喷管及两相流场实验系统

1.本发明涉及火箭动力装置技术领域，尤其是涉及一种喷管及两相流场实验系统。


背景技术：

2.固体火箭发动机为使用固体推进剂的化学火箭发动机。固体火箭发动机由药柱、燃烧室、喷管组件和点火装置等组成。药柱是由推进剂与少量添加剂制成的中空圆柱体(中空部分为燃烧面，其横截面形状有圆形、星形等)。药柱置于燃烧室(一般即为发动机壳体)中。点火装置用于点燃药柱，通常由电发火管和火药盒(装黑火药或烟火剂)组成。通电后由电热丝点燃黑火药，再由黑火药点火燃药拄。喷管除使燃气膨胀加速产生推力外，为了控制推力方向，常与推力向量控制系统组成喷管组件。该系统能改变燃气喷射角度，从而实现推力方向的改变。
3.固体火箭发动机中的两相流动问题一直是造成固体火箭发动机热防护困难的重要因素之一。为了改善喷管内两相流动带来的热防护问题需要通过大量实验研究总结出喷管内两相流动规律，为了改善喷管内两相流动带来的热防护问题需要通过大量实验研究总结出喷管内两相流动规律，然而相关实验耗费的财力、物力所需巨大。尝试结合piv(粒子图像测速)技术通过直观的方式观测喷管内的两相流流场，总结研究相关规律，以在一定程度上节省实验成本，但亟需一种内部流场可视、piv系统能够清晰拍摄内部流场的喷管。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种喷管，以在一定程度上解决上述技术问题。
5.本发明提供了一种喷管，包括：管道，所述管道包括：支板，在第一方向上，相对间隔设有所述支板；所述支板包括相互连接的收缩段和扩张段，在由所述收缩段至所述扩张段的方向上，所述收缩段至所述管道的中心线的距离逐渐减小，所述扩张段至所述管道的中心线的距离逐渐增大；所述支板上设有平面状照光窗口；透光板，在与所述第一方向相交的第二方向上，所述透光板固定在所述支板的一侧；遮光板，在所述第二方向上，所述遮光板固定在所述支板的另一侧。
6.在管道的第一方向上，管道的两侧均设有支板，相对间隔设置的支板之间形成空腔，透光板固定在空腔的一侧，遮光板固定在空腔的另一侧，从而形成整个管道，支板的收缩段和扩张段的连接处为管道的喉部，也即喷管的喉部，管道由支板、透光板和遮光板装配形成，喷管为装配式喷管；管道的内部用于通过流体。在使用本实施例的喷管进行实验时，可以将喷管与试验台连接，通过试验台向管道内供入所需介质，将piv系统中激光发射件通过照光窗口向所述管道内照光，piv系统中的摄像机由透光板对管道内的流场进行拍摄，从而实现对喷管内介质流动规律的研究。通过装配式喷管进行实验，方便在支板上形成平面状照光窗口，相较于弧形，平面状照光窗口可以避免激光散射，从而可以保障流场拍摄的清晰度。
7.本发明提供的喷管采用装配式结构，一方面，方便安装，方便开窗设置平面状照光
窗口，从而保障拍摄的清晰度；另一方面，相较于采用常规的圆筒状喷管，本实施例提供的喷管可以避免大面积开窗来实现内部可视，从而避免影响流场。
8.进一步地，所述喷管还包括基座，所述基座上设有与所述管道连通的通道；在所述第一方向上，所述基座的两侧均连接固定有所述支板；在所述第二方向上，所述透光板与所述支板的一侧连接固定，所述遮光板与所述支板的另一侧连接固定。
9.进一步地，所述基座包括连接座和固定在所述连接座上的凸台，所述凸台上设有卡槽，所述支板的一端卡在所述卡槽内。
10.进一步地，所述通道包括多个沿所述管道的长度方向延伸的分流道。
11.进一步地，所述支板还包括直线段，所述直线段的一端与所述基座连接，另一端与所述收缩段；在由所述基座至所述管道的方向上，所述分流道不伸出所述直线段外。
12.进一步地，所述收缩段的内壁和所述收缩段的外壁均呈直线；所述扩张段的内壁和所述扩张段的外壁均呈直线；所述透光板和所述遮光板均为平面板。
13.进一步地，所述收缩段和所述扩张段上均设有所述照光窗口。
14.进一步地，所述收缩段的斜度大于所述扩张段的斜度。
15.进一步地，所述喷管还包括连接法兰，所述连接法兰与所述基座的远离所述支板的一侧连接固定。
16.本发明提供一种两相流场实验系统，包括：试验台、piv系统和上述喷管，所述管道与所述试验台连接，所述piv系统中的激光发射件通过照光窗口向所述管道内照光，所述piv系统中的摄像机由所述透光板对所述管道内进行摄像。
17.应当理解，前述的一般描述和接下来的具体实施方式两者均是为了举例和说明的目的并且未必限制本公开。并入并构成说明书的一部分的附图示出本公开的主题。同时，说明书和附图用来解释本公开的原理。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明实施例的喷管的结构示意图；
20.图2为图1所示的喷管的侧视图；
21.图3为图1所示的喷管的切面图。
22.图标：1-管道；2-基座；3-法兰；11-支板；12-透光板；13-遮光板；14-照光窗口；111-收缩段；112-扩张段；113-直线段；21-连接座；22-凸台；23-分流道。
具体实施方式
23.下面将结合附图对本发明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一部分实施例，而不是全部的实施例。
24.通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要
求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
25.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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
29.如图1至图3所示，本发明提供一种喷管，包括管道1，管道1包括：支板11、透光板12和遮光板13；在第一方向上，相对间隔设有支板11；支板11包括相互连接的收缩段111和扩张段112，在由收缩段111至扩张段112的方向上，收缩段111至管道1的中心线的距离逐渐减小，扩张段112至管道1的中心线的距离逐渐增大；支板11上设有平面状照光窗口14；在与第一方向相交的第二方向上，透光板12固定在支板11的一侧，遮光板13固定在支板11的另一侧。
30.本实施例中，在管道1的第一方向上，管道1的两侧均设有支板11，相对间隔设置的支板11之间形成空腔，透光板12固定在空腔的一侧，遮光板13固定在空腔的另一侧，从而形成整个管道1，支板11的收缩段111和扩张段112的连接处为管道1的喉部，也即喷管的喉部，管道1由支板11、透光板12和遮光板13装配形成，喷管为装配式喷管；管道1的内部用于通过流体。在使用本实施例的喷管进行实验时，可以将喷管与piv系统中的试验台连接，通过试验台向管道1内供入所需介质，将piv系统中激光发射件通过照光窗口14向管道1内照光，piv系统中的摄像机由透光板12对管道1内的流场进行拍摄，从而实现对喷管内介质流动规律的研究。通过装配式喷管进行实验，方便在支板11上形成平面状照光窗口14，相较于弧形，平面状照光窗口14可以避免激光散射，从而可以保障流场拍摄的清晰度。
31.本实施例提供的喷管采用装配式结构，一方面，方便安装，方便开窗设置平面状照光窗口14，从而保障拍摄的清晰度；另一方面，相较于采用常规的圆筒状喷管，本实施例提供的喷管可以避免大面积开窗来实现内部可视，从而避免影响流场。
32.可以理解的是，在支板11上设置开口，在开口处覆盖玻璃或者透明塑料等透光材质，从而形成照光窗口14。
33.其中，透光板12可以采用玻璃材质。遮光板13可以采用不透光、反射率较小的材质，例如：不锈钢或者陶瓷等。
34.可以直接将管道1与piv系统中的试验台连接。
35.作为一种可选方案，如图1和图3所示，喷管还包括基座2，基座2上设有与管道1连
通的通道，基座2用于与试验台连接；在第一方向上，基座2的两侧均连接固定有支板11；在第二方向上，透光板12与支板11的一侧连接固定，遮光板13与支板11的另一侧连接固定。
36.本实施例中，在装配管道1和基座2时，可以先将支板11安装固定在基座2上，然后再在支板11的两侧安装固定透光板12和遮光板13，使得管道1和基座2的安装简单，也方便对透光板12进行清洁和更换。通过基座2与试验台的连接实现整个喷管与试验台的连接，方便喷管安装在试验台上。
37.其中，可以通过螺栓或者螺钉等紧固件将支板11与基座2连接固定。
38.作为一种可选方案，如图3所示，基座2包括连接座21和固定在连接座21上的凸台22，凸台22上设有卡槽，支板11的一端卡在卡槽内。
39.本实施例中，支板11的一端卡设在卡槽内，可以实现对支板11的定位，方便支板11与基座2连接；当支板11的一端卡在卡槽后，可以通过螺栓或者螺钉等紧固件再将支板11和凸台22连接，从而提高支板11与基座2连接牢固度。
40.其中，连接座21和凸台22可以通过焊接、卡接或者螺纹连接等方式连接固定。可选地，连接座21和凸台22一体成型。连接座21用于与试验台连接。
41.第一方向和第二方向较佳垂直，例如，第一方向与基座2的长度方向相同，第二方向与基座2的宽度相同。
42.如图2和图3所示，在上述实施例基础之上，进一步地，通道包括多个沿管道1的长度方向延伸的分流道23。
43.本实施例中，可以通过多个与多个分流道23一一对应连通的软管实现分流道23与piv系统的台的示踪粒子发生器的连通，通过软管可以向不同分流道23内供入不同介质，不同介质通过分流道23后在管道1内混合；当然还可以选择性的只向一个分流道23内供入介质，其他分流道23不供入介质。本实施例提供的喷管可以实现至少两种工作模式：一种是可以用来研究整体流场规律的工况；一种是研究单个凝相颗粒在流场中的相关特性的工况(例如：测定单个凝相颗粒在喷管内的曳力系数)。本实施例提供的喷管的灵活性高、实用性强。
44.其中，分流道23的数量和布置方式均可以根据需要来设置。例如：多个分流道23单排设置，或者多个分流道23形成双排设置，又或者多个分流道23按照圆形设置等。
45.如图1所示，在上述实施例基础之上，进一步地，支板11还包括直线段113，直线段113的一端与基座2连接，另一端与收缩段111；在由基座2至管道1的方向上，分流道23不伸出直线段113外。
46.本实施例中，支板11的直线段113、收缩段111和扩张段112，相应的，上支板11和下支板11之间形成直线管段、收缩管段和扩张管段。由分流道23流入的介质可以在直线管段内混合，再进入收缩管段、扩张管段。
47.支板11还包括连接在收缩段111和扩张段112之间的圆弧过渡段，避免喷管的喉部存在尖角而影响流场。
48.作为一种可选方案，如图1和图3所示，收缩段111的内壁和收缩段111的外壁均呈直线；扩张段112的内壁和扩张段112的外壁均呈直线；透光板12和遮光板13均为平面板。
49.本实施例中，管道1的横截面呈矩形设置。这种结构的喷管方便加工制造。
50.在上述实施例基础之上，可以根据需要在支板11上任一位置设置照光窗口14。
51.例如：如图1所示，收缩段111和扩张段112上均设有照光窗口14。
52.其中，在第一方向上，基座2的两侧固定有支板11，其中，一个支板11为上支板，另一个支板11为下支板，可以只在上支板上设置照光窗口14，也可以只在下支板上设置照光窗口14，还可以既在上支板上设置照光窗口14又在下支板上设置照光窗口14。
53.如图3所示，在上述实施例基础之上，进一步地，收缩段111的斜度大于扩张段112的斜度，有利于更好的体现流场。
54.如图1至图3所示，在上述实施例基础之上，进一步地，喷管还包括连接法兰3，连接法兰3与基座2的远离支板11的一侧连接固定。具体地，连接法兰3与连接座21连接固定。设置连接法兰3可以方便喷管与试验台连接。
55.本发明的实施例还提供了一种两相流场实验系统，包括piv系统和上述任一技术方案的喷管，管道1与piv系统中的试验台连接，piv系统中的激光发射件通过照光窗口14向管道1内照光，piv系统中的摄像机由透光板12对管道1内进行摄像。该两相流场实验系统具有该喷管的全部有益技术效果，在此，不再赘述。另外，采用piv(粒子图像测速)系统，通过直观的方式观测喷管内的两相流流场，总结研究相关规律，在保证一定准确性的同时能节省大量的实验成本。
56.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。

技术特征：
1.一种喷管，其特征在于，包括：管道，所述管道包括：支板，在第一方向上，相对间隔设有所述支板；所述支板包括相互连接的收缩段和扩张段，在由所述收缩段至所述扩张段的方向上，所述收缩段至所述管道的中心线的距离逐渐减小，所述扩张段至所述管道的中心线的距离逐渐增大；所述支板上设有平面状照光窗口；透光板，在与所述第一方向相交的第二方向上，所述透光板固定在所述支板的一侧；遮光板，在所述第二方向上，所述遮光板固定在所述支板的另一侧。2.根据权利要求1所述的喷管，其特征在于，所述喷管还包括基座，所述基座上设有与所述管道连通的通道；在所述第一方向上，所述基座的两侧均连接固定有所述支板；在所述第二方向上，所述透光板与所述支板的一侧连接固定，所述遮光板与所述支板的另一侧连接固定。3.根据权利要求2所述的喷管，其特征在于，所述基座包括连接座和固定在所述连接座上的凸台，所述凸台上设有卡槽，所述支板的一端卡在所述卡槽内。4.根据权利要求2或者3所述的喷管，其特征在于，所述通道包括多个沿所述管道的长度方向延伸的分流道。5.根据权利要求4所述的喷管，其特征在于，所述支板还包括直线段，所述直线段的一端与所述基座连接，另一端与所述收缩段；在由所述基座至所述管道的方向上，所述分流道不伸出所述直线段外。6.根据权利要求5所述的喷管，其特征在于，所述收缩段的内壁和所述收缩段的外壁均呈直线；所述扩张段的内壁和所述扩张段的外壁均呈直线；所述透光板和所述遮光板均为平面板。7.根据权利要求1所述的喷管，其特征在于，所述收缩段和所述扩张段上均设有所述照光窗口。8.根据权利要求1所述的喷管，其特征在于，所述收缩段的斜度大于所述扩张段的斜度。9.根据权利要求2所述的喷管，其特征在于，所述喷管还包括连接法兰，所述连接法兰与所述基座的远离所述支板的一侧连接固定。10.一种两相流场实验系统，其特征在于，包括：piv系统和如权利要求1-9中任一项所述喷管，所述管道与所述piv系统中的试验台连接，所述piv系统中的激光发射件通过照光窗口向所述管道内照光，所述piv系统中的摄像机由所述透光板对所述管道内进行摄像。

技术总结
本发明涉及火箭动力装置技术领域，尤其是涉及一种喷管及两相流场实验系统。所述喷管，包括：管道，所述管道包括：支板，在第一方向上，相对间隔设有所述支板；所述支板包括相互连接的收缩段和扩张段，在由所述收缩段至所述扩张段的方向上，所述收缩段至所述管道的中心线的距离逐渐减小，所述扩张段至所述管道的中心线的距离逐渐增大；所述支板上设有平面状照光窗口；透光板，在与所述第一方向相交的第二方向上，所述透光板固定在所述基座的一侧；遮光板，在所述第二方向上，所述透光板固定在所述基座的另一侧。该喷管采用装配式结构，方便开窗设置平面状照光窗口，从而保障拍摄的清晰度。从而保障拍摄的清晰度。从而保障拍摄的清晰度。


技术研发人员：朱浩 柯义明 孙俊杰 郭海洲 姜宪珠 张源俊 蔡国飙
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.07.28
技术公布日：2023/9/9