵的加壓后變成具有一定壓力的高壓液體，隨后液體進入共軌管，經(jīng)過共軌管的穩(wěn)壓后再將液體提供到透明噴嘴，經(jīng)過透明噴嘴后，液體經(jīng)過回流管2流回到液體儲存罐，實現(xiàn)整個裝置的自動循環(huán)，同時還可實現(xiàn)燃油溫度的自動調(diào)節(jié)。
[0014]高壓管路中液體從液體儲存罐抽出，經(jīng)過濾清器后到達高壓泵的入口，經(jīng)高壓泵加壓后到達共軌管，然后經(jīng)共軌管穩(wěn)壓后提供給透明噴嘴，最后通過回流管路2進入液體儲存罐，隨后又開始上個循環(huán)，整個系統(tǒng)自動循環(huán)
本發(fā)明一種噴嘴空化流動納秒級閃光成像試驗方法為:在液體儲存罐I中的流體經(jīng)過加熱瓦2加熱或經(jīng)冷卻風(fēng)扇5冷卻而達到試驗所設(shè)定的值。隨后經(jīng)濾清器3到達高壓泵4的入口，經(jīng)過高壓泵4加壓后，流體被送入共軌管7。在共軌管7里的流體壓力若高于試驗所設(shè)定壓力值時，將會打開第一回流管路進行泄壓；當(dāng)共軌管里流體壓力與試驗所設(shè)定壓力一致時，此時通過同步器13控制共軌系統(tǒng)發(fā)出指令，使流體經(jīng)過壓力表9到達透明噴嘴14。當(dāng)流體流過透明噴嘴時，此時同步器會控制高速納秒級白光源閃光成像系統(tǒng)15發(fā)射白光時間與相機拍攝的時間，使得高速納秒級白光源閃光系統(tǒng)發(fā)射第一次白光時，第一 CCD相機11成像，高速納秒級白光源閃光系統(tǒng)發(fā)射第二次白光時，第二 CCD相機12成像，高速納秒級白光源閃光系統(tǒng)發(fā)射第三次白光時，第一 CCD相機11成像，這樣如此的循環(huán)，獲得相隔為納秒時刻的圖片，拍攝的圖片都將存儲到計算機10，用來以后的分析，流過透明噴嘴的流體隨后會通過第二回流管路流回液體儲存罐。具體過程為:通過同步器控制，當(dāng)高速納秒級白光源閃光系統(tǒng)第一次發(fā)出白光時，這時第一 CCD相機11感光,然后成像,隔幾納秒后，高速納秒級白光源閃光系統(tǒng)第二次發(fā)出白光，此時由于第一 CCD相機11此時還在成像后的一系列電子機械動作當(dāng)中，對于第二幅圖片的拍攝還沒有準備好，因此，通過同步器控制，此時讓第二 C⑶相機12感光成像，通過高速納秒級白光源閃光成像系統(tǒng)提供光源，兩臺CXD相機分開成像，從而獲得納秒級別空泡自身的出生、發(fā)展和潰滅過程。
[0015]油箱中裝有加熱瓦、冷卻風(fēng)扇和溫度傳感器，通過控制面板可以實時的控制流體溫度，為研究不同溫度下流體在噴嘴內(nèi)空化流動提供條件。燃油溫度控制功能的實現(xiàn)過程為:通過共軌控制系統(tǒng)8設(shè)定燃油溫度在試驗所需要的溫度并啟動燃油溫度控制按鈕，系統(tǒng)進入燃油溫度自動控制。燃油溫度低于設(shè)定的試驗溫度時，系統(tǒng)會自動地開啟加熱瓦2，對燃油進行加熱；當(dāng)溫度升至設(shè)定的試驗溫度時，溫度傳感器發(fā)出信號，儀表便會對加熱器停止加熱。當(dāng)燃油溫度高于設(shè)定的試驗溫度時，系統(tǒng)會自動地開啟冷卻風(fēng)扇5，對燃油進行降溫，當(dāng)溫度降至設(shè)定的試驗溫度時，溫度傳感器發(fā)出信號，冷卻風(fēng)扇便會對燃油停止冷卻。
[0016]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種噴嘴空化流動納秒級閃光成像試驗裝置，包括測試系統(tǒng)和管路系統(tǒng)，其特征在于:所述測試系統(tǒng)包括共軌控制系統(tǒng)(8)、計算機(10)、第一 C⑶相機(11)、第二 C⑶相機(12)、同步器(13)、納秒級白光源閃光系統(tǒng)(15)，所述同步器(13)分別與共軌控制系統(tǒng)(8)、計算機(10)、第一 C⑶相機(11)、第二 C⑶相機(12)、納秒級白光源閃光系統(tǒng)(15)相連，用于控制高速納秒級白光源閃光系統(tǒng)(15)發(fā)射白光的時間與第一 CCD相機(11)和第二 CCD相機(12)的拍攝時間，所述共軌控制系統(tǒng)(8)還分別與液體儲存罐(I)中的溫度傳感器、共軌管(7)相連接，測試系統(tǒng)用于測試透明噴嘴內(nèi)部空泡發(fā)生、發(fā)展和潰滅過程；所述管路系統(tǒng)包括通過管路依次相連的液體儲存罐(I)、濾清器(3)、高壓泵(4)、共軌管(7)、壓力表(9)、透明噴嘴(14)，所述液體儲存罐(I)上設(shè)置有加熱瓦(2)和冷卻風(fēng)扇(5)，所述高壓泵(4)上連接有電機(6)，所述共軌管(7)的出流管路分別連接至共軌控制系統(tǒng)(8)和透明噴嘴(14)，共軌管(7)和透明噴嘴(14)的連接管道上設(shè)置有壓力表(9);當(dāng)共軌管(7)里的流體壓力高于試驗所設(shè)定壓力值時，共軌管(7)中的流體通過第一回流管路流回至液體儲存罐(1)，以使共軌管(7)里的流體壓力與試驗所設(shè)定壓力一致；透明噴嘴(14)中的流體通過第二回流管路回流至液體儲存罐(I);管路系統(tǒng)用于為整個試驗系統(tǒng)提供連續(xù)、穩(wěn)定的高壓流體，實現(xiàn)整個裝置的自動循環(huán)，同時還可實現(xiàn)燃油溫度的自動調(diào)節(jié)。
2.—種噴嘴空化流動納秒級閃光成像試驗方法，包括如下步驟: A、液體儲存罐(I)中的流體經(jīng)過加熱瓦(2)加熱或經(jīng)冷卻風(fēng)扇(5)冷卻而達到試驗所設(shè)定的值； B、隨后，液體儲存罐(I)中的流體經(jīng)濾清器(3)到達高壓泵(4)的入口，經(jīng)過高壓泵(4)加壓后，流體被送入共軌管(7)； C、當(dāng)共軌管(7)里的流體壓力高于試驗所設(shè)定壓力值時，打開第一回流管路進行泄壓，當(dāng)共軌管(7)里的流體壓力與試驗所設(shè)定壓力一致時，通過同步器(13)控制共軌控制系統(tǒng)(8 )發(fā)出指令，使流體經(jīng)過壓力表(9 )到達透明噴嘴(14 ); D、當(dāng)流體流過透明噴嘴(14)時，同步器(13)控制納秒級白光源閃光系統(tǒng)(15)發(fā)射白光的時間與相機拍攝的時間，使得納秒級白光源閃光系統(tǒng)(15)發(fā)射第一次白光時,第一CXD相機(11)成像，納秒級白光源閃光系統(tǒng)(15)發(fā)射第二次白光時，第二 CXD相機(12)成像，納秒級白光源閃光系統(tǒng)(15)發(fā)射第三次白光時，第一 C⑶相機(11)成像，如此的循環(huán)，獲得相隔為納秒時刻的圖片，將拍攝的圖片存儲到計算機(10)，用于后期分析，流過透明噴嘴(14)的流體隨后通過第二回流管路流回液體儲存罐(I )。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種噴嘴空化流動納秒級閃光成像試驗方法，其特征在于:所述試驗方法還包括燃油溫度控制方法，其步驟為:通過共軌控制系統(tǒng)(8)設(shè)定燃油溫度在試驗所需要的溫度并啟動燃油溫度控制按鈕，系統(tǒng)進入燃油溫度自動控制；當(dāng)燃油溫度低于設(shè)定的試驗溫度時，系統(tǒng)自動開啟加熱瓦(2)，對燃油進行加熱，當(dāng)溫度升至設(shè)定的試驗溫度時，溫度傳感器發(fā)出信號，加熱瓦(2)停止對燃油加熱；當(dāng)燃油溫度高于設(shè)定的試驗溫度時，系統(tǒng)自動地開啟冷卻風(fēng)扇(5)，對燃油進行降溫，當(dāng)溫度降至設(shè)定的試驗溫度時，溫度傳感器發(fā)出信號，冷卻風(fēng)扇對燃油停止冷卻。
【文檔編號】G01M10/00GK103884488SQ201410101460
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月19日
【發(fā)明者】鐘汶君, 何志霞, 王謙, 邵壯 申請人:江蘇大學(xué)