CN120800778A - 一种基于静电感应的粒子分离器实验装置及砂尘分离效率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于静电感应的粒子分离器实验装置及砂尘分离效率测量方法，该实验装置包括振动筛网、整流唇口、一进两出分叉管道结构的粒子分离器主体、砂尘浓度测量探针、入口总压测量探针、入口静压测量探针、旁流出口总压测量探针、旁流出口静压测量探针、观察侧壁以及主旁出口转接段；通过砂尘颗粒与静电感应探针之间的摩擦产生电流，测量砂尘浓度，从而换算得到粒子分离器的砂尘分离效率。该装置结构易于实现，不需要额外的砂尘收集装置即可测量砂尘分离效率，避免了常规砂尘收集装置带来的压力损失问题，对实验场地及气源要求较低，可降低实验成本。

Description

一种基于静电感应的粒子分离器实验装置及砂尘分离效率测 量方法

技术领域

本发明涉及粒子分离器分砂效率测量实验领域，尤其是一种能模拟均匀投砂环境下基于静电感应的粒子分离器实验装置。

背景技术

砂尘环境是一类耦合空气与砂子、灰尘等固体颗粒物的气固两相流环境，如砂漠、海滩、火山喷发等地带或由大气运动裹挟砂尘导致的砂尘暴天气等。直升机的飞行性能特点决定了直升机的使用通常飞行工作在低空、低速模式下飞行，需要在简易场地甚至随机的野外场地起降。当处于地表植被不好的沙漠、荒漠和土壤裸露的干燥环境下使用时，受地表风和旋翼下洗流的作用，地面上的石英颗粒会不同程度地被气流吹起并悬浮于空气中，短时间内产生高浓度砂尘云笼罩飞行器，形成砂盲环境。砂尘颗粒的吸入对直升机涡轴发动机性能及寿命影响巨大，因此直升机涡轴发动机的防砂设计十分重要。在此需求上设计出了多种针对涡轴发动机的砂尘防护装置，如涡旋管粒子分离器、进气阻拦式过滤器以及整体式惯性粒子分离器等，其中惯性粒子分离器由于其重量轻，阻力小，因此应用较为广泛，尤其是在高速直升机、倾转旋翼机上。

粒子分离器的砂尘分离效率是粒子分离器设计时最为关注的性能参数。大量研究发现，粒子分离器砂尘分离效率的数值模拟结果往往比实验结果更高，因此为了较为准确地获得粒子分离器的砂尘分离效率，必须搭建粒子分离器投砂实验台，开展投砂实验。传统投砂实验通常采用旋风分离器或过滤桶对砂尘颗粒进行收集，这带来了以下几个问题：1.这两种收集方式均需要对收集装置进行拆卸称重，步骤繁琐，且往往会有少量砂尘颗粒附着在收集装置内壁上，影响最终的收集质量；2.上述两种收集方法得出的砂尘分离效率均为一段投砂时间内的时均结果，无法得到砂尘分离效率的瞬变特性；3.旋风分离器内部旋流过大，易影响上游流动，带来额外的总压损失，高速流动时旋风分离器对1-200μm的AC细砂分离效果较差；4.长时间收集砂尘会导致过滤桶内滤网对气流的堵塞度非常大，导致实际空气流量与纯气场情况下的标定结果产生偏差，影响砂尘分离效率特性随扫气比变化特性的准确性。

为此，为了更加便捷准确地得到粒子分离器砂尘分离效率，需要一种更加便捷、准确且不会影响到粒子分离器内部流动的砂尘分离效率测量方法，并设计实验装置将其实现。该实验装置应尽量结构简单，易于操作与维护。

发明内容

为解决上述内容，本发明提供了一种基于静电感应的粒子分离器实验装置，目的是能够通过该实验装置实现不会影响到粒子分离器内部流动的砂尘分离效率测量，且能够使实验装置结构简单，易于操作与维护。

本发明同时提供了使用该粒子分离器实验装置的砂尘分离效率测量方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于静电感应的粒子分离器实验装置，包括振动筛网、入口段、主通道出口段、旁通道出口段；主通道出口段与旁通道出口段同时与入口段的后端连通而形成一进两出的分叉管道结构，入口段的前端安装有整流唇口，振动筛网位于整流唇口上游位置，入口段前端内部设有第一砂尘浓度测量探针、入口总压测量探针、入口静压测量探针；旁通道出口段末端内部设有第二砂尘浓度测量探针、旁通道出口总压测量探针、旁通道出口静压测量探针。

进一步的，粒子分离器包括观察侧壁、粒子分离器下壁面、粒子分离器上壁面以及粒子分离器分流器，粒子分离器入口宽高比为2：1。

进一步的，整流唇口、主流出口转接段以及旁流出口转接段采用增材制造技术一体加工。

进一步的，主通道转接段进出口面积比为1：1，旁通道转接段进出口面积比为1：2。

进一步的，主通道转接段出口直径为100mm；旁通道转接段出口直径为90mm；第一砂尘浓度测量探针距离粒子分离器主体入口处的距离为40mm；第一砂尘浓度测量探针伸入入口段内部的感应部分长度大于75mm而小于80mm，感应部分的长度占入口段入口处高度的比例大于90％而小于97％。

进一步的，入口总压测量探针设有两个并分别位于第一砂尘浓度测量探针的两侧，且每个入口总压测量探针与第一砂尘浓度测量探针的距离为40mm；入口静压测量探针同样具有两个且与两个入口总压测量探针前后位置一一对应设置，每个入口静压测量探针到对应的入口总压测量探针的流向距离为20mm。

进一步的，旁通道出口总压测量探针设有两个并分别位于第二砂尘浓度测量探针的两侧，且每个旁通道出口总压测量探针与第二砂尘浓度测量探针的距离为40mm；旁通道出口静压测量探针同样具有两个且与两个旁通道出口总压测量探针前后位置一一对应设置，每个旁通道出口静压测量探针到对应的旁通道出口总压测量探针的流向距离为20mm。

进一步的，第二砂尘浓度测量探针伸入旁通道出口段的感应部分长度大于31.5mm而小于34mm，第二砂尘浓度测量探针伸入旁通道出口段的感应部分的长度占旁通道出口处高度的比例大于90％而小于97％。

进一步的，观察侧壁为透明亚克力材料制作。

本发明提供的使用上述粒子分离器实验装置的砂尘分离效率测量方法可采用以下技术方案：

通过入口总压测量探针、入口静压测量探针测量值得到入口处的总压P₁ ^*静压P₁，通过总静压关系式得到入口总压测量探针平面的面平均马赫数M₁，总静压关系式为：

通过入口处的马赫数M₁计算得到入口处的气流速度v₁，k为比热比，计算公式为：

v₁＝c₁*M₁

其中c₁为入口处声速，T₁为入口处温度，T^*为环境温度，R为空气比气体常数；

通过第一砂尘浓度测量探针测量出入口处的砂尘浓度C₁，计算得入口处的砂尘质量m₁，计算公式为m₁＝A₁v₁C₁t₁，其中A₁为粒子分离器入口面积，t₁为投砂时间；

通过旁通道出口总压测量探针、旁通道出口静压测量探针测量值得到出口处的总压静压P₂，通过总静压关系式得到旁通道出口面平均马赫数M₂，总静压关系式为：

k为比热比；

通过旁通道出口处的马赫数M₂计算得到旁通道出口处的气流速度v₂，计算公式为：

v₂＝c₂*M₂

其中c₂为旁通道出口处声速，T₂为旁通道出口处温度，T^*为环境温度，R为空气比气体常数；

通过第二砂尘浓度测量探针测量出旁通道出口处的砂尘浓度C₂，计算得旁通道出口处的砂尘质量m₂，计算公式为m₂＝A₂v₂C₂t₂，其中A₂为旁通道出口面积，t₂为旁通道砂尘感知探针感知到砂尘的总时间；

粒子分离器的砂尘分离效率η为：

有益效果：与常规粒子分离器砂尘分离效率测量方法相比，本发明可通过非质量收集方法得到粒子分离器的砂尘分离效率，并且相比于传统粒子分离器砂尘分离效率测量方法，该方法不会影响粒子分离器内部流场，还可以得到砂尘分离效率随投砂时间的变化规律，原理简单，便于实现。此外，该实验台装置结构简单，尺寸小，维护费用和实验费用较低。

附图说明

图1是本发明中基于静电感应的粒子分离器实验装置的整体结构图；

图2是本发明中基于静电感应的粒子分离器实验装置除振动筛网之外的整体结构图；

图3是图2中所示结构的内部结构示意图；

图4是入口处测压探针分布与砂尘浓度测量探针位置示意图；

图5是旁通道出口处测压探针分布与砂尘浓度测量探针位置示意图；

图6是使用该粒子分离器实验装置进行实验所需参数的示意图；

图7测压探针测量位置处径向流速剖面图。

具体实施方式

请结合图1至图5所示，本发明公开的一种基于静电感应的粒子分离器实验装置，包括振动筛网1、入口段、主通道出口段、旁通道出口段；主通道出口段与旁通道出口段同时与入口段的后端连通而形成一进两出的分叉管道结构。该一进两出的分叉管道结构为现有技术的粒子分离器经典结构，其中入口段为一段流道渐收窄的弧形段，主通道出口段轴线与入口段轴线之间形成一个钝角的夹角，旁通道出口段轴线与入口段轴线平行。

入口段的前端安装有整流唇口2，振动筛网1位于整流唇口2上游位置，入口段前端内部设有第一砂尘浓度测量探针4、入口总压测量探针10、入口静压测量探针11；旁通道出口段末端内部设有第二砂尘浓度测量探针12、旁通道出口总压测量探针13、旁通道出口静压测量探针14、主流出口转接段8以及旁流出口转接段9。粒子分离器包括观察侧壁3、粒子分离器下壁面5、粒子分离器上壁面7以及粒子分离器分流器6，粒子分离器入口宽高比为2：1。观察侧壁3为透明亚克力材料制作，以便于观察粒子分离器内部流动以及砂尘颗粒运动轨迹。主通道转接段进出口面积比为1：1，旁通道转接段进出口面积比为1：2。整流唇口2、主流出口转接段8以及旁流出口转接段9采用增材制造技术一体加工。

在本实施方式中，主通道转接段出口直径为100mm；旁通道转接段出口直径为90mm；第一砂尘浓度测量探针4距离粒子分离器主体入口处的距离为40mm。为了使砂尘浓度测量更加准确，砂尘浓度测量探针伸入流场内的感应部分应尽可能长，但过长会与壁面接触造成干扰，故第一砂尘浓度测量探针4伸入入口段内部的感应部分长度大于75mm而小于80mm，感应部分的长度占入口段入口处高度的比例大于90％而小于97％。此外砂尘浓度测量探针的感知部分直径为5mm，以避免对流场产生影响。

入口总压测量探针10设有两个并分别位于第一砂尘浓度测量探针4的两侧，且每个入口总压测量探针10与第一砂尘浓度测量探针4的距离为40mm；入口静压测量探针11同样具有两个且与两个入口总压测量探针10前后位置一一对应设置，每个入口静压测量探针11到对应的入口总压测量探针10的流向距离为20mm。旁通道出口总压测量探针13设有两个并分别位于第二砂尘浓度测量探针12的两侧，且每个旁通道出口总压测量探针13与第二砂尘浓度测量探针12的距离为40mm；旁通道出口静压测量探针14同样具有两个且与两个旁通道出口总压测量探针13前后位置一一对应设置，每个旁通道出口静压测量探针14到对应的旁通道出口总压测量探针13的流向距离为20mm。第二砂尘浓度测量探针12伸入旁通道出口段的感应部分长度大于31.5mm而小于34mm，第二砂尘浓度测量探针12伸入旁通道出口段的感应部分的长度占旁通道出口处高度的比例大于90％而小于97％。

上述尺寸的粒子分离器实验装置，实验工作参数为：马赫数0.1-0.5、两通道流量之和最大为2.4kg/s、可测砂尘浓度最大达2000mg/m³。

使用该基于静电感应的粒子分离器实验装置进行沙尘分离效率测量时，通过主流出口转接段8以及旁流出口转接段9连接后端低压抽吸台(未图示)抽吸而模拟粒子分离器内部流动，即模拟粒子分离器在直升机悬停时的工作状态。并以将整流唇口2面朝上的状态固定该粒子分离器实验装置，振动筛网1位于整流唇口2正上方，通过振动筛网1振动使砂尘颗粒下落而模拟均匀的投砂环境。砂尘颗粒的来源为：试验前将试验用砂尘装入振动筛(未图示，位于振动筛上方)内，试验开始后打开振动筛，振动筛振动将振动筛内砂尘颗粒筛下。砂尘颗粒下落，撞击砂尘浓度测量探针，颗粒与浓度测量探针的感应部分摩擦，产生静电荷，静电荷转化为电信号并通过探针内部信号放大器放大，输出为浓度信号，得到该测量位置处的砂尘浓度。根据各位置总静压测量探针，各位置总压与静压。

具体的，结合图6所示，通过两个入口总压测量探针10、两个入口静压测量探针11测量值作算术平均得到入口处的总压P₁ ^*静压P₁，通过总静压关系式得到入口总压测量探针(10)平面的面平均马赫数M₁，总静压关系式为：

通过入口处的马赫数M₁计算得到入口处的气流速度v₁，k为比热比，计算公式为：

v₁＝c₁*M₁

其中c₁为入口处声速，T₁为入口处温度，T^*为环境温度，R为空气比气体常数；

通过第一砂尘浓度测量探针(4)测量出入口处的砂尘浓度C₁，计算得入口处的砂尘质量m₁，计算公式为m₁＝A₁v₁C₁t₁，其中A₁为粒子分离器入口面积，t₁为投砂时间；

通过旁通道出口总压测量探针13、旁通道出口静压测量探针14测量值得到出口处的总压静压P₂，通过总静压关系式得到旁通道出口面平均马赫数M₂，总静压关系式为：

通过旁通道出口处的马赫数M₂计算得到旁通道出口处的气流速度v₂，计算公式为：

v₂＝c₂*M₂

其中c₂为旁通道出口处声速，T₂为旁通道出口处温度，T^*为环境温度；

通过第二砂尘浓度测量探针(12)测量出旁通道出口处的砂尘浓度C₂，计算得旁通道出口处的砂尘质量m₂，计算公式为m₂＝A₂v₂C₂t₂，其中A₂为旁通道出口面积，t₂为旁通道探针感应到砂尘的总时间；

粒子分离器的砂尘分离效率η为：

在本实施方式中，由于取相同时间段内的浓度数据，即t₁＝t₂，因此上式可写为：

针对本发明，采用数值仿真方法对上述技术方案的效果进行验证，模拟了典型工况下粒子分离器的流场特性，并作出了入口浓度测量位置处的速度剖面，由图7可知，实验段入口处的主流速度基本保持不变，实验段入口流场品质满足实验要求。

另外，本发明的具体实现方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于静电感应的粒子分离器实验装置，包括振动筛网(1)、入口段、主通道出口段、旁通道出口段；主通道出口段与旁通道出口段同时与入口段的后端连通而形成一进两出的分叉管道结构，入口段的前端安装有整流唇口(2)，振动筛网(1)位于整流唇口(2)上游位置，其特征在于：入口段前端内部设有第一砂尘浓度测量探针(4)、入口总压测量探针(10)、入口静压测量探针(11)；旁通道出口段末端内部设有第二砂尘浓度测量探针(12)、旁通道出口总压测量探针(13)、旁通道出口静压测量探针(14)。

2.根据权利要求1所述的粒子分离器实验装置，其特征在于：粒子分离器包括观察侧壁(3)、粒子分离器下壁面(5)、粒子分离器上壁面(7)以及粒子分离器分流器(6)，粒子分离器入口宽高比为2：1。

3.根据权利要求1所述的粒子分离器实验装置，其特征在于：整流唇口(2)、主流出口转接段(8)以及旁流出口转接段(9)采用增材制造技术一体加工。

4.根据权利要求1所述的粒子分离器实验装置，其特征在于：主通道转接段进出口面积比为1：1，旁通道转接段进出口面积比为1：2。

5.根据权利要求1所述的粒子分离器实验装置，其特征在于：主通道转接段出口直径为100mm；旁通道转接段出口直径为90mm；第一砂尘浓度测量探针(4)距离粒子分离器主体入口处的距离为40mm；第一砂尘浓度测量探针(4)伸入入口段内部的感应部分长度大于75mm而小于80mm，感应部分的长度占入口段入口处高度的比例大于90％而小于97％。

6.根据权利要求1所述的粒子分离器实验装置，其特征在于：入口总压测量探针(10)设有两个并分别位于第一砂尘浓度测量探针(4)的两侧，且每个入口总压测量探针(10)与第一砂尘浓度测量探针(4)的距离为40mm；入口静压测量探针(11)同样具有两个且与两个入口总压测量探针(10)前后位置一一对应设置，每个入口静压测量探针(11)到对应的入口总压测量探针(10)的流向距离为20mm。

7.根据权利要求6所述的粒子分离器实验装置，其特征在于：旁通道出口总压测量探针(13)设有两个并分别位于第二砂尘浓度测量探针(12)的两侧，且每个旁通道出口总压测量探针(13)与第二砂尘浓度测量探针(12)的距离为40mm；旁通道出口静压测量探针(14)同样具有两个且与两个旁通道出口总压测量探针(13)前后位置一一对应设置，每个旁通道出口静压测量探针(14)到对应的旁通道出口总压测量探针(13)的流向距离为20mm。

8.根据权利要求1所述的粒子分离器实验装置，其特征在于：第二砂尘浓度测量探针(12)伸入旁通道出口段的感应部分长度大于31.5mm而小于34mm，第二砂尘浓度测量探针(12)伸入旁通道出口段的感应部分的长度占旁通道出口处高度的比例大于90％而小于97％。

9.根据权利要求1所述的粒子分离器实验装置，其特征在于：观察侧壁(3)为透明亚克力材料制作。

10.一种使用根据权利要求1至9任一项所述的粒子分离器实验装置的砂尘分离效率测量方法，其特征在于：

通过入口总压测量探针(10)、入口静压测量探针(11)测量值得到入口处的总压静压P₁，通过总静压关系式得到入口总压测量探针(10)平面的面平均马赫数M₁，总静压关系式为：

通过入口处的马赫数M₁计算得到入口处的气流速度v₁，k为比热比，计算公式为：

v₁＝c₁*M₁

其中c₁为入口处声速，T₁为入口处温度，T^*为环境温度，R为空气比气体常数；

通过第一砂尘浓度测量探针(4)测量出入口处的砂尘浓度C₁，计算得入口处的砂尘质量m₁，计算公式为m₁＝A₁v₁C₁t₁，其中A₁为粒子分离器入口面积，t₁为投砂时间；

通过旁通道出口总压测量探针(13)、旁通道出口静压测量探针(14)测量值得到出口处的总压静压P₂，通过总静压关系式得到旁通道出口面平均马赫数M₂，总静压关系式为：

k为比热比；

通过旁通道出口处的马赫数M₂计算得到旁通道出口处的气流速度v₂，计算公式为：

v₂＝c₂*M₂

其中c₂为旁通道出口处声速，T₂为旁通道出口处温度，T^*为环境温度，R为空气比气体常数；

通过第二砂尘浓度测量探针(12)测量出旁通道出口处的砂尘浓度C₂，计算得旁通道出口处的砂尘质量m₂，计算公式为m₂＝A₂v₂C₂t₂，其中A₂为旁通道出口面积，t₂为旁通道砂尘感知探针感知到砂尘的总时间；

粒子分离器的砂尘分离效率η为：