Способ программируемого отбора кластеров из сверхзвукового потока и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к исследованию процессов кластерообразования и получению кластеров металлов и сплавов в сверхзвуковом сопле плазмогазодинамической установки. В способе отбора используют сверхзвуковое плоское сопло с отверстиями в его стенках, расположенными под углом 30-40° для создания сверхзвукового течения. Отбор кластеров из сверхзвукового потока осуществляют при помощи вращающегося заборника с подложкой и путем поворота потока в отверстия заборника в волне разрежения Прандтля-Майера. Устройство содержит плоское сопло и заборники кластеров с подложкой, установленные на боковых стенках сопла с наружной стороны. Оси заборников расположены в одной плоскости. Каждый заборник выполнен в виде полого цилиндра с отверстиями по образующей. Число рядов отверстий равно числу отверстий на боковых стенках сопла. Оси отверстий в стенках сопла расположены под углом 30-40° к оси потока. Подложки установлены в отверстиях цилиндра. Заборники установлены в герметичных камерах. Изобретение позволяет проводить программируемый отбор кластеров из любой зоны сверхзвукового потока одновременно из нескольких точек там, где происходят процессы конденсации и кластерообразования без их распада на отдельные молекулы и коагуляции во фрактальные структуры. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области исследования процессов кластерообразования и получения кластеров металлов и сплавов в сверхзвуковом сопле плазмогазодинамической установки.

Известен способ отбора аэрозольных частиц из струи ракетного двигателя [1] , с помощью которого обеспечивают вакуумирование изолированного от анализируемой среды объема, отсос через капиллярную трубку конденсированных частиц и их осаждение на подложку.

Этот способ не обеспечивает стабильности кластеров металлов или сплавов, сконденсировавшихся в сверхзвуковом потоке, т.к. при отсосе через капиллярную трубку может происходить процесс коагуляции кластеров с образованием фрактальных структур с последующим превращением их в ультрадисперсные частицы. Помимо этого, капиллярная трубка, установленная в сверхзвуковом потоке, существенно искажает газодинамическую структуру течения с образованием скачков уплотнения, что влияет на процессы конденсации, а следовательно, и на процессы кластерообразования. Способ не позволяет производить отбор кластеров одновременно из нескольких точек сверхзвукового потока, что существенно ограничивает его возможности.

Из известных способов наиболее близким является методика отбора проб для определения дисперсности частиц металла, образовавшихся в сверхзвуковом потоке при расширении в сопле [2]. Отбор осуществляется заборником, в котором поддерживается давление, равное давлению в струе исследуемого потока с частицами. Отбор проб частиц металла осуществляется из сверхзвуковой струи на некотором расстоянии от среза сопла.

Недостатком этого способа отбора частиц является невозможность отбора частиц (кластеров) непосредственно из сверхзвуковой части сопла, т.е. из тех зон, где происходят процессы конденсации и кластерообразования. Кроме того, с помощью этого способа невозможно производить отбор кластеров одновременно из нескольких точек сверхзвукового потока.

Устройство [1] состоит из заборника частиц, который связан с анализируемой средой жаропрочной капиллярной трубкой и в котором установлена подложка, имеющая возможность двигаться.

Конструкция этого устройства не позволяет проводить отбор частиц (кластеров) непосредственно из зоны конденсации, тем более из нескольких точек одновременно, как в поперечном сечении, так и вдоль сверхзвукового потока.

Известное устройство [2] содержит сопло, заборник частиц, установленный на некотором расстоянии по потоку от среза сопла и состоящий из цилиндра и коллектора с прикрепленными к нему подложками. Цилиндр с двумя ориентированными щелями на боковой поверхности и коллектор, помещенный внутрь цилиндра, имеют возможность вращаться с разной скоростью от электродвигателя с редуктором.

Это устройство также не позволяет отбирать частицы (кластеры) из любой зоны сверхзвукового потока одновременно из нескольких точек.

Задача изобретения - возможность отбора кластеров из любой зоны сверхзвуковой части сопла одновременно из нескольких точек при минимальном воздействии на кластеры, не приводящие к их распаду или коагуляции.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе отбора кластеров из сверхзвукового потока заборником с подложкой отбор производят из любой зоны сверхзвуковой части сопла одновременно из нескольких точек потока при вращении заборника вокруг своей оси.

Поставленная задача решается также тем, что в известном устройстве, содержащем сопло, заборник кластеров с подложкой, сопло выполнено плоским, на боковых его стенках с наружной стороны установлены заборники в герметичных камерах, при этом оси заборников лежат в одной плоскости, кроме того, каждый заборник выполнен в виде полого цилиндра с отверстиями по образующей, число рядов которых равно числу отверстий на боковых стенках сопла, оси которых расположены под углом 30-40^o к оси потока, а в отверстиях цилиндра установлены подложки. Целесообразно оси заборников сместить относительно друг друга в пределах исследуемой зоны.

Способ основывается на применении плоского сверхзвукового течения, реализуемого в плоском сопле с боковыми съемными стенками, в которых можно изготовить отверстия любой ориентации для программируемого отбора кластеров из исследуемой зоны сопла. Поскольку ширина проточной части сопла равна диаметру критического сечения сопла, то газодинамические параметры по ширине сопла практически не изменяются. Таким образом, кластеры, отбираемые из исследуемой зоны плоского сопла, будут иметь минимальный разброс по размерам. В то же время для того, чтобы кластеры не подвергались воздействию ударных волн и скачков уплотнения в момент их отбора из сверхзвукового потока, отверстия в стенках сопла изготовлены под углом 30-40^o к оси потока. В этом случае поворот потока в отверстия происходит плавно в волне разрежения Прандтля-Майера. Кроме того, способ позволяет отбирать кластеры одновременно из нескольких точек потока, используя вращающийся вокруг своей оси заборник.

На фиг. 1 и на разрезе фиг.2 изображено устройство для программируемого отбора кластеров из сверхзвукового потока. На фиг.2 - выполнение заборников с осями, смещенными относительно друг друга. На фиг.3 - выполнение заборников с осями, лежащими в одной плоскости.

Устройство содержит сопло 1 с боковыми стенками 2 и 3, на которых изготовлены наклонные отверстия 4. На стенках 2 и 3 установлены герметичные камеры 5 с размещенными в них заборниками 6, в которых по образующей цилиндра выполнены несколько рядов отверстий 7 с установленными в них подложками 8. С одной стороны заборник 6 соединен с электродвигателем и редуктором 9, а с другой полость заборника соединена с вакуумным насосом трубопроводом 10.

Устройство работает следующим образом.

До эксперимента производится настройка сопла. С этой целью на боковых стенках 2 и 3 сверлятся отверстия и выполняется выборка 11 с радиусом, равным радиусу цилиндра заборника 6. Расположение отверстий 4 должно соответствовать расположению точек отбора кластеров из исследуемой зоны потока, а их число должно быть равно числу рядов отверстий 7 на цилиндре заборника. Затем стенки стягиваются винтами, к ним прикрепляются камеры 5 с заборниками 6, стыкуются электродвигатели с редукторами 9 и трубопроводами 10. После включения газодинамической установки и установления сверхзвукового режима течения включается электродвигатель, который через редуктор поворачивает заборник вокруг своей оси на один оборот. В момент совмещения отверстий 4 на стенках и отверстий 7 заборника происходит течение газа, транспортирующего кластеры в полость цилиндра заборника, в которой создается небольшое разрежение вакуумным насосом. Кластеры оседают на подложки, выполненные в виде втулок и установленные в отверстиях цилиндра заборника.

Описываемый способ и устройство для его осуществления позволяет проводить программируемый исследователем отбор кластеров из любой зоны сверхзвукового потока одновременно из нескольких точек там, где происходят процессы конденсации и кластерообразования без их распада на отдельные молекулы и коагуляции во фрактальные структуры. Широкий диапазон возможностей для отбора кластеров обеспечивается устройством, которое позволяет изменять взаимное расположение осей заборников и оси сопла в пределах от параллельного до перпендикулярного (угол α фиг. 1). Кроме того, заборники, расположенные на стенках сопла, могут быть сдвинуты относительно друг друга (см. фиг.2) в пределах исследуемой зоны, для того, чтобы расширить возможность отбора кластеров из максимального числа точек потока. Способ и устройство позволяют отбирать кластеры как в стационарном режиме, так и для нестационарных режимов истечения, поскольку в одной плоскости заборника расположено несколько отверстий. Помимо этого, имеется возможность регулировать скорость вращения и направление вращения заборника.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ 1. Заявка РФ на изобретение N 93038339/05 от 27.07.93 г., G 01 N 1/22, БИ N 13 от 10.05.96.

2. Макбрайд, Шерман. Определение размеров частиц конденсации цинка при помощи методики дискретного отбора. Ракетная техника и космонавтика, том 10, N 8, 1972. (Прототип).

Формула изобретения

1. Способ программируемого отбора кластеров из сверхзвукового потока посредством сопла и вращающегося заборника с подложкой, отличающийся тем, что используют плоское сопло с отверстиями в его стенках, расположенными под углом 30 - 40^o для создания плоского сверхзвукового течения, а отбор кластеров из сверхзвукового потока осуществляют путем поворота потока в отверстия заборника в волне разрежения Прандтля-Майера.

2. Устройство для программируемого отбора кластеров из сверхзвукового потока, содержащее сопло и заборники кластеров с подложкой, установленные в герметичных камерах, отличающееся тем, что сопло выполнено плоским, а заборники установлены на боковых его стенках с наружной стороны и их оси расположены в одной плоскости, причем каждый заборник выполнен в виде полого цилиндра с отверстиями по образующей, число рядов которых равно числу отверстий на боковых стенках сопла, при этом оси отверстий в стенках сопла расположены под углом 30 - 40^o к оси потока, а подложки установлены в отверстиях цилиндра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3