CN104217632A - 高压汽液两相相分布特性实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压汽液两相相分布特性实验装置，包括加热管，加热管垂直布置，加热管包括一出口和一进口，加热管上开设有探针孔；还包括通过探针孔插入加热管内的光学探针；加热管固定在六自由度平台上。本发明的优点在于，通过本发明能够测量运动状态下的局部相界面参数。

Description

高压汽液两相相分布特性实验装置

技术领域

本发明涉及一种测量装置，尤其涉及一种用于汽液两相相分布的实验装置。

背景技术

汽液两相流在能源动力、核能、石油、化工、制冷及航空航天等工业领域广泛存在。汽液两相流动最为显著的特征之一就是时空尺度上局部参数分布的不均匀性，这一特性表现为汽液两相物质共存和运动所造成的系统内部不同区域各相的份额、流动参数等均存在差异。早期由于实验技术的制约，汽液两相流动的研究相对比较粗糙，在实验测量上主要针对总体平均参数，理论分析也多局限在均相流模型，这相当于忽略了分布的不均匀性。

随着研究的深入，研究者发现仅仅对总体平均参数的了解是不够的，汽液两相流动的不均匀性会严重影响流动、换热特性。特别值得指出的是，汽液两相流动局部参数及相分布特性的研究对两相流数理模型的建立意义尤为重大。建立、验证及发展两流体模型均需要两相流局部参数及其分布特性实验数据的支持。总之，两相流局部参数及其分布特性的研究对于认清两相流动基本现象和规律，建立、验证及改进相关理论和模型非常重要。

汽液两相流与沸腾换热不仅存在于静止条件下的工业设备中，船舶及航空航天工业领域也大量出现汽液两相流与沸腾换热，这些领域内的工况条件大多处于运动条件下。例如，在飞机着陆时，机体处于倾斜状态；在海洋环境中，核动力及常规动力船舶舰艇将受到风浪、洋流和暗涌的作用而产生非常复杂的运动状态。这些情况导致动力装置的工作状况处于三维空间六自由度单一或多种模式迭加的非均匀变速运动条件下，产生时空瞬变的外力场，动力设备中工质的两相流动换热特性可能会发生改变并直接影响动力装置的性能，进而会严重影响装置安全运行及经济性。

但已有对汽液两相流局部相界面参数和相分布规律的结论都是基于静止条件下获得的，其在运动条件下的适用性还尚待验证，对运动条件下汽液两相流相分布特性的认识还停留在比较笼统的定性水平，特别是对于倾斜、摇摆及深潜等典型海洋运动条件对汽液两相流局部相界面参数及相分布特性的影响机理缺乏研究，尚未形成系统的研究成果。因此，对海洋运动条件下汽液两相流局部相界面参数及相分布特性开展研究是很有必要的。

目前，实验研究工作都是局限在静止环境中，针对绝热条件下空气-水两相流动系统开展的，采用探针法（电导探针或光学探针）对气液两相流动局部参数进行测量，探究空气-水两相流动相分布特性。当前，缺乏能够获得不同运动环境及实现加热条件的汽液两相流动相分布特性研究的实验装置。

发明内容

本发明的目的即在于克服现有技术的不足，提供一种能够获得不同运动环境及实现加热条件的高压汽液两相相分布特性实验装置。    

本发明的目的通过以下技术方案实现：

高压汽液两相相分布特性实验装置，包括加热管，加热管垂直布置，加热管包括一出口和一进口，加热管上开设有探针孔；还包括通过探针孔插入加热管内的光学探针；加热管固定在六自由度平台上。

本发明在工作时，采用电加热方式加热加热管中的工质，产生汽液两相流，通过位于探针孔中的光学探针测量局部相界面参数。

同时，在测量过程中，通过六自由度平台带动加热管运动，从而模拟三维空间六自由度单一或多种模式迭加的非均匀变速运动条件下汽液两相流局部相界面的状态。

通过本发明能够测量运动状态下的局部相界面参数。

进一步的，所述加热管上开设有两个测压孔，其中一个测压孔位于所述探针孔上方，另一个测压孔位于探针孔下方；还包括设置于测压孔中的测压组件。

为了获得用于分析两相流压降特性与相分布特性关系的热工参数，为了推导获得截面平均空泡份额，并据此验证光学探针测量参数的准确性，设置用于测量局部压降的测压组件。 

进一步的，所述探针孔和所述测压孔的轴线与所述加热管的轴线垂直且相交。

探针孔和测压孔的轴线与加热管的轴线垂直，使得光学探针的测点位于加热管横截面的直线上，从而得到更加准确的检测结果。

进一步的，还包括三个与所述加热管连接的导电铜排，其中一个导电铜排位于所述探针孔的上方，另外两个导电铜排位于所述探针孔的下方。

选择上两个导电铜排时，光学探针位于加热段（过冷沸腾段）内，因此可获得过冷沸腾参数。选择下两个导电铜排时，加热段为下两个导电排之间，光学探针位于加热段之上，即两相流体流出加热段会冷凝，然后才接触光学探针，因此可获得冷凝参数。

进一步的，还包括第三法兰和第四法兰；第三法兰与所述探针孔连接，所述光学探针贯穿第三法兰和第四法兰的内孔并通过所述探针孔插入所述加热管内；第三法兰和第四法兰榫槽连接并通过螺栓紧固。

进一步的，所述第三法兰的内孔中设置有包围所述光学探针外表面的绝缘石英管；所述第三法兰和所述第四法兰的榫槽连接处设置有法兰绝缘片。

进一步的，所述第四法兰的内孔中设置有O型密封圈。

设置O型密封圈，起密封效果，防止加热管内的工质泄漏。

进一步的，还包括与所述光学探针连接的步进驱动装置。

步进驱动装置驱动光学探针在加热管的径向方向上移动，从而测量不同位置的相界面参数。

进一步的，还包括设置于所述加热管的进口和出口处的测温组件。

测温组件用于测量进出口温度，用于两相流流动传热实验中热平衡分析及热工参数对相分布特性的影响分析。

进一步的，还包括支撑板，支撑板固定在所述六自由度平台上；所述加热管的上端固定在支撑板上；所述加热管的下端连接有滑动导向块，支撑板上固定有滑动导向槽，滑动导向块设置于滑动导向槽中。

在加热的工况下，加热管的轴线长度会不可避免的增大，为了适应加热管轴向长度的变化，加热管的底部采用活动连接固定在支撑板上。加热管的轴向长度变化时，滑动导向块在滑动导向槽内垂直滑动，而不产生横向移动，从而保证运动条件下本实验装置的稳定性。

综上所述，本发明的优点和有益效果在于：

1．通过本发明能够测量运动状态下的局部相界面参数；

2．探针孔和测压孔的轴线与加热管的轴线垂直，使得光学探针的测点位于加热管横截面的直线上，从而得到更加准确的检测结果；

3．本发明设置三个导电铜排，从而能够测量冷凝参数和过冷沸腾参数，适用范围广；

4．本发明能够适应加热管长度的变化，从而保证运动条件下本实验装置的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施例，下面将对描述本发明实施例中所需要用到的附图作简单的说明。显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据下面的附图，得到其它附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的A处结构示意图；

其中，附图标记对应的零部件名称如下：

1-实验段法兰，2-螺栓，3-螺母，4-螺母绝缘垫片，5-金属垫片，6-法兰绝缘垫片，7-光学探针，8-步进驱动装置，9-光电转换装置，10-加热管，11-测温组件，12-直角弯头，13-固定式导向块，14-固定式导向槽，15-测压组件，16-导电铜排，17-滑动式导向块，18-滑动式导向槽，19-支撑板，20-支撑座，21-六自由度平台，22-第三法兰，23-第四法兰，24-绝缘石英管，25-兰绝缘片，26-O型密封圈。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显而易见的，下面所述的实施例仅仅是本发明实施例中的一部分，而不是全部。基于本发明记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本发明保护的范围内。

实施例1：

如图1所示，高压汽液两相相分布特性实验装置，包括加热管10，加热管10垂直布置，加热管10包括一出口和一进口，加热管10上开设有探针孔；还包括通过探针孔插入加热管10内的光学探针7；加热管10固定在六自由度平台21上。

在本实施例中，，通过六自由度平台21带动加热管运动，从而模拟三维空间六自由度单一或多种模式迭加的非均匀变速运动条件下汽液两相流局部相界面的状态，从而测量运动状态下的局部相界面参数。

实施例2：

如图1所示，本实施例在实施例1的基础上，所述加热管10上开设有两个测压孔，其中一个测压孔位于所述探针孔上方，另一个测压孔位于探针孔下方；还包括设置于测压孔中的测压组件15。

实施例3：

如图1所示，本实施例在实施例2的基础上，所述探针孔和所述测压孔的轴线与所述加热管10的轴线垂直且相交。

实施例4：

如图1所示，本实施例在上述任意一种实施例的基础上，还包括三个与所述加热管10连接的导电铜排16，其中一个导电铜排16位于所述探针孔的上方，另外两个导电铜排16位于所述探针孔的下方。

实施例5：

如图2所示，本实施例在上述任意一种实施例的基础上，还包括第三法兰22和第四法兰23；第三法兰22与所述探针孔连接，所述光学探针7贯穿第三法兰22和第四法兰23的内孔并通过所述探针孔插入所述加热管10内；第三法兰22和第四法兰23榫槽连接并通过螺栓紧固。

实施例6：

如图2所示，本实施例在实施例5的基础上，所述第三法兰22的内孔中设置有包围所述光学探针7外表面的绝缘石英管24；所述第三法兰22和所述第四法兰23的榫槽连接处设置有法兰绝缘片25。

实施例7：

如图2所示，本实施例在实施例5或6的基础上，所述第四法兰23的内孔中设置有O型密封圈26。

实施例8：

如图1所示，本实施例在上述任意一种实施例的基础上，还包括与所述光学探针7连接的步进驱动装置8。步进驱动装置8可以为步进电机，用于驱动光学探针7的测量端在加热管的横截面内运动，从而得到不同位置的测量参数。

实施例9：

如图1所示，本实施例在上述任意一种实施例的基础上，还包括设置于所述加热管10的进口和出口处的测温组件11。

实施例10：

如图1所示，本实施例在上述任意一种实施例的基础上，还包括支撑板19，支撑板19固定在所述六自由度平台21上；所述加热管10的上端固定在支撑板19上；所述加热管10的下端连接有滑动导向块17，支撑板19上固定有滑动导向槽18，滑动导向块17设置于滑动导向槽18中。

实施例11：

如图1所示，本实施例在上述任意一种实施例的基础上，对本实验装置进行进一步说明。

加热管10的两端设置有实验段法兰1，实验段法兰1包括榫槽连接的第一法兰和第二法兰，第一法兰和第二法兰的榫槽连接处设置有法兰绝缘垫片6.。第一法兰和第二法兰通过螺栓2和螺母3紧固，螺母3与法兰之间还设置有金属垫片5，金属垫片5与螺母3之间还设置有螺母绝缘垫片4。第一法兰与加热管10的端部连接，第二法兰与直角弯头12连接。

实施例12：

如图1所示，本实施例在实施例11的基础上，对本实验装置进行进一步说明。

第一法兰与固定式导向块13连接，固定式导向块13横向设置并位于支撑板19上的固定式导向槽14中，固定式导向块13通过螺栓固定在固定式导向槽14中。

实施例13：

如图1和图2所示，高压汽液两相相分布特性实验装置，包括加热管10，加热管10垂直布置，加热管10包括一出口和一进口，加热管10上开设有探针孔；还包括通过探针孔插入加热管10内的光学探针7；加热管10固定在六自由度平台21上。

所述加热管10上开设有两个测压孔，其中一个测压孔位于所述探针孔上方，另一个测压孔位于探针孔下方；还包括设置于测压孔中的测压组件15。

所述探针孔和所述测压孔的轴线与所述加热管10的轴线垂直且相交。

还包括三个与所述加热管10连接的导电铜排16，其中一个导电铜排16位于所述探针孔的上方，另外两个导电铜排16位于所述探针孔的下方。

还包括第三法兰22和第四法兰23；第三法兰22与所述探针孔连接，所述光学探针7贯穿第三法兰22和第四法兰23的内孔并通过所述探针孔插入所述加热管10内；第三法兰22和第四法兰23榫槽连接并通过螺栓紧固。

所述第三法兰22的内孔中设置有包围所述光学探针7外表面的绝缘石英管24；所述第三法兰22和所述第四法兰23的榫槽连接处设置有法兰绝缘片25。

所述第四法兰23的内孔中设置有O型密封圈26。

还包括与所述光学探针7连接的步进驱动装置8。

还包括设置于所述加热管10的进口和出口处的测温组件11。

还包括支撑板19，支撑板19固定在所述六自由度平台21上；所述加热管10的上端固定在支撑板19上；所述加热管10的下端连接有滑动导向块17，支撑板19上固定有滑动导向槽18，滑动导向块17设置于滑动导向槽18中。

加热管10的两端设置有实验段法兰1，实验段法兰1包括榫槽连接的第一法兰和第二法兰，第一法兰和第二法兰的榫槽连接处设置有法兰绝缘垫片6.。第一法兰和第二法兰通过螺栓2和螺母3紧固，螺母3与法兰之间还设置有金属垫片5，金属垫片5与螺母3之间还设置有螺母绝缘垫片4。第一法兰与加热管10的端部连接，第二法兰与直角弯头12连接。

第一法兰与固定式导向块13连接，固定式导向块13横向设置并位于支撑板19上的固定式导向槽14中，固定式导向块13通过螺栓固定在固定式导向槽14中。

本实验装置在工作时，光学探针7通过线缆与光电转换装置9连接，从而将信号输入计算机进行采集。

如上所述，便可较好的实现本发明。 

Claims (10)

1.高压汽液两相相分布特性实验装置，其特征在于：

包括加热管（10），加热管（10）垂直布置，加热管（10）包括一出口和一进口，加热管（10）上开设有探针孔；

还包括通过探针孔插入加热管（10）内的光学探针（7）；

加热管（10）固定在六自由度平台（21）上。

2.根据权利要求1所述的高压汽液两相相分布特性实验装置，其特征在于：

所述加热管（10）上开设有两个测压孔，其中一个测压孔位于所述探针孔上方，另一个测压孔位于探针孔下方；

还包括设置于测压孔中的测压组件（15）。

3.根据权利要求2所述的高压汽液两相相分布特性实验装置，其特征在于：

所述探针孔和所述测压孔的轴线与所述加热管（10）的轴线垂直且相交。

4.根据权利要求1所述的高压汽液两相相分布特性实验装置，其特征在于：

还包括三个与所述加热管（10）连接的导电铜排（16），其中一个导电铜排（16）位于所述探针孔的上方，另外两个导电铜排（16）位于所述探针孔的下方。

5.根据权利要求1所述的高压汽液两相相分布特性实验装置，其特征在于：

还包括第三法兰（22）和第四法兰（23）；

第三法兰（22）与所述探针孔连接，所述光学探针（7）贯穿第三法兰（22）和第四法兰（23）的内孔并通过所述探针孔插入所述加热管（10）内；

第三法兰（22）和第四法兰（23）榫槽连接并通过螺栓紧固。

6.根据权利要求5所述的高压汽液两相相分布特性实验装置，其特征在于：

所述第三法兰（22）的内孔中设置有包围所述光学探针（7）外表面的绝缘石英管（24）；

所述第三法兰（22）和所述第四法兰（23）的榫槽连接处设置有法兰绝缘片（25）。

7.根据权利要求5所述的高压汽液两相相分布特性实验装置，其特征在于：

所述第四法兰（23）的内孔中设置有O型密封圈（26）。

8.根据权利要求5所述的高压汽液两相相分布特性实验装置，其特征在于：

还包括与所述光学探针（7）连接的步进驱动装置（8）。

9.根据权利要求1所述的高压汽液两相相分布特性实验装置，其特征在于：

还包括设置于所述加热管（10）的进口和出口处的测温组件（11）。

10.根据权利要求1~9中任意一项所述的高压汽液两相相分布特性实验装置，其特征在于：

还包括支撑板（19），支撑板（19）固定在所述六自由度平台（21）上；

所述加热管（10）的上端固定在支撑板（19）上；

所述加热管（10）的下端连接有滑动导向块（17），支撑板（19）上固定有滑动导向槽（18），滑动导向块（17）设置于滑动导向槽（18）中。