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原文传递一种气液两相流场观测装置

专利名称：	一种气液两相流场观测装置
摘要：	本发明公开了一种气液两相流场观测装置，属于气液两相流动的流场观测领域，包括激波管或喷管，所述激波管与喷管均用于0.3马赫数以上高速气流的产生。所述激波管或喷管侧壁为平面，安装一对观察窗以对气液两相流动进行观测，所述观察窗包括光源窗口和拍摄窗口，所述光源窗口侧方设有LED光源，所述拍摄窗口侧方设有帧率大于10000fps的高速摄影相机镜头，所述观察窗内嵌有玻璃，所述玻璃包括平行玻璃和弧形玻璃，所述玻璃中部为平行玻璃，平行玻璃外围连接有弧形玻璃。该纹影装置在高速气流中气液两相流动的观测领域兼顾有清晰观测液滴表面变形和外部气流流场波系结构变化的优点，比原有的平行玻璃的观测效果有一定的提升。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	中国航天空气动力技术研究院
发明人：	易翔宇;廖斌;朱雨建;杨基明;陈农;陈星
专利状态：	有效
申请日期：	2018-12-27T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-17T00:00:00+0800
申请号：	CN201811608462.6
公开号：	CN109765230A
代理机构：	中国航天科技专利中心
代理人：	徐晓艳
分类号：	G01N21/84(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	100074 北京市丰台区云岗西路17号
主权项：	1.一种气液两相流场观测装置，所述气液两相流场由位于激波管或喷管内部的液滴受到激波管或喷管内气流的气动力作用而形成，其特征在于所述气液两相流场观测装置包括平行光源(1)、安装在激波管或喷管侧壁(11)的一对观察窗和拍摄设备，所述观察窗包括光源窗口(2)和拍摄窗口(7)，光源窗口(2)和拍摄窗口(7)相对放置，正对位于激波管或喷管内部的液滴，所述光源窗口(2)内嵌有光源窗口玻璃，所述光源窗口玻璃由位于中心部位的平行玻璃(21)和位于边缘部分的弧形玻璃(22)组成，平行玻璃(21)和弧形玻璃(22)的内壁面与激波管或喷管侧壁(11)内壁面共形设计，平行玻璃(21)的外壁面与为激波管或喷管侧壁(11)内壁面平行；弧形玻璃(22)的外壁面从平行玻璃(21)的边缘到光源窗口(2)边缘呈弧线形，平行光源(1)发射出来的平行光，经过平行玻璃(21)和弧形玻璃(22)的折射，分别产生平行光线和汇聚光线到达液滴的表面，透过平行玻璃形成的平行光线(41)形成形成纹影光线，透过弧形玻璃形成的汇聚光线(42)再次经过液滴的折射转化为平行光，形成相界面成像光线；经过流场后的纹影光线(61)和经过流场后的相界面成像光线(62)进入拍摄设备，拍摄设备对气相流场的液滴外围波系(51)和液相流场的液滴表面变形(52)成像，同时观测气液两相流场。 2.根据权利要求1所述的一种气液两相流场观测装置，其特征在于当液滴为球形时，以液滴(5)中心点为坐标原点，过原点与平行光平行的方向为横轴方向，光源所在方向为横轴正方向，与横轴方向垂直的方向为纵方向，定义xi与yi分别为光线第i次折射时折射位置横坐标和纵坐标，θi为第i次折射后光线与横轴正方向的夹角，i＝0,1,2,3；弧形玻璃(22)外轮廓线使得光线满足如下型线方程：式中，dG0为光源窗口玻璃中心位置厚度；式中αin,i、αout,i分别为第i次折射时的光线入射角与折射角；CA、CG和CW分别为光线在空气、玻璃和液滴中的光速，rW为液滴的曲率半径，x2为光源窗口玻璃内壁与液滴中心的垂直距离，β为弧形玻璃(22)外壁面切线与横轴正方向的夹角。 3.根据权利要求1所述的一种气液两相流场观测装置，其特征在于所述拍摄设备包括纹影镜(8)、刀口(9)和高速摄影相机(10)，其中：纹影镜(8)用于将从拍摄窗口(7)发射出来的纹影光线(61)和相界面成像光线(62)反射、汇聚到刀口(9)，刀口(9)滤除被相界面和气体流场偏折的光线，将滤除偏折后的纹影光线和相界面成像光线投影到高速摄影相机(10)，高速摄影相机(10)对气相流场的液滴外围波系(51)和液相流场的液滴表面变形(52)成像。 4.根据权利要求3所述的一种气液两相流场观测装置，其特征在于所述高速摄影相机(10)镜头帧率大于10000fps。 5.根据权利要求3所述的一种气液两相流场观测装置，其特征在于所述纹影镜(8)与拍摄窗口(7)呈一定夹角，使得光线偏离观察窗。 6.根据权利要求1所述的一种气液两相流场观测装置，其特征在于所述拍摄窗口(7)嵌入内、外壁面相互平行的玻璃。 7.根据权利要求1所述的一种气液两相流场观测装置，其特征在于所述平行光源(1)为LED灯、氙灯或激光光源。 8.根据权利要求1所述的一种气液两相流场观测装置，其特征在于，所述液滴与平行玻璃(21)的内壁面的距离x2及光源窗口玻璃中心区域厚度(dG0)适当，使得液滴(5)内部亮斑面积达到最大，并具有合适的亮度，以达到对试验结果的优化。 9.根据权利要求1所述的一种气液两相流场观测装置，其特征在于所述激波管或喷管内气流为马赫数大于0.3的气流，由激波管破膜或喷管起动所产生。 10.根据权利要求1所述的一种气液两相流场观测装置，其特征在于所述激波管或喷管为方截面，其内壁面为平面。 11.根据权利要求1所述的一种气液两相流场观测装置，其特征在于所述光源窗口(2)所包含的平行玻璃(21)、弧形玻璃(22)和拍摄窗口(7)所嵌入的玻璃，其材质为石英、K9或内部均匀的亚克力。
所属类别：	发明专利