CN103728193A

CN103728193A - 一种可视化小型流体汽蚀测试装置

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Publication number: CN103728193A
Application number: CN201310714922.4A
Authority: CN
Inventors: 张小斌; 朱佳凯; 张伟; 熊炜; 陈建业
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2014-04-16

Abstract

本发明公开了一种可视化小型流体汽蚀测试装置，包括可视化测试单元以及向该可视化测试单元提供测试介质的供液单元；所述可视化测试单元包括：真空箱；位于真空箱内的汽蚀部件；位于真空箱内用于采集汽蚀部件实时图像的摄像机；位于真空箱内用于采集测试介质流量的流量计。所述供液单元包括：测试介质储罐；压力源；连通在测试介质储罐和压力源之间的导气管；连通在测试介质储罐和汽蚀部件之间的输液管。本发明可视化小型流体汽蚀测试装置结构简单，绝热效果好，性能稳定，测试数据准确，成本低廉，可供实验人员在普通实验室使用。

Description

一种可视化小型流体汽蚀测试装置

技术领域

本发明涉及航空航天与制冷低温工程技术领域，尤其涉及一种可视化的小型低温汽蚀测试装置。

背景技术

在航空航天领域，液氧和液氢被认为是火箭发射的理想燃料，但其在机械部件中流动时，在某些区域由于压力降低到接近或低于温度对应的饱和压力而发生汽化，称为汽蚀现象。

文氏管具有出口压力在一定范围内变化，流体流量几乎不变的特点，因而在大推力火箭发动机系统上，用于精确控制液氢/液氧流量。在文氏管喉部，流体由于静压低于温度对应的饱和压力而产生汽蚀现象。与水的汽蚀过程不同，低温流体的液体/蒸汽密度比相对于水的液体/蒸汽密度比小约两个数量级，使得相变潜热引起的“热效应”不能忽略。因此，低温流体的汽蚀特性具有更加复杂的机理，使得原来用于室温流体文氏管流量计算的伯努利（Bernoulli）方程在计算低温流体（如液氢/液氧）文氏管流量计算时产生较大误差。因此，为了减少火箭发动机飞行过程中实际流量与计算流量的误差，必须了解文氏管中低温流体的汽蚀特性及其对流量的影响。另外，低温汽蚀现象的存在不仅与火箭发动机的运行性能和安全性相关，还伴随着如噪声、振动及表面破坏等显著的负面效应。

因此，对低温液体汽蚀的深入理解和准确预测有利于航天器推进系统的优化设计。然而，由于低温液体（如液氮/液氢）温度往往低于120K,其相应的汽蚀测试装置应具有良好的绝热设计，以避免漏热对汽蚀的影响，常温液体（如水）的汽蚀测试装置显然已不能满足这方面的要求。

公开号为CN102425540A的中国专利文献公开了一种适用于水泵试验台进行水泵测试用的汽蚀罐，该装置重点在于水汽蚀的测试，没有有效的绝热措施，不适用于低温液体汽蚀测试。

公开号为CN102116723A的中国专利文献公开了一种研究涂层抗汽蚀性能的实验装置，在密闭的箱体里，具有高温高压性质的液滴与高速旋转的试样撞击，模拟叶片汽蚀现象。但该装置并不涉及低温液体汽蚀的测试。

美国NASA对低温液体的汽蚀现象开展了大量的研究，结果显示低温流体的空泡长度比水减少20%-40%。其实验装置使用了大管径的流道和低温泵，组成闭合环路，结构复杂，并需要大量的低温流体，不适用于普通实验室的小型化实验研究。

发明内容

本发明提供一种可视化小型流体汽蚀测试装置，结构简单，便于在普通实验室使用，使用过程稳定，测试数据准确。

一种可视化小型流体汽蚀测试装置，包括可视化测试单元以及向该可视化测试单元提供测试介质的供液单元；

所述可视化测试单元包括：

真空箱；

位于真空箱内的汽蚀部件；

位于真空箱内用于采集汽蚀部件实时图像的摄像机；

位于真空箱内用于采集测试介质流量的流量计；

所述供液单元包括：

测试介质储罐；

压力源；

连通在测试介质储罐和压力源之间的导气管；

连通在测试介质储罐和汽蚀部件之间的输液管。

为了避免测试介质的浪费降低实验成本，本发明可视化小型流体汽蚀测试装置还包括回收单元，所述回收单元包括回收罐，所述回收罐通过一个设有阀门的管路与所述流量计的出口连通。

为了达到良好的绝热效果，使测试介质的温度保持恒定，避免测试介质流经输液管所述测试介质储罐为双层真空绝热储罐。

所述输液管带有外层套管，输液管与外层套管之间有一与真空箱内部连通的空间。另外，输液管产生的汽蚀会对汽蚀部件内的汽蚀产生干扰，为了避免这种干扰，优选的，输液管上不设置阀门。

所述汽蚀部件的材料为透明有机玻璃，且汽蚀部件的内部设有供测试介质流通的通道，摄像机能拍到汽蚀部件内发生的汽蚀现象。由于汽蚀现象的产生和消失时间非常短暂，优选的，所述摄像机为高速摄像机。

所述流量计通过管道连接在汽蚀部件的流体出口端，为了保证流量计测试结果更接近汽蚀部件内的流量值，流量计和的测试介质通道处在同一水平面上。

所述真空箱的箱壁设有带控制阀的抽真空接口，真空箱的箱壁嵌装有接线端口，所述摄像机以及流量计的电路引线分别连接至该接线端口。真空箱由两部分扣合而成，两部分之间采用法兰密封连接。

低温流体流经管道时，使管道温度急剧降低，热胀冷缩产生的应力对装置的气密性具有一定影响，因此，处在真空箱外的管道至少有一段为波纹段。

所述汽蚀部件和摄像机及流量计设置在真空箱内，能清晰地观察到汽蚀部件处的汽蚀现象，结合流量计采集的流量值，方便研究低温流体的汽蚀现象特点。

本发明可视化小型流体汽蚀测试装置结构简单，绝热效果好，性能稳定，测试数据准确，成本低廉，可供实验人员在普通实验室使用。

实施例附图

图1为本发明可视化小型流体汽蚀测试装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明可视化小型流体汽蚀测试装置做详细描述。

如图1所示为本发明可视化小型流体汽蚀测试装置，在图中，高压气罐1通过导气管2与测试介质储罐3连通，测试介质储罐3通过输液管15与汽蚀部件5连通，汽蚀部件5通过水平放置的管道与流量计6连通，流量计6通过管道与回收单元内的回收瓶13连接；

为保证低温液体压力源稳定可控，优选地，采用带有阀门17的高压气罐1作为压力源。

输液管15一端与汽蚀部件5连通，另一端置于测试介质储罐3内液面以下，高压气瓶1内的高压气体可稳定地将测试介质储罐3内的液体输送到汽蚀部件5内。

汽蚀部件5内部加工有流道，流体经过流道时，流道的部分区域可产生低压，当压力降低到接近或低于温度对应的饱和压力时，可发生汽蚀现象，又汽蚀部件5的材料为透明有机玻璃，因此摄像机7可拍摄到汽蚀部件5内发生的汽蚀现象。

为了避免外界温度对测试结果的影响，测试介质储罐3为双层绝热储罐。输液管15带有外层套管16，外层套管16与真空箱8相连，输液管15与外层套管16之间的空间与真空箱8内部连通。

低温流体流经输液管时，由于温度急剧降低，输液管收缩产生的应力对装置的气密性具有一定影响，因而部分输液管采用波纹管。

低温液体流经汽蚀部件8时，汽蚀部件8将被冷却至0摄氏度以下，若和环境直接接触，大量的水汽会在汽蚀部件外表面冻结，以致不能观察内部的汽蚀现象。汽蚀部件5和摄像机7同时置于真空箱8内，这样摄像机7可直接拍摄汽蚀部件5中发生的汽蚀现象而不是在真空箱外部隔着额外的视窗拍摄汽蚀，从而更加清晰准确地拍摄汽蚀现象的特征。

流量计内过多的气体会影响其测量的准确性，过多的热传递可导致汽蚀部件中汽蚀产生的原因很难准确描述，因此流量计和汽蚀部件以及它们之间的管道的绝热非常重要。汽蚀部件5和流量计6同时置于真空箱内，保证流量计6测得的流量值更更接近汽蚀部件5内的流量值。所用流量计为科里奥利质量流量计。

输液管15上不装阀门，可避免输液管15内发生的汽蚀对汽蚀部件5中汽蚀现象产生干扰。

真空箱8由两部分组成，为了方便安装，将真空箱分为上下两部分。安装时，先装好真空箱8内的汽蚀部件5和摄像机7及流量计6，将摄像机7和流量计6的电路引线通过接线端口10连接到真空箱8外部，用法兰11将真空箱8上下两部分密封连接，通过控制阀9将真空箱内部及输液管15与外层套管16之间抽真空，且真空层真空度小于10-5Pa。

输液管末端连接有作为回收单元的回收罐13，回收罐13设有排气口14，排气口14可将大气与回收罐13内部导通，使回收罐13内压力与大气压相同。

回收罐13与流量计6之间还设有阀门12，阀门12采用低温电磁阀，既保证在低温状态下能正常开闭，又方便操作时能通过控制器将摄像机7和阀门12同时打开。

操作时，待装置连接好并将真空箱8和输液管15与外层套管16之间抽真空后，通过充液口4将低温液体注入测试介质储罐3内，并关闭充液口4的阀门，打开阀门17和阀门12，高压罐向测试介质储罐3内注入高压气体，在气体压力作用下，测试介质储罐3内低温液体会流经汽蚀部件5、流量计6、阀门12，最后流入回收罐13。待低温液体流经部件充分预冷后，关闭阀门12，随后同时打开摄像机7和阀门12，即可拍摄到低温液体流动瞬间汽蚀部件5内发生的现象，同时从流量计6读取的数据与摄像机7所拍摄的现象相对应，便于分析低温流体的汽蚀特性及其对流量的影响。

Claims

1.一种可视化小型流体汽蚀测试装置，包括可视化测试单元以及向该可视化测试单元提供测试介质的供液单元，其特征在于，

所述可视化测试单元包括：

真空箱；

位于真空箱内的汽蚀部件；

位于真空箱内用于采集汽蚀部件实时图像的摄像机；

位于真空箱内用于采集测试介质流量的流量计；

所述供液单元包括：

测试介质储罐；

压力源；

连通在测试介质储罐和压力源之间的导气管；

连通在测试介质储罐和汽蚀部件之间的输液管。

2.根据权利要求1所述的可视化小型流体汽蚀测试装置，其特征在于，还包括回收单元，所述回收单元包括回收罐，所述回收罐通过一个设有阀门的管路与所述流量计的出口连通。

3.根据权利要求2所述的可视化小型流体汽蚀测试装置，其特征在于，所述的测试介质储罐为双层真空绝热储罐。

4.根据权利要求3所述的可视化小型流体汽蚀测试装置，其特征在于，所述输液管带有外层套管，所述输液管与外层套管之间有一与真空箱内部连通的空间。

5.根据权利要求4所述的可视化小型流体汽蚀测试装置，其特征在于，所述汽蚀部件的材料为透明有机玻璃。

6.根据权利要求5所述的可视化小型流体汽蚀测试装置，其特征在于，所述汽蚀部件和流量计通过管路连通，所述汽蚀部件和流量计的内部均带有水平布置的测试介质通道，两者的测试介质通道处在同一水平面上。

7.根据权利要求6所述的可视化小型流体汽蚀测试装置，其特征在于，所述真空箱的箱壁设有带控制阀的抽真空接口，真空箱的箱壁嵌装有接线端口，所述摄像机以及流量计的电路引线分别连接至该接线端口。

8.根据权利要求7所述的可视化小型流体汽蚀测试装置，其特征在于，所述真空箱由两部分扣合而成，两部分之间采用法兰密封连接。

9.根据权利要求8所述的可视化小型流体汽蚀测试装置，其特征在于，所述输液管处在真空箱外的部分至少有一段为波纹段。