[发明专利]一种喷嘴空化流动纳秒级闪光成像试验装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及宇航、国防、航海、化工、水利机械、柴油机燃油喷雾等领域，可用于多相流当中的空化流试验研究，特指一种喷嘴内部空化两相流特性研究的试验装置及方法。

背景技术

空化是在一定的环境温度条件下，流体介质中的局部的绝对压力降低到当地温度下的饱和蒸汽压时，溶在流体中的气体会释放出来，同时流体汽化而产生大量的空化泡，空泡在随流体的进一步流动中，遇到周围的压力增大时，体积将急剧缩小直至溃灭，从而造成材料表面的破坏。长期以来，空化严重影响泄洪建筑物，水力机械，船舶螺旋桨的性能和使用寿命，成为宇航、国防、航海、化工、原子能等领域的难题之一。此外，柴油机自研发至今，已经深深地融入到了我们的生活当中。无论是工程机械领域还是在车辆、船舶、国防等其他领域都有大量的应用，对国民经济发展具有重要的支撑作用。现代柴油机的发展与喷油压力的提高直接相关，随着柴油机喷射压力的提高，使得喷油器喷嘴内不可避免的出现空化现象，而此种现象成为把喷油嘴内部流动和喷雾行为联系起来的一种关键因素。而关于柴油机喷嘴内空化流动对柴油机喷雾雾化的影响机理还非常不了解，因此非常有必要对喷嘴内空化流动进行详细而深入的研究。

然而，研究喷嘴内空化流动有一难点：空泡的发生、发展和溃灭过程有其自身的周期，是一个非稳态过程，其自身的发展周期在10-7秒左右，为了研究其自身的发展过程，需要两幅照片的拍摄间隔为纳秒级，而现有的高速数码相机的拍摄频率基本无法满足上述要求。目前，在国内还没有针对该项试验的试验装置，整个试验装置的结构如图1所示。

发明内容

为了克服上述现有技术的难点，以来更好的研究喷嘴内空化流动，本发明提供了一种纳秒级闪光成像的试验装置及方法来研究喷嘴内空化流动的详细过程，获得空泡出生、发展和溃灭的详细信息。

本发明的技术方案是：

一种喷嘴空化流动纳秒级闪光成像试验装置，包括测试系统和管路系统，其中：

所述测试系统包括共轨控制系统、计算机、第一CCD相机、第二CCD相机、同步器、纳秒级白光源闪光系统，所述同步器分别与共轨控制系统、计算机、第一CCD相机、第二CCD相机、纳秒级白光源闪光系统相连，用于控制高速纳秒级白光源闪光系统发射白光的时间与第一CCD相机和第二CCD相机的拍摄时间，所述共轨控制系统还分别与液体储存罐中的温度传感器、共轨管相连接，测试系统用于测试透明喷嘴内部空泡发生、发展和溃灭过程；

所述管路系统包括通过管路依次相连的液体储存罐、滤清器、高压泵、共轨管、压力表、透明喷嘴，所述液体储存罐上设置有加热瓦和冷却风扇，所述高压泵上连接有电机，所述共轨管的出流管路分别连接至共轨控制系统和透明喷嘴，共轨管和透明喷嘴的连接管道上设置有压力表；当共轨管里的流体压力高于试验所设定压力值时，共轨管中的流体通过第一回流管路流回至液体储存罐，以使共轨管里的流体压力与试验所设定压力一致；透明喷嘴中的流体通过第二回流管路回流至液体储存罐；管路系统用于为整个试验系统提供连续、稳定的高压流体，实现整个装置的自动循环，同时还可实现燃油温度的自动调节。

一种喷嘴空化流动纳秒级闪光成像试验方法，包括如下步骤：

A、液体储存罐中的流体经过加热瓦加热或经冷却风扇冷却而达到试验所设定的值；

B、随后，液体储存罐中的流体经滤清器到达高压泵的入口，经过高压泵加压后，流体被送入共轨管；

C、当共轨管里的流体压力高于试验所设定压力值时，打开第一回流管路进行泄压，当共轨管里的流体压力与试验所设定压力一致时，通过同步器控制共轨控制系统发出指令，使流体经过压力表到达透明喷嘴；

D、当流体流过透明喷嘴时，同步器控制纳秒级白光源闪光系统发射白光的时间与相机拍摄的时间，使得纳秒级白光源闪光系统发射第一次白光时，第一CCD相机成像，纳秒级白光源闪光系统发射第二次白光时，第二CCD相机成像，纳秒级白光源闪光系统发射第三次白光时，第一CCD相机成像，如此的循环，获得相隔为纳秒时刻的图片，将拍摄的图片存储到计算机，用于后期分析，流过透明喷嘴的流体随后通过第二回流管路流回液体储存罐。