一种观测高速气液两相流瞬态流场特性和喷雾特性的装置

本发明属于观测流体流动和雾化过程的观测系统或试验装置，具体涉及一种观测高速气液两相流瞬态流场特性和喷雾特性的装置。

背景技术：

1、目前对于两相流体流态及雾化的研究，多为稳态下的流动研究，其中一种技术方案，kufferath a,wende b,leuckel w.influence of liquid flow conditions on spraycharacteristics of internal-mixing twin-fluid atomizers[j].internationaljournal of heat and fluid flow,1999,20(5):513-519，液体和气体分别经过中心孔和b处的通道进入混合室a，而后由喷孔c喷出，形成两相射流并雾化，装置整体由透明材质制作，利用高速相机记录喷射过程，可在喷孔出口观测到气液两相射流和雾化现象。

2、虽然该技术可以实现两相流射流及雾化过程的观测，但其只适用于稳态工况，即气体和液体保持连续供给与持续喷射，无法对气体开启和关闭过程中的瞬间流动状态进行细致观察；另外，喷孔结构为普通通孔，无法将双流体射流加速至超声速，实现对超声速双流体射流和雾化的观测。除此之外，由于是稳态流动，现有技术的方案中液体喷射在近端不需要相关控制机构，无法精确控制液体的喷射正时。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提供一种观测高速气液两相流瞬态流场特性和喷雾特性的装置解决以下的技术问题：

2、1、喷射规律可变的气液两相流流态及喷雾特性可视化观测：本发明选用高透光有机玻璃为加工材质，将高压液体、高压空气引入实验装置，利用汽油缸内直喷系统喷油器和电磁铁，分别实现对液体喷射和气液混合物喷射的控制，改变液体和气体的喷射脉宽和间隔，借助透明壁面观测装置内部气液两相流流态的变化和装置外部喷雾雾化特性。

3、2、瞬态过程观测：通过装置内部安装的回位弹簧和电磁铁，可以保证装置下方阀体阀芯在正常状态下保持关闭，内部充满高压空气；当电磁铁通电时，电磁力推动阀芯向下移动，阀芯与阀体间产生间隙，高压空气喷射而出形成超声速气体射流，同时装置内部喷油器开始喷射，高压液体与气体混合后喷出，形成超声速气液两相流射流并雾化。本发明可以对气液两相流的形成过程以及阀芯运动过程中的两相流雾化过程进行观测，这是其他没有动力和回位装置的观测系统所不具备的。

4、3、超声速射流和喷雾特性观测：利用独特设计的先缩后扩的类拉瓦尔结构，将气液两相射流加速至超声速，对高速两相流流动状态和雾化特性进行观察。其他现有实验装置多使用普通孔状出口，无法将两相流加速至超声速喷出。

5、具体技术方案为：

6、一种观测高速气液两相流瞬态流场特性和喷雾特性的装置，包括依次连接的供油块、装置主体、阀体总成；供油块、装置主体、阀体总成通过固定螺栓、螺栓垫片、防滑垫片、螺母固定连接；阀体总成与装置主体之间设密封垫；

7、供油块上设有供油接头固定孔；

8、阀芯安装在阀体总成内孔中，阀芯外柱面与阀体总成内柱面为滑动配合，保证阀芯的自由滑动；阀芯尾部与导流固定管通过圆柱面的柱面和端面定位并固定连接，阀芯设有导流孔；金属推板的两端下方分别设有回位弹簧，回位弹簧分别安装在阀体总成上对应的弹簧孔内；金属推板设有中心孔，导流固定管固定在金属推板中心孔内；

9、金属推板两端上方设有推拉电磁铁；推拉电磁铁固定安装在装置主体内；

10、装置主体在阀芯、导流固定管连接处设有空腔，空腔侧面开设有供气接头固定孔；

11、喷油器固定安装在装置主体中心孔内；喷油器尾端与供油块上的供油接头固定孔通过喷油器尾端的o型密封圈密封连接；喷油器头部位于导流固定管锥形导流面内；

12、供油块、阀芯、阀体总成、导流固定管、装置主体均采用高透有机玻璃材质。

13、进一步的，阀芯包括直管和阀芯头部；直管内有导流孔，阀芯头部与直管连接处有轴向均布的四个液体排出槽，液体排出槽与导流孔连通；阀芯头部有球面和阀芯头部密封锥面。

14、导流固定管内部由上到下分别设置液体导流锥面、液体流通孔和阀芯固定孔，其中阀芯固定孔与阀芯尾部的直管固定连接，液体导流锥面和液体流通孔对接喷油器；导流固定管外部设置有上下两层固定辐板，固定辐板中间开设有固定槽，固定辐板与导流固定管外壁面的轮廓曲线，与金属推板中心的开槽形状一致，导流固定管插入金属推板中心开槽内，并通过旋转卡紧。

15、阀体总成下端喷嘴出口处设有阀体总成密封锥面，与阀芯头部密封锥面配合，形成锥面密封；

16、阀体总成还设有两个弹簧固定孔，以及螺栓孔；在阀体总成上端加工有凸台，凸台侧面与装置主体下部凹台侧面配合。

17、液体排出槽处，阀芯与阀体总成内孔之间留有环形空腔；

18、所述的阀体总成密封锥面下方还设有阀体总成球面形状，使喷嘴出口处流道截面构成先缩后扩的类拉瓦尔喷管结构。

19、本发明引入压缩空气辅助燃油雾化，可以通俗理解为，将高压空气和燃油一起输入喷油器，当混合物喷出时，高压气体所形成的高速射流与瞬态膨胀效应会辅助燃油实现破碎，达到更好的雾化效果。空气辅助喷射系统主要由喷油器、预混腔和喷嘴组成。预混腔中充满高压空气。空气辅助喷射系统主要工作过程如下：首先，燃油经过喷油器喷入充满高压空气的预混腔中，进行初次雾化；经过一段时间间隔(约10ms)后，喷嘴打开，裹挟着油滴的高压空气从喷嘴中喷出，进行二次雾化，获得更好的雾化质量。空气辅助喷射系统相较于传统喷油系统，有以下区别：(1)传统喷油系统只有一个喷油器，而空气辅助喷射系统有一个喷油器，一个空气辅助喷嘴和一个预混腔。(2)传统喷油系统将燃油经喷油器直接喷入燃烧室，而在空气辅助喷射系统中，燃油从喷油器先喷入预混腔，在预混腔中与压缩空气初步混合后再经由空气辅助喷嘴喷出，进入燃烧室。(3)传统喷油系统需要建立较高的喷油压力(最高可达3000bar)，而空气辅助喷射系统的喷油压力范围为8-50bar。(4)空气辅助喷射系统较传统喷油系统引入了一个高压气路辅助燃油雾化。

20、气液两相流：流动中包含两种工质，气液两相各具有不同的化学成分(如空气和水的混合物)。

21、气液质量比：气液两相流中气相和液相质量流量的比值，是两相流流动状态的重要判别参数。

22、流动形态：在气液两相流中，气相和液相的占比不同，呈现出的流动形态也不同，当气液质量比由0(无气相)逐渐增加时，流态逐步演变为气泡流、段塞流、搅拌流、环状流和弥散流，流动形态发生极大改变。

23、本发明作用：使用透明材质(有机玻璃)加工喷射过程中流体经过的关键位置(阀芯、阀体)，便于观察装置内部两相流体流动状态，另外，借助装置出口处类拉瓦尔喷管的先缩后扩结构，可以将两相流加速至超声速，使液相在喷口处雾化，搭配相应喷雾观测设备(高速相机或相位多普勒粒子分析仪)即可对装置内相应流态工质形成的喷雾进行分析。

24、本发明具有的技术效果：

25、1、流动和喷雾可视化：由于本装置通体采用高透有机玻璃加工，且阀芯和阀体总成出口段壁厚较小，可以清晰观察到装置内部的气液两相流流动状态和外部喷雾的雾化过程。

26、2、喷油和喷气过程独立控制：本发明装置内部集成了喷油器作为高压液体射流的控制机构，推拉电磁铁作为高压气体射流的控制机构，且上述二者的控制是完全独立的，即液体喷射时间、气体喷射时间和气液喷射间隔都是可以自由设定的，可以根据实际需要对喷射过程进行设置，具有极大的灵活度。

27、3、包含喷嘴开启和关闭的全过程瞬态观测：得益于推拉电磁铁加回位弹簧的控制机构，本发明装置可以实现喷嘴的开启和关闭瞬态过程，并对喷嘴开启、关闭过程及喷射过程进行全流程观测，相对于之前只能观测喷射稳态流动的技术方案，是一个巨大的提升。