專利名稱：一種多功能氣體波制冷射流流場顯示裝置及測量方法
技術領域：
本發(fā)明屬于壓力氣體的射流與膨脹制冷及測量控制技術領域。
背景技術：
氣波制冷機，中國專利89213744.4和多級氣波制冷機，發(fā)明專利96115022. X，屬于一 次和多次不定常膨脹制冷，均是以一定的旋轉(zhuǎn)速度將氣體介質(zhì)依次向環(huán)機體四周的各末端封 閉的接受管射流，使管內(nèi)的駐留氣做不定常膨脹功。多級氣波制冷機是在單級氣波制冷機基 礎上開發(fā)的新型制冷設備，適用于大流量、大膨脹比工況場合，具有效率高，適用范圍寬等 特點。多管式射流振蕩制冷機，已獲實用新型專利，發(fā)明專利待受權，申請?zhí)?200410021388X則是壓力氣體通過靜止噴嘴膨脹加速，利用靜止的氣體分配器一與聲振蕩器 共同作用實現(xiàn)氣體的周期性偏轉(zhuǎn)、射流，間歇周期性地射入前方輻射排布的多根數(shù)米長末端 封閉的振蕩接受管中，以實現(xiàn)氣體的膨脹制冷。上述幾種制冷機均是利用機器上的激波振蕩 管產(chǎn)生的冷、熱效應從而達到制冷的目的。它們都歸屬于氣體波制冷技術領域。工作時，它 們所具有的共同之處就是帶有壓力的進口來料氣體通過噴嘴膨脹加速，由噴嘴出口高速噴 出，依次間歇地射入前方輻射排布的多根末端封閉的振蕩接受管中，在周期性激振作用下管 內(nèi)氣體接受射入氣體的壓力能，并通過波系一激波、壓縮波和膨脹波的相互作用完成不定常 膨脹做功和能量轉(zhuǎn)換，并消除反射激波的不利影響實現(xiàn)氣體制冷。差異只在于結(jié)構(gòu)上有所不 同，氣波制冷機和多級氣波制冷機噴嘴是旋轉(zhuǎn)的，皆是依靠電機驅(qū)動或利用氣體的壓差帶動 氣體分配器抓旋轉(zhuǎn)噴嘴自旋，以一定的旋轉(zhuǎn)速度將氣體依次對環(huán)周向的各末端封閉的接受管 射流。而射流振蕩制冷機則噴嘴是靜止的，從射流噴嘴到整個機器完全是靜止不動的，無任 何運動部件。以上幾種制冷機均是由我們研制發(fā)明的，通常將它們統(tǒng)稱為氣體波制冷機械。
該類制冷機械一般都具有結(jié)構(gòu)簡單、制造及運行成本低、節(jié)省能源、操作維護簡便、可 靠性高等優(yōu)點，目前已廣泛應用于石油氣中輕烴回收、天然氣脫水和液化、混合氣體的液化 分離、低溫冷氣流源以及國防軍工科研等領域。
前面介紹的皆是已形成應用前景的制冷整機專利技術，上述技術的發(fā)展是在大量科學研 究的基礎上取得的，今后除了要解決在應用推廣過程中不斷出現(xiàn)的實際問題外，目前仍有一 些機理性研究內(nèi)容亟需進一步深入探討解決。例如，建立先進的流場參數(shù)實時測量與控制平 臺，則是改進和提高研究技術和手段所必須具備的基本實驗條件之一。
以往對于此類機械運行機理所做的研究常局限于數(shù)值模擬計算或在制冷整機上完成部分 壓力波形的數(shù)據(jù)采集等內(nèi)容，無法拍攝到真實的流場圖像照片。由于整機開車耗氣量大且不 穩(wěn)定，對于諸多影響波制冷機效率的因素進行實驗研究和綜合分析很難進行，特別是有一些 涉及機理研究的內(nèi)容，例如振蕩接受管內(nèi)各種波的形成過程；波的強弱；波的強度如何？ 激波能否形成？壓縮波、激波、膨脹波在何處形成？反射激波能否完全消除？會否返回入口 膨脹端降低制冷效率？波機器在不同的運行工況、不同的壓力及膨脹比、不同的轉(zhuǎn)速下性能 和效率究竟如何？有多大差別？不同管徑及管長對轉(zhuǎn)速及效率的影響？結(jié)構(gòu)及工況的最佳匹 配？射流振蕩制冷機在不同結(jié)構(gòu)、不同容積的聲振蕩器的作用影響下射流情況如何？連接管 通流截面的大小對效率的影響究竟有多大？機器射流振蕩頻率如何？流場波形如何？在氣液 兩相存在下又如何？要搞清整個流場的真實情況，用以揭示其中速度場、密度場、溫度場的 形成與分布狀況等等。這些有關機理特性方面的研究內(nèi)容對于進一步提高機器的制冷性能及 效率都是非常有價值的和至關重要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要提供一種結(jié)構(gòu)合理簡單、操作使用簡便、性能穩(wěn)定可靠，能夠真實 模擬氣波制冷機和射流振蕩制冷機等波機器工作過程、如實反映其工作性能適于更換實驗件 、變換研究內(nèi)容的多功能氣體波制冷顯示測量裝置及方法技術。
本發(fā)明的技術解決方案是
參采用集成化結(jié)構(gòu)設計方法，兼顧"氣波制冷機"和"射流振蕩制冷機"的結(jié)構(gòu)要素 ，集二種機器的結(jié)構(gòu)形式及特點于一體。
參用多種形態(tài)工作，以完成對此類不同機器類型重要參數(shù)的同步測量，盡管兩種機器 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外形有許多不同，例如射流管的數(shù)量一般分別為60-80和5-13根，但關鍵制 冷元件抓振蕩接受管的基本結(jié)構(gòu)是一致的，均為固定式。最顯著的差別體現(xiàn)在噴嘴的運行方 式上，氣波制冷機噴嘴是旋轉(zhuǎn)的，而射流振蕩制冷機的噴嘴是靜止的。氣體波制冷機械的核 心問題是激波振蕩接受管中氣體的流動和多種氣體波的形成情況。因此選擇其中一根管子為 研究模型，剖析考察其流場情況，即可全面認識其它接受管的內(nèi)部流場情況。鑒于如能在被 測試接受管的兩邊多安裝幾根接受管則更能真實模擬被測接受管周邊接受管對其測取數(shù)據(jù)的 影響?？梢郧宄蚀_地分析判斷整個機內(nèi)流場狀況，為開展相關機理研究提供有效數(shù)據(jù)。故 本裝置設計取5支流道再連接相應的接受管。
本發(fā)明的技術解決方案還包括以下幾點結(jié)構(gòu)特征
1、為滿足測量采集圖像時能夠拍攝到清晰的流場圖像對透光的特殊要求，在5支流道中
最中間的一支流道上下鑲裝光學玻璃，另為了達到承壓要求和對噴嘴射流段位置的拍攝采集 圖像要求，光學玻璃38上下厚度均取45-55 mm，前端制成階梯形狀。玻璃與周圍機體側(cè)壁及 流道之間運用多種密封方式，防止氣體泄漏。
2、 主機體12為板式結(jié)構(gòu)，厚度為100-120mm，在上表面左邊一側(cè)為孔徑為0200，深80 mm的內(nèi)腔圓孔，以與射流噴嘴ll作間隙配合，右邊一側(cè)銑削加工出5條長500mm、寬8-10 mm
、深60-80 mm截面為矩形的射流流道40，并呈放射狀分布，流道間的偏轉(zhuǎn)角度為7-10度，靠 近噴嘴ll一端的流道間間距是漸縮的，呈收窄狀并與O200通孔貫通，至射進區(qū)一端流道40 的間距為2mm，流道右端通過與過渡接頭體42與長度為4000-6000mm的振蕩接受管44連接；另 外為避免射流氣體在流道中受阻，接頭體42內(nèi)部加工呈"天方地圓"過渡形狀。
3、 射流噴嘴與轉(zhuǎn)軸做成一體，而轉(zhuǎn)盤軸段13不變，噴嘴采用二種不同尺寸結(jié)構(gòu)的形式
，其中一種旋轉(zhuǎn)噴嘴外圓為回轉(zhuǎn)體，其與機體孔的配合間隙僅為0.08-0. 10 mm，噴嘴口開口 位置根據(jù)噴嘴口的數(shù)量例如二 口或三口均勻分布；另一種靜止式射流噴嘴則外圓有半圈與旋 轉(zhuǎn)噴嘴外圓尺寸相同，噴嘴口所處的另半圈則外圓尺寸減小10mm，與機體上流道的距離超過 5mm，這樣將使聲振蕩器45有效發(fā)揮功能，此噴嘴口為單一射流口，具體使用哪種噴嘴要根 據(jù)研究內(nèi)容的需要確定。
4、 將進、排氣管路系統(tǒng)整合為一個零部件，其中包含一個內(nèi)置的進氣管并外包隔溫絕 熱材料，使其穿過體積空間較大的出口緩沖腔上下蓋板的中心，排氣管從緩沖腔腔室側(cè)壁開 孔接出，其下端蓋同時也是該裝置的上部封蓋，另進、排氣管上分別接閥門，設置測溫、測 壓點，以控制進、排氣壓力，由以上零部件構(gòu)成了進排氣緩沖腔總成，見圖7。其中下端蓋 21與上軸承座19一起配鉆加工出4-6個排氣孔，以作為通道將低溫氣體匯集至收集腔內(nèi)。并 在此兩件靠近流道視窗處銑削出缺口 ，供觀測噴嘴射流流場情況。
5、 聲振蕩器45采用可調(diào)節(jié)容腔大小的結(jié)構(gòu)，外殼由單封頭和筒體構(gòu)成，另一端由可移 動的活塞環(huán)做封蓋，該活塞環(huán)設有兩道O形密封圈，以防漏氣，活塞由傳動絲桿帶著移動， 在筒體內(nèi)部長度的中間位置由三根支撐筋固定螺母環(huán)。
6、 根據(jù)幾類制冷機的主要結(jié)構(gòu)特點，構(gòu)思確定了本裝置的整體框架結(jié)構(gòu)，包括有射 流振蕩制冷機的板式主機體及氣波制冷機的旋轉(zhuǎn)軸系等，但完全是根據(jù)本裝置的結(jié)構(gòu)需要進 行了全新的設計。
本發(fā)明所達到的有益效果和益處是
1.能真實、可靠模擬氣波制冷機、射流振蕩制冷機等波機器的工作機制和過程，可開 展多種有關機理、結(jié)構(gòu)、性能等方面的深入研究。
2. 結(jié)構(gòu)簡單，易于加工、安裝和拆卸。
3. 互換性好，更換實驗件方便快捷。
4. 具有可視功能，可觀察和拍攝流場。
5. 測點多，可測試的內(nèi)容多，如轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、流量、流場內(nèi)的氣速、壓力波
形等等。
6. 可以實現(xiàn)高頻振蕩，能夠保證機器的效率。
7. 流量、壓力和膨脹比可調(diào)范圍大。
8. 適應氣液兩相工況場合。
9. 因結(jié)構(gòu)簡單，耗氣、耗原材料少，制造、使用及維護容易，故可節(jié)省研究經(jīng)費。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步說明。
圖1是多功能氣體波制冷射流流場顯示測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是多功能氣體波制冷射流流場顯示測量裝置俯視圖。
圖3是流場顯示測量裝置主機體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是主機體A-A向剖視圖。
圖5是主機體B-B向剖視圖。
圖6是主機體C-C向剖視圖。
圖7是主機體流道A-A斷面剖視圖。
圖8是主機體流道B-B斷面剖視圖。
圖9是主機體流道C-C斷面剖視圖。
圖10是主機體流道D-D斷面剖視圖。
圖ll是雙口旋轉(zhuǎn)噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖。
圖12是雙口旋轉(zhuǎn)噴嘴俯視圖。
圖13是靜止單開口射流噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖。
圖14是靜止單開口射流噴嘴俯視圖。
圖15是進、排氣緩沖腔總成結(jié)構(gòu)示意圖。
圖16是一種可調(diào)式聲振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖17是可調(diào)式聲振蕩器A-A向剖視圖。
圖18是方圓過渡連接壓塊結(jié)構(gòu)示意圖。
圖19是方圓過渡連接壓塊A-A向剖視圖。
圖20是激波振蕩管制冷方法原理圖。 圖21是激波振蕩管制冷方法原理圖。
圖中1.計數(shù)齒輪，2.測速傳感器，3.小帶輪，4.底端蓋，5.骨架密封，6. 0形 密封圈，7.軸承外圈壓帽，8.下軸承，9. O形密封圈，10.下軸承座，11.噴嘴軸段， 12.板式主機體，13.轉(zhuǎn)盤軸段，14.密封填料，15.壓帽，16.密封墊，17.上軸承，18 .軸承內(nèi)圈壓帽，19.上軸承座，20. O形密封圈，21.法蘭，22.雙頭螺柱組件，23.筒 體，24.排氣管，25.出口控制閥，26.出口測溫傳感器，27.壓力表座，28.進氣管，29 .進氣控制閥，30.進氣管，31.密封填料件，32.壓塊，33.上軸承座缺口， 34.密封壓 條，35.柔性石墨填料，36.密封膠板，37.玻璃壓蓋，38.光學玻璃，39.壓緊螺釘，40 .矩形流道，41.端面墊片，42.連接接頭組件，43.方圓過渡連接壓塊，44.振蕩接受管 ，45、聲振蕩器，46.流道焊接封壓條，47.電機，48.橡膠板。
具體實施例方式
見圖l，實施本發(fā)明的一種多功能氣體波制冷射流流場顯示測量裝置主要由振蕩接受管 44、主機體12、上軸承座19、轉(zhuǎn)盤軸段13、射流噴嘴ll、光學玻璃38和聲振蕩器45等部分組 成。主機體12是由尺寸為100-120mm厚度的金屬板材加工制成，機體上部距左側(cè)端線160mm的 中心位置向下加工出一個深70mm、直徑O200mm的圓形腔室，以配合放置旋轉(zhuǎn)或靜止噴嘴ll ，下部則加工一個O40的圓孔，供噴嘴軸段ll的軸端伸出，軸端上通過鍵聯(lián)接安裝由小皮帶 輪與計速齒輪l合為一體的組合件，計數(shù)齒輪1由60個齒組成，按模數(shù)m = 2制造，電機軸上 安裝大皮帶輪，電機通過皮帶傳動帶動裝置主軸旋轉(zhuǎn)，為更換軸承方便拆卸而設置的上、下 二個軸承座19、 10分別通過螺栓與主機體12連接。在上軸承座19之上，進氣與排氣管路系統(tǒng) 制作成一整體，它是一個包含內(nèi)置的進氣管30、隔溫絕熱材料、法蘭21、筒體23和排氣管 24等構(gòu)成的緩沖腔集合體，詳見圖15總成結(jié)構(gòu)圖，此部件中各零件之間都是通過焊接制作完 成的。該零部件總成中法蘭21通過螺栓與上軸承座19連接，進氣管30上焊接盤管后安裝壓力 表，并鉆孔絞絲安裝測溫傳感器，還通過螺紋與進氣控制閥29連接。排氣管24上也同進氣管 一樣以相同的方式連接壓力表、測溫傳感器和排氣閥門25。噴嘴軸段11與轉(zhuǎn)盤軸段13通過螺 栓連接，在配合組成內(nèi)部分流腔室充當射流氣體分配器的同時，也構(gòu)成了該裝置的主軸。該 轉(zhuǎn)動軸件以上、下各一套軸承作為支撐，軸承安裝放置在上、下二個軸承箱座19、 IO內(nèi)，下 軸承采取內(nèi)、外圈分別壓緊，上軸承則只壓緊內(nèi)圈，使軸承留有一定的余隙。轉(zhuǎn)盤軸段13為 一段空心軸，最上部為進氣端口，未經(jīng)制冷的常溫氣體經(jīng)靜止的進氣管30及進口閥門29進入 由轉(zhuǎn)盤軸段13和噴嘴軸段11組成的腔室，噴嘴軸段ll有二種不同的尺寸結(jié)構(gòu)，其中之一做轉(zhuǎn)
動射流實驗的旋轉(zhuǎn)噴嘴結(jié)構(gòu)見圖ll、圖12，外圓上開口數(shù)分別有二口、三口或多口形式， 圓周角度分配按開口數(shù)量均分，噴嘴射流口從內(nèi)向外做成收縮型的且?guī)б欢ǖ钠?。做靜止 射流實驗時則噴嘴結(jié)構(gòu)見圖13和圖14，噴嘴射流口采用拉瓦爾噴管，也即縮放型或平直開口 型式，噴嘴口徑尺寸及形狀依據(jù)流量和研究內(nèi)容的需要確定。在裝置主要零件配合聯(lián)接處設 置了多種形式的密封，其中法蘭21與上軸承座19、下端蓋4與下軸承座10、噴嘴軸段ll與轉(zhuǎn) 盤軸段13及下軸承座與機體12之間的連接均采用0形圈密封，上軸承座19與主機體12之間通 過石棉橡膠墊放入定位凹槽中壓緊密封，由于機體12中間鑲裝玻璃和視窗，為了要能夠拍攝 到噴嘴口射出，進入流道瞬間這一十分重要的流場圖像，軸承座19和法蘭21二零件的圓周上 與視窗相對的位置上須開觀測缺口，軸承座19圓周上開出長55mm、寬為35mm且上下通透的缺 口，此石棉墊不是一個完整的環(huán)形墊，而是在到達視窗位置時斷開，其空缺處的密封分別由 壓塊32壓緊密封填料件31和由壓條34壓緊柔性石墨填料35完成。在上軸承座19內(nèi)軸承下面通 過螺紋壓帽壓緊由柔性石墨材料制成的填料塊來密封，軸承內(nèi)圈也由螺紋壓帽壓緊，在下軸 承下部的端蓋內(nèi)設置選用了骨架密封5，以防止氣體從下部外泄。在緩沖腔總成組件中內(nèi)置 的進氣管30的下部加工一段軸向迷宮密封，通過該件的靜止與轉(zhuǎn)盤軸段13的轉(zhuǎn)動之間的動靜 配合達到阻滯氣流進入上軸承座19沖刷軸承內(nèi)的潤滑脂的密封目的。主機體12右側(cè)的結(jié)構(gòu)則 是從其上表面向下分別銑削出5支長為500mm、寬為8-10mm、深為60-80mm，該尺寸除流道外 還包括從上部向下安裝的鑲嵌封條尺寸，截面為矩形的流道40，圖2為該裝置俯視圖，圖中 流道總體分布呈發(fā)散狀，偏轉(zhuǎn)角度一般為7-10° ，靠近噴嘴一端的流道間間距是漸縮的，流 道近噴嘴ll一端端頭的間距為l-2mm，各流道之間呈尖劈收窄狀。機體尾端寬間距是為布置 連接接頭42和方圓過渡連接壓塊43以聯(lián)接振蕩管而確定的，靠近機頭一端間距小則有利于實 現(xiàn)噴嘴射流連續(xù)順暢。機體流道加工成矩形截面的原因是這段長度的流場情況復雜且極為重 要，要能夠拍攝到清晰的流場圖像，圓管材料由于受限于結(jié)構(gòu)和無法滿足流場清晰度的要求 ，固不被采用。因要通過PIV質(zhì)子影像速度場儀或激光多譜勒高速攝像以及熱線風速儀來測 量射流過程中不同部位的流場波動圖像和氣體流速，故選擇其中居中的一根流道作為測量采 集圖像之用，此項測量流道必須上下透光，故上下均須鑲裝光學玻璃，所以主機體12板面上 這一位置是需要銑透的，由于流道為5根，而其中間一根做測量之用需上下鑲裝光學玻璃建 立視窗，以滿足透光要求，而其余只作輔助之用，以模擬相鄰各流道對測試管可能產(chǎn)生的影 響。光學玻璃與機體及流道上下面之間的密封非常重要和關鍵，具體實施較為復雜。方法如 下，見圖7-圖10，各條流道除中間一根外內(nèi)部都加工一階梯臺，是專供焊接封裝流道的鑲條 定位用，并借以確保流道深度尺寸。矩形流道上下兩面的光學玻璃的寬度均取30mm，厚度取
45-55mm，機體下面唯一只加工一條鑲裝光學玻璃的寬槽，并不加工另四條流道，槽略寬于 玻璃，空出的間隙用作密封，光學玻璃與所接觸到的流道上平面之間皆通過涂厭氧密封膠密 封，因該膠拆卸時可清除。若玻璃與機體流道等處直接接觸，則流道之間會串氣導致無法密 封而影響流場。玻璃與機體側(cè)壁間的密封則是通過膠板、柔性石墨、壓條、蓋板完成，具體 安裝時將光學玻璃38和膠板36—起從流道尾端一側(cè)送入流道，膠板36與光學玻璃及機體側(cè)壁 間均要涂密封膠，膠板上填充柔性石墨35，再放入壓條34，面上擺放密封膠墊，最后將蓋板 37用螺栓39緊固，這樣的安裝方法可實現(xiàn)定期拆卸清洗玻璃和流道。由于流道是由機體上部 向下加工的，流道上部因有多根流道漸近相匯，故使鑲裝玻璃的過程及密封較下部復雜。玻 璃與密封件的安裝除與流道下面的玻璃安裝相同外，還涉及到與周邊多支流道的配合和密封 ，不同部位碰到的流道數(shù)量和鑲嵌焊接的流道封條寬窄是不一樣的，故必須通過手工研磨作 配合加工，具體詳見流道中不同部位局部斷面剖圖，即圖7-圖10。因流道較長，有500mm， 無法從機體一端鉆通，故采取除中間一根流道銑透外，其余流道均從機體上平面向下銑削加 工至流道止，最后再用流道焊接封壓條46焊接封閉，機體流道上沿與流道焊接封壓條46須分 別加工焊接坡口，焊接完成后掃平。機體右端對應中間鑲裝玻璃的流道要加工一個與過渡連 接壓塊43相配合的凹槽缺口，以安裝該連接壓塊，使流道由矩形過渡到圓形，使內(nèi)部形成 "天方地圓"形狀，再通過可拆卸接頭體42與圓形的振蕩接受管44連接；接受管長度一般在 4000-6000mm之間選取，并在其上每間隔150mm安裝一定數(shù)量的壓力和溫度傳感器。管徑及管 長須由噴嘴口徑、處理量、氣流速度等參數(shù)來確定和變換，這些都是可以根據(jù)實驗要求隨時 調(diào)整改變的。本機接受管材質(zhì)選取要兼顧和滿足導熱、傳熱性能和強度要求， 一般以紫銅管 或無縫鋼管為宜，采取收攏并留有間隔的排布緊固在機架上，以減小占地空間。 測量方法及技術
本發(fā)明的裝置及技術能夠完成諸如變換機器結(jié)構(gòu)、噴嘴口徑尺寸，變管長、管徑、變 換彎管部位、激波振蕩管后部異徑管連接變換、改變反射激波吸收腔的結(jié)構(gòu)和尺寸、改變壓 力工況及膨脹比等一系列組合匹配重要實驗。通過在管束中的一根接受管的各個不同部位安 裝溫度和壓力傳感器，就可以采集獲取這些關鍵部位的壓力波形和溫度數(shù)據(jù)。其突出的構(gòu)思 表現(xiàn)在
參首次將高精度PIV激光成像儀并配備先進而完整的系統(tǒng)管理軟件、高解析度CCD系統(tǒng)、 熱線風速儀等高級科學儀器引入到波機器研發(fā)平臺上來，以期實時拍攝變工況條件下的瞬間 流場圖像，測定流場內(nèi)不同部位的氣流速度，探測激波發(fā)生、發(fā)展的運動規(guī)律。參由于轉(zhuǎn) 速對波機器的效率影響很大，因而變轉(zhuǎn)速的實驗內(nèi)容非常重要，本裝置可運用調(diào)頻器來調(diào)節(jié)
電機的轉(zhuǎn)速，還可通過計數(shù)齒輪結(jié)合計數(shù)傳感器讀取實際轉(zhuǎn)速，這樣便可在其他工況參數(shù)不 變的情況下，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來研究在不同膨脹比等條件下轉(zhuǎn)速對制冷效率的影響，以獲得最 佳轉(zhuǎn)速等有價值數(shù)據(jù)。參還可通過加入諸如液相等介質(zhì)，以檢驗在氣液兩相存在情況下對 流場的影響。在實現(xiàn)上述功能后，則利用本裝置既可以極大地提高實驗研究效率，又能滿足 多任務、多目標準確測量要求，為順利開展波機問題基礎研究提供支持和保證。同時，對其 它相關領域的研究工作具備推廣和參考價值。因此，從測控方法學層面而言，其意義是十分 明顯的。
本裝置模擬轉(zhuǎn)式氣體波機器的測量操作過程是由電機通過其上安裝的大皮帶輪帶動裝置 主軸上的小帶輪，進而帶動主軸上的旋轉(zhuǎn)噴嘴分配射流，主軸轉(zhuǎn)速由皮帶傳動比來確定，總 體調(diào)速范圍在500-9000rpm，，因而能涵蓋多個最佳轉(zhuǎn)速區(qū)段，當軸與噴嘴一起隨電機驅(qū)動 的皮帶輪作不同旋轉(zhuǎn)速度的轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)速由調(diào)頻器調(diào)節(jié)控制，還可通過安裝固定在主機體 12下面的測速傳感器2接收計數(shù)齒輪1給出的信號，再通過轉(zhuǎn)速表讀取轉(zhuǎn)速值，以校驗調(diào)頻器 顯示的讀值，由于轉(zhuǎn)速對波機器的效率影響很大，因而變轉(zhuǎn)速的實驗內(nèi)容非常重要，通過此 種變頻調(diào)速的方法手段便可在其他工況參數(shù)不變的情況下，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來研究在不同膨脹 比等條件下轉(zhuǎn)速對制冷效率的影響，以獲得最佳轉(zhuǎn)速等有價值數(shù)據(jù)。本裝置可實現(xiàn)在諸多影 響效率因素存在下，分別只改變其中一種因素或一種工況條件，而其它因素條件均不改變， 以完成研究探索項目內(nèi)容，例如只改變轉(zhuǎn)速或頻率，而壓力、膨脹比、噴嘴形狀口徑，接 受管管長、管徑等均不改變，流場怎樣變化，效率曲線如何。具體操作步驟為首先調(diào)節(jié)調(diào) 頻器啟動電機，帶動裝置主軸及噴嘴轉(zhuǎn)動，然后再先后打開進、排氣緩沖腔總成上安裝的排 、進氣閥門，必須先打開排氣閥，實驗中可根據(jù)需要調(diào)節(jié)進、出口閥門，以改變壓力和膨脹 比，進、出口壓力通過裝在進、出口管上的壓力表讀出，相應的溫度值則通過裝在進、出口 管上的溫度傳感器經(jīng)溫度表讀出。未經(jīng)制冷的常溫氣體經(jīng)靜止的進氣管30進入旋轉(zhuǎn)著的由轉(zhuǎn) 盤軸段l3和噴嘴軸段l 1組成的腔室，從噴嘴口中射出的壓力氣體間歇周期性地射入到機體內(nèi) 各流道40再進入振蕩接收管44中，由于接收管是一端封閉的結(jié)構(gòu)，從接收管內(nèi)返出的經(jīng)制冷 后的低溫氣體則通過噴嘴的上端空隙間流向低壓腔室，其路徑是經(jīng)上軸承座19與法蘭21配鉆 加工出4-6個通氣孔，低溫氣體匯集到緩沖腔收集，再經(jīng)裝置出口管24排出外輸。正式做流 場測量控制實驗時，須向裝置內(nèi)加入示蹤粒子，以增強激光鏡頭前氣相介質(zhì)的反光強度，強 化流場信號，以便于捕捉拍攝到清晰的氣體流動圖像。示蹤粒子加入是在進口閥門29前的管 路上設置一個漏斗罐，需要時可增加攪龍機構(gòu)，漏斗罐內(nèi)裝示蹤粒子，罐底接管上裝有小閥 門，示蹤粒子通過重力加氣流引射挾帶進入裝置，并隨氣體一起經(jīng)噴嘴射入流道及振蕩接受
管內(nèi)并返出，其中也包括進入中間一支由上下兩面光學玻璃與機體構(gòu)成的流道。此類波制冷 機械的制冷原理主要都是通過流道和振蕩接受管中氣體波系間的相互作用和關系來實現(xiàn)的， 所有流道及振蕩接受管內(nèi)的工作過程均可概要描述為高速氣流射向每一流道的瞬間，射入 的新鮮氣體與流道內(nèi)原有的滯存氣體之間會形成一接觸面，該接觸面可視為一無質(zhì)量的氣體 搏釗麕；由于接觸面兩邊壓力和速度都不相等，故該搏釗麕是不斷前后移動的，向前運動時
，則在搏釗麕的前方將出現(xiàn)同方向運動的激波，激波所產(chǎn)生的能量大大強于壓縮波，激波產(chǎn) 生和到達掃過之處，氣體連續(xù)受到壓縮，溫度和壓力升高，經(jīng)過多周期的作用，管內(nèi)氣體溫 度越發(fā)升高，并通過管壁散熱，完成能量轉(zhuǎn)換。由于射入氣體對管內(nèi)氣體膨脹做功，故使自 身總能下降，溫度降低。在氣體分配器和射流振蕩源的共同作用下，射流偏轉(zhuǎn)，停止向管內(nèi) 射氣，由于管內(nèi)壓力大于管外壓力，管內(nèi)射入氣體反向流出管口，經(jīng)匯總后出機器外輸，完
成一個制冷循環(huán)。激波的產(chǎn)生是我們希望的，因從能量守衡的理論分析 一邊溫度越高，則 另一邊溫度就越低，制冷效率將越高，但如果接受管尾端不變徑，直接封閉，則氣體遇固壁 會產(chǎn)生反射激波，反射激波會將部分熱量傳回管口，抵消部分制冷后的溫降，造成效率降低 ，這是我們不愿看到的，故在接受管尾端加裝了激波吸收腔，即是突擴的變徑空心管，以吸 收反射激波，提高機器制冷效率。由于該類波機器機體周圍分布的所有振蕩接受管的內(nèi)外部 結(jié)構(gòu)均完全相同，因而剖析其中任何一根振蕩接受管的流場情況均能反映機器上其余接受管 內(nèi)的流動狀況，示蹤粒子的加入，使流道和振蕩接受管內(nèi)的氣體波系，指壓縮波、激波、 膨脹波和反射激波的運動等流場流動信號加強，通過調(diào)節(jié)架設在機體上部玻璃視窗之上的 PIV質(zhì)子影像速度場儀鏡頭的位置、高度距離、光圈焦距以及穿過下面玻璃視窗的激光光源 的斜向角度，調(diào)整最佳的位置和角度，避免激光光源損壞精密儀器的關鍵部件，該儀器可將 流道中流場的形狀、波的形狀、氣流的分布等如實的呈現(xiàn)并拍攝下來。除此之外，選擇除中 間流道外的一支流道，用每隔150mm打孔插入并封裝的熱線風速儀雙針式傳感探頭采集氣流 速度信號，在另一根流道和管上用每隔150mm分別相對安裝的壓力傳感器和熱電偶溫度傳感 器，以采集壓力信號和溫度信號，壓力信號通過電荷放大器輸入到32通道多功能數(shù)據(jù)分析儀 后可獲得各點的壓力波形，溫度信號則通過計算機的處理作出各點的溫度分布曲線，還須用 接觸式溫度測量儀測量接受管壁面各點的溫度。另外在裝置的某些關鍵部位設置測點進行測 量，如在噴嘴射氣口與流道間隙處，此位置是最低溫度點，用測溫傳感器采集該處的溫度 。為模擬檢驗在工程中常碰到的氣液兩相存在情況下對流場的影響，在裝置入口處接入自主 研發(fā)的霧化噴射泵，通過加入其它液態(tài)介質(zhì)，拍攝和獲取此狀態(tài)下的流場影像及測量數(shù)據(jù)。 做轉(zhuǎn)動射流實驗時兩個聲振蕩器的控制閥門是必須要關閉的。 要完成和實現(xiàn)靜止式射流的操作和測量工作，須有效地控制聲振蕩器的振蕩頻率，也即 確?？煽康纳淞髡袷幵?，這是該裝置正常工作的基礎和前提。具體實施的過程和操作是將電 機停掉，更換噴嘴，轉(zhuǎn)盤軸段13—直使用無需更換，只要將單開口靜止射流噴嘴換上，并調(diào) 整轉(zhuǎn)軸將噴嘴出口對準流道中最中間的一根，固定使其靜止不動，通氣前的準備及排氣、進 氣閥門的操作控制與前面敘述的旋轉(zhuǎn)氣波機操作一樣，氣體進入到靜止的噴嘴內(nèi)射流。在主 機體12的兩側(cè)設有二個分流通道與兩個聲振蕩器45連接，這是二條供氣流往返的通道，兩分 流通道中心線與中間射流噴嘴中心線的夾角對稱同為65-75度；并分別與機體內(nèi)的腔室聯(lián)通 ，工作時打開機體兩側(cè)兩個聲振蕩器45連接管上的控制閥，通過調(diào)節(jié)并記錄下閥門的開度， 也即通徑，使聲振蕩器工作，用以改變頻率的大小。通過不斷進入和積存在容器腔內(nèi)的氣流 充、排作用而實現(xiàn)對射流的控制，使其不斷地切換與掃蕩。在此類射流工程中必須有流體的 脈動信號產(chǎn)生并要求有效地控制，根據(jù)運動氣體在容腔和管道中的響應及傳播特性可以激發(fā) 產(chǎn)生脈動波的原理，在振蕩和射流元件的設計研制中須盡量確保出口流容且使流阻影響減小 到最少的要求，由我們開發(fā)的聲振蕩器可實現(xiàn)高頻振蕩，振蕩頻率可達500-700Hz，可自發(fā) 產(chǎn)生壓力脈動信號，在此脈動信號作用下，通過靜止的射流噴嘴與聲振蕩器共同作用及利用 流體在雙穩(wěn)附壁元件中的附壁、切換特性，可使從噴嘴射出的氣流周期性地在兩個聲振蕩器 間來回掃蕩，以實現(xiàn)氣流的周期性偏轉(zhuǎn)、射流，間歇性地以一定的射流頻率射入周圍均布的 振蕩接受管內(nèi)。實際上射流振蕩的切換過程也完全是自動完成的，在射入的半周期中，壓縮 振蕩管中的循環(huán)氣，在非射入的半周期，從射流的空隙間排出振蕩管，并通過裝置出口排出 。另外接受管振蕩頻率的高低決定著管壁溫度的分布，同時影響到向外界散發(fā)熱量的多少。 在振蕩過程中，伴隨著氣體溫度的變化，同時管壁溫度從常溫逐漸按某種規(guī)律分布，由于氣 體與管間的傳熱膜系數(shù)遠小于金屬壁之間的導熱系數(shù)，穩(wěn)定后管壁溫度基本上是沿某曲線分 布的定值；由于溫度梯度的存在，熱量沿管壁大量散發(fā)到外界，同時部分熱量軸向沿管壁返 回到冷氣中；在管內(nèi)某定點，氣體質(zhì)點在該點附近振蕩，溫度、壓力呈周期性轉(zhuǎn)變。為了獲 得振蕩接受管這一關鍵和重要的射流制冷元件內(nèi)不同位置的壓力及溫度等有價值的研究數(shù)據(jù) 及參數(shù)，在機體射流流道和后續(xù)連接的振蕩接受管上的不同位置安裝了一組多個壓力傳感器 和溫度傳感器，以采集溫度和壓力數(shù)據(jù)。通過該裝置可以試驗多種新型射流元件以及完成聲 振蕩器的振蕩腔形對流場或溫度效應影響的研究。另外根據(jù)我們改變聲振蕩器容器的形狀及 容積大小可改變頻率的高低的研究結(jié)果，在本裝置上首次將絲杠活塞可移動結(jié)構(gòu)應用于聲振 蕩器的設計開發(fā)，具體結(jié)構(gòu)詳見圖16、圖17，聲振蕩器容積改變的大小通過在振蕩器容器外 部測量活塞移動的位置尺寸算出。本裝置還可進行各種新型射流元件試驗及開展大量有關聲
振蕩器的振蕩腔形對流場或溫度效應影響的研究探索。
權利要求
1.一種多功能氣體波制冷射流流場顯示裝置，其特征在于，由振蕩接受管(44)、主機體(12)、上軸承座(19)、轉(zhuǎn)盤軸段(13)、射流噴嘴(11)、光學玻璃(38)和聲振蕩器(45)組成，主機體(12)主機體(12)為板式結(jié)構(gòu)，外形尺寸為780mm×320mm×100mm，主機體(12)上部距左側(cè)端線160mm的中心位置設置一個放置噴嘴(11)的Ф200mm、深70mm的圓形腔室，在該腔室的下面設置一個供實心的噴嘴軸段(11)伸出的Ф40的圓孔，伸出的噴嘴軸段(11)的軸端通過鍵聯(lián)接由小皮帶輪(3)與計速齒輪(1)合為一體的組合件，計數(shù)齒輪(1)由60個齒組成，模數(shù)m＝2，電機上安裝大皮帶輪，電機(47)通過皮帶與噴嘴軸段(11)連接，上軸承座(19)與主機體(12)上部設置Ф200mm圓形腔室的部分通過螺栓連接，法蘭(21)通過螺栓與上軸承座(19)連接，在法蘭(21)上焊接筒體(23)，在筒體(23)的上面焊接一塊中間開孔的圓板，進氣管(30)內(nèi)插在法蘭(21)和圓板的中間并外包隔溫絕熱材料，排氣管(24)從筒體(23)的側(cè)壁開孔焊接，由法蘭(21)、筒體(23)、進氣管(30)、排氣管(24)和圓板構(gòu)成緩沖腔總成，法蘭(21)通過螺栓與上軸承座(19)連接，且二件一起設置4-6個排氣孔，在緩沖腔總成組件中內(nèi)置的進氣管件(30)的下部設置一段軸向迷宮密封，進氣控制閥(29)與設置有壓力表和測溫傳感器的進氣管(30)連接；排氣閥門(25)與設置有壓力表和測溫傳感器的排氣管(24)連接；噴嘴軸段(11)與轉(zhuǎn)盤軸段(13)通過螺栓連接，構(gòu)成了該裝置的主軸，該轉(zhuǎn)動軸件以上、下各一套軸承作為支撐，軸承分別安裝放置在上軸承座(19)、下軸承座(10)內(nèi)，下軸承采取內(nèi)、外圈分別壓緊，上軸承則只壓緊內(nèi)圈；轉(zhuǎn)盤軸段(13)是一段空心軸，噴嘴軸段(11)下部是一段實心軸，由此二件內(nèi)插式配合構(gòu)成了一個內(nèi)部的分流腔室，在裝置中設置的密封有法蘭(21)與上軸承座(19)、下端蓋(4)與下軸承座(10)、噴嘴軸段(11)與轉(zhuǎn)盤軸段(13)及下軸承座與機體(12)之間的連接均采用O形圈密封，上軸承座(19)與機體(12)之間通過壓緊嵌入到定位凹槽中的石棉橡膠墊密封，由于上軸承座(19)圓周上開有長55mm、寬為35mm且上下通透的缺口，該石棉墊是一個中間斷開的環(huán)形墊片，其空缺處平面的密封由玻璃蓋板(37)和壓條(34)壓緊柔性石墨填料(35)完成，側(cè)面的密封由壓塊(32)壓緊密封填料件(31)完成；在上軸承座(19)內(nèi)部最下邊有一平臺，以承接柔性石墨環(huán)(14)，在其上面通過螺紋壓帽(15)壓緊密封，另由螺紋壓帽(18)壓緊上軸承(17)的內(nèi)圈，在下端蓋(4)內(nèi)設置骨架密封(5)；主機體(12)右側(cè)的結(jié)構(gòu)是設置了5支截面為矩形的長500mm、寬8-10mm、深60-80mm的流道(40)，中間一根除外，各條流道內(nèi)都設有一階梯臺；流道總體分布呈發(fā)散狀，流道間的偏轉(zhuǎn)角度為7-10度，靠近噴嘴一端的流道間間距是漸縮的，呈收窄狀并與Ф200通孔貫通，流道近噴嘴(11)一端的間距為1-2mm，在5支流道中只中間一支上下鑲裝光學玻璃，中間一根流道通透，機體下表面向上只加工一條玻璃鑲裝槽，機體流道上沿與金屬板條(46)須分別留有焊接坡口，用金屬板條(46)焊接封閉，光學玻璃(38)上下厚度為45-55mm，寬度均為30mm，前端制成階梯形狀，玻璃與機體之間的密封具體是將光學玻璃(38)和膠板(36)一起安裝，膠板(36)與光學玻璃及機體側(cè)壁間均要涂密封膠，膠板上填充柔性石墨(35)，再放入壓條(34)，面上擺放密封膠墊，最后用螺栓(39)將玻璃蓋板(37)緊固；布置連接接頭(42)和方圓過渡連接壓塊(43)以聯(lián)接振蕩管，機體尾端的間距寬于前端，在機體右端對應中間流道設置一個與過渡連接壓塊(43)相配合的凹槽缺口，安裝該連接壓塊，壓塊(43)內(nèi)部加工呈天方地圓過渡形狀；再通過可拆卸的接頭體(42)與圓形的振蕩接受管(44)連接；接受管長度為4000-6000mm，并在非安裝光學玻璃的流道中選擇兩支流道和接受管每間隔150mm安裝一組壓力和溫度傳感器。
全文摘要
一種多功能氣體波制冷射流流場顯示裝置及測量方法屬于壓力氣體的射流與膨脹制冷及測量控制技術領域。本發(fā)明是一種采用集成化結(jié)構(gòu)理念設計的既能轉(zhuǎn)動又能靜止工作并設有視窗可供觀測和拍攝流場圖像，能夠真實模擬多種類型氣體波機器工作機理及性能，為將高精度PIV等先進儀器引入到波機器流場測量提供了平臺，對不同類型機器重要參數(shù)實施同步測量，能很好滿足實驗研究對準確測量的要求，并能夠完成各種變工況，變換實驗結(jié)構(gòu)件、變轉(zhuǎn)速、氣液兩相等研究內(nèi)容，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)與參數(shù)的最佳匹配等一系列重要實驗。結(jié)構(gòu)合理簡單、操作使用簡便、性能穩(wěn)定可靠。適用于更換條件、變換研究內(nèi)容的多功能氣體波制冷顯示測量領域。
文檔編號F25B23/00GK101097167SQ20051020089
公開日2008年1月2日 申請日期2005年12月30日 優(yōu)先權日2005年12月30日
發(fā)明者代玉強, 劉學武, 健 張, 張大為, 徹 朱, 胡大鵬, 銀建中, 煒 魏 申請人:大連理工大學