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可模拟不同背压环境的直排型扩压器装置

李金雪 颜飞雪 王植杰

李金雪, 颜飞雪, 王植杰. 可模拟不同背压环境的直排型扩压器装置[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 071003. doi: 10.11884/HPLPB202032.190474
引用本文: 李金雪, 颜飞雪, 王植杰. 可模拟不同背压环境的直排型扩压器装置[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 071003. doi: 10.11884/HPLPB202032.190474
Li Jinxue, Yan Feixue, Wang Zhijie. Diffuser that can simulate different background pressure[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 071003. doi: 10.11884/HPLPB202032.190474
Citation: Li Jinxue, Yan Feixue, Wang Zhijie. Diffuser that can simulate different background pressure[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 071003. doi: 10.11884/HPLPB202032.190474

可模拟不同背压环境的直排型扩压器装置

doi: 10.11884/HPLPB202032.190474
基金项目: 国防科技创新特区项目
详细信息
    作者简介:

    李金雪(1983—),女,高级工程师,从事化学激光器研究工作;ljxzyxzxg@163.com

  • 中图分类号: V228.7

Diffuser that can simulate different background pressure

  • 摘要: 为了研究直排型扩压器的压力恢复能力,设计了一套可模拟不同背压环境的扩压器装置。在扩压器平直段后接入电动闸板阀,通过调节气流的流通面积模拟不同的背压环境。考虑到闸板阀前平直段对扩压器工作性能的影响,建立了扩压器流场的仿真分析模型,得到了加入闸板阀的扩压器装置的流场,进行了扩压器平直段的优化设计,并开展了验证试验。结果表明,仿真分析与实验结果符合得较好,平直段设计合理时,采用闸板阀模拟不同背压环境的方式是可行的,直排型扩压器的恢复压力测试结果稳定可靠。
  • 图  1  扩压器结构示意图

    Figure  1.  Structure of the diffuser

    图  2  扩压器仿真模型

    Figure  2.  Simulation model of the diffuser

    图  3  不同闸板阀开度的扩压器压力云图

    Figure  3.  Diffuser’s pressure contour with different flow area

    图  4  不同闸板阀开度扩压器的马赫数云图

    Figure  4.  Diffuser’s Mach number contours with different flow area

    图  5  不同闸板阀开度扩压器的压力曲线

    Figure  5.  Diffuser’s Mach number contour with different flow area

    图  6  不同平直段长度扩压器内压力结果

    Figure  6.  Diffuser’s pressure curve with different length of straight part

    图  7  扩压器试验装置

    Figure  7.  Experiment equipment of diffuser

    图  8  闸板阀关闭程度与扩压器工作背压的关系

    Figure  8.  Diffuser’s working background pressure with differentflow area

    图  9  扩压器通道内压力分布曲线

    Figure  9.  Pressure curve of the fluid in diffuser

    表  1  扩压器的结构参数

    Table  1.   The diffuser’s structure parameters

    size of inletlength of supersonic
    part/mm
    length of subsonic
    part/mm
    outspread angle of
    subsonic part/(°)
    length of straight
    part/mm
    number of vanes
    149 mm×85 mm1 310500166501
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    表  2  扩压器流场的仿真参数

    Table  2.   Parameters of the diffuser’s simulation

    total pressure/kPastatic pressure/kPatotal temperature/Kbackground pressure/kPa
    111.31 5000.532
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    表  3  闸板阀流通面积

    Table  3.   Flow area of the flashboard valve

    the closed height of the valve/mmpassing height of the valve/mmflow area of the valve/mm2
    5019861 578
    5518858 468
    6017855 358
    7015849 138
    76.514545 095
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图(9) / 表ll (3)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-18
  • 修回日期:  2020-04-24
  • 网络出版日期:  2020-05-25
  • 刊出日期:  2020-06-24

可模拟不同背压环境的直排型扩压器装置

doi: 10.11884/HPLPB202032.190474
    基金项目:  国防科技创新特区项目
    作者简介:

    李金雪(1983—),女,高级工程师,从事化学激光器研究工作;ljxzyxzxg@163.com

  • 中图分类号: V228.7

摘要: 为了研究直排型扩压器的压力恢复能力,设计了一套可模拟不同背压环境的扩压器装置。在扩压器平直段后接入电动闸板阀,通过调节气流的流通面积模拟不同的背压环境。考虑到闸板阀前平直段对扩压器工作性能的影响,建立了扩压器流场的仿真分析模型,得到了加入闸板阀的扩压器装置的流场,进行了扩压器平直段的优化设计,并开展了验证试验。结果表明,仿真分析与实验结果符合得较好,平直段设计合理时,采用闸板阀模拟不同背压环境的方式是可行的,直排型扩压器的恢复压力测试结果稳定可靠。

English Abstract

李金雪, 颜飞雪, 王植杰. 可模拟不同背压环境的直排型扩压器装置[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 071003. doi: 10.11884/HPLPB202032.190474
引用本文: 李金雪, 颜飞雪, 王植杰. 可模拟不同背压环境的直排型扩压器装置[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 071003. doi: 10.11884/HPLPB202032.190474
Li Jinxue, Yan Feixue, Wang Zhijie. Diffuser that can simulate different background pressure[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 071003. doi: 10.11884/HPLPB202032.190474
Citation: Li Jinxue, Yan Feixue, Wang Zhijie. Diffuser that can simulate different background pressure[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 071003. doi: 10.11884/HPLPB202032.190474
  • 为了满足化学激光器顺利出光的需求,现有的化学激光器激射腔需维持2 kPa以下的低压环境。为了将增益发生器的高速、低压反应尾气顺利排出,化学激光器需配备压力恢复系统[1-7]。传统的压力恢复系统采用引射器及扩压器组合的方式进行排气,庞大的规模尺寸极大地限制了化学激光器的使用范畴。为了实现化学激光器的小型化、轻量化,课题组开展了直排型扩压器的性能研究。为了研究直排型扩压器的恢复压力,需要在扩压器出口提供不同的压力背景。在实验室装置中,化学激光器后接真空球罐,由于球罐体积庞大,难以快速提供不同的背压需求。课题组在扩压器平直段后接入电动闸板阀,通过调节闸板阀的流通面积为扩压器提供所需的背压。本文采用数值分析的方法分析了装置的可行性并进行了优化,得到了一种可模拟不同背压环境的直排型扩压器装置[8-13]的设计方法。

    • 根据经典的扩压器设计理论,结合表1的特征尺寸,设计了总长为2 460 mm的扩压器,在扩压器平直段尾部接入电动闸板阀,闸板阀后接入球罐。扩压器结构如图1所示[14-15]

      表 1  扩压器的结构参数

      Table 1.  The diffuser’s structure parameters

      size of inletlength of supersonic
      part/mm
      length of subsonic
      part/mm
      outspread angle of
      subsonic part/(°)
      length of straight
      part/mm
      number of vanes
      149 mm×85 mm1 310500166501

      图  1  扩压器结构示意图

      Figure 1.  Structure of the diffuser

      建立带闸板阀扩压器的仿真分析模型,对模拟不同背压环境的扩压器装置的进行仿真分析。若平直段长度过短,气流通过闸板阀产生的返流将会对扩压器的流场产生较大的影响,因而优化设计了扩压器平直段长度的。

    • 划分非结构化网格,如图2所示,壁面网格加密,网格总数110万。湍流模型选择Spalart-Allmaras,稳态压力基求解器。流场仿真参数如表2所示。

      图  2  扩压器仿真模型

      Figure 2.  Simulation model of the diffuser

      表 2  扩压器流场的仿真参数

      Table 2.  Parameters of the diffuser’s simulation

      total pressure/kPastatic pressure/kPatotal temperature/Kbackground pressure/kPa
      111.31 5000.532
    • 进行不同闸板阀流通面积的扩压器流场仿真分析。闸板阀关闭程度及闸板阀实际流通面积关系如表3所示。闸板阀为上下对称结构设计,关闭闸板阀时上下对称关闭相同高度。

      表 3  闸板阀流通面积

      Table 3.  Flow area of the flashboard valve

      the closed height of the valve/mmpassing height of the valve/mmflow area of the valve/mm2
      5019861 578
      5518858 468
      6017855 358
      7015849 138
      76.514545 095

      图3为闸板阀关闭70 mm的扩压器内压力云图。加入闸板阀的扩压器中,闸板阀后接真空球罐,气流经过闸板阀时流通面积骤减,闸板阀前形成憋压区,为扩压器平直段后部提供了高压背景。

      图  3  不同闸板阀开度的扩压器压力云图

      Figure 3.  Diffuser’s pressure contour with different flow area

      图4为采用不同闸板阀开度的扩压器内马赫数云图。闸板阀关闭60 mm时,气流在亚扩段入口处降为亚声速,闸板阀关闭70 mm时,亚声速与超声速的分界线前移至超声速段后侧,但扩压器超声速段的核心流区没有受到背压的影响,继续关闭闸板阀至76.5 mm时,流动分界线被继续前推,扩压器的核心流区受背压影响向前推进。此时,扩压器即将达到其临界工作压力。

      图  4  不同闸板阀开度扩压器的马赫数云图

      Figure 4.  Diffuser’s Mach number contours with different flow area

    • 进行平直段长度650 mm情况下,不同闸板阀关闭程度的仿真分析。图5为不同闸板阀关闭程度对应的扩压器内压力曲线图。气流在经过闸板阀前压力骤升,经过闸板阀后压力降为真空球罐内低压。闸板阀关闭越多,气流经过闸板阀时流通面积越小,闸板阀前憋压越高,扩压器内激波系越靠前。

      图  5  不同闸板阀开度扩压器的压力曲线

      Figure 5.  Diffuser’s Mach number contour with different flow area

      闸板阀关闭76.5 mm,此时阀前静压提升至6.88 kPa,建模进行不同平直段长度的仿真分析,并将其与扩压器直排6.88 kPa背压的仿真结果进行对比,结果如图6所示,增加闸板阀前平直段长度至900 mm,扩压器流道内的波系位置后移,继续增加闸板阀前平直段长度至1 150 mm,流道内的波系继续后移,压力曲线与直接接高背压时趋于一致,加长闸板阀前平直段长度至1 650 mm,扩压器流道内的压力曲线与直接1 150 mm时变化不大,将平直段长度定为1 150 mm。

      图  6  不同平直段长度扩压器内压力结果

      Figure 6.  Diffuser’s pressure curve with different length of straight part

    • 依据仿真分析的结果搭建了一套可模拟不同背压环境的直排型扩压器装置(图7),依托课题组现有的化学激光器试车台,进行了直排型扩压器装置的恢复压力研究。

      图  7  扩压器试验装置

      Figure 7.  Experiment equipment of diffuser

      进行闸板阀不同关闭程度的扩压器性能试验。图8为闸板阀关闭程度与扩压器工作背压的关系图。随着闸板阀流通面积的减小,扩压器的工作背压逐渐抬高。扩压器入口来流总压11 kPa、闸板阀上下的阀门各关闭76.5 mm时,扩压器闸板阀前压力达到了6.012 kPa。

      图  8  闸板阀关闭程度与扩压器工作背压的关系

      Figure 8.  Diffuser’s working background pressure with differentflow area

      进行直接接高背压及闸板阀憋背压的对比实验研究。依据带闸板阀扩压器的试验结果,打开闸板阀阀门,将激光器后接球罐放空至对应压力进行对比实验,得到了两种背压方式下扩压器内部的压力分布曲线。如图9所示,两种不同的背压提供方式得到的扩压器内部压力基本一致。

      图  9  扩压器通道内压力分布曲线

      Figure 9.  Pressure curve of the fluid in diffuser

    • 在平直段后接入电动闸板阀,设计了一套可模拟不同背压环境的直排型扩压器系统,通过仿真分析验证了其可行性并进行了优化设计。搭建扩压器系统,进行了不同闸板阀流通面积的扩压器实验研究。研究结果显示,选择合适的平直段长度,通过调节闸板阀流通面积来提供不同背压环境的方式可行,直排型扩压器的恢复压力测试结果稳定可靠。

参考文献 (15)

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