一种基于标量场测量数据的气体射流测速系统及测速方法

本发明属于气体动力学测量，尤其涉及一种基于标量场测量数据的气体射流测速系统及测量方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、气体射流作为一种常见的流体动力学现象，在航空航天、能源动力、环境工程等多个领域具有重要的应用。传统的气体射流速度测量设备主要包括热线风速仪、激光多普勒测速仪(ldv)、粒子图像测速仪(piv)等。

3、然而，上述设备在针对氢气、氦气等轻质气体射流的测量时，存在较大的局限性。如，热线风速仪测量精度易受环境温度影响，对流场的扰动较大，且测速范围往往局限在低速范围；激光多普勒测速仪ldv和粒子图像测速仪piv依靠粒子注入流场，但氢气、氦气等轻质气体射流中粒子的随流性很弱，粒子的运动速度不能真实地反映射流的速度，且数据处理方法相对复杂。总之，现有气体射流测速技术在精度、成本、操作复杂性以及环境适应性方面存在局限性。

4、现有的专利文献中，公开了cn1012533b-射流速度测量装置，用于测量液体射流速度，需要液体表面对光源光束进行反射以实现测量，无法用于轻质气体射流的测量。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于标量场测量数据的气体射流测速系统，利用标量场(质量分数或密度)测量数据来准确测量气体射流的速度，更为高效、低成本且对环境适应性强。

2、为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

3、第一方面，公开了一种基于标量场测量数据的气体射流测速方法，包括：

4、确定光学诊断观测区或传感器位于射流充分发展段，之后测量轻质气体射流中心线和径向的质量分数或密度；

5、由测量到的质量分数或密度数据计算出密度或质量分数数据；

6、根据给定中心线位置的径向密度和质量分数分布，采用高斯分布函数对径向的密度×质量分数分布进行拟合，获得该中心线位置的射流特征宽度；

7、基于射流特征宽度，根据质量守恒定律，计算射流中心线的速度。

8、作为进一步的技术方案，所述位于射流充分发展段的判断：依据沿轴向的测量参数分布是否满足倒数分布规律，及径向分布是否满足高斯分布进行判断。

9、作为进一步的技术方案，所述轴向的测量参数满足倒数分布规律，倒数分布规律中，混合气体中轻质气体的质量分数、轻质气体的混合气体的密度均与喷嘴直径、沿射流轴向的坐标及系数相关。

10、作为进一步的技术方案，所述由测量到的质量分数或密度数据计算出密度或质量分数数据，基于具体质量分数和密度数据的相互转换公式获得。

11、作为进一步的技术方案，所述对于射流充分发展段，径向密度和质量分数分布满足设定的关系式。

12、作为进一步的技术方案，根据速度分布满足高斯分布的条件，由中心线的速度进一步计算出射流径向的速度。

13、第二方面，公开了一种基于标量场测量数据的气体射流测速系统，包括：依次布置的增压泵、稳压罐、喷嘴及浓度传感器阵列；

14、所述增压泵输入端连接至装有轻质气体的容器，所述增压泵输出端连接至稳压罐，所述增压泵对装有轻质气体的容器中的轻质气体进行增压后输送至稳压罐；

15、所述稳压罐连接至喷嘴，所述喷嘴将稳压后的轻质气体以射流的方式喷出；

16、所述浓度传感器阵列分布在射流中心线上侧，沿射流中心线方向均匀分布，在中心线垂直方向均匀分布，随着与喷嘴距离的增加，不同中心线上垂直方向的测量点逐渐增多且向外延伸，以适应射流特征宽度的增加。

17、作为进一步的技术方案，所述稳压罐、喷嘴之间的管路上设置有控制阀，所述增压泵与稳压罐之间的管路上设置第一压力传感器、第一温度传感器；

18、所述控制阀与喷嘴之间的管路上设置第二压力传感器、第二温度传感器及质量流量计。

19、作为进一步的技术方案，还包括数据采集仪，所述第一压力传感器、第一温度传感器、第二压力传感器、第二温度传感器及质量流量计、浓度传感器阵列采集的数据均传输至数据采集仪。

20、作为进一步的技术方案，所述测量点涵盖射流中心线和与中心线垂直的径向位置。

21、以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

22、本发明技术方案通过标量场即质量分数或密度测量数据计算气体射流速度场的方法，该方法可以准确、高效、简便地由质量分数或密度等测量数据计算速度数据。避免了向流场中注入粒子或额外采用测速仪器，可实现标量场和速度场的同步测量，降低了测量复杂度和成本。其中，传感器布局方案和射流充分发展段判断方法，能利用有限数量的传感器，最大程度地测量射流质量分数等参数信息。

23、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种基于标量场测量数据的气体射流测速方法，其特征是，包括：

2.如权利要求1所述的一种基于标量场测量数据的气体射流测速方法，其特征是，所述位于射流充分发展段的判断：依据沿轴向的测量参数分布是否满足倒数分布规律，及径向分布是否满足高斯分布进行判断。

3.如权利要求1所述的一种基于标量场测量数据的气体射流测速方法，其特征是，所述轴向的测量参数满足倒数分布规律，倒数分布规律中，混合气体中轻质气体的质量分数、轻质气体的混合气体的密度均与喷嘴直径、沿射流轴向的坐标及系数相关。

4.如权利要求1所述的一种基于标量场测量数据的气体射流测速方法，其特征是，所述由测量到的质量分数数据计算出密度数据，基于具体质量分数和密度数据的相互转换公式获得。

5.如权利要求1所述的一种基于标量场测量数据的气体射流测速方法，其特征是，所述对于射流充分发展段，径向密度和质量分数分布满足设定的关系式。

6.如权利要求1所述的一种基于标量场测量数据的气体射流测速方法，其特征是，由射流充分发展段所满足的积分型质量守恒方程和射流参数分布规律，推导出射流中心线的速度，并根据速度分布满足高斯分布的条件，由中心线的速度进一步计算出射流径向的速度；

7.用于实现上述权利要求1-6任一所述的一种基于标量场测量数据的气体射流测速方法的系统，其特征是，包括：依次布置的增压泵、稳压罐、喷嘴及浓度传感器阵列；

8.如权利要求7所述的一种基于标量场测量数据的气体射流测速系统，其特征是，所述稳压罐、喷嘴之间的管路上设置有控制阀，所述增压泵与稳压罐之间的管路上设置第一压力传感器、第一温度传感器；

9.如权利要求7所述的一种基于标量场测量数据的气体射流测速系统，其特征是，还包括数据采集仪，所述第一压力传感器、第一温度传感器、第二压力传感器、第二温度传感器及质量流量计、浓度传感器阵列采集的数据均传输至数据采集仪。

10.如权利要求7所述的一种基于标量场测量数据的气体射流测速系统，其特征是，所述测量点涵盖射流中心线和与中心线垂直的径向位置。

技术总结本发明提出了一种基于标量场测量数据的气体射流测速系统及测速方法，包括：确定光学诊断观测区或传感器位于射流充分发展段，之后测量轻质气体射流中心线和径向的质量分数；由测量到的质量分数数据计算出径向密度数据；根据给定中心线位置的径向密度和质量分数分布，采用高斯分布函数对径向的密度×质量分数分布进行拟合，获得该中心线位置的射流特征宽度；基于射流特征宽度，根据质量守恒定律，计算射流中心线的速度。技术研发人员：李雪芳,张嘉欣,陈昊,姚晨奕,巴清心受保护的技术使用者：山东大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4