CN105823903A - 一种推进剂装药排气羽流流速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种推进剂装药排气羽流流速测量方法，解决了激光多普勒测速仪法和粒子图像测速仪法仅能测量羽流中粒子的速度，不能测量真实羽流流速的问题。发动机点火后，可调谐半导体激光穿过排气羽流，由待测气体特征吸收峰的多普勒位移大小反演出羽流的流速。本发明可直接测得推进剂装药排气羽流的真实流速，不需向推进剂中添加示踪粒子。本发明适用于不同种类的固体、液体、胶体和膏体推进剂装药的排气羽流流速测量，对于推进剂配方的优化、推进剂装药设计和发动机的设计具有重要的意义。

Description

一种推进剂装药排气羽流流速测量方法

技术领域

本发明涉及一种流速测量方法，适用于推进剂排气测量技术领域。

背景技术

推进剂装药排气羽流是推进剂在点火后通过发动机喷管排出的燃烧和裂解产物，其中包含了烟雾和火焰，也伴随着激烈的物理和化学变化过程，如湍流、电子激发、电离以及二次燃烧。推进剂装药排气羽流的流速大小及其变化特征是反映推进剂和发动机性能的重要参数，在推进剂配方优化、推进剂装药设计以及发动机设计中扮演着重要的角色。

目前，用于测量推进剂装药排气羽流流速的主要方法有激光多普勒测速仪法(LDV法)和粒子图像测速仪法(PIV法)。其中，使用LDV法测量排气羽流流速时，羽流中的粒子通过两束激光的交点时将两束激光形成的干涉条纹逐条反射，光电检测器则依据所检测到的干涉条纹输出相应电压信号。由于电压变化的多普勒频率仅与粒子的速度、激光波长和光束夹角有关，即可根据已知的激光波长和光束夹角计算出粒子的运动速度。PIV法则使用激光将流场中的示踪粒子照亮，并利用相机在极短的时间内捕捉获得两幅粒子分布图像。通过一定的软件算法比较两幅图像中粒子的位移，获得流场的速度分布。可见，LDV法和PIV法均是通过测量流体中粒子(固体颗粒或是液滴)的运动速度来表征流体的流速。LDV法和PIV法测速对粒子的依赖使得它们对燃烧产物中粒子含量较低的推进剂的测量效果欠佳，需要额外引入示踪粒子。此外，流体的真实流速与流体中粒子的运动速度不可能完全一致；当流体的流速变化较快时，流体中粒子的速度变化会有明显的延迟。因此，LDV和PIV法所测得的粒子运动速度并非排气羽流的真实流速。

发明内容

本发明的目的是提供一种推进剂装药排气羽流流速测量方法，以克服现有技术存在的不能精确表征推进剂装药排气羽流流速的缺陷。

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS，TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy)利用半导体激光的窄带宽和可调谐特性对特定的气体进行扫描，根据气体吸收峰的多普勒频移反演出流体的流速。该方法基于多普勒效应，对于以一定速度运动的气体分子，其特征吸收峰会出现一定的多普勒平移Δv。

$\mathrm{\Δ}v=\frac{usin\mathrm{\θ}}{c}{v}_0$

其中，c为光速、u为气体的流速、v₀为气体的特征吸收中心频率、θ为激光与气体运动方向夹角的余角。依据频移的大小即可计算出气体的流速。利用该方法可以精确的测量推进剂装药排气羽流中气体的运动速度，该速度即为排气羽流的真实流速。因此，该方法适用于不同固体、液体、胶体和膏体推进剂装药排气羽流流速的测量。

本发明使用一种推进剂装药排气羽流流速测量装置，其包括可调谐半导体激光器、激光器控制***、光学***、数据采集和处理单元。所述激光器控制***由信号发生器、电流控制模块和激光器温度控制模块组成；信号发生器产生类锯齿波信号，电流控制模块依据该信号向可调谐半导体激光器供给类锯齿波形状变化的调谐电流；激光器温度控制模块用于将半导体激光器的温度稳定在其最佳工作温度范围内；确保半导体激光器正常工作，产生具有特定中心波长和一定波长分布的激光；光学***包括激光分束器、收发光机(包括激光发射探头、激光发射光机、激光接收光机)、探测器、流速标定模块、测量工装和光纤；激光分束器将激光器产生的激光分为相同的三束；激光发射探头和发射光机使其中两束激光从特定方向穿过排气羽流，随后到达相应激光接收光机；探测器将接收光机处的激光信号转变为电信号；流速标定模块则可通过干涉给出激光器出光频率随时间的变化规律，用于流速的计算；测量工装为上述光学模块提供安装平台，测量工装的流速测量范围为0～3000m/s，测量精度为±5％，对待测气体的最小检测浓度为0.1ppm。光纤则作为激光传输的通道。数据采集和处理单元包括测量模块、数据处理模块和数据管理模块；测量模块对探测器的数据进行采集，数据处理模块则依据测量模块提供的数据对羽流流速进行实时计算并绘制出羽流流速的变化曲线，数据管理模块可保存羽流流速数据并导出“.txt”文件用于其他软件的分析处理。

羽流流速测量实现过程如下：

(1)根据待测推进剂的成分确定测量的目标气体；目标气体选择待测推进剂燃烧的主要气体产物，并选定目标气体的待测吸收峰；选择中心波长位于目标气体待测吸收峰的激光器用于流速测量；依据实验要求确定流速测量点距发动机喷口的距离；

(2)测量前，控制环境温度为10℃～30℃，相对湿度40％～70％；将TDLAS推进剂装药排气羽流流速测量装置的激光分束器输入端光纤接头连接至所选定的激光器的输出法兰接口，分束器的输出端光纤接头则接至激光发射光机，使激光发射光机所发射的激光对准探测器，同时确保两束激光的交点位于发动机喷口的中轴线上；最后将探测器的输入信号线与数据采集***连接；待测量装置连接完毕后，即可通电对装置的工作状态进行检查，主要检查两路激光是否正常出光、光强值是否有明显差别等；若仪器工作状态正常，即可开始推进剂装药排气羽流流速测量实验；

(3)将推进剂装药装入测试发动机，安装到发动机测试台架上；调整羽流流速测试工装的位置，使流速测量点距喷口的距离为所选值；随后连接发动机点火线，设置羽流流速的采样速率并启动，并于10s后点火；发动机工作结束后，关闭检通开关和点火开关，保存测量数据；测量结束后，关闭电源，卸下激光器、激光分束器、探测器，使用酒精或光纤清洗液清洁光纤接头端面，用镜头纸擦拭光路上的窗口，最后将仪器设备收入专用收纳箱中；

(4)测试所得数据为“.txt”文件，记录测量开始后不同时刻气体的流速。以此文件作图，即可获得推进剂装药的排气羽流流速随时间的变化曲线。推进剂装药的平均羽流流速则通过对推进剂稳定燃烧段的燃速取平均而得，即：

$\stackrel{\‾}{v}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{v}_i}{n}$

(5)测量结果的表述：对于一种推进剂装药，平行测量5个样品的羽流流速，依据格拉布斯(Grubbs)准则，在置信度为95％时，剔除异常数据并补做1个样品。若连续补做2个样品都有异常值，则这组数据无效，重新开始测量。采用5个样品平均羽流流速的平均值来表述推进剂装药排气羽流流速测量结果，有效位数保留至小数点后一位。该推进剂装药的羽流流速随时间的变化规律则使用5条曲线中典型的一条进行描述。

本发明所使用的TDLAS推进剂装药羽流流速测量装置需定期校准，以确保测试结果的精确度。校准使用专业校准风洞进行，校准所用流速为100m/s、200m/s和300m/s，校准周期为一年。

本发明相比现有的测量方法，具有下述优点：

1.本发明通过测量推进剂装药排气羽流中气体的运动速度来表征排气羽流流速，所获得的数值为羽流的真实流速，而非LDV法和PIV法所测得的羽流中粒子的运动速度。

2.本发明测量推进剂羽流流速不依赖于羽流中的粒子(固体粒子和液滴)，不需要引入示踪粒子，适用于不同种类的固体、液体、胶体和膏体推进剂羽流流速测量。

附图说明

图1双铅2推进剂装药排气羽流流速测量曲线。

图2含Al改性双基推进剂装药排气羽流流速测量曲线。

图3NEPE推进剂装药排气羽流流速测量曲线。

具体实施方式

依据推进剂装药排气羽流流速测量方法的特点，该方法包括实验参数的确定、测量前的准备、测量、测量后的数据处理以及测量结果的表述共五个步骤。

步骤一、实验参数的确定：在进行推进剂装药排气羽流流速测量之前，首先根据待测推进剂的成分确定测量的目标气体。目标气体选择相应推进剂燃烧的主要气体产物，例如水(H₂O)、碳的氧化物(CO₂、CO等)、氮的氧化物(NO₂、NO、N₂O等)、硫的氧化物(SO₂、SO₃等)、氯的氧化物(ClO₂等)和氯化氢(HCl)等。选定目标气体之后，根据实验要求选择合适的待测特征吸收峰；选定特征吸收峰后，即可选择中心波长位于该待测吸收峰的激光器用于流速测量。

步骤二、测量前的准备：测量前需要进行环境温度和湿度控制，环境温度应为10℃～30℃，相对湿度应为40％～70％；将TDLAS推进剂装药排气羽流流速测量装置的激光分束器输入端光纤接头连接至所选定的激光器的输出法兰接口，分束器的输出端接至激光发射光机，使激光发射光机所发射的激光对准探测器，同时确保两束激光的交点位于发动机喷口的中轴线上；最后将探测器的输入信号线与数据采集***连接；待测量装置连接完毕后，即可通电对装置的工作状态进行检查，主要检查两路激光是否正常出光、光强值是否有明显差别等；若仪器工作状态正常，即可开展推进剂装药排气羽流流速测量实验。

步骤三、测量：将推进剂装药装入测试发动机，随后将发动机安装到发动机测试台架上；调整羽流流速测试工装的位置，使激光的交点距发动机喷口的距离为所选长度；随后连接发动机点火线，设置羽流流速的采样速率并启动，并于10s后点火；发动机工作结束后，关闭检通开关和点火开关，保存测量数据；测量结束后，关闭电源，卸下激光器、激光分束器、探测器，使用酒精或光纤清洗液清洁光纤接头端面，用镜头纸擦拭光路上的窗口，最后将仪器设备收入专用收纳箱中。

步骤四、数据处理：测量所得数据为“.txt”文件，记录测量开始后不同时刻气体的流速。以此文件作图，即可获得推进剂装药排气羽流流速随时间变化的曲线。图1、图2和图3分别是双铅2推进剂装药、含Al改性双基推进剂装药和NEPE推进剂装药的羽流流速随时间的变化曲线。推进剂的平均羽流流速则通过对推进剂稳定燃烧段(即图1、图2和图3中两条黑色虚线竖线间的区域)的流速取平均而得，即：

$\stackrel{\‾}{v}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{v}_i}{n}$

步骤五、测量结果的表述：对于一种推进剂装药，平行测量5个样品的羽流流速，依据格拉布斯(Grubbs)准则，在置信度为95％时，剔除异常数据并补做1个样品。若连续补做2个样品都有异常值，则这组数据无效，重新开始测量。采用5个样品平均羽流流速的平均值来表述推进剂装药排气羽流流速测量结果，有效位数保留至小数点后一位。该推进剂装药的羽流流速随时间的变化规律则使用5条曲线中典型的一条进行描述。

Claims (2)

1.一种推进剂装药排气羽流流速测量方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)根据待测推进剂的成分确定测量的目标气体，并选定目标气体的待测吸收峰；选择中心波长位于目标气体待测吸收峰的激光器用于流速测量，依据实验要求确定流速测量点距发动机喷口的距离；

(2)温度10℃～30℃，相对湿度40％～70％，将激光分束器输入端光纤接头连接至所选定的激光器的输出法兰接口，分束器的输出端光纤接头接至激光发射光机，使激光发射光机所发射的激光对准探测器，同时确保两束激光的交点位于发动机喷口的中轴线上；将探测器的输入信号线与数据采集***连接，通电开始排气羽流流速测量实验；

(3)将推进剂装药装入测试发动机，调整羽流流速测试工装的位置，使流速测量点距喷口的距离为所选值；连接发动机点火线，设置羽流流速的采样速率并启动，并于10s后点火；发动机工作结束后，保存测量数据；

(4)数据处理：以测量数据作图，即可获得排气羽流流速随时间的变化曲线，推进剂装药的平均羽流流速通过对推进剂稳定燃烧段的n个流速值取平均而得；

(5)测量结果的表述：平行测量5个样品的羽流流速，依据格拉布斯准则，剔除异常数据，采用平均羽流流速的平均值来表述推进剂装药羽流流速测量结果，该推进剂装药的羽流流速随时间的变化规律则使用5条曲线中典型的一条来表述。

2.根据权利要求1所述的一种推进剂装药排气羽流流速测量方法，其特征在于所述测量装置的校准使用专业校准风洞进行，校准所用流速为100m/s、200m/s和300m/s。