[发明专利]激波加载固定颗粒群非稳态力直接测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量力的实验装置，尤其是涉及激波与颗粒群相互作用以及可压缩气固两相流的一种激波加载固定颗粒群非稳态力直接测量装置。

背景技术

跨声速和超声速气流中的气固两相流现象涉及流体机械、安全防控、医疗器械、航空航天等众多重要领域，而建立颗粒群受力的精确数理模型是学术界关心和力求解决的问题，也是实现相关领域技术研发和工程应用的基础。超声速、跨声速气固两相流中通常伴随激波现象，涉及激波与颗粒、气流与颗粒、颗粒与颗粒的相互作用等动力学问题。国内外对颗粒受力的研究途径主要有两种，其一是针对颗粒模型结合理论建模和数值计算获得气相流场参数，利用力与压应力和剪切应力的积分关系确定颗粒受力，由于计算量的限制仅适用于极少量颗粒情形；其二是针对颗粒模型开展实验测试颗粒受力，目前主要采用的是光学法测量，即根据高速摄影捕获的颗粒（群）运动图像，求得加速度，进而确定颗粒（群）受力，这种方法存在流场参数不能稳定控制的缺陷，难以获得精确的阻力系数关系式，此外，就是针对单球的直接测力，保证了流场参数的稳定，但其结果未能考虑临近颗粒之间的激波结构和尾迹涡结构相互干涉的影响，直接应用到颗粒群情形势必存在一定的本质偏差。为此，需要设计针对颗粒群直接测力的实验装置和方法，建立超声速、跨声速气相流动条件下的颗粒群阻力系数模型。

发明内容

针对上述背景技术中所存在的问题，本发明的目的在于提供一种激波加载固定颗粒群非稳态力直接测量装置，可用于激波与颗粒群相互作用机理以及颗粒群阻力系数模型的实验研究。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

本发明包括：高压气源、驱动段、被驱动段、测试段、金属丝、颗粒模型、笼状支架顶盖、连杆、笼状支架底盖、压力传感器、固定底座、高速数据采集系统、动态测力计和圆环扣；驱动段与被驱动段连接组成激波管，高压气源与驱动段相连，测试段与被驱动段相连，测试段的同一径向截面开有36等分分布的小孔，一根金属丝的首端穿过小孔将颗粒模型串联形成球阵模型固定于测试段孔内后，末端通过打结方式固定于测试段外壁，测试段下方设有压力传感器的固定底座，等距分布四根连杆穿过固定底座上盖板后，将笼状支架顶盖与位于固定底座上盖板下面的笼状支架底盖固连成一体，压力传感器的一端穿过固定底座上盖板直至笼状支架底盖，通过传感器螺纹连接环在固定底座上盖板下端面锁紧，压力传感器的一端与笼状支架底盖内孔间充有油液，压力传感器与高速数据采集系统相连，一根金属丝的首端穿过笼状支架顶盖中心孔拉紧固定，所述金属丝与笼状支架顶盖相垂直；动态测力计的探头通过另一根金属丝、圆环扣和一根金属丝的一端拉拽颗粒模型，实现同步进行动态力和动态压力测量。

所述的测试段为透明有机玻璃圆管，测试段同一径向截面均匀分布的36个小孔的孔径为Φ1.5mm。

所述的颗粒模型为Φ8mm～Φ20mm直径的不锈钢球，每个颗粒模型上开设两个相互垂直、直径为Φ1.5mm的小孔，金属丝直径为Φ1.2mm。

所述的球阵模型为两球模型或三球模型。

本发明具有的有益效果是：

本发明的透明测试段可进行激波结构和颗粒群尾迹涡动态纹影图像的可视化观测，能形成数量、排布、间距不同的球阵模型，利用动态测力计可以对激波和波后气流作用于球阵模型引起的动态压力传感器的压强信号进行力标定，从而实现激波加载颗粒群非稳态受力的直接测量，为开展激波与颗粒群相互作用机理以及激波诱导气固两相流特性研究提供了一种可靠、便捷、高效的实验装置和测试方法。

附图说明

图1是激波加载固定颗粒群非稳态力直接测量装置示意图。

图2是图1中A放大图。

图3是一种两球模型金属丝穿连线路示意图。

图4是另一种三球模型金属丝穿连线路示意图。

图中：1、高压气源，2、驱动段，3、被驱动段，4、测试段，5、金属丝，6、颗粒模型，7、笼状支架顶盖，8、连杆，9、笼状支架底盖，10、压力传感器，11、固定底座，12、高速数据采集系统，13、动态测力计，14、圆环扣，15、探头，16、底座上盖板，17、金属丝，18、传感器螺纹连接环。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。