一种模拟喷管中高超声速凝结过程的装置及诊断方法
阅读说明：本技术 一种模拟喷管中高超声速凝结过程的装置及诊断方法 (Device for simulating high supersonic velocity condensation process in spray pipe and diagnosis method ) 是由 金熠 黄生洪 王新宝 陈龙奎 王浩楠 李建斌 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种模拟喷管中高超声速凝结过程的装置及诊断方法,包括模拟喷管装置和测量系统；所述模拟喷管装置包括试验段(1)、连接段(9)和真空段(11)；所述测量系统包括TDLAS测量系统、压力测量系统和高速摄影系统。所述装置基于稀疏波原理,利用稀疏波在壁面与高压段和低压段气体接触面反射,造成测点位置压力持续下降,进而增大过冷度,导致物质凝结,该装置保证了试验段流场的均匀性,同时实现了在较小时间尺度(<1ms)上实现物质的高超声速凝结过程。所述测量方法基于TDLAS测量原理,采用了多激光器信号耦合与一种新型基线拟合方法,保证了测量的多样性且时间分辨率在100kHz及以上。(The invention discloses a device for simulating a high supersonic velocity condensation process in a spray pipe and a diagnosis method, wherein the device comprises a simulation spray pipe device and a measurement system; the simulated nozzle device comprises a test section (1), a connecting section (9) and a vacuum section (11); the measurement system includes a TDLAS measurement system, a pressure measurement system and a high speed photography system. The device is based on the principle of sparse waves, the pressure at the position of a measuring point is continuously reduced by utilizing the reflection of the sparse waves on the gas contact surfaces of the wall surface and the high-pressure section and the low-pressure section, the super-cooling degree is further increased, and the material is condensed, so that the uniformity of a flow field of a test section is ensured, and the hypersonic condensation process of the material is realized on a smaller time scale (less than 1 ms). The measuring method is based on a TDLAS measuring principle, adopts multi-laser signal coupling and a novel baseline fitting method, ensures the measuring diversity and the time resolution ratio of 100kHz and above.)
技术领域
本发明涉及物质的高超声速凝结领域，特别设计一种模拟喷管中高超声速凝结过程的装置及诊断方法。
背景技术
燃烧加热式风洞中，无论是采用氢燃料或是碳氢燃料，产物中均存在水蒸气，产物气体通过设备喷管进入风洞试验段之前，由于沿喷管扩张段气体急速膨胀，温度降低，可能会导致燃烧产物中的水蒸气发生急剧的凝结。同时，当气流通过被实验发动机压缩面时，由于激波压缩使温度与压强突然升高，可能导致凝结的水滴发生再次蒸发等相变现象。从已有的文献来看，水蒸气在风洞中的凝结相变可能会对喷管出口参数、流场品质及测量精度造成多方面的影响。所以在采用燃烧加热的高超声速风洞中，水蒸气组分会在地面模拟试验过程中发生强非定常相变过程，造成试验流场的改变，并影响地面模拟试验结果，对高速飞行器的性能评估、气动设计等带来影响。
目前，国内外有关凝结的实验研究中，大多数是通过移动喷管设备在沿喷管流向不同位置结合相关测量方法进行检测，然后将不同位置处的测量结果最终组合起来作为凝结现象的描述。但是这样一来，在不同组次的测量实验之间，流场的重复性要求很高，对实验设备提出了较高的要求。其次，针对喷管中水蒸气非平衡凝结的定量试验，目前已开展的诸多的试验研究中，多关注总压和流场结构等综合性信息，定量测量多集中在凝结液滴尺寸方面。而对于相变的流场，气体温度和组分浓度的定量实时测量是研究相变现象的重要手段。近红外可调谐半导体激光器吸收光谱(TDLAS)技术作为一种非接触式测量方法，凭借其高灵敏度、响应快、非接触等特点能够对凝结过程中气体温度和组分浓度进行定量测量。但是当前利用TDLAS技术测量流场关键参数时多采用多激光器并行测量的方法，这种方法需要使用多个测量通道，同时不能有效的同步各测量结果，处理过程十分繁杂。而当前对TDLAS技术信号处理时所采用的基线拟合方法需要吸收信号两端均有一段较长的基线，但是由于激光器输出波长有限，在高温高压条件下，吸收谱线展宽与激光器输出波长相近，当前的基线拟合方法不能获得有效的基线，此时只能通过降低扫描频率来增大激光器输出波长，这也就限制了测量的时间分辨率一般在10kHz以下。
鉴于此，有必要设计一种可以模拟喷管中高超声速凝结过程的装置及诊断方法，能够在较小时间尺度上(<1ms)实现高超声速凝结过程、保证流场的均匀性，同时还可以实现测量的连续性、测量的高时间分辨率(≥100kHz)。
发明内容
本发明的目的是提供一种模拟喷管中高超声速凝结过程的装置及诊断方法，使之可以实现如下功能和指标：
(1)能够保证试验段流场的均匀性。
(2)能够实现在较小时间尺度(<1ms)上实现物质的高超声速凝结过程。
(3)能够保证测量的多样性且时间分辨率在100kHz及以上。
本发明采用以下技术方案：
一种模拟喷管中高超声速凝结过程的装置，包括模拟喷管装置与测量系统。
所述模拟喷管装置包括试验段、连接段和真空段，其中试验段与连接段连接，连接段固定在真空段开口处。所述试验段为矩形内腔结构，且完全对称；通过调整试验段长度能够改变稀疏波传播速度。
试验段包括矩形内腔、光纤固定装置、压力控制阀、观测窗口和3个压力测点。所述矩形内腔为完全对称结构，基于稀疏波原理，能在喷管高速膨胀时在矩形出口处产生一道稀疏波，然后均匀地向矩形流场内传播，当其到达试验段底部时，由于壁面反射作用，稀疏波以相同的速度传播回去，这就造成了测点位置压力下降速度进一步增大，进而增大了过冷度，导致物质的凝结。所述过程在一定程度上模拟了喷管中物质的高超声速凝结的过程，如图1所示，试验段沿时间轴向变化的过程对应喷管沿位置轴向的变化，实现了测量的连续性。同时，试验段矩形内腔的设计使膨胀时间尺度能够达到1ms以内，通过调整试验段长度能够改变稀疏波传播速度，从而进一步缩短膨胀时间，达到理论需求。并且，试验段横截面与内腔结构的统一保证了试验段流场的均匀性，如图2所示，膨胀过程中试验段产生的稀疏波始终稳定的向流场内传播，使矩形内腔达到了沿测量方向的均匀性。所述光纤固定装置外接在矩形内腔的尾部，通过垫圈、垫片固定光纤准直器，使其保持沿轴向的高度一致，以使激光信号能够完整的通过流场并被接收到。所述压力控制阀外接在矩形内腔的中部，由两个控制阀门组成，通过连接真空泵与气瓶可以实现对流场中压力与不同组分含量的控制。所述观测窗口外接在矩形内腔的上方，包括玻璃窗片和垫圈，能够直观的观测流场内部的变化过程，结合高速摄影技术可以实现对水蒸气凝结过程的动态检测。所述压力测点固定在矩形内腔底部，沿同一轴向的三个压力测点分布在左、中、右三个位置，可以实现对流场的均匀性的检测。同时光纤固定装置、压力控制装置和观测窗口外接的设计使其不干扰矩形内腔的结构，保证了流场的均匀性。
所述连接段包括矩形框架、纯铜导体、垫圈、聚酯薄膜(PET)和电爆丝系统。矩形框架内有凹槽，可以填充橡胶垫圈，当选好一定厚度的PET膜片放置在橡胶垫圈上时，利用螺丝压紧以达到隔绝试验段与真空段压力的作用。所述电爆丝系统包括1000V电容电源与0.2mm镍铬合金丝，镍铬合金丝与PET膜片紧密贴合。试验时先对电源进行充电，当电压达到1000V时瞬间放电，此时镍铬合金丝温度急速升高，PET膜瞬间破开，试验段与真空段在压差的作用下开始高速膨胀过程。
所述真空段包括腔体、上方观测口、后方观测口、抽压泵和压力显示。所述观测口均为玻璃窗片，可结合高速摄影技术观测高速膨胀过程中试验段出口处的破膜过程。
所述测量系统包括TDLAS测量系统、压力测量系统和高速摄影系统。
所述TDLAS测量系统包括信号发生器、激光器控制器、激光器、激光探测器、准直器、光纤耦合器、标准具、单模光纤、多模光纤、示波器，其中信号发生器输出电压信号至激光器控制器，激光器控制器产生相应的温度和电流控制激光器输出激光信号，激光信号经光纤耦合器叠加成一束激光信号在单模光纤中传播，在单模光纤出口处安装准直器并连接至试验段中光纤固定装置上，保证在流场中的直线传播，在试验段的光纤固定装置另一端安装比单模光纤孔径更大的多模光纤接收流过待测流场的激光信号，然后利用激光探测器将激光信号转化成电信号传输给示波器。所述TDLAS测量系统采用一个测量通道，多激光器信号耦合进一路信号以达到同时测量多种组分信息的功能；且使用基线拟合方法，激光器输出信号经光纤耦合器分出两路信号，一路经过待测流场获取待测流场信息，一路原始信号直接被激光器探测器所接收，经过信号处理将原始信号与透射信号相对应，此时可以将原始信号作为透射信号的基线进行下一步处理，使测量的时间分辨率能达到100kHz及以上。具体地，为了能够同时测量多组分信息，提出了一种新型耦合方式：信号发生器输出三路频率100kHz、占空比1/3、相位差60°的锯齿波信号，经激光器控制器使激光器输出具有同样特征的激光信号，通过光纤耦合器耦合进一路信号以达到同时测量多种组分信息的功能。这种方法仅需要一个测量通道，同时能够同步各激光信号结果，处理过程简单。同时，由于高扫描频率使激光器输出波长较短，不足以获得具有传统波长扫描法基线拟合时所需要的扫描信号。因此，提出一种基线拟合方法：激光器输出信号经光纤分束器分出两路信号，一路经过待测流场获取待测流场信息，一路原始信号直接被激光器探测器所接收，经过信号处理将原始信号与透射信号相对应，此时我们可以将原始信号作为透射信号的基线进行下一步处理，这种方法避免了高频扫描信号下带来的激光器输出波长短，没有足够长的扫描信号来进行基线拟合的问题，从而提高了测量的时间分辨率。
所述压力测量系统包括三个压力传感器与压力变送器，其中三个压力传感器沿轴向分布在试验段底部左、中、右三个方向的压力测点上，测量得到的压力信号经压力变送器转换成电信号传输给示波器。多压力传感器测点能够测量膨胀过程中稀疏波到达试验段底部不同位置的时间，通过三个传感器的统一性从而验证试验段流场的均匀性。
所述高速摄影系统包括在试验段对膨胀过程的片光测量与在真空段对连接段的拍摄，其中高速相机对破膜时刻的流场进行摄影，将拍摄图片直接传输到储存介质中。能够观测高速膨胀过程中试验段出口处的破膜过程。
一种模拟喷管中高超声速凝结过程的诊断方法，采用如上任一所述的装置，包括如下步骤：
首先通过真空段内自带真空泵将其抽至真空状态，然后利用真空泵连接压力控制阀调节试验段初始压力，同时通过压力控制阀将配置好的具有一定量的实验气体充入试验段中；在达到设计实验参数要求时，可以对电爆丝系统进行充能，当电压达到1000V时瞬间放电，此时镍铬合金丝温度急速升高，PET膜瞬间破开，试验段与真空段在压差的作用下开始高速膨胀，随着稀疏波的传播，物质开始高超声速凝结过程，此时测量系统以压力下降信号作为触发信号采集破膜过程中的压力信号、激光透射信号、高速摄影图片，再通过数据处理分析水蒸气凝结特性。
优点和积极效果：
本发明提供了一种模拟喷管中高超声速凝结过程的装置及诊断方法。
(1)保证了试验段流场的均匀性。设计了一种矩形内腔，基于稀疏波原理，能在喷管高速膨胀时在矩形出口处产生一道稀疏波，然后均匀地向矩形流场内传播，当其到达试验段底部时，由于壁面反射作用，稀疏波以相同的速度传播回去，然后在高压段与低压段气体的接触面再次反射，造成测点位置压力下降速度进一步下降，进而增大了过冷度，导致物质的凝结。同时试验段横截面与内腔结构的统一也保证了试验段流场的均匀性。
(2)实现了在较小时间尺度(<1ms)上实现物质的高超声速凝结过程。由于膨胀过程中稀疏波的传播速度与试验段长度有关，且试验段横截面与内腔结构的统一也保证了卸压的速度，所以试验段矩形内腔的设计能够使膨胀时间尺度能够达到1ms以内，通过调整试验段长度也能够改变稀疏波到达测量位置的时间，从而进一步缩短膨胀时间，达到理论需求。
(3)保证了测量的多样性且时间分辨率在100kHz及以上。为了避免多组分测量时多激光器并行测量带来的多测量通道与数据处理繁杂问题，提出了一种新型耦合方式：信号发生器输出三路频率100kHz、占空比1/3、相位差60°的锯齿波信号，经激光器控制器使激光器输出具有同样特征的激光信号，通过光纤耦合器耦合进一路信号以达到同时测量多种组分信息的功能。同时，由于高扫描频率使激光器输出波长较短，不足以获得具有传统波长扫描法基线拟合时所需要的扫描信号。因此，提出一种新型基线拟合方法：激光器输出信号经光纤分束器分出两路信号，一路经过待测流场获取待测流场信息，一路原始信号直接被激光器探测器所接收，经过信号处理将原始信号与透射信号相对应，此时我们可以将原始信号作为透射信号的基线进行下一步处理，这种方法避免了高频扫描信号下带来的激光器输出波长短，没有足够长的扫描信号来进行基线拟合的问题，从而提高了测量的时间分辨率。
附图说明
图1为试验段沿时间轴向变化的过程对应喷管沿位置轴向的变化示意图；
图2为试验段流场均匀性示意图；
图3为本发明实施例提供的模拟喷管装置俯视示意图；
图4为本发明实施例提供的模拟喷管装置正视示意图；
图5为本发明实施例提供的测量系统流程示意图；
图6为本发明实施例提供的三路激光器耦合信号；
图7为本发明实施例提供的基线拟合方法。
附图标记说明：1、试验段；2、矩形内腔；3、中间压力测点；4、右侧压力测点；5、左侧压力测点；6、光纤固定装置；7、压力控制阀；8、观测窗口；9、连接段；10、纯铜导体；11、真空段；12、上方观测口；13、后方观测口；14、压力显示；15、连接段与真空段螺纹孔；16、试验段与连接段螺纹孔；17、高速相机；18、抽压泵。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图3和图4所示，本发明设计的一种模拟喷管中高超声速凝结过程的装置，包括模拟喷管装置与测量系统。所述模拟喷管装置主要包括试验段1、连接段9、真空段11，其中试验段1与连接段9通过试验段与连接段螺纹孔16处的螺丝连接，连接段9再通过连接段与真空段螺纹孔15处的螺丝固定在真空段11开口处。
试验段1，主要包括矩形内腔2、中间压力测点3、右侧压力测点4、左侧压力测点5、光纤固定装置6、压力控制阀7、观测窗口8。所述矩形内腔2为完全对称结构，基于稀疏波原理，能在喷管高速膨胀时在矩形出口处产生一道稀疏波，然后均匀地向矩形流场内传播，当其到达试验段1底部时，由于壁面反射作用，稀疏波以相同的速度传播回去，这就造成了测点位置压力下降速度进一步增大，进而增大了过冷度，导致物质的凝结。所述过程在一定程度上模拟了喷管中物质的高超声速凝结的过程，如图1所示，试验段1沿时间轴向变化的过程对应喷管沿位置轴向的变化，实现了测量的连续性。同时，试验段矩形内腔2的设计使膨胀时间尺度能够达到1ms以内，通过调整试验段长度能够改变稀疏波传播速度，从而进一步缩短膨胀时间，达到理论需求。并且，试验段横截面与内腔结构的统一保证了试验段流场的均匀性，如图2所示，膨胀过程中试验段1产生的稀疏波始终稳定的向流场内传播，使矩形内腔2达到了沿测量方向的均匀性。所述光纤固定装置6外接在矩形内腔2的尾部，通过垫圈、垫片固定光纤准直器，使其保持沿轴向的高度一致，以使激光信号能够完整的通过流场并被接收到。所述压力控制阀外7接在矩形内腔2的中部，由两个控制阀门组成，通过外接真空泵与气瓶可以实现对流场中压力与不同组分含量的控制。所述观测窗口8外接在矩形内腔2的上方，包括玻璃窗片、垫圈，能够直观的观测流场内部的变化过程，结合高速摄影技术可以实现对水蒸气凝结过程的动态检测。所述压力测点3、4、5固定在矩形内腔2底部，沿同一轴向的三个压力测点分布在左、中、右三个位置，可以实现对流场的均匀性的检测。光纤固定装置6、压力控制装置7和观测窗口8外接的设计使其不干扰矩形内腔2的结构，保证了流场的均匀性。
连接段9，主要包括矩形框架、纯铜导体10、垫圈、聚酯薄膜和电爆丝系统。矩形框架内有凹槽，可以填充橡胶垫圈，当选好一定厚度的PET膜片放置在橡胶垫圈上时，利用螺丝压紧以达到隔绝试验段1与真空段11压力的作用。所述电爆丝系统包括1000V电容电源与0.2mm镍铬合金丝，镍铬合金丝与PET膜片紧密贴合。试验时先对电源进行充电，当电压达到1000V时瞬间放电，此时镍铬合金丝温度急速升高，PET膜瞬间破开，试验段1与真空段11在压差的作用下开始高速膨胀过程。
真空段11，主要包括腔体、上方观测口12、后方观测口13、抽压泵18和压力显示14。所述观测口均为玻璃窗片，可结合高速摄影技术观测高速膨胀过程中试验段出口处的破膜过程。
物质的高超声速凝结过程主要由试验段1与真空段11之间的压力差来实现，操作过程如下：首先在连接段9安装聚酯薄膜，靠垫圈与矩形框架压紧在试验段1处，这样可以保证试验段1与真空段11存在相应的压力差，然后在试验段1纯铜导体10上安装镍铬合金丝，使之与聚酯薄膜贴紧，能够保证在金属丝通电时把薄膜完全破开，再将试验段1与连接段9通过试验段与连接段螺纹孔16处的螺丝连接，连接段9通过连接段与真空段螺纹孔15处的螺丝固定在真空段11开口处，最后再连接上电爆丝系统。
如图5所示，本发明设计的一种测量系统流程，所述测量系统包括TDLAS测量系统、压力测量系统和高速摄影系统。
所述TDLAS测量系统包括信号发生器、激光器控制器、激光器、激光探测器、准直器、光纤耦合器、标准具、单模光纤、多模光纤、示波器，其中信号发生器输出电压信号至激光器控制器，激光器控制器产生相应的温度和电流控制激光器输出激光信号，激光信号经光纤耦合器叠加成一束激光信号在单模光纤中传播，在单模光纤出口处安装准直器并连接至试验段1中光纤固定装置6上，保证在流场中的直线传播，在试验段1的光纤固定装置6另一端安装比单模光纤孔径更大的多模光纤接收流过待测流场的激光信号，然后利用激光探测器将激光信号转化成电信号传输给示波器。
所述压力测量系统包括三个量程为100kPa的压力传感器与压力变送器，其中三个压力传感器沿轴向分布在试验段1底部左、中、右三个方向的压力测点3、4、5上，测量得到的压力信号经压力变送器转换成电信号传输给示波器。多压力传感器测点能够测量膨胀过程中稀疏波到达试验段1底部不同位置的时间，通过三个传感器的统一性从而验证试验段流场的均匀性。
所述高速摄影系统包括在试验段1对膨胀过程的片光测量，能够直观的观测流场内部水蒸气凝结的动态过程；在真空段11对连接段9的高速拍摄，将拍摄图片直接传输到储存介质中，能够观测高速膨胀过程中试验段1出口处的破膜过程。
操作过程如下：首先信号发生器输出三路频率100kHz、占空比1/3、相位差60°的锯齿波电压信号分别到第一、第二、第三激光器控制器，三个激光器控制器产生相应的温度和电流至三个激光器，使激光器输出具有同样特征的激光信号，通过光纤耦合器耦合进一路信号以达到同时测量多种组分信息的功能，如图6所示为实验输出三路中心波长分别为1653nm、1409nm、1395nm的激光信号耦合在一个周期内的信号。然后将一路光纤经过准直器安装在光纤固定装置6，激光信号经过试验段1流场之后被第一激光器探测器接收；另一路光纤经过准直器不经过待测流场直接被第二激光器探测器接收，作为参考信号来实现高扫描频率下的基线拟合，如图7所示，图中虚线为未经过待测流场的激光信号I0，实线为经过流场的激光信号I，由Beer-Lambert吸收定律I＝I0exp(-PXLS(T)Φ(v))，式中P为流场压强、X为水蒸气含量，L为激光穿过流场的光程，S(T)为吸收线在温度T下的线强，Φ(v)为吸收线型函数，可以得到相应的吸收率，进而能够计算出对应组分的信息。其次，三个压力传感器分别安装在中间压力侧点3、右侧压力测点4、左侧压力测点5上，经过压力变送器把压力信号转换为电信号传输到示波器上采集，这种同一水平不同位置的设计能够测量到破膜时稀疏波到达的时间，进而判断流场的均匀性。同时，高速相机17安装于试验段1观测窗口8与真空段观测窗口13处，能够观测到水蒸气凝结过程的聚集现象与模拟喷管高速膨胀时的过程。
当上述设备安装完毕之后，首先通过真空段11内自带抽压泵18将其抽至真空状态，然后利用真空泵连接压力控制阀7调节试验段1初始压力，同时通过压力控制阀7将配置好的具有一定量的实验气体充入试验段1中；在达到设计实验参数要求时，可以对电爆丝系统进行充能，当电压达到1000V时瞬间放电，此时镍铬合金丝温度急速升高，PET膜瞬间破开，试验段1与真空段11在压差的作用下开始高速膨胀，随着稀疏波的传播，物质开始高超声速凝结过程，此时测量系统以压力下降信号作为触发信号采集破膜过程中的压力信号、激光透射信号、高速摄影图片，再通过数据处理分析水蒸气凝结特性。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
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