[发明专利]一种旋转冲击射流复杂流态及换热效果的评价装置及方法

权利要求书

1.一种旋转冲击射流复杂流态及换热效果的评价装置，其特征 在于，包括实验台架(8)，实验台架(8)的四根立柱上均设置有标 尺(14)，实验台架(8)顶部横梁处设置有三自由度机械臂(17)， 实验台架(8)上部中间设置有集气室(1)，集气室(1)进口处设置 有预留烟线与示踪粒子接口(3)，集气室(1)底部通过法兰连接稳 定直管段(4)，稳定直管段(4)通过喷嘴卡具(5)卡装有旋转射流 喷嘴(6)；射流喷嘴(6)下部设置有保温箱(12)。

2.根据权利要求1所述的一种旋转冲击射流复杂流态及换热效 果的评价装置，其特征在于，所述的实验台架(8)四周设置有保护 档板(18)。

3.根据权利要求1所述的一种旋转冲击射流复杂流态及换热效 果的评价装置，其特征在于，所述的集气室(1)内部设置有稳流网 筛(2)，稳流网筛(2)由纵横交叉的金属薄片构成。

4.根据权利要求1所述的一种旋转冲击射流复杂流态及换热效 果的评价装置，其特征在于，所述的旋转射流喷嘴(6)，其出口设置 有同一水平高度的可升降透明档板(7)，可升降透明档板(7)两端 安装于实验台架(8)立柱的可升降槽(13)上。

5.根据权利要求1所述的一种旋转冲击射流复杂流态及换热效 果的评价装置，其特征在于，所述的稳定直管段(4)通过端面法兰 (4-1)与喷嘴卡具(5)轴向锁紧连接，喷嘴卡具(5)与旋转射流 喷嘴(6)周向锁紧连接，旋转射流喷嘴(6)与端面法兰(4-1)接 触面上设置有耐高温密封圈(4-2)。

6.根据权利要求1所述的一种旋转冲击射流复杂流态及换热效 果的评价装置，其特征在于，所述的保温箱(12)包括层叠依次设置 的靶面(9)、高温隔热板(10)和保温材料(11)，保温箱(12)安 装于实验台架(8)立柱的可升降槽(13)上。

7.根据权利要求1所述的一种旋转冲击射流复杂流态及换热效 果的评价装置，其特征在于，所述的靶面(9)为不锈钢金属薄片， 表面设置有米字型排列或阵列式排列的引压孔(15-1)，引压孔(15-1) 与热电偶(16)间隔布置；靶面(9)两侧设置有短路加热片接口(9-1)。

8.根据权利要求1或7所述的一种旋转冲击射流复杂流态及换 热效果的评价装置，其特征在于，所述的靶面(9)形状包括平面、 凹凸面和圆弧面。

9.根据权利要求1所述的一种旋转冲击射流复杂流态及换热效 果的评价装置，其特征在于，所述的可升降透明档板(7)和保温箱 (12)与实验台架(8)的立柱接触位置均设置有刻度指针(14-1)。

10.基于权利要求1-9任意一项权利要求所述装置的旋转冲击射 流复杂流态及换热效果的评价方法，其特征在于，步骤为：

步骤一、在旋转射流喷嘴(6)喷射口，设置热线风速仪(22) 的测速探针；在射流空间平行的一侧设置三维粒子成像测速仪(19)， 在三自由度机械臂(17)上分别安装有红外热像仪(21)、双脉冲YAG 激光发生器(20)，在靶面(9)上贴有热流密度仪(23)的检测贴片； 短路加热片接口(9-1)连接短路加热器(24)；集气室(1)与靶面 (9)均设置有测压管(15)与热电偶(16)；所得数据均连接到数据 采集系统(25)；

步骤二、冷却介质进入集气室(1)，通过稳流网筛(2)稳流后 进入稳定直管段(4)经旋转射流喷嘴(6)激发后产生旋转射流冲向 靶面(9)，通过可升降透明档板(7)来约束射流空间，通过调整保 温箱(12)的高度改变射流空间的距离，喷嘴卡具(5)可更换不同 结构的旋转射流喷嘴6；

步骤三、热线风速仪(22)的测速探针测量旋转射流喷嘴(6) 出口气流的脉动速度、频率和紊流度；通过预留烟线与示踪粒子接口 (3)加入示踪粒子配合三维粒子成像测速仪(19)和双脉冲YAG激 光发生器(20)，能够捕获到一对2048x2048分辨率的流场图像，由 流场图像可以定量给定射流空间内射流的三维速度场，进而确定射流 复杂漩涡结构的涡量场，从而揭示复杂旋转射流的复杂流型及其演化 规律；通过靶面(9)上的测压管(15)测量靶面的静压分布；采用 热电偶(16)测定靶面温度，同时采用红外热像仪(21)测量靶面的 温度场，这样热电偶测量的温度可以进一步修正红外热像仪(21)测 量获得的温度场；通过调节短路加热器(24)电流电压大小来控制靶 面(9)热流密度；

步骤四、使用热流密度仪(23)测定靶面(9)实际的热流密度q， 靶面(9)的换热系数为：h＝q/(T_w-T₀)，式中T_w为靶面温度,T₀集气 室冷却介质温度，靶面的理论热流密度q₀(W/m²),q₀＝IU/A由靶 面短路加热器电流I乘靶面两端的电压U得出，精确得出不同工况条 件下的装置系统热损率。