脈沖微射流技術實驗臺氣壓系統的設計

羅靜，李健，申躍，詹捷

(1.重慶理工大學機械工程學院，重慶400054;2.重慶理工大學工程訓練中心，重慶400054;3.重慶理工大學汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶400054)

0 前言

氣體燃料發動機等動力機的發展，對燃氣的噴射狀態、燃氣與空氣混合程度提出了更高要求。控制射流的混合過程，是減少噪聲、高效燃燒、增加飛機火箭等推力等應用的基礎。通過使用周期變化的微射流實現對圓形射流流場控制研究，設計一套基于高頻微射流控制的圓射流流場的實驗臺，高頻微射流通過電磁閥控制，實現對高頻微射流控制圓射流流場進行相關的實驗。

該實驗臺進行實驗，對實驗臺的氣壓系統要求較高，傳統的氣壓系統因壓力、速度等流動狀態不穩定，調解壓力和流量等太方便，對氣體的過濾處理等無法達到該實驗臺的要求，而且結構相對復雜。因此，利用模塊化的設計方法，選用新型的氣動元件，對實驗臺的氣壓系統進行設計，簡單可靠，運行調節方便。

1 實驗臺總體結構

圖1所示為該試驗臺的結構三維圖，高壓氣體由起源系統通過管道進入到實驗臺左端的控制板上的氣動元件中進行處理，然后分兩路分別進入主射流管道和微射流管道，在實驗臺右端噴口處噴如空氣，形成外部流場，微射流在噴口處通過高頻電磁閥對主射流進行控制，以實現對外部流場流動狀態的控制。

圖1 實驗臺結構三維圖

2 實驗臺氣壓系統設計

2.1 實驗臺氣壓系統主要技術指標

根據實驗臺的設計要求，確定氣壓系統的主要技術指標為:系統的公稱壓力為0.2 MPa，最大壓力0.5 MPa，主射流系統工作流量為200～800 L/min，微射流系統工作流量為0～150 L/min，微射流工作頻率在0～200 Hz，系統工作介質是經過5μm高精度過濾器過濾后的空氣。

2.2 實驗臺氣壓系統設計

該實驗臺進行射流控制實驗，氣體的質量及流動狀態對實驗的影響較大，因此，氣壓系統應滿足要求:

(1)氣源輸送的高壓空氣流動不穩定，而且空氣中含有固體顆粒、水分、油分等各類雜質。因此，氣壓系統應對氣源輸送的空氣進行過濾、調壓和油處理，使氣體質量滿足實驗要求。

(2)微射流管路系統應能方便地調節氣體壓力，實現不同的微射流與主射流的質量流率比，同時可方便地實現不同微射流孔數目對主射流流場的控制實驗。

(3)微射流可方便準確地實現不同的射流頻率。

實驗臺氣壓系統的設計采用模塊化的設計方法，包括氣源模塊、氣體調質處理模塊、主射流氣體流場處理模塊、微射流控制模塊。圖2為實驗裝置氣壓系統圖。

圖2 實驗裝置氣壓系統圖

氣源模塊包括空氣壓縮機和氣壓總開關，其作用是為實驗臺提供實驗所需的高壓空氣。氣體調質處理模塊包括空氣過濾器、調壓閥、油霧器等氣壓元件，其作用是對高壓氣體進行除水、濾灰、穩壓和潤滑油霧化，并且根據實驗要求調節氣體的實驗氣體的壓力。主射流氣體處理模塊包括緩沖室、氣壓計、射流管等組成，因高壓氣體流動不穩定，具有脈沖性，因此設計緩沖室，對主射流氣體進行二級緩沖，使主射流氣體的流動趨于穩定，并通過氣壓計讀出主射流的氣壓值，射流管是對主射流高壓氣體進行進一步處理，包括氣體的穩壓、整流、收縮加速等，使噴出的主射流氣體的流場質量符合實驗要求。微射流控制模塊包括微射流恒壓室和高頻電磁閥，微射流恒壓室輸出高壓氣體，經高頻電磁閥沿著主射流口處徑向均勻分布的小孔吹著射入主射流中，實現對主射流氣體流動狀態的控制。通過控制高頻電磁閥的工作頻率，可以實現對不同的微射流激勵頻率對主射流控制特性的實驗，對于不同微射流數目對主射流的控制實驗，通過選擇工作的高頻電磁閥的數目來實現，簡單方便。

2.3 主要氣壓元件的選型

(1)空氣壓縮機的選型主要根據實驗臺氣壓系統的最大壓力和最大工作流量來選擇。根據氣壓系統的主要技術指標，選擇WW-1.25/7-C型移動式空氣壓縮機，排氣壓力0.7 MPa，容積容量1 250 L/min。

(2)氣體調質處理模塊中，根據設計要求，空氣過濾器作用是濾除高壓氣體中含有的固體顆粒、水分、油分等。其性能指標包括流量特性、分水效率和過濾精度。調壓閥是對高壓氣體的壓力進行調節，由于氣源設備的壓力往往比實驗設備的壓力高些，同時壓力波動較大，因此需要對氣體的壓力進行節，以保證壓力值和壓力的穩定性。調壓閥的性能指標由其流量特性參數確定。油霧器是將潤滑油霧化后注入空氣流中，隨著空氣流動進入到部件中，達到潤滑的目的。對于這3種氣壓元件的選擇，采用結構緊湊的空氣三聯件 (F.R.L組合)，選用日本小金井公司的C系列F.R.L組合三聯件，其過濾精度為5μm，壓力設定范圍為0.05～0.83 MPa。根據主射流跟微射流管路的流量指標，主射流管路選擇C200型，微射流管路選擇C150型。其過濾精度、流量特性等參數符合氣壓系統技術指標。

小型壓力計采用小金井公司的G1-20A型壓力計，壓力表示范圍0～1.0 MPa，符合氣壓系統要求。

(3)微射流控制模塊中的高頻電磁閥實現控制微射流的激勵頻率，根據技術要求，高頻電磁閥的工作頻率為0～200 Hz，要具有很高的頻率響應特性。選用日本小金井公司的K2系列電磁閥，頻率響應時間小于0.5 ms，其頻率響應特性滿足氣壓系統的要求。

3 結束語

利用模塊化設計的方法對脈沖微射流技術實驗臺的氣壓系統進行了設計，選用了新型的氣壓元件，氣壓系統能高效率的對高壓空氣進行過濾、穩壓等調質處理;而且能方便地調節主射流與微射流的流量特性，通過高頻電磁閥方便地調節微射流的激勵頻率和質量流量比，實現不同工況下的微射流對主射流流場控制特性的實驗。

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