(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210685176.X (22)申请日 2022.06.14 (71)申请人 北京理工大 学 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街5 号 申请人 北京动力机 械研究所 (72)发明人 李佳　郭昆　王宽宇　李鹏昌　 刘杰　李海波　石保禄　 (74)专利代理 机构 北京正阳理工知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11639 专利代理师 张利萍 (51)Int.Cl. G01N 3/02(2006.01) G01N 3/56(2006.01) G01N 17/00(2006.01) (54)发明名称 一种用于模拟高温高速两相流冲刷烧蚀的 实验系统 (57)摘要 本发明公开的一种用于模拟高温高速两相 流冲刷烧蚀的实验系统， 属于 热防护材料测试技 术领域。 本发 明包括试件控制模块和高温高速两 相流控制模块。 其中， 试件控制模块包括三维电 动位移平台、 角度控制机构、 控制器， 所述三维电 动位移平台、 角度控制机构由控制器控制。 高温 高速两相流控制模块包括粉末供给装置和燃烧 器。 通过形成高温高速两相流来模拟固体发动机 中的工况来冲刷烧蚀热防护材料， 分析并选择燃 气富氧程度、 烧蚀角度、 火焰温度、 粒子浓度、 粒 子速度、 粒径、 烧蚀时间作为主要影响参数， 并提 供对应参数的调节方式， 且实现对 各工况参数的 宽范围独立调节或组合调节。 本发 明还具有实验 成本低、 便 于操作、 实现效率高的优点。 权利要求书3页 说明书7页 附图3页 CN 115096692 A 2022.09.23 CN 115096692 A 1.一种用于模拟高温高速两相流冲刷烧蚀的实验系统， 其特征在于： 包括试件控制模 块和高温高速两相流控制模块； 其中， 试件控制模块包括三维电动位移平台、 角度控制机 构、 控制器， 所述三维电动位移平台、 角度控制机构由控制器控制； 高温高速两相流控制模 块包括粉末供 给装置和燃烧器； 试件控制模块由三维电动位移平台、 角度控制机构和控制器组成； 三维电动位移平台、 角度控制 机构由控制器控制； 三维电动位移平台包括底座、 螺杆、 移动平台、 小型剪叉升降 机， 控制移动平 台在X、 Y、 Z三个方向的移动； 水平方向上， 通过调整螺杆和的长度来改变移 动平台的位置； 竖直方向上， 移动平台在底座上， 由小型剪叉升降机控制底座的移动； 角度 控制机构包括第一支杆、 第二支杆、 带刻度的旋转件、 直线运动电机、 试件夹、 试件、 支撑件； 固定第一支杆与直线运动电机的空间位置， 第二支杆夹持试件， 通过带刻度的旋转件与第 一支杆相连， 第二支杆通过支撑件与直线运动电机的顶端相连， 由于第二支杆的一端与第 一支杆固定， 位置确定， 通过调整直线运动电机的长度来改变试件与竖直方向的夹角， 该夹 角能够通过带刻度的旋转件读取； 直线运动电机的长度越长， 第二支杆与竖直方向的角度 越大,通过试件夹使试件在厚度方向上 的中线与第二支杆轴线平行， 进而使试件与竖直方 向夹角与第二支杆与竖直方向夹角相等； 试件夹与第二支杆通过螺栓连接， 试件夹宽度可 选， 在实验中根据试件的宽度确定试件夹的宽度， 使 试件夹能够稳定夹持试件， 保证试件在 厚度方向上的中线与第二支杆轴线平行； 通过直线运动电机长度控制试件角度之前需建立 直线运动电机长度与试件角度的对应关系； 移动平台在三个方向的移动与直线运动电机的 运动均通过控制器控制， 以精确控制移动平台位置和试件角度； 在 使用过程中， 通过在 控制 器中输入试件的目标三维坐标和角度， 控制器自动计算从当前位置到达目标位置的最佳路 径， 控制移动平台和直线运动电机移动； 为了实现对烧蚀时间的精确控制， 通过在 控制器中 预设实验时长， 试件到达目标位置后开始计时， 预定时长到达后， 受控制器控制， 试件位置 自动移动， 与两相流火焰分离； 高温高速两相流控制模块的主要由粉末供给装置和燃烧器组成； 所述粉末供给装置用 于实现固体颗粒 的稳定输送， 通过载气带动粉末进行输送； 燃烧器用于气体进行混合燃烧 和固体粉末点火燃烧； 燃烧器与粉末供给装置出 口相连； 粉末供给装置输送的粉末和载气 沿轴向进入燃烧器， 在燃烧器轴向出口形成高温高速 两相流， 燃烧器设有其 余气体入口。 2.如权利要求1所述的一种用于模拟高温高速两相流冲刷烧蚀的实验系统， 其特征在 于： 所述控制器选用四通道控制器。 3.如权利要求1所述的一种用于模拟高温高速两相流冲刷烧蚀的实验系统， 其特征在 于： 所述粉末供给装置包括振动 气动组合方式、 活塞推杆流化腔流化组合方式； 所述粉末供 给装置采用振动气动组合方式实现粉末供给； 圆柱形粉罐底部与振动电机相连， 振动电机 具备振动力调节功能， 载气从圆柱形粉 罐底部入口进入， 在振动和气流的共同作用下， 圆柱 形粉罐中的粉末随气流运动， 粉末与载气沿圆柱形粉罐顶部轴向出 口排出， 经过气体输送 管路进入燃烧器。 4.如权利要求1所述的一种用于模拟高温高速两相流冲刷烧蚀的实验系统， 其特征在 于： 所述燃烧器包括切/轴射流燃烧器和轴向射流燃烧器； 所述燃烧器选用切/轴射流燃烧 器， 通过调节通入燃烧器中氧化剂与气相 燃料的组成与流量， 在燃烧器中形成稳定的高温 层流火焰， 加入固体颗粒用于模拟 固冲发动机补燃室中的两相流； 载气和固体颗粒通过轴权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115096692 A 2向入口进入燃烧器， 其 余气体通过侧面的切向入口进入燃烧器； 通过改变通入燃烧器气体中氧化剂与燃料的配比调节燃气富氧程度， 燃气富氧程度为 加入氧气的量与气相 燃料消耗氧气的量之差， 通过计算得到燃气富氧程度， 模拟不同燃气 富氧程度； 通过试件控制模块调节试件的烧蚀角度， 将烧蚀角度输入至通道控制器中， 控制直线 运动电机 长度改变试件与竖直方向角度， 用以模拟不同烧蚀角度； 通过改变气相火焰的当量比和氧浓度调节火焰温度， 通过红外热像仪测量火焰温度， 用以模拟不同火焰温度。 5.如权利要求1所述的一种用于模拟高温高速两相流冲刷烧蚀的实验系统， 其特征在 于： 所述火焰温度变化范围为20 00～3000K； 通过调节粉末供给装置振动电机振动力调节粉末质量流量， 振动电机振动力越大， 粉 末质量流量越大， 将粉末质量 流量换算为粒子浓度， 用以模拟不同粒子浓度； 通过调节通入粉末供给装置中载气流量调节所述粉末燃烧形成粒子的速度， 通过高速 相机测量粒子 速度， 用以模拟不同粒子 速度。 6.如权利要求1所述的一种用于模拟高温高速两相流冲刷烧蚀的实验系统， 其特征在 于： 所述粒子 速度变化范围为15～ 200m/s； 通过改变粉末供给装置 中装填于圆柱形粉罐中粉末的直径调节颗粒粒径， 用以模拟不 同颗粒粒径； 通过试件控制模块控制烧蚀时间， 将烧蚀时间输入至通道控制器中， 达到预定时间后， 试件与两相流分离， 用以模拟不同烧蚀时间。 7.如权利要求1所述的一种用于模拟高温高速两相流冲刷烧蚀的实验系统， 其特征在 于： 所述烧蚀角度变化范围为0 °～90°。 8.如权利要求1、 2、 3、 4、 5、 6或7所述的一种用于模拟高温高速两相流冲刷烧蚀的实验 系统， 其特 征在于： 工作方法为， 根据需要模拟的实验工况， 选择对应工况调节参数， 并对应选择如下调节方式组合， 形 成用于模拟高温高速 两相流冲刷烧蚀的一种工况： 通过改变通入燃烧器气体中氧化剂与燃料的配比调节燃气富氧程度， 燃气富氧程度为 加入氧气的量与气相 燃料消耗氧气的量之差， 通过计算得到燃气富氧程度， 模拟不同燃气 富氧程度； 通过试件控制模块调节试件的烧蚀角度， 将烧蚀角度输入至通道控制器中， 控制直线 运动电机 长度改变试件与竖直方向角度， 用以模拟不同烧蚀角度； 通过改变气相火焰的当量比和氧浓度调节火焰温度， 通过红外热像仪测量火焰温度， 用以模拟不同火焰温度； 通过调节粉末供给装置振动电机频率调节粉末质量流量， 振动电机振动力越大， 粉末 质量流量越大， 将粉末质量 流量换算为粒子浓度， 用以模拟不同粒子浓度； 通过调节流化气流量调节所述粉末燃烧形成粒子的粒子速度， 通过高速相机测量粒子 速度， 用以模拟不同粒子 速度； 通过改变粉末供给装置 中装填于圆柱形粉罐中粉末的直径调节颗粒粒径， 用以模拟不权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115096692 A 3