测量喷气Z箍缩负载的气流马赫数

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1、第14卷　第5期强激光与粒子束Vol.14,No.52002年9月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSSep.,2002文章编号:100124322(2002)0520771204X测量喷气Z箍缩负载的气流马赫数邹晓兵,　王新新,　罗承沐,　韩　日(清华大学电机系,北京100084)　　摘　要:利用双压力传感器的方法测量了喷气Z箍缩负载的气流马赫数。测量得到的气流马赫数最高可达到4.25,它和定常计算的结果4.8很接近,这表明可以用定常计算来估算喷气Z箍缩中超声速喷嘴产生的气流马赫数。　　关键词:喷气

2、型Z箍缩;超音速喷嘴;气流马赫数;压力传感器　　中图分类号:TL503.3;TN78文献标识码:AZ箍缩是非常好的脉冲X射线源。我们在文献[1]中提高:Z箍缩负载的质量线密度必须和脉冲驱动源相匹配,以得到最佳的X射线辐射。对于喷气Z箍缩(gaspuffZ2pinch),还要求超音速喷嘴喷出的负载气流具有较高的马赫数。因为,喷出的气流层沿Z轴方向前进的同时,将向径向(r方向)扩散。这使得气流层呈喇叭形状:喷嘴端(Z2pinch的一个电极)气流层薄并且半径较小;与喷嘴相对的另一电极端气流层厚并且半径较大。Z2pinch对这种喇叭

3、状的气体负载放电时,将使得等离子体箍缩轴向不同步,即越靠近喷嘴端的等离子体层越[2,3]早抵达轴线,这种现象被称为“拉锁效应”(zipperingeffect),它不利于产生最佳的X射线辐射。显然,当超音速喷嘴喷出的负载气流具有较高的马赫数时,它们抵达对面电极所需的时间较短。因而,负载气流层的扩散也就较小。　　我们利用传统的双压力传感器方法,测量了中国工程物理研究院“阳”加速器驱动的喷气Z箍缩的负载气流马赫数,并和喷嘴设计时计算得到的气流马赫数进行了比较。1　实验装置　　图1是用双压力传感器方法测量超音速喷嘴负载气流马赫数的

4、原理图。喷嘴系统的结构和工作原理在文献[1]中有详细的介绍,在此不作重复。Fig.1DeterminationofMachnumberofthegasflowfromasupersonicnozzle图1　用双压力传感器测量超音速喷嘴产生的气流马赫数的原理图　　压力传感器布置如图1所示。将一压力传感器安装在喷嘴驻室侧壁的测压孔内,另一压力传感器正对喷嘴出口放置。实验采用的压力传感器是由北京空气动力研究所提供的美国kullite型压力传感器,其测量精度为0.3%,频率响应100kHz,传感器头部直径为2.3mm。放大器为日本产

5、CDV/CDA2700A型动态应变仪,放大精度为0.1%。数据采集是用HP54512数字存储示波器完成的。X收稿日期:2001211227;修订日期:2002202225基金项目:国家自然科学重点基金资助课题(10035030)作者简介:邹晓兵(19672),男,博士研究生,从事脉冲功率技术和Z2pinch研究;e2mail:wangxx@mail.tsinghua.edu.cn。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.772强激光与粒子束

6、第14卷　　双压力传感器方法的理论依据是:激波两侧压强之比、密度之比、温度之比和滞止压强之比都只是上游马赫数的法向分量的函数。从图2的波阵面示意图可以看出,上游马赫数的法向分量M1n为M1n=M1sinβ(1)Fig.2Wavefrontdiagram图2　波阵面示意图　　如果认为气体是理想气体,并利用形成片状射流过程的等熵公式,最后可以得到确定气流马赫数所需的公[4]式,即γ2p01(γ-1)M1n+2γ-12γ2γ-112(γM1n-)γ-1(2)p02(γ+1)M1n+1γ+1上式中:p01和p02分别为激波前后的滞止

7、压强;γ是比热比。　　可见,激波两侧滞止压强之比也只是上游马赫数的法向分量的函数。如图2所示,由于波后压力传感器为一钝头体,在其头部产生的激波为一道正激波(β=90°),所以M1n=M1,即此时激波两侧滞止压强之比就是上游马赫数的函数。而试验中测量的正是激波前后的滞止压强(p01和p02),经迭代算出上游马赫数,即超音速喷嘴出口流场马赫数。　　需要说明的是,由于驻室压力传感器安装在驻室侧壁上,其所测量的压力并不是严格意义上的总压。但由于驻室内气体流速较低(最大约70m/s),所以传感器所测压力与总压力非常接近。这一点可以用下

8、述公式加以说明。γ-pγ+12(γ-1)=1+M(3)p02式中:p为传感器所测压力;p0为驻室总压力(严格意义上)。　　驻室内气体流速按70m/s算,驻室内当地音速为343m/s,所以M=0.204,代入公式(3)中可得:p/p0=0.966。而在实际情况中,由于壁面附面层的影响,安装压