CN107860511B - 一种激波管微小阶跃压力发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激波管微小阶跃压力发生器，属于计量测试技术。包括：高压腔、夹膜机、低压腔、背压腔和半无限长管；还包括过渡装置和主动破膜机构；主动破膜机构部分位于高压腔内，且与夹膜机接触；过渡装置位于低压腔，且与夹膜机接触；本发明通过过渡装置设计，有效的控制了破膜面积，实现微小阶跃压力的产生，同时消除了不完整破膜产生的阻滞涡，使产生的激波更快形成平面波，从而提高了阶跃平台时间。利用半无限长管设计有效平衡了背压腔与低压腔内的压力，并避免破膜后在所需激波阶跃平台结束前低压腔内的入射激波传递到背压腔从而影响真实的压差阶跃。采用主动破膜的方式可以实现破膜前固定的膜压比，提高了实验的重复性。

Description

一种激波管微小阶跃压力发生器

技术领域

本发明涉及一种激波管微小阶跃压力发生器，属于计量测试技术。

背景技术

激波管作为阶跃压力发生装置，是一种经典的动态压力校准设备，它可以产生上升时间非常短的阶跃压力，且阶跃波前沿上升时间可在0.1微秒以内，在有限时间内(一般在10ms以内)平台压力恒定，其幅值可由起始参数和激波速度值算出，准确度在1％以内。但目前产生的阶跃压力幅值都在10kPa以上，更低幅值较难实现。同时由于目前很多激波管采用被动破膜的方式，导致无法获取准确的高压室压力情况。激波管实验过程中通常难以实现完整破膜，因而会在不完全破膜时在膜片附近产生涡，进而影响激波的传递，导致产生的阶跃压力平台变短。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术无法产生低阶跃压力幅值的测量，以及不完整破膜产生的阻滞涡的问题，提供一种激波管微小阶跃压力发生器。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种激波管微小阶跃压力发生器，包括：高压腔、夹膜机、低压腔、背压腔和半无限长管；还包括过渡装置和主动破膜机构；

所述主动破膜机构由包括刺针和导向密封管组成；刺针放置在导向密封管内；主动破膜机构为L型结构；

所述过渡装置为中间开有梯形孔的圆饼结构；

主动破膜机构部分位于高压腔内，且与夹膜机接触；过渡装置位于低压腔，且与夹膜机接触；

有益效果

本发明通过过渡装置设计，有效的控制了破膜面积，实现微小阶跃压力的产生，同时消除了不完整破膜产生的阻滞涡，使产生的激波更快形成平面波，从而提高了阶跃平台时间。利用半无限长管设计有效平衡了背压腔与低压腔内的压力，并避免破膜后在所需激波阶跃平台结束前低压腔内的入射激波传递到背压腔从而影响真实的压差阶跃。采用主动破膜的方式可以实现破膜前固定的膜压比，提高了实验的重复性。

附图说明

图1为微压激波管结构示意图；

图2为主动破膜结构示意图；

图3为激波管底端面位置处压力幅值示意图；

图4为背压腔端面位置处压力幅值示意图；

图5为未使用过渡装置时激波管内激波传递过程中压力分布情况；

图6为安装过渡装置后激波管内传递过程中压力分布情况。

其中，1—高压腔、2—夹膜机、3—低压腔、4—背压腔、5—半无限长管、6—过渡装置、7—主动破膜机构、8—刺针、9—导向密封管。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，一种激波管微小阶跃压力发生器，包括：高压腔1、夹膜机2、低压腔3、背压腔4和半无限长管5；还包括过渡装置6和主动破膜机构7；

高压腔1和低压腔3采用圆柱管状设计，中间连接部分加入过渡装置6设计，内壁设计为斜线构造，可以控制膜片破碎面积以及实现不完整破膜后避免涡的出现。夹膜机2将膜片置于连接位置，刺针8置于膜片后端且于膜片垂直放置，针尖位置对准膜片圆心，并采用半球形设计，当高压腔1和低压腔3内的压差达到所需值时，推动刺针8实现主动破膜，每次实验过程中根据膜片承受膜压比情况选择合适的膜片。在低压腔3与背压腔4之间采用半无限长管连5接，满足过程中背压腔4和低压腔3不存在压差。

选用激波管总长度为11m，高压腔1和低压腔3通过夹膜机2和过渡装置6用螺纹连接，内径为100mm，长度分别为4m和7m。

夹膜机2内用橡胶圈密封，防止膜片位置在高压腔1充压的过程中出现漏气现象，同时在用螺纹连接内同样加入O型圈进行密封。

刺针8通过导向密封管9引出，针尖距离膜片2cm位置，过渡装置6的设计为斜线型，倾斜角度为12°，总长度为50mm。为实现微小阶跃压力，将压力幅值控制在10kPa以内，低压腔端与低压腔内径相同，为100mm。

夹膜机2配套不同厚度的膜片，从0.07mm到1.8mm不等，可以实现不同膜压比下破膜的需求。以0.07mm膜片为例，

工作过程：

选用0.07mm的膜片后，破膜后产生的稀疏波以音速在高压室内传播，因此到达高压室端面位置所需要的时间为11.7ms。

在高压腔内，音速大小为329m/s，所以反射稀疏波的速度为384m/s。在理想情况下稀疏波到达底端面的时间21.6ms，此时阶跃压力平台时间结束，总时间为14.6ms。

反射激波速度为330m/s，在到达过渡段并发生二次反射，再次传播到底端面所需要的时间为42ms，此时阶跃平台已经结束，因此过渡段的安装并不会对阶跃压力造成影响。没有安装过渡装置6时管腔内会出现涡，压力分布不均匀，如图5所示，安装过渡装置6后可以明显改善管腔内的压力分布，保证压力平台时间不被反射激波破坏，如图6所示。

背压腔4用于微差压(或微表压)传感器校准时给传感器提供一个稳定的背压。半无限长管5一段从低压腔3膜片之后20cm处引出，长度为12m，连接到背压腔4上，通过延长激波在连接管道中的传播时间来延后激波达到背压腔时间，从而通过时间错位防止激波达到背压腔后破坏差压传感器实际感受的压差阶跃压力平台。

因此，在膜片破碎瞬间开始计时，激波管底端位置处的压力随时间的变化，与背压腔底端压力随时间变化如下图所示：

可见在破膜后18.7ms时激波到达激波管底端面，33.3ms时平台结束，50ms时激波到达背压腔端面。激波在低压腔底端面处形成压力平台结束后，激波才运动到背压腔端面位置，因此不会对实验所需的平台时间造成影响。

基于以上设计的激波管微小阶跃压力发生器主要技术指标为：脉冲压力幅值(1～10)kPa，阶跃平台在10ms以上。

具体操作说明如下：

1)在螺纹内安放O型圈后，安装好膜片；

2)将过渡段安装于低压腔内，主动破膜装置通过L型设计位于高压腔内，将高压腔，夹膜机以及低压腔组装到一起；

3)将半无限长管将低压腔与背压腔连接到一起，保证两个腔室没有压差；

4)向高压室内充气，利用压力传感器对高压腔和低压腔进行压力监测，当达到所需要膜压比时推动刺针，实现破膜；

5)通过低压腔底端面处的压力传感器进行阶跃压力监测；

6)通过排气孔进行管腔内气体排气，当达到平衡气压时分离高低压段；

7)将夹膜机上膜片进行更换，进行重复实验。

其他条件相同的情况下没有主动破膜机构7和过渡装置6；低压室保持大气压，向高压室内充压，直到膜片破碎，未安装过渡装置时形成的马赫数约为1.1，在常温下的音速为340m/s，因此激波速度为374m/s。低压室的长度为7m，因此从膜片破碎开始，激波到达底端面所需要的时间为18.7ms。通过过渡装置，控制膜片的破碎比例为50％，此时膜片端为50mm，可以使得马赫数降低到1.06，即此时入射激波的速度为360m/s，激波到达底端面的时间则延长至19.4ms。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种激波管微小阶跃压力发生器，其特征在于：包括：高压腔(1)、夹膜机(2)、低压腔(3)、背压腔(4)和半无限长管(5)；还包括过渡装置(6)和主动破膜机构(7)；

所述主动破膜机构(7)由刺针(8)和导向密封管(9)组成；刺针(8)放置在导向密封管(9)内；主动破膜机构(7)为L型结构；

所述过渡装置(6)为中间开有梯形孔的圆饼结构；

主动破膜机构(7)部分位于高压腔(1)内，且与夹膜机(2)接触；过渡装置(6)位于低压腔(3)，且与夹膜机(2)接触；所述梯形孔的小端与夹膜机(2)接触。

2.如权利要求1所述的一种激波管微小阶跃压力发生器，其特征在于：所述发生器的工作过程为：向高压腔(1)内充压，当高压腔(1)中的压力达到预定值时通过主动破膜机构(7)实现主动刺破薄膜，在低压腔(2)内安装的过渡装置(6)能够避免形成的激波在低压腔(2)近膜片位置产生涡，从而保证低压腔(2)内压力分布更为均匀，形成的阶跃压力平台时间更长。

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