[发明专利]一种亚毫米级颗粒发生装置

说明书

本发明一种亚毫米级颗粒发生装置，属于高超声速飞行器气动领域；包括外腔体、触发系统和斜板推动系统；所述斜板推动系统与所述外腔体的内壁配合实现颗粒的夹持与释放，所述触发系统用于监测颗粒的掉落时刻；所述外腔体为竖直放置的柱状结构，沿中心轴开有矩形台阶通孔，形成颗粒的掉落通道；所述外腔体的上端的一侧壁上垂直开有矩形通孔，用于安装所述斜板推动系统；所述外腔体的下端的两个相对侧壁上对称开有两个通孔，所述通孔中心轴穿过并垂直于所述外腔体的中心轴，用于穿过所述触发系统的触发光路；通过引入触发系统，可以监测颗粒掉落的具体时刻，使得颗粒周围流场的精细化研究变为可能，即提高了对高速条件下颗粒周围流场研究的精准性。

技术领域

本发明属于高超声速飞行器气动领域，具体涉及一种亚毫米级颗粒发生装置。

背景技术

进入21世纪以来，高超声速飞行器凭借其飞行速度高、突防能力强、可重复使用、经济性高等特点，日益受到世界各军事强国的重视。此外，其在推动国家高精尖科技发展、提升国家基础科研能力、提高国家综合实力等方面发挥着重要作用。

随着飞行器飞行速度的提升，研究人员对飞行器具备良好气动布局的需求也越来越高。良好的气动布局将直接降低飞行器对推进装置的需求，在精简飞行器装置、节省燃料及提升飞行器机动性发挥着重要作用。而随着飞行速度的提升，低速条件下所忽略的物理现象(如颗粒与气流的作用)在高速条件下将变得十分重要。超声速飞行器在冰雪、沙尘暴天气飞行时，冰块、沙尘等颗粒穿过脱体激波后在周围气流的作用下将做加速运动，进而与飞行器表面发生作用。颗粒的运动情况将直接影响到飞行器表面流场的分布进而引起转捩失稳等现象。因此，若要设计具备良好气动布局的飞行器，必须开展高速条件下颗粒的运动过程的研究。

关于高速条件下颗粒运动过程的研究多在激波管上开展。目前研究人员多采用阻力系数来描述颗粒在气流作用下的运动过程，并构建了相关经验公式。然而，受限于颗粒发生装置设计缺陷等因素的限制，已有的阻力系数模型多以毫米级(1～3mm)颗粒为研究对象，关于微小(亚毫米量级，0.1～1mm)颗粒阻力系数的研究相对较少。而在实际飞行条件下，固体颗粒粒径并非保持不变，从纳米到毫米级别都可能出现。当颗粒粒径减小时，其曲率变大，颗粒的尺寸效应将突出。以往的经验模型能否适用不可知。因此，亟需开展微小颗粒阻力系数的相关研究。

开展微小颗粒阻力系数的研究需设计微小颗粒发生装置。已有的颗粒发生装置，多采用传送推动的方式来释放颗粒。Justin(Shock tube investigation of quasi-steady drag in shock-particle interactions[J].Physics of Fluids,2012,24(12):123301.)提出了一种颗粒发生装置。该系统运行时首先在推杆移动通道内放置多个颗粒，之后通过电机驱动传送杆，颗粒在传送杆的推动下将逐渐释放。通过控制传送杆移动速度，从而可以控制颗粒间掉落的间距，从而达到发生单个颗粒的需求。但是，当颗粒从下落通道掉落时，颗粒会与壁面发生碰撞，碰撞后的颗粒将获得一定的初速度，在下落过程中将做抛物运动，依据碰撞程度的不同，颗粒将可能运动到相机对焦范围外(随着颗粒径的减小，碰撞导致的不确定性增大)，从而直接造成实验的失败。此外，颗粒释放装置未有触发监控系统，实验过程中不能准确监控颗粒掉落时刻，操作时无法获取颗粒在实验视场内准确位置，这极大地限制了颗粒周围流场的精细化研究。

正是由于目前单个颗粒发生装置存在的缺陷及不足：1)掉落位置的随机性(颗粒下落时会与壁面碰撞进而获取初速度，颗粒运动轨迹将偏离中轴线并可能超出相机对焦区域，从而导致实验失败)；2、微小颗粒(0.1～1mm)不能适用(粒径减小时，颗粒与壁面碰撞导致掉落位置的随机性增大，且颗粒越小随机性越大，从而给后续实验拍摄带来极大的挑战)；3、无法精确获取颗粒掉落时刻(已有发生装置颗粒掉落时刻误差±1s，使得无法确认某一时刻颗粒的位置，进而限制了高速条件下颗粒周围流场的精细化研究)。所以有必要发展全新的能够发生微小颗粒(0.1～1mm)的装置，以满足更加精确、快速、高效地发生颗粒的需求。

发明内容