CN111122395B - 一种移动式超音速喷嘴连续测量*** - Google Patents
一种移动式超音速喷嘴连续测量*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明一种移动式超音速喷嘴连续测量实验***，包括移动式超音速喷嘴实验装置和软件闭环控制***两部分；该***通过矩形喷嘴与高频响压力传感器的相对运动，可获得超音速喷嘴非定常凝结流压力波动特性，克服了传统超音速喷嘴沿程压力测量一致性不好的缺点，并采用消光法测量了超音速喷嘴的全部区域液滴粒径分布；该***通过数据采集程序实现了多通道的数据采集、自动存储、以及越限报警，连续大容量的动态数据通过建立数据库实现存储；该***采取电机脉动控制，控制精度0.01mm，实现了数据采集和电机控制的同步；本发明即考虑了超音速喷嘴实验数据的连续测量，又实现了***软件闭环控制，可用于超音速喷嘴的凝结特性试验研究。
Description
技术领域
本发明属于气液两相流测量领域，涉及一种移动式超音速喷嘴连续测量***。
背景技术
超音速喷嘴是超音速设备中的核心部件，目前已被广泛应用于石油、天然气、化工、制药、节能、环保、航空和航天等领域[1]。超音速旋流分离技术是结合旋流分离技术和冷凝分离技术的多组分气体冷凝分离法[2]，超音速喷嘴是超音速分离器产生凝结效应的关键部件。凝结效应就是饱和湿蒸汽在经过超音速喷嘴时，在喷嘴中膨胀到超音速，产生低压低温，从而液相凝结成核[3]。超音速喷嘴的凝结现象研究方法可采用理论分析、数值模拟和实验法。由于自发凝结效应的复杂性，通过实验方法研究超音速喷嘴内部凝结特性显得尤为重要。超音速喷嘴中的凝结效应研究，喷嘴管流场压力分布和液滴粒径分布是必要因素。
传统的沿程压力测量采用的方法是在喷嘴喉部周围打一系列引压孔，装载压力传感器测量压力[4]。由于传统的实验装置需要打很多个引压孔，并不在一个水平面，不能完全地说明喉部凝结处附近的压力数据的等效性，同时不同截面处的压力传感器型号不一，一致性相对不好。并且由于喷嘴尺寸都较小，引压孔不能设置过多，所以只能测量几个引压孔处的压力，不能做到喷嘴沿程压力的连续测量。
发明内容
本发明提供一种移动式超音速喷嘴连续测量实验***。装置包括移动式超音速喷嘴实验装置和软件闭环控制***两部分。该实验***可获取超音速喷嘴非定常凝结流动特征。
为了解决现有技术中存在的问题，本发明采用如下技术方案：
1、一种移动式超音速喷嘴连续测量***，包括移动式超音速喷嘴实验装置和软件闭环控制***两部分，移动式超音速喷嘴实验装置由移动式超音速喷嘴、驱动电机、气源机构和实验数据测量机构构成；其中：所述移动式超音速喷嘴包括喷嘴基体、矩形喷嘴和传动杆；
所述软件闭环控制***包括静态数据采集模块、连续动态数据采集模块、电机驱动控制模块和数据库；其中：
所述静态数据采集模块通过采集到的入口压力、温湿度值来调整气源，使实验***达到设定的实验条件；
所述连续动态数据采集模块对实验数据测量机构所测的数据进行分析融合获得超音速喷嘴非定常凝结流动特性；
所述电机驱动控制模块间接驱动矩形喷嘴的移动，通过矩形喷嘴与所述实验数据测量机构中的动态测量部分的相对运动，实现超音速喷嘴沿程压力分布和全部区域的液滴粒径的测量；
所述数据库记录连续动态数据采集模块采集的连续大容量动态数据。
所述实验数据测量机构：包括入口压力传感器、入口温湿度传感器、出口压力传感器、出口温湿度传感器、高频响压力传感器和消光法液滴粒度测量仪；其中：
所述移动式超音速喷嘴通过传动杆与所述驱动电机连接；
所述喷嘴基体入口与所述气源机构连接，所述喷嘴基体入口安装有入口压力传感器、入口温湿度传感器；
所述喷嘴基体出口安装所述出口压力传感器、出口温湿度传感器；
所述喷嘴基体内壁安装高频响压力传感器；
所述喷嘴基体中间位置的前后两侧安装消光法液滴粒度测量仪，分别是测量仪光发送部分和测量仪光接收部分。
所述软件闭环控制***采用如下算法获得超音速喷嘴非定常凝结流动特性：
S1、打开气源机构，静态数据采集模块通过比较预设定入口压力、温湿度值与传感器显示值来调整气源，使实验***达到设定的实验条件；
S2、电机驱动控制模块采用设置脉冲发生器方式对驱动电机进行控制，设定脉冲驱动参数，启动驱动电机，驱动电机转动使喷嘴移动；电机驱动控制模块通过比较输入脉冲数和电机接收脉冲数控制电机精度；
S3、电机驱动控制模块输出一次沿程压力测量所需的脉冲数，矩形喷嘴一次移动到位后，连续动态数据采集模块开始读取高频响压力传感器数据和消光法液滴粒度测量仪数据；
S4、数据读取完成后，循环步骤S3，控制电机继续转动使矩形喷嘴继续移动，分析融合连续动态数据采集模块采集的全部数据，即可获取喷嘴全部区域的沿程压力分布和液滴粒度分布；
S5、在完成设定的输出脉冲数后，连续动态数据采集模块中数字脉冲输出单元控制布尔按钮触发电机停止，同时这个布尔按钮在数据测量框图中的局部变量同样生效，触发数据测量结构内while循环的停止，数据测量停止。
有益效果
1、本发明包括移动式超音速喷嘴实验装置和软件闭环控制***两部分，通过矩形喷嘴和高频响压力传感器的相对运动，可获得超音速喷嘴非定常凝结流压力波动特性，克服了传统超音速喷嘴沿程压力测量一致性不好的缺点，并采用消光法测量了超音速喷嘴的全部区域液滴粒径分布。将测得的沿程压力分布和液滴粒径分布信息融合，可获取超音速喷嘴非定常凝结流动特性。
2、本发明通过数据采集程序实现了多通道的数据采集、自动存储、以及越限报警，连续大容量的动态数据通过建立数据库实现存储。
附图说明
图1为移动式超音速喷嘴实验装置剖面示意图；
图2为软件闭环控制***流程图；
图3为数据处理模块示意图。
具体实施方式
为了能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
移动式超音速喷嘴实验装置剖面示意图参见图1，包括移动式超音速喷嘴、驱动电机2、气源机构3和实验数据测量机构。
移动式超音速喷嘴包括喷嘴基体11、矩形喷嘴12和传动杆13。矩形喷嘴12与传动杆13固接，通过传动杆13的平动带动矩形喷嘴12做平移运动；矩形喷嘴12和传动杆13滑动镶嵌于喷嘴基体11内腔内，由矩形喷嘴12和喷嘴基体11组成的内部空腔构成移动式超音速喷嘴的横截面积；由于矩形喷嘴12的平动，不断改变超音速喷嘴的横截面积，从而实现了移动式。
实验数据测量机构包括入口压力传感器41、入口温湿度传感器42、出口压力传感器43、出口温湿度传感器44、高频响压力传感器45和消光法液滴粒度测量仪46。高频响压力传感器45放置于喷嘴基体壁11的引压孔内，通过矩形喷嘴12与高频响压力传感器45的相对运动，实现喷嘴沿程瞬态压力的测量，可获取超音速喷嘴非定常凝结流压力波动特性。消光法液滴粒度测量仪46用于测量管道DN40-DN80内粒径0.01-1μm范围内的液滴，采用多波长消光法对液滴粒度和浓度进行测量及反演，采用信号互相关法对液滴速度进行测量。如图1所示，喷嘴基体11中间位置的前后两侧安装消光法液滴粒度测量仪，分别是测量仪光发送部分和测量仪光接收部分。其基本原理是发送光源通过测量区域，由于测量区域水滴的散射现象，发送光会产生衰减，通过测量发送光强度和透射光强度，通过反演计算得出水滴的尺寸和粒度分布。由于消光法液滴粒度测量仪46和矩形喷嘴12之间的相对运动，可测得超音速喷嘴全部区域的液滴粒径分布。将测得的沿程压力分布和液滴粒径分布信息融合，可获取超音速喷嘴非定常凝结流动特性。
软件闭环控制***流程图参见图2，包括静态数据采集模块、连续动态数据采集模块、数据库(如图3)和电机驱动控制模块；软件闭环控制***采用如下算法获得超音速喷嘴非定常凝结流动特性：
S1、打开气源机构，静态数据采集模块通过比较预设定入口压力、温湿度值与传感器显示值来调整气源，使实验***达到设定的实验条件；
S2、电机驱动控制模块采用设置脉冲发生器方式对驱动电机进行控制，设定脉冲驱动参数，启动驱动电机，驱动电机转动使喷嘴移动；电机驱动控制模块通过比较输入脉冲数和电机接收脉冲数控制电机精度；
S3、电机驱动控制模块输出一次沿程压力测量所需的脉冲数，矩形喷嘴一次移动到位后，连续动态数据采集模块开始读取高频响压力传感器数据和消光法液滴粒度测量仪数据；
S4、数据读取完成后，循环步骤S3，控制电机继续转动使矩形喷嘴继续移动，分析融合连续动态数据采集模块采集的全部数据，即可获取喷嘴全部区域的沿程压力分布和液滴粒度分布；
S5、在完成设定的输出脉冲数后，连续动态数据采集模块中数字脉冲输出单元控制布尔按钮触发电机停止，同时这个布尔按钮在数据测量框图中的局部变量同样生效，触发数据测量结构内while循环的停止，数据测量停止。
数据处理模块示意图参见图3，静态数据采集模块通过采集到的入口压力、温湿度值来调整气源，使实验***达到设定的实验条件；连续动态数据采集模块对实验数据测量机构所测的数据进行分析融合获得超音速喷嘴非定常凝结流动特性；通过数据采集程序实现了多通道的数据采集、自动存储、以及越限报警，连续大容量的动态数据通过建立数据库实现存储。
上述具体实施方式是对本发明的装置结构和控制策略等的技术方案进行详细解释，本发明不仅仅局限于上述实施例程，对于本领域一般技术人员而言，依上述原理和精神在本发明基础上改进、代替，都属于在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种移动式超音速喷嘴连续测量***，包括移动式超音速喷嘴实验装置和软件闭环控 制***两部分，其特征在于：
移动式超音速喷嘴实验装置由移动式超音速喷嘴、驱动电机、气源机构和实验数据测量 机构构成；其中：所述移动式超音速喷嘴包括喷嘴基体、弧形阻挡物和传动杆；
所述软件闭环控制***包括静态数据采集模块、连续动态数据采集模块、电机驱动控制 模块和数据库；其中：
所述静态数据采集模块通过采集到的入口压力、温湿度值来调整气源，使实验***达到 设定的实验条件；
所述连续动态数据采集模块对实验数据测量机构所测的数据进行分析融合获得超音速喷 嘴非定常凝结流动特性；
所述电机驱动控制模块间接驱动弧形阻挡物的移动，通过弧形阻挡物与所述实验数据测 量机构中的动态测量部分的相对运动，实现超音速喷嘴沿程压力分布和全部区域的液滴粒径 的测量；
所述动态测量部分包括高频响压力传感器和消光法液滴粒度测量仪，通过弧形阻挡物与 高频响压力传感器的相对运动，实现喷嘴沿程瞬态压力的测量，通过弧形阻挡物与消光法液 滴粒度测量仪之间的相对运动，可测得超音速喷嘴全部区域的液滴粒径分布；
所述数据库记录连续动态数据采集模块采集的连续大容量动态数据。
2.根据权利要求 1 所述的一种移动式超音速喷嘴连续测量***，其特征在于：
所述实验数据测量机构：包括入口压力传感器、入口温湿度传感器、出口压力传感器、
出口温湿度传感器和动态测量部分；其中： 所述移动式超音速喷嘴通过传动杆与所述驱动 电机连接；
所述喷嘴基体入口与所述气源机构连接，所述喷嘴基体入口安装有入口压力传感器、入 口温湿度传感器；
所述喷嘴基体出口安装所述出口压力传感器、出口温湿度传感器；
所述喷嘴基体内壁安装高频响压力传感器；
所述喷嘴基体中间位置的前后两侧安装消光法液滴粒度测量仪，分别是测量仪光发送部分和测量仪光接收部分。
3.根据权利要求 2 所述的一种移动式超音速喷嘴连续测量***，其特征在于：所述软件 闭环控制***采用如下算法获得超音速喷嘴非定常凝结流动特性：
S1、打开气源机构，静态数据采集模块通过比较预设定入口压力、温湿度值与传感器显示值来调整气源，使实验***达到设定的实验条件；
S2、电机驱动控制模块采用设置脉冲发生器方式对驱动电机进行控制，设定脉冲驱动参 数，启动驱动电机，驱动电机转动使弧形阻挡物移动；电机驱动控制模块通过比较输入脉冲 数和电机接收脉冲数控制电机定位精度；
S3、电机驱动控制模块输出一次沿程压力测量所需的脉冲数，弧形阻挡物一次移动到位 后，连续动态数据采集模块开始读取高频响压力传感器数据和消光法液滴粒度测量仪数据；
S4、数据读取完成后，循环步骤 S3，控制电机继续转动使弧形阻挡物继续移动，分析融合连续动态数据采集模块采集的全部数据，即可获取喷嘴全部区域的沿程压力分布和液滴粒 度分布；
S5、在完成设定的输出脉冲数后，连续动态数据采集模块中数字脉冲输出单元控制布尔 按钮触发电机停止，同时这个布尔按钮在数据测量框图中的局部变量同样生效，触发数据测 量结构内 while 循环的停止，数据测量停止。
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