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產(chǎn)品中心熱銷產(chǎn)品激波管
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更新時(shí)間：2025-10-09
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說(shuō)明
一、原理與系統(tǒng)組成
它是產(chǎn)生正激波的通用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，其基本原理是：利用一維非定常氣體動(dòng)力學(xué)原理，通過(guò)高低壓段氣體之間的膜片破裂，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)激波向低壓段傳播（入射激波）并在低壓段端面反射（反射激波），同時(shí)稀疏波自破膜處向高壓段傳播，如圖1所示。入射和反射激波可提供不同壓力、溫度和速度條件的準(zhǔn)定常氣流，適合研究物理、化學(xué)、氣體動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)性問(wèn)題。
圖1 原理示意圖
在完成夾膜后，左側(cè)的它盲孔、高壓段管道、夾膜段和膜片形成了可容納高壓氣體的密閉區(qū)域，習(xí)慣上稱這一部分為“高壓段"（或者“驅(qū)動(dòng)段"）；夾膜段、膜片、低壓段管道、實(shí)驗(yàn)段和右側(cè)的它盲孔板形成的密閉區(qū)域稱之為“低壓段"（或者“被驅(qū)動(dòng)段"）。根據(jù)它理論中的標(biāo)記習(xí)慣，在形成激波的初始時(shí)刻，高壓段內(nèi)的區(qū)域被稱為“4區(qū)"，該區(qū)域內(nèi)壓力記為P4；低壓段內(nèi)的區(qū)域被稱為“1區(qū)"，該區(qū)域內(nèi)壓力記為P1。1區(qū)氣體受入射激波壓縮后形成2區(qū)氣體，3區(qū)為4區(qū)經(jīng)膨脹波后的氣體狀態(tài)，2區(qū)和3區(qū)的交界面稱為接觸面。高壓段與低壓段的初始?jí)毫Ρ扔洖?/span>P41，則有
對(duì)于理想激波管，P41決定著激波的馬赫數(shù)Ms，其數(shù)學(xué)關(guān)系可以描述為
式中，
和
分別為1區(qū)和4區(qū)內(nèi)氣體的比熱容比；a14為1區(qū)與4區(qū)的聲速比，由聲速公式
其中，
為通用氣體常數(shù)，T為氣體熱力學(xué)溫度，M為相對(duì)分子質(zhì)量，可以得到
二、主要作用
（一）化學(xué)實(shí)驗(yàn)
5區(qū)為低壓端面氣流經(jīng)反射激波再次壓縮后的氣體狀態(tài)，具有高溫、高壓、靜止的特點(diǎn)，溫度可達(dá)2000K以上，可用于開(kāi)展0維燃燒實(shí)驗(yàn)，研究點(diǎn)火延遲時(shí)間等基礎(chǔ)燃燒特性。由于5區(qū)的壓力和溫度僅取決于馬赫數(shù)Ms、1區(qū)壓力P1、1區(qū)溫度T1，且這3個(gè)參數(shù)是可調(diào)、可測(cè)的，所以5區(qū)的實(shí)驗(yàn)條件是可以高精度控制、調(diào)節(jié)、預(yù)測(cè)的，這為開(kāi)展燃燒實(shí)驗(yàn)提供了理想的條件。例如，點(diǎn)火延遲時(shí)間是燃?xì)膺_(dá)到點(diǎn)火溫度與發(fā)生燃燒的時(shí)間差，其典型測(cè)量結(jié)果如圖2所示，下面3條線是它上3個(gè)壓力傳感器測(cè)得的5區(qū)實(shí)驗(yàn)段壓力躍升，上面1條綠色線記錄了燃?xì)獾娜紵?/span>發(fā)光現(xiàn)象，可以看到5區(qū)形成高溫高壓的時(shí)間與燃燒發(fā)光現(xiàn)象的發(fā)生存在時(shí)間差，即為點(diǎn)火延遲時(shí)間。
圖2 點(diǎn)火延遲測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果
（二）氣體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)
（1）基于激波的氣體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。入射激波馬赫數(shù)Ms和反射激波馬赫數(shù)MR可以通過(guò)調(diào)節(jié)P41和它內(nèi)氣體的種類實(shí)現(xiàn)控制，且可以由安裝在它上的傳感器精確測(cè)量，這就為實(shí)驗(yàn)提供了理想的一維定常運(yùn)動(dòng)正激波。通常條件下，入射激波馬赫數(shù)Ms可覆蓋1至4，反射激波馬赫數(shù)MR可覆蓋1至2。課題組在它內(nèi)開(kāi)展了正激波與激光引致的空氣泡相互作用過(guò)程研究，紋影實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，圖中豎線為正激波，外面圓形為激光等離子體引致的球面激波，中心圓形區(qū)域?yàn)榧す獾入x子體引致的高溫低密度熱核。
圖3 正激波與激光引致的空氣泡相互作用紋影照片
（2）基于高速氣流的氣體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。2區(qū)為入射激波后的伴隨氣體，3區(qū)為4區(qū)經(jīng)膨脹波后的氣體，二者都具有比較高的氣流速度。在某些特性情況下，2區(qū)和3區(qū)的氣體可達(dá)超聲速，3區(qū)氣流馬赫數(shù)可超過(guò)2，2區(qū)和3區(qū)的氣流可用于氣體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。圖4為高速氣流通過(guò)斜劈時(shí)的激光散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，斜劈安裝在它實(shí)驗(yàn)段。
圖4 高速氣流通過(guò)斜劈時(shí)的激光散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果
（三）驅(qū)動(dòng)激波風(fēng)洞
5區(qū)為低壓端面氣流經(jīng)入射和反射激波兩次壓縮后的氣體狀態(tài)，可以獲得1MPa左右壓力和1000K左右的溫度，在端面連接拉法爾噴管和真空倉(cāng)（提供必需的低背壓），可起動(dòng)超聲速風(fēng)洞，即激波風(fēng)洞，常規(guī)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下激波風(fēng)洞馬赫數(shù)可達(dá)6，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為5ms左右。課題組在激波風(fēng)洞內(nèi)開(kāi)展了馬赫5條件下的飛行器外流場(chǎng)激波特性實(shí)驗(yàn)，拍攝的紋影照片如圖5所示，激波風(fēng)洞的馬赫數(shù)由拉法爾噴管決定，更換拉法爾噴管可獲得不同的實(shí)驗(yàn)馬赫數(shù)，實(shí)驗(yàn)區(qū)截面直徑超過(guò)100mm。
圖5 激波風(fēng)洞及馬赫5條件下的飛行器外流場(chǎng)紋影照片
（四）標(biāo)定光學(xué)傳感器
根據(jù)正激波波前波后關(guān)系式，利用傳感器測(cè)量得到入射激波馬赫數(shù)Ms和反射激波馬赫數(shù)MR，結(jié)合已知的1區(qū)壓力和溫度，可以精確計(jì)算5區(qū)壓力和溫度的理論值，利用此理論值可以標(biāo)定出光學(xué)傳感器對(duì)壓力和溫度的相應(yīng)曲線，也可以在5區(qū)預(yù)混特定比例的氣體用于標(biāo)定，精度為±5%。此方法被斯坦福大學(xué)的Hanson課題組應(yīng)用，其研究成果在國(guó)際上具有代表性，見(jiàn)參考文獻(xiàn)：Ronald K. Hanson. Applications of quantitative laser sensors to kinetics, propulsion and practical energy systems. Proceedings of the Combustion Institute 33 (2011) 1–40. 斯坦福大學(xué)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，他們?cè)?span style="font-family: "Times New Roman"; font-size: 16px; text-indent: 32px;">它5區(qū)進(jìn)行了大量的激光吸收光譜實(shí)驗(yàn)，標(biāo)定了光學(xué)傳感器，并利用激光吸收光譜技術(shù)測(cè)量燃燒組分。
圖6 斯坦福大學(xué)的激波管/激光吸收譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置
三、實(shí)驗(yàn)參數(shù)
它實(shí)驗(yàn)的氣體狀態(tài)參數(shù)主要取決于它驅(qū)動(dòng)方法，實(shí)驗(yàn)時(shí)間取決于它長(zhǎng)度，實(shí)驗(yàn)參數(shù)調(diào)節(jié)范圍較大。以航天工程大學(xué)（如圖7所示）為例進(jìn)行說(shuō)明，該套建成于2015年，高壓段長(zhǎng)6米，低壓段長(zhǎng)6m，實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)1米，矩形截面，外截面尺寸為180×130 mm，內(nèi)截面尺寸為100×65 mm。
圖7 航天工程大學(xué)
該套管采用常規(guī)的高壓破膜方式驅(qū)動(dòng)，典型實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示，驅(qū)動(dòng)氣體為氮?dú)?，?shí)驗(yàn)段氣體為空氣。需要說(shuō)明的是：
（1）表中參數(shù)是理論計(jì)算結(jié)果，可作為它運(yùn)行時(shí)的參考配置，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有出入。尤其是正激波馬赫數(shù)和5區(qū)壓力，是它實(shí)驗(yàn)中至關(guān)重要的基本參數(shù)，應(yīng)以實(shí)驗(yàn)中壓力傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果為準(zhǔn)。
（2）表中實(shí)驗(yàn)時(shí)間為保守估計(jì)，預(yù)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)間大于表1值。
（3）氦氣具有更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，同樣的P41條件下，高壓段采用氦氣將獲得更高的激波馬赫數(shù)和5區(qū)壓力與溫度。
（4）能量守恒決定了5區(qū)壓力和溫度是一組矛盾，在常規(guī)驅(qū)動(dòng)條件下，難以同時(shí)獲得高的5區(qū)壓力和溫度。例如：如果需要2000K以上的5區(qū)溫度，則需要對(duì)1區(qū)預(yù)先抽真空，降低P1，但這也同時(shí)導(dǎo)致了P5的降低。
表1 典型實(shí)驗(yàn)參數(shù)
編號(hào) | 高壓段/Pa | 低壓段/Pa | 入射激波 馬赫數(shù) | 5區(qū)壓力/Pa | 5區(qū)溫度/K | 實(shí)驗(yàn)時(shí)間/ms |
氮?dú)怛?qū)動(dòng)空氣 | ||||||
1 | 106 | 105 | 1.6 | 7.0′105 | 533 | 5.5 |
2 | 106 | 104 | 2.4 | 2.6′105 | 951 | 2.0 |
3 | 5′105 | 5000 | 2.4 | 1.3′105 | 951 | 2.0 |
4 | 105 | 500 | 2.6 | 1.8′104 | 1111 | 1.7 |
氦氣驅(qū)動(dòng)空氣 | ||||||
1 | 106 | 105 | 2.0 | 1.5′106 | 730 | 5.4 |
2 | 106 | 5000 | 4.1 | 5.9′105 | 2394 | 0.9 |
3 | 105 | 1000 | 2.0 | 1.5′105 | 730 | 5.4 |
四、測(cè)量方法
（1）入射激波馬赫數(shù)Ms測(cè)量
入射激波馬赫數(shù)Ms是確定實(shí)驗(yàn)參數(shù)的直接因素，是實(shí)驗(yàn)的最基本參數(shù)，必須精確測(cè)量。其測(cè)量方法是：在低壓端安裝相距一定距離的2個(gè)或多個(gè)PCB壓電傳感器以監(jiān)測(cè)入射和反射激波速度，同時(shí)可為時(shí)序同步控制系統(tǒng)提供觸發(fā)信號(hào)。為避免PCB傳感器壓力測(cè)量受到體耦合電磁信號(hào)的影響，將PCB傳感器裝在尼龍護(hù)套中，既保護(hù)了PCB傳感器，又避免了壓力受到雜波干擾，如圖8所示。當(dāng)激波到達(dá)傳感器位置時(shí)，示波器便會(huì)記錄到一個(gè)上升沿。圖9為實(shí)驗(yàn)中TDS3032B示波器記錄得到的典型壓力信號(hào)，其中兩條線分別來(lái)自兩個(gè)通道，代表兩個(gè)位置的傳感器信號(hào)，它們的第一個(gè)上升沿由入射激波引起，第二個(gè)上升沿代表著反射激波到達(dá)傳感器位置。由二者上升沿之間的時(shí)間差和兩個(gè)傳感器間距，便可得到入射激波和反射激波的速度，而后計(jì)算得到馬赫數(shù)。
（2）光學(xué)測(cè)量
光學(xué)測(cè)量具有非侵入、響應(yīng)快、全場(chǎng)觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，是*測(cè)量技術(shù)的主要發(fā)展方向。應(yīng)用于它和激波風(fēng)洞的光學(xué)測(cè)量方法主要包括紋影、PIV、TDLAS、PLIF等，在實(shí)際應(yīng)用中，它們各自都存在一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題需要解決，本課題組在光學(xué)測(cè)量方向上也有所嘗試，發(fā)表了相關(guān)論文，在此不再贅述。
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