基于纹影法测量收敛-扩张管最佳膨胀比的装置及方法

摘要

本发明公开一种基于纹影法测量收敛‑扩张管最佳膨胀比的装置及方法。所述装置包括，构成气路结构的打气筒、高压储罐、手阀、减压器、收敛‑扩张管、压力表，构成光路结构的激光二极管、凹面镜、凹面镜支座、刀口、相机；通过收敛‑扩张管入口气流压强的调节，来形成不同流场，从而确定该扩张比下完全膨胀的膨胀比。本发明改变了当前工程上确定收敛‑扩张管是否达到最佳膨胀比的验证方法，提高验证效率，缩短验证周期，验证成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及光学的技术领域，尤其是涉及一种基于纹影法测量收敛-扩张管最佳膨胀比的装置及方法。

背景技术

收敛-扩张管是在气体动力学中经常出现的一种结构，它被广泛应用于实验气路、火箭发动机中，它结构的合理设计有利于提高火箭发动机的推力和燃气发生器效率。因此，工程中利用收敛-扩张管来设计出高效率的喷管，核心在于设计出合适的出口截面积，使得喷管工作在完全膨胀状态，即确保喷管的膨胀比等于燃烧室压强与大气压的比值。

由于通过等熵流动公式推导出的扩张比与最佳膨胀比的公式没有考虑边界层等一些不可逆因素的影响，故具有较大误差。因此如今工程上的验证方法仍是采用将喷管组装到火箭发动机上点火测试的方法，不仅成本高周期长，验证过程也十分繁琐。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于纹影法测量收敛-扩张管最佳膨胀比的装置及方法，以改变当前工程上确定收敛-扩张管是否达到最佳膨胀比的验证方法，能够提高验证效率，缩短验证周期，减少验证成本。

本发明提供一种基于纹影法测量收敛-扩张管最佳膨胀比的装置，所述装置包括光源、凹面镜、凹面镜支座、气泵、高压储罐、阀门、减压器、收敛-扩张管、压力表、刀口、相机；其中，打气筒、高压储罐、手阀、减压器、收敛-扩张管、压力表构成气路结构，气路结构可以通过调节入口压强来调节气路产生的流场A；光源、凹面镜、凹面镜支座、刀口、相机构成光路结构；其中，所述的气路结构中，气泵、高压储罐、减压器、收敛-扩张管，依次通过管路连接；所述的气泵给高压储罐充气，高压储罐用于储存压缩空气，减压器用于稳定输出压强，收敛-扩张管用于产生激波；进一步的在高压储罐的进气管路和出气管路上，设置有用于控制打气气路和控制排气气路的阀门；减压器的入口及出口处通过自带的压力表，监测储罐气压及调节输出气压；通过收敛-扩张管入口气流压强的调节，气路结构形成不同流场，通过观测纹影图案上马赫环间距随收敛-扩张管入口气流压强变化，来确定完全膨胀状态下收敛-扩张管的入口压强，从而验证是否达到最佳膨胀比。

所述的光路结构中，光源和刀口置于距离凹面镜1.9～2.1倍焦距处，将相机置于刀口后方；光源产生的光源可以近似当作一个点光源；产生的光线受激波、膨胀波的作用而发生折射，经过凹面镜反射后，又一次发生偏折，最终被刀口挡住。

所述的光线通过流场经凹面镜反射到刀口上，部分光线通过刀口进入相机中获得纹影图案。

所述气路形成的流场贴近凹面镜。

所述的凹面镜支座为多孔结构。

本发明近一步提供一种应用所述的装置测量收敛-扩张管最佳膨胀比的方法，过程如下：

步骤一、确定各个装置摆放位置，并确定刀口摆放方式；

步骤二、调节光路：调节相机位置、角度使得凹面镜位于画面中央；打开光源，调节其位置使光斑充满整个凹面镜；调节刀口高度使光斑刚好出现条纹；

步骤三、调节气路：调节收敛-扩张管入口气流压强，并获得相机录制的不同的纹影图案视频；

步骤四、分析视频，得到马赫环间距随入口压强的变化规律；

步骤五、绘制马赫环间距平均值-入口气流压强的图像，图像拐点的横坐标即为完全膨胀状态下收敛-扩张管的入口压强。

其中，步骤一所述确定刀口摆放方式，利用如下公式：

其中d为最大扰动直径，f为透镜焦距，r为镜面上的点到反射镜中心的距离，l为光源与刀口之间的距离，n

得到Δx＜＜Δy,即光线经过流场后水平偏折距离远小于竖直偏折距离，从而确定刀口水平放置。

其中，该方法进一步包括以下步骤：

计算出该收敛-扩张管的膨胀比

判断收敛-扩张管与设计值相比是处于欠膨胀状态还是过膨胀状态，进而调节扩张比以达到最佳膨胀比。

本发明一种基于纹影法测量收敛-扩张管最佳膨胀比的装置及方法，其优点在于：本发明改变了当前工程上确定收敛-扩张管是否达到最佳膨胀比的验证方法，提高验证效率，缩短验证周期，验证成本低。

附图说明

图1所示为本发明实施例中气路结构示意图

图2所示为本发明实施例装置组装图

图3所示为本发明实施例中凹面镜支座结构示意图

图4所示为本发明实施例马赫环间距平均值-入口气流压强的图像

图5所示为本发明实施例软件流程图

图中标号如下：

1、光源2、凹面镜 3、凹面镜支座

4、气泵 5、高压储罐 6、阀门

7、减压器 8、收敛-扩张管 9、压力表

10、刀口 11、相机 A、流场

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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例1一种基于纹影法测量收敛-扩张管最佳膨胀比的装置，所述装置包括光源1(本实施例1中为激光二极管)、凹面镜2、凹面镜支座3、气泵4、高压储罐5、阀门6、减压器7、收敛-扩张管8、压力表9、刀口10、相机11；其中，打气筒、高压储罐、手阀、减压器、收敛-扩张管、压力表构成气路结构，气路结构可以通过调节入口压强来调节气路产生的流场A；激光二极管、凹面镜、凹面镜支座、刀口、相机构成光路结构；

其中，所述的气路结构中，气泵、高压储罐、减压器、收敛-扩张管，依次通过管路连接；所述的气泵给高压储罐充气，高压储罐用于储存压缩空气，工作压强6～12MPa，减压器用于稳定输出压强，收敛-扩张管用于产生激波；进一步的在高压储罐的进气管路和出气管路上，设置有用于控制打气气路和控制排气气路的阀门；减压器的入口及出口处通过自带的压力表，监测储罐气压及调节输出气压；所述的气路结构设计如图1所示，通过收敛-扩张管入口气流压强的调节，来形成不同流场，从而确定该扩张比下完全膨胀的膨胀比。

其中，所述的光路结构中，激光二极管和刀口置于距离凹面镜1.9～2.1倍焦距处(本实施例为2倍焦距)，将相机置于刀口后方；激光二极管产生的光源可以近似当作一个点光源；产生的光线受激波、膨胀波的作用而发生折射，经过凹面镜反射后，又一次发生偏折，最终被刀口挡住。

其中，所述的光线通过流场经凹面镜反射到刀口上，部分光线通过刀口进入相机中获得纹影图案。

其中，所述气路形成的流场要贴近凹面镜，这样能得到更清晰的纹影图案。

其中，所述的凹面镜支座为多孔结构，可以在保证支撑安全的同时节省材料；如图3所示。

其中，刀口需根据实际情况计算选择合适的放置方式，才能有更准确的验证效果。

通过观测纹影图案上马赫环间距随收敛-扩张管入口气流压强变化，来确定完全膨胀状态下收敛-扩张管的入口压强，从而验证是否达到最佳膨胀比。一种基于纹影法测量收敛-扩张管最佳膨胀比的方法，具体方案如下：

步骤一、确定各个装置摆放位置，并确定刀口摆放方式：利用如下公式：

其中d为最大扰动直径，f为透镜焦距，r为镜面上的点到反射镜中心的距离，l为光源与刀口之间的距离，n

得到Δx＜＜Δy,即光线经过流场后水平偏折距离远小于竖直偏折距离，从而确定刀口水平放置；

步骤二、调节光路

调节相机位置、角度使得凹面镜位于画面中央；打开光源，调节其位置使光斑充满整个凹面镜；调节刀口高度使光斑刚好出现条纹；

步骤三、调节气路

调节收敛-扩张管入口气流压强从0.3MPa变化到0.7MPa，并获得相机录制的不同的纹影图案视频；

步骤四、将视频导入Tracker中分析，得到马赫环间距随入口压强的变化规律；

步骤五、绘制马赫环间距平均值-入口气流压强的图像，图像拐点的横坐标即为完全膨胀状态下收敛-扩张管的入口压强。

步骤六、计算出该收敛-扩张管的膨胀比

步骤七、判断收敛-扩张管与设计值相比是处于欠膨胀状态还是过膨胀状态，进而调节扩张比以达到最佳膨胀比。

计算机执行的软件流程，如图5所示。

实施例2

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。

1、根据图2确定各装置的摆放位置，并根据实际参数d＝1mm,f＝750mm,r＝75mm,l＝0.1m,n

2、根据上述具体方案调节出清晰的纹影图案。

3、通过调节气路中的减压阀使收敛-扩张管的入口压强从0.3MPa变化到0.7MPa，并记录下不同的纹影图案视频。

4、利用Tracker分析视频得到86个有效数据点，并以此绘制马赫环间距平均值-入口气流压强的图像如图4。

5、得到图像的拐点横坐标，Mpa即为完全膨胀状态下收敛-扩张管的入口压强。

6、计算出该收敛-扩张管的膨胀比

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。