CN101936865B - 一种适用于单相流动型流体的密度测定方法及其测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于单相流动型流体的密度测定方法及其测定装置，其中，该密度测定方法基于流体力学中的恒定流质量守恒原理，主要通过利用实验段进出口热电偶响应的时间差来计算单相流体在实验段内的流动速度，病测定质量流量及其他相关数据，最后计算得到单相流体的密度。应用该方法的测定装置，通过内部抽取真空，并在真空腔内部设置遮热屏，实验段放置在遮热屏里，有效减小对流换热热损失和辐射热损失，能够获得较为准确的密度实验数据。本发明方法操作简单方便，适用于各种压力及温度下单相流体密度的测量。

Description

一种适用于单相流动型流体的密度测定方法及其测定装置

技术领域

本发明涉及一种适用于单相流动型流体密度测定的方法，该方法基于流体力学恒定流质量守恒定律来测定不同压力及温度下单相流体的密度，主要应用于航空航天以及石油化工等缺少碳氢燃料物性数据的相关领域。

背景技术

随着航空发动机涡轮前温度和压气机增压比的提高，从压气机后级引出的冷却空气温度也逐渐提高，这将导致冷却气体的冷却品质降低，给发动机热端部件的冷却带来极大的挑战。在冷气用量和冷却结构在短时间内无法大幅改变的情况下，利用航空燃料的高热沉的特性对冷却气体进行冷却，降低冷却气体的温度，不仅可以提高冷却气体的冷却品质，同时，还有利于航空燃料的雾化和燃烧，带来了较大的有效利用空间。但是，目前国内超临界压力下航空煤油物性数据还极其缺乏，严重制约了超临界压力下航空煤油流动与换热特性的基础研究及在各个领域的工程应用，这就需要有针对超临界压力下航空煤油物性数据测量的方法或者装置。而目前存在的各种密度测试方法中属静态测量方法精度最高，但其主要应用于低温低压下的测量，若将其应用到高温高压情况下则实现其测试的测试装置及设备均十分复杂和昂贵，而精度同样很高的振动法虽然可以进行高压情况的测量，但因其振动传感器不能在高温下运行从而也限制了它在工程上的应用。目前应用较多的γ射线法虽然可进行高温高压的测量，但其要求所测量的介质密度不能太小，否则会引起很大误差，甚至可能会出现测量结果为负值的情况，而碳氢燃料达到超临界状态以后，其密度变化很大，已经超出γ射线所能测量的范围，并且γ射线会产生较强的辐射，影响人体的身心健康。

发明内容

本发明针对在超临界压力下航空煤油物性数据测量所需装置十分复杂和昂贵，以及高温高压下密度测量不准确的问题，提供一种适用于各种压力及温度下单相流动型流体的密度测定方法，并研制了测试装置，该装置通过内部抽取真空，并在真空腔内部设置遮热屏，可以有效减小实验过程中的对流换热热损失和辐射热损失，以便获得较为准确的密度实验数据，为碳氢燃料的科学研究及工程应用提供有力依据。

一种适用于单相流动型流体的密度测定方法为：首先采用热电偶测量单相流体从实验段进口流到实验段出口所需要的时间t，同时通过质量流量计测出流体的质量流量

然后用卡尺测出实验段的内径H与实验段的长度L，进一步得到流道截面积

最后根据流体力学中质量流量定义得到单相流体的密度

所述单向流体在实验段内部的流动视为等温绝热流动。

使用上述密度测定方法的一种适用于单相流动型流体的密度测定装置，包括真空腔和测量部分，其中，测量部分包括热电偶、三通接头、金属网、实验段、转接管及引管；

所述的实验段放置在真空腔内部，实验段两端通过转接管各连接有一个引管，在两个转接管中实验段与引管连接处的周向平面上各放置有一金属网，转接管连接实验段及引管的地方用氩弧焊焊接密封；

所述的引管穿出真空腔两端的端盖，引管与端盖的连接处焊接密封；两个引管采用螺纹或者焊接方式连接一个三通接头；两个热电偶分别通过两个三通接头插入引管中，所述热电偶与金属网接触，热电偶采用螺纹卡套式接头与三通接头连接；

所述的真空腔由端盖、真空腔外壳以及遮热屏组成；所述的真空腔外壳的两端各焊接有一端盖，真空腔外壳上加工有一端口用于连接真空泵；所述的遮热屏置于真空腔外壳与实验段之间，并被端盖中的定位槽卡住，遮热屏上加工有孔，用于连通遮热屏内外两侧。

所述的三通接头未使用的端口，一个用于流体流入口，一个用于流体流出口。

所述的流体在实验段内部的流动可视为等温绝热流动。

本发明的优点与积极效果在于：

(1)采用流动法测定单相流体的密度，实验操作简单方便，适用于各种压力及温度下单相流体密度的测量，而静态测量方法如果不对实验设备进行大幅改动的话只能测量低温低压下流体的密度，本发明的方法为中等测试精度，对测试设备的要求不高，克服了静态测量方法在高温高压下流体密度测量的缺陷。

(2)本发明装置的实验段在真空环境下进行，并采用遮热屏，有效降低了气体导热和对流换热热损失以及辐射热损失。

(3)本发明装置可以测定高温(≤800℃)高压(≤100MPa)下单相流体的密度，测定范围相对现有的实验设备有大幅度提高，该装置如果采用耐温耐压性能更好的材料以及用于更高温度测量的热电偶还可将测定范围继续提升。

附图说明

图1为本发明的密度测定方法的流程图；

图2为本发明的密度测定装置的剖面示意图。

图中：

1.热电偶	21.三通接头A	22.三通接头B	3.金属网	4.实验段
					5.遮热屏	6.真空腔外壳	7.转接管	8.引管	9.端盖

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明的密度测定方法：采用热电偶测量单相流体从实验段进口流到实验段出口所需要的时间t，流体的质量流量

通过质量流量计测出，实验段的内径H与实验段的长度L由卡尺测出，根据流体力学中恒定流质量守恒定律得到单相流体的密度

流体力学中关于恒定流质量流量的定义为：

其中为质量流量，国际单位为kg/(m³h)，ρ为流体密度，U为流体速度，A为流道截面积，

而流体的流动速度U可由流道的长度以及流体流过流道所需的时间计算得出，于是便有：

其中，L为流道长度，t为流体的流动时间。

该方法的测试原理为流体力学中的恒定流质量守恒原理，因此可适用于各种温度及压力下单相流体的测量。该测试方法为中等测试精度，对测试设备的要求不高，同时不会产生任何辐射，从而较宜在工业及学校进行推广。

本发明一种应用上述密度测量方法的单相流动型流体的密度测定装置，包括两部分：真空腔和测量部分，如图2所示，真空腔包括端盖9、真空腔外壳6和遮热屏5，测量部分包括两个热电偶1、两个三通接头(三通接头A21与三通接头B22)、两个金属网3、一个实验段4、两个转接管7及两个引管8。该装置建议竖直使用，并且保证将实验段4内气体排尽后流体从上往下流，因为在达不到完全绝热的情况下，进口的温度要略高于出口温度，热流体朝上将会减小浮升力对流体间导热的影响，从而使测量精度达到最高。

如图2所示，实验段4两端分别插接一个转接管7，在两个转接管7的另一端各插有一个引管8，在两个转接管7中实验段4与引管8连接处的径向的沉孔定位平面上都设置有金属网3，用氩弧焊焊接密封转接管7连接实验段4及引管8的地方。

将一端盖9与真空腔外壳6焊接起来，将已焊接好的实验段4及引管8整体装入真空腔中，将位于与真空腔外壳6已焊接的端盖9一端的引管8从该端盖9中穿出一部分，焊接引管8与端盖9连接处，穿出端盖9的引管8部分与三通接头B22采用螺纹连接或者采用焊接方式连接，保证耐压要求，例如，现有的螺纹卡套式接头密封一般可达到23MPa的压力，精密焊接可以承受更高的压力，如果压力达到50MPa以上可按照国际惯例2006年宁夏大地出版社出版的《最新压力容器设计手册》对压力容器进行设计或选型。将遮热屏5装入真空腔内，并卡入已与真空腔外壳6已焊接的端盖9中的定位槽中。

将另一端盖9套入处于真空腔外壳6开口一端的引管8，该端盖9中的定位槽卡住真空腔内装入的遮热屏5，焊接该端盖9与真空腔外壳6及引管8连接处，穿出该端盖9的引管8的部分通过螺纹连接或者焊接一个三通接头A21。

两个热电偶1分别通过三通接头A21与三通接头B22插入引管8中，并与金属网3接触，热电偶1与三通接头2的连接处采用螺纹卡套式接头连接。

所述真空腔外壳6可采用市场已有的标准管件，如图2中所示，真空腔外壳6上加工有一个E端口，用于连接真空泵。所述遮热屏5开有孔，连通遮热屏5的内外两侧，以保证抽取真空时遮热屏内部的空气也能被抽尽。

本实施例中真空腔外壳6、遮热屏5、引管8以及实验段4均为圆管状。

本发明的密度测试装置装配完成后，在E端口接入真空泵以抽取真空，真空度主要取决于真空泵的抽取能力，建议真空腔内压力在100Pa以内，以尽可能减小热损失，提高各温度点下密度的测试精度。

采用真空腔绝热可使气体导热及对流换热降至最低限度，在真空腔内部加装遮热屏5用于有效降低辐射热损失，实验段4处于真空腔内部，因此流体在实验段4内部的流动可视为等温绝热流动，如图2所示，流体从A进口经三通接头2及引管8后流到B点时，经B点处的金属网3整流均温，与B点处的金属网3接触的热电偶1首先发生响应，此时时间记为t₁，当流体进一步流到C点时，经过C点处的金属网3整流均温，与C点处金属网3接触的热电偶1发生响应，此时时间记为t₂，则流体在实验段4的流动时间t＝t₂-t₁，流体流过C点后经引管8和三通接头2后从D口流出，流体的质量流量可以通过质量流量计测出，实验段4的长度L及内径H均可由卡尺测出，L也等于为B点与C点之间的距离，据此便可计算出流体的密度。热电偶1采用的是工业I级精度K型热电偶。

由于该测量方法是瞬态测试，因此热电偶1要选择响应时间比较快的型号，热电偶1的采集频率不应低于50H Z，另外，在测试过程中，应该保证实验段4内的雷诺数大于2300，如果能超过3000则更好，由雷诺数的计算公式

其中，Re表示雷诺数，μ为流体的运动粘度，d为实验管内径，在本实施例中，d等于实验段4的内径H，由该式可知确保雷诺数主要是要选择一个合适的质量流量与管径。保证实验段4内的雷诺数大于2300，可以使热电偶1的响应时间变得更短，削弱由于液体导热引起的测试误差，最后记录完B点和C点的热电偶1随时间的响应曲线后，最好对曲线进行瞬态修正，减小由于热电偶响应时间滞后所引起的时间误差。此外，热电偶的响应时间差越短，要求的采集频率越高，因此建议响应时间差控制在1s以上，这样可以减小时间测量误差所带来的影响。经试验本发明的密度测试装置经低温下(＜160℃)的密度标定实验后其测量误差为1％。

需要注意的是本发明的密度测定方法及其测定装置不适宜于测量气液两相及多相流体的密度。

Claims (8)

1.一种适用于单相流动型流体的密度测定方法，其特征在于，首先采用热电偶测量单相流体从实验段进口流到实验段出口所需要的时间t，同时通过质量流量计测出单相流体的质量流量

所述实验段处于绝热状态，单相流体在实验段的流动为等温绝热流动；然后用卡尺测出实验段的内径H与实验段的长度L，进一步得到流道截面积

最后根据流体力学中恒定流质量流量定义，得到单相流体的密度

2.根据权利要求1所述的一种适用于单相流动型流体的密度测定方法，其特征在于，所述的单相流体为航空煤油。

3.一种用于实现权利要求1所述的密度测定方法的密度测定装置，其特征在于，该密度测定装置包括真空腔和测量部分，其中，测量部分包括热电偶、三通接头、金属网、实验段、转接管及引管；

所述的实验段放置在真空腔内部，实验段两端通过转接管各连接有一个引管，在两个转接管中实验段与引管连接处的沉孔定位平面上各设置有一金属网，转接管连接实验段及引管的地方焊接密封；

所述的引管穿出真空腔两端的端盖，引管与端盖的连接处焊接密封；两个引管采用螺纹或者用焊接方式分别连接一个三通接头；两个热电偶分别通过两个三通接头插入引管中，与所述金属网接触，热电偶采用螺纹卡套式接头与三通接头连接；

所述的真空腔由端盖、真空腔外壳以及遮热屏组成；所述的真空腔外壳的两端各焊接有一端盖，真空腔外壳上加工有一端口用于连接真空泵；所述的遮热屏位于真空腔内部，且将置于真空腔的测量部分包围，并被端盖中的定位槽卡住，遮热屏上加工有孔，用于连通遮热屏内外两侧；

所述的三通接头未使用的端口，一个用于单相流体流入口，一个用于流体流出口。

4.根据权利要求3所述的一种适用于单相流动型流体的密度测定装置，其特征在于，所述的热电偶采用工业I级精度K型热电偶，且其采集频率≥50HZ。

5.根据权利要求3所述的一种适用于单相流动型流体的密度测定装置，其特征在于，所述的实验段，其内的雷诺数＞2300。

6.根据权利要求3所述的一种适用于单相流动型流体的密度测定装置，其特征在于，所述的真空腔，其内压力＜100Pa。

7.根据权利要求3所述的一种适用于单相流动型流体的密度测定装置，其特征在于，所述的密度测定装置竖直使用，单相流体从上往下流。

8.根据权利要求3所述的一种适用于单相流动型流体的密度测定装置，其特征在于，所述的焊接采用氩弧焊焊接。

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