CN104791134A - 一种可更换二次流互击喷嘴的流场可视化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可更换二次流互击喷嘴的流场可视化装置，属于流体喷射的发动机领域。装置，包括：喷嘴密封垫片、喷嘴处压板、二次射流注入装置、互击喷射喷嘴、石英玻璃、可视化窗口和喷管等；本发明的一种可更换二次流互击喷嘴的流场可视化装置，能通过可视化窗口测量雾化情况、内流场分布和流场速度分布；通过可视化窗口也可以观测到实际的有效喉部面积与形成诱导激波后的流场分布，能够直观的看到推力调节变化的具体过程。且在测量不同方案下的流场分布与雾化情况以及多种方案下推力调节的变化过程时，不需要更换整个喷管装置，只要更换不同二次流互击角度的喷射喷嘴或者将堵塞放在相应的集液腔中即可。

Description

一种可更换二次流互击喷嘴的流场可视化装置

技术领域

本发明涉及一种可更换二次流互击喷嘴的流场可视化装置，属于流体喷射的发动机领域。

背景技术

二次流体喷射是指通过注射二次射流到发动机喷管喉部或者喷管扩张段的主流中，二次射流和主流发生相互作用，改变主流流动状况，从而改变发动机推力的大小和方向。通过改变喷管喉部面积来调节推力是固体火箭发动机推力调节技术的研究领域。

专利申请号201510017390.8，一种可更换喷管的二次流体喷射推力调节装置，该发明的目的实现了推力的大小控制和推力的方向调节。但是该装置存在以下的缺点：1只能够实现调节推力的大小和方向，不能够直观的看到推力调节变化的具体过程，也不能够测量出拉瓦尔喷管喉部或者扩张段处二次流与主流相互作用时的流场分布，速度分布以及雾化效果；2在进行多种方案测量时要更换整个体积庞大的喷管；3二次流体喷射方式是通常情况下的水平对射射流和逆向射流。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述缺点，提供一种可更换二次流互击喷嘴的流场可视化装置，该装置能通过可视窗测量雾化情况、内流场分布和流场速度分布，能够直观地看到推力调节变化的具体过程。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种可更换二次流互击喷嘴的流场可视化装置，包括：喷嘴密封垫片、喷嘴处压板、二次射流注入装置、互击喷射喷嘴、石英玻璃、可视化窗口和喷管；

互击喷射喷嘴包括：喷射集液腔、开槽沉头螺钉、密封O型圈、堵塞；

互击喷射喷嘴为两边带有凸台的长方体；从底面对称开设两个相同的喷射集液腔；喷射集液腔用于放置堵塞；喷射集液腔底面开设有有角度的通孔；堵塞外侧套有密封O型圈，堵塞中心开有螺纹孔，用于与开槽沉头螺钉固定连接；互击喷射喷嘴的顶面充当了拉瓦尔喷管的喉部、部分收敛段和部分扩张段；

互击喷射喷嘴放置在喷管内；喷嘴密封垫片与喷嘴处压板中间开设有通孔，用于液体流通；喷嘴密封垫片与喷嘴处压板通过螺钉与喷管固定连接，将互击喷射喷嘴固定在喷管内；喷嘴处压板与二次射流注入装置固定连接；与二次射流注入装置相邻的两个面上对称放置石英玻璃形成可视化窗口；

所述通孔数量至少是2个。

工作过程：发动机正常工作时，主流气体通过发动机拉瓦尔喷管收敛段，喷管喉部和喷管扩张段后膨胀加速，产生推力；与此同时二次射流通过二次射流注入装置对称注入喷射集液腔，二次射流在喷射集液腔形成稳定压强的液流，再均匀的射入喷管喉部或者喷管扩展段，从而与高压主流气体剧烈挤压或者发生化学反应产生雾化流场，通过可视化窗口测量雾化情况、内流场分布和流场速度分布，此时也能够直观的看到推力调节的变化过程。如果二次射流在喉部对称喷入则起到调节喉道面积的作用，可以通过可视化窗口观察到气液撞击情况下的有效喉部面积，能够直观地理解二次流的扼喉能力，从而能够直观地看到推力调节的变化过程；如果将堵塞单个的放在喷管扩张段二次流非对称的喷入，则通过可视化窗口观察到形成诱导激波后的流场分布，从而直观地看到推力方向调节的过程。

当根据实际工作需要进行多方案下的流场测量时，可以通过控制堵塞的位置或者更换互击喷射喷嘴来改变喷射方案，互击喷射喷嘴和堵塞的更换过程为，安装方式为：把互击喷射喷嘴取出来更换不同互击角度方案的互击喷射喷嘴或者选择好要实施的喷射方案，然后把堵塞放进相应的喷射集液腔，再进行喉部或者扩张段喷射二次流，此时密封O型圈放置堵塞侧面，起到了很好的密封作用，堵塞中心螺纹孔与开槽沉头螺钉固定连接；接着将喷嘴密封垫片和喷嘴处压板安装好，最后利用螺钉将其与整个喷管装置拧紧固定。

拆卸方式：通过卸载螺钉，依次可以拿出二次射流注入装置与喷嘴处压板、喷嘴密封垫片、也可以拿出互击喷射喷嘴；然后将开槽沉头螺钉往外旋出一部分，再用钳子可以将堵塞从集液腔中取出。

有益效果

1、本发明的一种可更换二次流互击喷嘴的流场可视化装置，能通过可视化窗口测量雾化情况、内流场分布和流场速度分布；通过可视化窗口也可以观测到实际的有效喉部面积与形成诱导激波后的流场分布，能够直观的看到推力调节变化的具体过程。

2、本发明的一种可更换二次流互击喷嘴的流场可视化装置，只适合气液撞击流场的测量，在测量不同方案下的流场分布与雾化情况以及多种方案下推力调节的变化过程时，不需要更换整个喷管装置，只要更换不同二次流互击角度的互击喷射喷嘴或者将堵塞放在相应的集液腔中即可。

3、本发明的一种可更换二次流互击喷嘴的流场可视化装置，其中，二次射流在喉部或者扩张段与主流发生相互作用时，二次射流的入射方式不是水平对射和逆向射流，而是采用的多个通孔成一定角度的互击式射流。

4、本发明的一种可更换二次流互击喷嘴的流场可视化装置，与二次流水平对射射流和逆向射流比较，在相同流量的射流下，二次流经过互击喷射喷嘴射流射到喉部或者扩张段与主流气体相互作用时能产生更大的推力。

附图说明

图1为本发明的一种可更换二次流互击喷嘴的流场可视化装置采用喷管喉部对称喷射方式的半剖视图。

其中：1—喷嘴密封垫片、2—喷嘴处压板、3—喷射集液腔、4—二次射流注入装置、5—开槽沉头螺钉、6—密封O型圈、7—堵塞、8—互击喷射喷嘴、9—石英玻璃、10—可视化窗口、11—喷管；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1

一种可更换二次流互击喷嘴的流场可视化装置，包括：喷嘴密封垫片1、喷嘴处压板2、二次射流注入装置4、互击喷射喷嘴8、石英玻璃9、可视化窗口10和喷管11；

互击喷射喷嘴8包括：喷射集液腔3、开槽沉头螺钉5、密封O型圈6、堵塞7；

互击喷射喷嘴8为两边带有凸台的长方体；从底面对称开设两个相同的喷射集液腔3；喷射集液腔3用于放置堵塞7，将堵塞7成对的放在互击喷射喷嘴8扩张段对应的喷射集液腔3，从而保证了二次流只能通过喉部处对应的喷射集液腔3喷射；喷射集液腔3底面开设有有角度的通孔，通孔数量为3个，3个通孔以中间孔为轴对称布置，互击总角度为60°；堵塞7外侧套有密封O型圈6，堵塞7中心开有螺纹孔，用于与开槽沉头螺钉5固定连接；互击喷射喷嘴8的顶面充当了拉瓦尔喷管的喉部、部分收敛段和部分扩张段；

互击喷射喷嘴8放置在喷管11内；喷嘴密封垫片1与喷嘴处压板2中间开设有通孔；喷嘴密封垫片1与喷嘴处压板2通过螺钉与喷管11固定连接，将互击喷射喷嘴8固定在喷管11内；喷嘴处压板2与二次射流注入装置4固定连接；与二次射流注入装置4相邻的两个面上对称放置石英玻璃9形成可视化窗口10；

所述的喷嘴密封垫片1对称布置，压紧互击喷射喷嘴8，起到了很好的密封作用，通过压住喷射集液腔3，一方面防止喷射集液腔3液体外渗或者空气进入喷射集液腔3，另一方面又防止了喉部或者扩张段处的主流气体和液流通过互击喷射喷嘴8与喷管11配合的间隙反向外泄，成功的保证了装置的密封性；同时喷嘴密封垫片1的中间通孔也作为二次流的过道，使得二次流胜利流入喷射集液腔3。

所述的喷嘴处压板2是对称布置，作用是为了压紧喷嘴密封垫片1，让压紧的喷嘴密封垫片1能有很好的密封作用；喷嘴处压板2中间通孔还起到了作为二次液流的过道，经压紧喷嘴密封垫片1的过道流入喷射集液腔3。

所述的喷射集液腔3是通过在互击喷射喷嘴8底面上形成的深孔空腔，用于使二次射流在空腔内形成稳定压强的液流，使得在喉部或者扩张段二次射流以互击的形式注入喷管喉部或者扩张段，从而保证了喉部或者扩张段有稳定的射流压强，再与主流发生强烈的相互作用。

所述的二次射流注入装置4用于引入二次射流到喷射集液腔3，历经了喷嘴密封垫片1、喷嘴处压板2两处过道；二次射流注入装置4对称连接在喷管装置的两侧，用于抵消二次射流通过二次射流注入装置4注入喷射集液腔3对发动机推力产生的影响；

所述的开槽沉头螺钉5是将堵塞7取出或者放进喷射集液腔3，从而实现多种喷射方案下流场的观测。

所述的密封O型圈6是在用堵塞7进行多种流场的观测时起到密封作用，防止二次流从堵塞7的侧面渗透到喷射集液腔3。

所述的堵塞7是为了控制实验方案的，可以将堵塞7单个或者成对的放在互击喷射喷嘴8喉部或者扩张段的喷射集液腔3，实现多种流场的观测，其方式可以有：二次射流喷射方式是喷管喉部对称方式，或喷管扩张段对称喷射方式，或喷管喉部和喷管扩张段组合的喷射方式。

所述的互击喷射喷嘴8作用是通过喷射集液腔3将二次液流射入喉部或者扩张段与主流气体形成剧烈的撞击，雾化成非常小的液滴。互击喷射喷嘴8对称放在喷管11装置的两侧，以便于抵消二次射流通过二次射流注入装置4注入喷射集液腔对发动机推力产生的影响；

所述的可视化窗口10是指通过密封后的石英玻璃9，加上螺钉将其固定在喷管11，然后通过可视化窗口10测量雾化情况、内流场分布和流场速度分布。所述的石英玻璃9透光率极高，提供了可视化条件。

所述的喷管11是在已有的喷管结构上进行改变，设计有能够与互击喷射喷嘴8和石英玻璃9相配合的通道；所述的喷管主流流通内型面包括喷管收敛段、喷管喉部、喷管扩张段；其喉部段不在本身的喷管11上，而位于互击喷射喷嘴8的顶面；扩张段和收敛段也有一部分位于互击喷射喷嘴8的顶面。

工作过程：

发动机正常工作时，主流气体通过发动机拉瓦尔喷管收敛段，喷管喉部和喷管扩张段后膨胀加速，产生推力；与此同时二次射流通过二次射流注入装置4对称注入到喉部处的喷射集液腔3，二次射流在喷射集液腔3形成稳定压强的液流，再均匀的射入喷管喉部，从而与高压主流气体剧烈挤压或者发生化学反应产生雾化流场，通过可视化窗口10测量雾化情况、内流场分布和流场速度分布；二次射流在喉部对称喷入则起到调节喉道面积的作用，此时可以通过可视化窗口10观察到气液撞击情况下的有效喉部面积，能够直观地理解二次流的扼喉能力，从而能够直观地看到推力调节的变化过程。

当需要研究二次流不同喷射方式或者不同互击角度方案下的流场测量时，可以通过控制堵塞7在集液腔中的位置或者更换不同互击角度的互击喷射喷嘴8来改变喷射方案，互击喷射喷嘴8和堵塞7的更换过程为，安装方式为：把互击喷射喷嘴8取出来更换不同互击角度方案的互击喷射喷嘴8或者选择好要实施的喷射方案，然后把堵塞7放进相应的喷射集液腔，再进行喉部或者扩张段喷射二次流，此时密封O型圈6放置堵塞7侧面，起到了很好的密封作用，堵塞7中心螺纹孔与开槽沉头螺钉5固定连接；接着将喷嘴密封垫片1和喷嘴处压板2安装好，最后利用螺钉将其与整个喷管11装置拧紧固定。

拆卸方式：通过卸载螺钉，依次可以拿出二次射流注入装置4与喷嘴处压板2、喷嘴密封垫片1、也可以拿出互击喷射喷嘴8；然后将开槽沉头螺钉5往外旋出一部分，再用钳子把堵塞7从喷射集液腔3中取出。

以上实施例仅为本发明的一个具体实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种可更换二次流互击喷嘴的流场可视化装置，其特征在于：包括：喷嘴密封垫片(1)、喷嘴处压板(2)、二次射流注入装置(4)、互击喷射喷嘴(8)、石英玻璃(9)、可视化窗口(10)和喷管(11)；

互击喷射喷嘴(8)包括：喷射集液腔(3)、开槽沉头螺钉(5)、密封O型圈(6)、堵塞(7)；

互击喷射喷嘴(8)为两边带有凸台的长方体；从底面对称开设两个相同的喷射集液腔(3)；喷射集液腔(3)用于放置堵塞(7)；喷射集液腔(3)底面开设有有角度的通孔；堵塞(7)外侧套有密封O型圈(6)，堵塞(7)中心开有螺纹孔，用于与开槽沉头螺钉(5)固定连接；互击喷射喷嘴(8)的顶面充当了拉瓦尔喷管的喉部、部分收敛段和部分扩张段；

互击喷射喷嘴(8)放置在喷管(11)内；喷嘴密封垫片(1)与喷嘴处压板(2)中间开设有通孔，用于液体流通；喷嘴密封垫片(1)与喷嘴处压板(2)通过螺钉与喷管(11)固定连接，将互击喷射喷嘴(8)固定在喷管(11)内；喷嘴处压板(2)与二次射流注入装置(4)固定连接；与二次射流注入装置(4)相邻的两个面上对称放置石英玻璃(9)后形成可视化窗口(10)。

2.如权利要求1所述的一种可更换二次流互击喷嘴的流场可视化装置，其特征在于：所述通孔数量至少是2个。

3.如权利要求1所述的一种可更换二次流互击喷嘴的流场可视化装置，其特征在于：工作过程：发动机正常工作时，主流气体通过发动机拉瓦尔喷管收敛段，喷管喉部和喷管扩张段后膨胀加速，产生推力；与此同时二次射流通过二次射流注入装置(4)对称注入喷射集液腔(3)，二次射流在喷射集液腔(3)形成稳定压强的液流，再均匀的射入喷管喉部或者喷管扩展段，从而与高压主流气体剧烈挤压或者发生化学反应产生雾化流场，通过可视化窗口(10)测量雾化情况、内流场分布和流场速度分布，此时也能够直观的看到推力调节的变化过程；如果二次射流在喉部对称喷入则起到调节喉道面积的作用，可以通过可视化窗口(10)观察到气液撞击情况下的有效喉部面积，能够直观地理解二次流的扼喉能力，从而能够直观地看到推力调节的变化过程；如果将堵塞(7)单个的放在喷管扩张段二次流非对称的喷入，则通过可视化窗口(10)观察到形成诱导激波后的流场分布，从而直观地看到推力方向调节的过程；

当根据实际工作需要进行多方案下的流场测量时，可以通过控制堵塞(7)的位置或者更换互击喷射喷嘴(8)来改变喷射方案，互击喷射喷嘴(8)和堵塞(7)的更换过程为，安装方式为：把互击喷射喷嘴(8)取出来更换不同互击角度方案的互击喷射喷嘴(8)或者选择好要实施的喷射方案，然后把堵塞(7)放进相应的喷射集液腔，再进行喉部或者扩张段喷射二次流，此时密封O型圈(6)放置堵塞(7)侧面，起到了很好的密封作用，堵塞(7)中心螺纹孔与开槽沉头螺钉(5)固定连接；接着将喷嘴密封垫片(1)和喷嘴处压板(2)安装好，最后利用螺钉将其与整个喷管(11)装置拧紧固定。