基于循环水洞的水下推进器射流流场可视化观测系统的制作方法

本发明涉及一种基于循环水洞的水下推进器射流流场可视化观测系统，属于水利水电工程、海洋船舶与水下航行器工程技术领域。

背景介绍

在水下航行器工程技术领域，水下推进技术是应用最广泛的导弹有动力发射技术，其原理是通过喷射高速工质来获得反作用推力。小型燃气发动机作为水下推进技术最为简便的动力源，目前是各类打击型潜射武器的首选动力。然小型燃气发动机在水下工作时，水环境的惯性作用将严重制约发动机点火瞬间喷管内气体的正常喷出，造成大量气体在燃烧室内聚集，使发动机内部压力过高，工作性能受到影响，甚至造成发动机工作故障进而导致发射失败。再者，大量的高温燃气喷入水中，会在导弹尾部形成瞬态燃气泡，高温燃气泡与水之间存在气-水掺混、换热和相变等复杂物理现象并伴有激烈的流体动力干扰；燃气泡中存在的复杂激波结构以及激波结构的运动均会使气流场中的压力剧烈变化。以上水气之间的剧烈相互作用、物理变化、激波运动的综合作用将大大增加发射的不确定性，影响航行体受力，造成运动轨迹偏差。因此，了解水下高速气体射流过程中的流场结构与流场特征变化对合理预估推力值与噪声等发动机工作特性有较高的工程应用价值。

目前对水下气体射流的研究主要聚焦于静态环境下射流形态的变化，流动介质条件下也多是基于整体的数值计算开展的，对不同环境介质流速下高速气体喷射形成流场结构演化机制的研究鲜有涉及。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于循环水洞的水下推进器射流流场可视化观测系统，该系统对气体物质属性、气体温度、气体压力以及水流速度对流场结构与流场特征变化的影响进行试验研究。可实现水流速度的精确控制，并可实现空气和燃气的快速切换。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

基于循环水洞的水下推进器射流流场可视化观测系统，包括燃烧器装置、燃烧室系统和气体喷射装置；

所述燃烧器装置包括压缩空气管、可燃气体管、点火针和固定底座；

所述固定底座为中空结构，顶端开设三个通过，分别用于连接压缩空气管、可燃气体管和点火针；空气和可燃气体在空腔处混合，然后被点火针点燃；

所述燃烧室系统包括燃烧气腔、耐高温玻璃和密封盖板；

所述燃烧气腔下端面固定在水洞实验的实验段上部；所述燃烧气腔的顶端固定安装所述固定底座；低端固定安装气体喷射装置的导流管；在燃烧气腔侧壁上开设可视窗口；密封盖板将耐高温玻璃密封固定在燃烧气腔的可视窗口处；

所述气体喷射装置包括导流管和喷嘴；

所述喷嘴为锥台型圆管；所述喷嘴安装在导流管出口位置处；需保证气体喷出方向与水流方向一致；

所述密封固定的方式为在燃烧气腔的可视窗口周围开设视窗固定槽道；密封盖板通过焊接件焊接在视窗固定槽道内；

所述视窗固定槽道为一截面为矩形的中空长方体，内侧矩形边界与燃烧气腔侧面的矩形孔大小一致；

所述密封盖板为一“回”型平板，分内外两部分，靠近边缘处均匀开有30个圆形通孔；

所述导流管为一“l”型圆管，一侧开有内螺纹，另一侧开有外螺纹；

工作过程：将两个光源分别放置于燃烧气腔左右两侧玻璃视窗处，高速相机放置于前侧玻璃视窗处，压力传感器和温度传感器交叉均布在后侧不锈钢板上；将水洞实验段内充满水，并以预订的速度运动，接通压缩空气管，对燃烧气腔内部进行吹扫，待气腔内部不存在液体水时接通可燃气体管，同时启动点火针进行点火；根据水洞实验段内流场结构设置另外一架相机和光源的具体位置，点火成功后即可开始实验观测和数据测量等工作。

有益效果

1、本发明的一种基于循环水洞的水下推进器射流流场可视化观测系统，可以实现对水下推进器射流流场结构进行测量；

2、本发明的一种基于循环水洞的水下推进器射流流场可视化观测系统，可以灵活快速地切换射流气体，实现不同射流气体状态下的流场结构观测；

3、本发明的一种基于循环水洞的水下推进器射流流场可视化观测系统，可同时实现在不同射流气体参数(压力和温度)下的燃烧室内部流场和气液两相掺混流场观测；

4、本发明的一种基于循环水洞的水下推进器射流流场可视化观测系统，可实现在不同液体流速下对气液两相掺混流场的观测。

5、本发明的一种基于循环水洞的水下推进器射流流场可视化观测系统，可以灵活更换不同喷嘴模型，该实验装置能够为水下推进器喷气结构的设计提供理论依据。

附图说明

图1是本发明水下推进器射流流场可视化观测系统组装立体示意图；

图2是本发明局部组装立体示意图；

图3是本发明固定底座俯视图；

图4是本发明燃烧气腔正视图；

图5是本发明燃烧气腔后视图；

图6是本发明燃烧气腔俯视图；

图7是本发明视窗固定槽道正视图；

图8是本发明密封盖板正视图；

图9是本发明导流管正视图；

图10是本发明喷嘴正视图。

其中，1—压缩空气管，2—可燃气体管，3—点火针，4—固定底座，5—燃烧气腔，6—视窗固定槽道，7—密封盖板，8—矩形密封圈，9—耐高温玻璃，10—导流管，11—喷嘴，12—水洞实验段上面板。

具体实施方式

下面结合附图，具体说明本发明的具体实施方式进行详细说明。

实施例1

一种基于循环水洞的水下推进器射流流场可视化观测系统，包括燃烧器装置、燃烧室系统和气体喷射装置，如图1、图2所示；

所述燃烧器装置包括压缩空气管1、可燃气体管2、点火针3和固定底座4，如图1所示；

所述固定底座4为“凸”型金属块，上端面中心处开设三个螺纹孔，分别用于连接压缩空气管、可燃气体管和点火针；下端面四周边缘处均匀开设12个圆形通孔，如图3所示；

所述燃烧室系统包括燃烧气腔5、视窗固定槽道6、密封盖板7、矩形密封圈8和耐高温玻璃9，如图1、图2所示；

所述燃烧气腔5为一方形空腔，上端面中心处开有一方形孔，方形孔周围开有12个圆形通孔，圆形通孔大小与位置与固定底座的12个圆形通孔一致，如图4、图6所示；下端面中心处开有一螺纹通孔，边缘处开有4个圆形通孔，如图6所示；三个侧面分别开有一矩形孔，另外一侧面中心处均匀开有9个螺纹孔，用于安装压力传感器和温度传感器，如图4、图5所示；

所述视窗固定槽道6为一截面为矩形的中空长方体，内侧矩形边界与燃烧气腔侧面的矩形孔大小一致，如图7所示；

所述密封盖板7为一“回”型平板，分内外两部分，靠近边缘处均匀开有30个圆形通孔，如图2、图8所示；

所述气体喷射装置包括导流管10和喷嘴11；

所述导流管10为一“l”型圆管，一侧开有内螺纹，另一侧开有外螺纹，如图9所示；

所述喷嘴11为一锥台型圆管，一侧开有外螺纹，如图10所示；

连接方式：视窗固定槽道6通过焊接方式分别固定在燃烧气腔5三个侧面的矩形孔位置处；燃烧气腔5下端面通过螺栓螺母固定在水洞实验段上面板，螺栓参照gb/t5782-2000，根据燃烧气腔下端面边缘处圆形通孔直径选取，螺母根据螺栓选取；固定底座4下端面通过螺栓螺母固定在燃烧气腔5上端面，螺栓参照gb/t5782-2000，根据燃烧气腔上端面与固定底座下断面12个圆形通孔直径选取，螺母根据螺栓选取；压缩空气管1、可燃气体管2和点火针3通过螺纹固定在固定底座4上端面；内密封盖板7通过焊接方式固定在视窗固定槽道6上；耐高温玻璃9、矩形密封圈8与外密封盖板7通过螺栓螺母固定在视窗固定槽道6上，为了防止燃烧气腔5中气体泄漏，在耐高温玻璃9与内外密封盖板7之间同时添加矩形密封圈8，螺栓参照gb/t5782-2000，根据密封盖板上的圆形通孔直径选取，螺母根据螺栓选取；导流管10外螺纹一端通过螺纹与水洞实验段上面板12、燃烧气腔5下端面相连，另一端通过螺纹与喷嘴11相连。

工作过程：将两个光源分别放置于燃烧气腔5左右两侧玻璃视窗处，高速相机放置于前侧玻璃视窗处，压力传感器和温度传感器交叉均布在后侧不锈钢板上；将水洞实验段内充满水，并以预订的速度运动，接通压缩空气管1，对燃烧气腔5内部进行吹扫，待气腔5内部不存在液体水时接通可燃气体管2，同时启动点火针3进行点火；根据水洞实验段内流场结构设置另外一架相机和光源的具体位置，点火成功后即可开始实验观测和数据测量等工作。

最后需要说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换。凡在本发明的精神和原则之内所作修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。