亚星游戏官网-www.yaxin868.com

专利名称：一种用于测量低气压条件下喷雾特性的实验装置的制作方法
技术领域：
本发明属于安全科学与工程实验设备技术领域，特别涉及在低压条件下采用激光 相位多普勒分析仪测量喷雾特性的实验装置。
背景技术：
低气压存在于高原、高空、抽真空设备等多种环境条件下。细水雾灭火技术具有灭 火高效、对环境无污染、对现场人员和设备安全、用水量少等诸多优点，对其在常压条件下 灭火性能的研究已开展了大量的工作，并已得到广泛的应用。但至今尚缺乏在低气压条件 下细水雾特性表征方面的研究工作，更没有见到适宜于在常压地区测量低气压条件下细水 雾雾滴粒径及速度的模拟实验装置。《消防科学与技术》杂志(2005，24 (6) 733-734)介绍 了细水雾系统的概念、灭火机理、控制方式和在文物古建筑中的运用的优点和局限性，但未 见涉及低压条件下对细水雾雾场特性的研究。《大气环境-A》杂志(1991，25(2) 217-230) 介绍了在低压环境下对97种不同水雾试样的化学组分、温度、传输速度及方向等方面的研 究，但未见涉及细水雾雾化角、雾化液滴直径等雾化特性。《高海拔低气压条件对细水雾灭 火性能影响的实验研究》(蔡昕，2009. 05 ；中国科学技术大学博士论文)中介绍了低压条件 下的细水雾雾特性研究，但其仅采用收集法和激光片光成像法测量分析了低气压条件对细 水雾喷雾张角及其雾滴空间分布的影响。而从细水雾灭火技术在低气压环境的推广应用， 特别如西藏以布达拉宫为代表的文物古建筑，以及宇宙飞船等航空航天器的火灾防护及其 相应灭火系统的优化设计来说，亟需对细水雾在低气压条件下的喷雾特性进行实验测量分 析。但目前缺乏测量低压条件下细水雾特性的实验装置，已有的大型激光测量系统也不适 宜于在航空航天器上使用。“多相流体测量试验方法”(多相流技术，1994，20 :261_295)介绍了激光相位多普 勒测量(PDA)技术的标准，这是一种对粒子的粒径和速度进行同步测量的光学测量技术， 由激光器、发射探头、信号处理器和计算机组成。激光器发射的激光经基准彩色脉冲器过滤 后分别通过两个互相垂直的发射探头向真空室器壁上的两个互相垂直的第一个透明窗口 和第二个透明窗口垂直发射，激光信号在真空室内聚焦后经喷雾粒子放大和折射后通过第 三透明窗口被光电探测器接收，被接收的激光信号经传输光纤和色调一致设定仪后，其中 的一部分信号经传输光纤进入信号处理器，经计算机上的数据处理软件处理数据，其余部 分信号进入基准彩色脉冲器，循环利用。但根据对国内外文献和专利的检索，仅检索到在常 压条件下利用PDA技术测量细水雾雾特性的文献，尚未见到利用PDA技术测量在低气压条 件下细水雾雾特性的相关文献和专利。

发明内容
本发明的目的是提供一种采用激光相位多普勒测量技术测量低气压条件下喷雾 特性的实验装置，为研究低气压条件下细水雾雾场分布、雾滴粒径以及雾滴速度分布等特 性提供条件保障。
本发明的采用激光相位多普勒测量低气压条件下细水雾特性的实验装置，包括器 壁上设有抽气孔和真空压力表的密闭真空室，所述抽气孔经带有阀门的管道与真空泵相 连；真空室顶部设有细水雾喷头，该细水雾喷头经带有阀门的管道与供水系统相连；在由 激光器、发射探头、信号处理器和计算机组成的激光相位多普勒测量系统中，从激光器发射 出来的激光经基准彩色脉冲器过滤后分别通过两个互相垂直的发射探头向两个互相垂直 的第一、第二透明窗口垂直发射，在真空腔内聚焦后通过第三透明窗口被激光接收探头接 收，被接收的激光信号经传输光纤进入信号处理器，经计算机上配备的多普勒测量数据处 理软件处理后得到所需参数的测量信息；其特征在于焊接在真空室外壁面的窗口基座连 接处采用与真空室外壁面形状相匹配的内螺纹外沟槽式结构；所述三个透明窗口的玻璃分 别卡插并密封镶嵌于焊接在真空室外壁面上的窗口基座的沟槽式结构内，形成易拆卸的内 空腔式结构，该三个透明窗口的中心点在同一水平圆周面上，每个窗口平面与真空室外壁 面切面平行，其中第一透明窗口平面方向与第二透明窗口平面方向互相垂直，第三透明窗 口平面方向相对于第一透明窗口平面方向的夹角、以及与第二透明窗口所成的夹角与激光 相位多普勒检测仪的激光发射、接收角度相吻合；细水雾喷头和供水系统管道的连接处采 用卡箍式接头，该卡箍式接头由上下两个圆形法兰组成上法兰和供水管道连接在一起，上 法兰的横截面呈阶梯状，与卡箍的管卡相吻合；下法兰上部的形状和卡箍的管卡相吻合，下 部和真空室连接在一起；真空室底部设有向下突出的蓄液管段，该蓄液管段通过阀门和大 气连通。所述真空室可选用空心球体、圆柱体或长方柱体；可采用透明耐压材料制造，或采 用非透明的耐压材料制造而在激光经过的相应位置留有透明窗口 ；设置透明窗口一方面是 透过激光和接收激光的需要，同时也有利于对实验现象及过程进行观测记录；并可通过选 用、更换不同耐压值的透明材料来改变真空室内的极限实验压力。本发明在细水雾喷头和供水系统管道的连接处采用了卡箍式接头，使得实验过程 中喷头的更换安装便捷，且不影响整体结构及密封性要求，有利于测试研究低气压条件下 不同喷头的喷雾性。为了减少水雾对窗口玻璃的影响和避免侧壁积水对激光探测的影响，各透明窗口 的上沿可设有向上倾斜与真空室内壁成锐角的挡水遮板；该挡水遮板的采用与否、及其向 上倾斜的角度和伸出窗口的长度，与真空室腔体直径的大小、细水雾喷头设置的高度、喷雾 锥角及喷头负压筒体内腔尺寸相关若真空室腔体直径足够大、细水雾喷头设置的高度足 够高、喷雾锥角足够小、或喷头负压筒体内腔尺寸足够大以至雾滴不会喷射到腔体内壁面， 也就不会发生壁面凝结水流淌影响窗口测量的问题，在这种情况下该遮板也就无需伸出窗 口太多甚至不需要它。为避免水雾与腔体内壁碰撞产生的二次水雾对窗口造成影响，腔体底部与激光聚 焦点之间可保留10-20厘米的距离；所述真空室底部设向下伸出的法兰结构是为了减少液 体溅射；该法兰底部通过卡箍接头和装有球阀的可控制排水量的排水管相连接，这里采取 卡箍连接方式是为了确保内腔既可密封又可彻底排水。本发明中的各透明窗口设置，采取了与真空室外壁面形状相匹配的内螺纹外沟槽 式结构，各透明窗口的玻璃分别卡插并密封镶嵌于真空室外壁面上的窗口基座的沟槽式 内，形成易拆卸结构，以保证密封的可靠性以及安装、实验时清洁窗口等操作的方便。易拆
4卸结构不仅为了方便窗口玻璃的更换，同时也使研究分析不同玻璃对测量结果的影响及修 正成为可能。各透明窗口采取的内空腔式结构，保证了窗口玻璃安装时相对于激光角度的 可调性并确保激光垂直入射，从而避免玻璃对光的折射造成聚焦位置的偏差。开始实验时，先检查各阀门是否均已关闭；然后打开和抽气孔相连的阀门和真空 泵，当真空压力表上显示的数据满足实验条件时，关闭真空泵及和抽气孔相连的阀门；开启 和细水雾喷头相连的阀门与供水系统；开启激光相位多普勒测量系统(PDA)，激光器发射 探头发出的两束互相垂直的激光分别通过两个互相垂直的透明窗口进入真空室，穿过水雾 在真空腔内一点聚焦后，产生干涉条纹并经喷雾粒子的放大和散射后通过第三透明窗口被 激光接收探头接收，被接收的激光信号经传输光纤进入信号处理器，经计算机上配备的多 普勒测量数据处理软件处理后得到所需的雾特性数据；数据采集完成后，依次关闭激光相 位多普勒测量系统(PDA)和供水系统，关闭所有阀门，打开排水管的阀门，排出积水。本发明利用现有的激光相位多普勒测量(PDA)技术，与带有真空泵和细水雾发生 条件的密闭耐压真空室具体相结合，创造性地采用卡箍式连接接头、内螺纹外沟槽式易拆 卸结构及内空腔式结构，从而实现了在低气压条件下喷雾特性的实验测量。采用本发明实 验装置可实现在0. 1 1个大气压范围内的低压条件下对喷雾特性进行测量研究；不仅可 以做清水的喷雾特性实验，也可以做含有添加剂的水雾特性实验，还可测量燃油、喷涂料等 介质的喷雾特性测量。本发明实验装置中的细水雾喷头可以选择采用7孔喷头或5孔喷头 或其它的多孔喷头，以及具有不同流量系数的喷头，从而可以测量各类不同喷头在低气压 条件下的喷雾特性。与现有测量喷雾特性的方法及装置相比，本发明克服了现有测量方法及装置无法 实现低气压条件下对喷雾特性进行测量研究的困难；与《高海拔低气压条件对细水雾灭火 性能影响的实验研究》中采用的基于激光片光的雾场图像诊断方法相比较，本发明实验装 置采用的激光相位多普勒测量(PDA)技术可同时测量获取雾滴粒径、速度分布及雾通量等 多个参数，且具有更高的精度。


图1是本发明采用PDA技术测量低气压条件下喷雾特性的实验装置的球形真空室 实施例结构示意图。图2是本发明采用PDA技术测量低气压条件下喷雾特性的实验装置的卡箍式接头 的结构截面示意图。图3是本发明采用PDA技术测量低气压条件下喷雾特性的实验装置的内螺纹外沟 槽式结构的接头截面示意图。图4是本发明采用PDA技术测量低气压条件下喷雾特性的实验装置的PDA测量系 统实施例结构示意图。图5是本发明采用PDA技术测量低气压条件下喷雾特性的实验装置的圆柱形真空 室实施例结构示意图。
具体实施例方式实施例1
本实施例采用PDA技术测量低气压条件下喷雾特性的实验装置的球形真空室实 验装置如图1所示该实验装置包括器壁上设有抽气孔和真空压力表的密闭真空室，本实 施例中的真空室13由上、下两个不锈钢空心半球体用螺栓和橡胶垫片固定密封组成；所述 抽气孔经带有阀门5的管道16与真空泵S2相连；真空室13的顶部设有细水雾喷头3，该 细水雾喷头3经带有阀门4的管道2与供水系统S1相连通；真空室13顶部中央通过顶部 法兰15固定安装有和供水系统S1相连通的管道2，法兰片之间通过卡箍接头21固定，以方 便拆卸更换细水雾喷头，管道2和供水系统S1之间有手动球阀4。管道2下端靠近真空室 13顶部采用卡箍式接头21安装细水雾喷头3，在真空室13顶部的管道2的两侧的器壁上分别安装有真空压力表1和抽气管道 16，真空压力表1通过螺纹管接头固定在真空室13的外壁上，焊接在真空室13器壁上的抽 气管道16经手动球阀5和真空泵S2相连。图2是本发明中设计采用的卡箍式接头的结构截面示意图该接头由上下两个圆 形法兰21和22组成上法兰21和供水管道2焊接在一起，供水管道2的下端连接细水雾喷 头3，上法兰21的横截面呈阶梯状，与卡箍的管卡相吻合；下法兰22上部的形状和卡箍的 管卡相吻合，下部和真空室焊接在一起。这种结构使得在实验过程中便于更换安装不同的 喷头，且不影响整体结构及密封性要求，有利于测试研究低气压条件下不同喷头的喷雾性。靠近半球体接缝14的器壁下部开有三个透明窗口 第一个透明窗口 9的平面方向 与第二个透明窗口 7的平面方向的互相垂直，第三个透明窗口 6的平面方向相对于第一个 透明窗口 9的平面方向在顺时针方向成120度夹角，与第二个透明窗口 7成30度夹角，通 过内螺纹外沟槽式结构的接头20和垫片23把透光度好并受激光影响很小的硼硅玻璃8固 定在透明窗口外壁边缘，该三个透明窗口的中心点在同一个水平面圆周上。图3是本发明中设计采用的内螺纹外沟槽式结构的接头20截面示意图该接头将 玻璃卡插并密封镶嵌于真空室外壁面上的窗口基座的沟槽24内，形成易拆卸的内空腔式 结构。保证密封的可靠性以及安装、实验时清洁窗口等操作的方便。易拆卸结构不仅为了 方便窗口玻璃的更换，同时也使研究分析不同玻璃对测量结果的影响及修正成为可能。内 空腔式结构保证了窗口玻璃安装时相对于激光角度的可调性并确保激光垂直入射，避免玻 璃对光的折射造成聚焦位置的偏差。为防止内壁上的雾滴滑落到透明窗口上影响测量结果，在上述三个透明窗口上沿 的内壁面上部设有向上倾斜和真空室内壁成45°角的挡板17并且挡板17的两端分别比窗 口边缘突出2cm。在和三个透明窗口同一个水平面上，且离第一个透明窗口 9和第二个透明 窗口 7的距离分别为10cm处的真空室外的位置上放置包括数据采集及处理系统的PDA测
量系统°在真空室13的底部中央焊接有直径20cm，向下突出5cm的蓄液管段12，该蓄液管 12通过手动球阀10和大气连通。考虑到真空室13的稳定性，也为了实验的方便，在真空室下面设置了支架18以支
撑真空室。本实施例中供水系统采用自来水，喷头为7孔喷头，激光器为氩离子激光器。实验时，先检查各阀门是否均已关闭，打开和抽气孔相连的手动球阀5，启动真空 泵S2，到真空压力表1上显示的数据满足实验条件时，关闭真空泵S2和与抽气孔相连的手动球阀5 ；开启和细水雾喷头相连的手动球阀4与供水系统S1，细水雾喷头3开始喷水雾； 延迟一段时间，等水雾弥散开后，开启PDA测量系统S3。图4是本发明采用PDA技术测量低气压条件下喷雾特性的实验装置的PDA测量系 统实施例结构示意图激光器m4发射的激光经基准彩色脉冲器m5过滤后，分别经两个发射探头m6a和 m6b发射的两束垂直激光分别通过第一、第二两个互相垂直的透明窗口 7、9进入真空室13， 穿过水雾在一点聚焦后，经雾滴粒子放大和折射后在第三个透明窗口 6的激光接收探头m2 被接收，经传输光纤m3、色调一致设定仪m8和滤波器m9进入信号处理器mlO，然后经计算 机mil记录并打印出透明窗口 6处的雾特性数据；数据采集完成，依次关闭PDA测量系统S3 和供水系统S1，关闭所有阀门，打开排水管的手动球阀10，排出积水。实施例2 图5为本实施例采用PDA技术测量低气压条件下细水雾特性的圆柱形真空室实验 装置的结构示意图，该真空室13中的器壁采用不锈钢，底面直径为60cm，高度为69cm，三个 窗口安装的是透明钢化玻璃。真空室13顶部中央通过顶部法兰15固定安装有和供水系统S1相连通的管道2， 法兰片之间通过卡箍接头21固定，以方便拆卸更换细水雾喷头，管道2和供水系统S1之间 有手动球阀4。管道2下端靠近真空室13顶部采用卡箍式接头21安装细水雾喷头3，在顶 部法兰的两侧分别安装有真空压力表1和抽气管道16，真空压力表1通过螺纹管接头固定 在真空室13的外壁上，抽气管道16焊接在真空室13的器壁上，抽气管道16经手动球阀5 和真空泵S2之间有。在距真空室13底部20cm处的器壁上开有三个透明窗口 第一个透明窗口 9的平 面方向与第二个透明窗口 7的平面方向互相垂直，第三个透明窗口 6的平面方向相对于第 一个透明窗口 9的平面方向在顺时针方向成120度夹角，与第二个透明窗口 7成30度夹角； 通过内螺纹外沟槽式结构的接头20和垫片23把透光度好并受激光影响很小的硼硅玻璃8 固定在透明窗口外壁边缘，该三个透明窗口的中心点在同一个水平面圆周上。采用的内螺纹外沟槽式结构的接头20将玻璃卡插并密封镶嵌于真空室外壁面上 的窗口基座的沟槽24内，形成易拆卸的内空腔式结构。保证密封的可靠性以及安装、实验 时清洁窗口等操作的方便。易拆卸结构不仅为了方便窗口玻璃的更换，同时也使研究分析 不同玻璃对测量结果的影响及修正成为可能。内空腔式结构，保证了窗口玻璃安装时相对 于激光角度的可调性并确保激光垂直入射，避免玻璃对光的折射造成聚焦位置的偏差。为防止内壁上的雾滴滑落到透明窗口上影响测量结果，在上述三个透明窗口上沿 的内壁面上部设有向上倾斜和真空室内壁成30°角的挡板17并且挡板17的两端分别比窗 口边缘突出2cm，在和三个透明窗口同一个水平面上，且离第一个透明窗口 9和第二个透明 窗口 7的距离分别为10cm处的真空室外的位置上放置包括数据采集及处理系统的PDA测 量系统°在真空室13的底部中央开有一个直径20cm，向下突出5cm的蓄液管段12，经底部 法兰11及螺栓和排水管道固定在一起，排水管道上通过手动球阀10和大气连通。真空室下面设置了支架18以支撑真空室。本实施例中供水系统采用有添加剂(如NaCl、KCl)的自来水，喷头为5孔喷头，激
7光器采用的是晶体光纤激光器。实验时，先检查各阀门是否均已关闭，打开和抽气孔相连的手动球阀5，启动真空 泵S2，到真空压力表1上显示的数据满足实验条件时，关闭真空泵S2和与抽气孔相连的手 动球阀5 ；开启和细水雾喷头相连的手动球阀4与供水系统S1，细水雾喷头3开始喷水雾； 延迟一段时间，等水雾弥散开后，开启PDA测量系统S3。激光器m4发射的激光经基准彩色脉冲器m5过滤后，分别经两个发射探头m6a和 m6b发射的两束垂直激光分别通过第一、第二两个互相垂直的透明窗口 7、9进入真空室13， 穿过水雾在一点聚焦后，经雾滴粒子放大和折射后在第三个透明窗口 6的激光接收探头m2 被接收，经传输光纤m3、色调一致设定仪m8和滤波器m9进入信号处理器mlO，然后经计算 机mil记录并打印出透明窗口 6处的雾特性数据；数据采集完成，依次关闭PDA测量系统S3 和供水系统S1，关闭所有阀门，打开排水管的手动球阀10，排出积水。本发明的实验装置，其真空室也可采用不锈钢长方体形，在真空室器壁的壁面中 部设置透明观察窗口。
权利要求
一种采用激光相位多普勒测量低气压条件下细水雾特性的实验装置，包括器壁上设有抽气孔和真空压力表的密闭真空室，所述抽气孔经带有阀门的管道与真空泵相连；真空室顶部设有细水雾喷头，该细水雾喷头经带有阀门的管道与供水系统相连；在由激光器、发射探头、信号处理器和计算机组成的激光相位多普勒测量系统中，从激光器发射出来的激光经基准彩色脉冲器过滤后分别通过两个互相垂直的发射探头向两个互相垂直的第一、第二透明窗口垂直发射，在真空腔内聚焦后通过第三透明窗口被激光接收探头接收，被接收的激光信号经传输光纤进入信号处理器，经计算机上配备的多普勒测量数据处理软件处理后得到所需参数的测量信息；其特征在于焊接在真空室外壁面的窗口基座连接处采用与真空室外壁面形状相匹配的内螺纹外沟槽式结构；所述三个透明窗口的玻璃分别卡插并密封镶嵌于焊接在真空室外壁面上的窗口基座的沟槽式结构内，形成易拆卸的内空腔式结构，该三个透明窗口的中心点在同一水平圆周面上，每个窗口平面与真空室外壁面切面平行，其中第一透明窗口平面方向与第二透明窗口平面方向互相垂直，第三透明窗口平面方向相对于第一透明窗口平面方向的夹角、以及与第二透明窗口所成的夹角与激光相位多普勒检测仪的激光发射、接收角度相吻合；细水雾喷头和供水系统管道的连接处采用卡箍式接头，该卡箍式接头由上下两个圆形法兰组成上法兰和供水管道连接在一起，上法兰的横截面呈阶梯状，与卡箍的管卡相吻合；下法兰上部的形状和卡箍的管卡相吻合，下部和真空室连接在一起；真空室底部设有向下突出的蓄液管段，该蓄液管段通过阀门和大气连通。
2.如权利要求1所述测量低气压条件下喷雾特性的实验装置，特征在于所述真空室选 用空心球体、圆柱形或长方柱形体；由透明耐压材料制造，或由非透明耐压材料制造而在激 光经过的相应位置设有透明窗口。
3.如权利要求1所述测量低气压条件下喷雾特性的实验装置，特征在于各透明窗口上 沿设有向上倾斜与真空室内壁成锐角的挡水遮板。
全文摘要
本发明公开了一种采用激光相位多普勒技术测量低气压条件下喷雾特性的实验装置，特征是其耐压真空室器壁上设有经带有阀门的管道和真空泵相连的抽气孔；真空室顶部的喷头经带有阀门的管道和供水系统采用卡箍式接头相连；设在真空室器壁上的三个透明窗口的玻璃和焊接在壁面的基座连接处采用内螺纹外沟槽式结构及内空腔式结构；真空室底部中央设向下突出的蓄液管段，其通过阀门和大气连通；PDA测量系统的两束激光分别经第一和第二个窗口后在真空室内聚焦产生干涉条纹，干涉条纹经喷雾粒子折射放大后经第三个透明窗口被接收后送到计算机进行处理分析。利用本发明装置可进行低气压条件下喷雾特性的测量研究。
文档编号G01M99/00GK101865786SQ20101016523
公开日2010年10月20日 申请日期2010年4月30日 优先权日2010年4月30日
发明者刘良宝, 王喜世, 秦俊, 许红利 申请人:中国科学技术大学