CN104634537A - 一种适用于低温气液两相掺混的可视化试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于低温气液两相掺混的可视化试验装置，属于气液两相流领域。所述的可视化试验装置包括上接管嘴、下接管嘴、气体接入管、上密封法兰工装、下密封法兰工装、连接螺杆、内层玻璃管、外层玻璃管和抽真空管，还包括密封垫圈和密封圈。所述内外层玻璃管两端采用径向密封方式和上下密封法兰工装连接，内层玻璃管的进气孔采用钻孔方式，加工简单，且避免了进气管的焊接造成的精度难控制、以及在安装过程中支管易断裂的问题，安装更简单可靠；上密封法兰工装在内层玻璃管的进气孔位置采用了集气环的设计，气流分配更均匀，且减小了安装难度，可以实现不同掺混工况；抽真空管的设置避免了在低温下壁面结霜影响观察的问题。

Description

一种适用于低温气液两相掺混的可视化试验装置

技术领域

本发明属于气液两相流领域，具体涉及一种适用于低温气液两相掺混的可视化试验装置。

背景技术

低温两相掺混装置是一种在低温流体工质的情况下，提供气液两相掺混的试验装置。

随着航天和超导等高科技领域的技术发展，低温流体的使用越来越广泛；而低温流体在使用过程中必然存在气液两相流动；为安全高效的利用低温流体，低温气液两相流的研究变得愈发重要。低温气液两相流的研究方法主要有数值模拟和试验分析两种。由于低温气液两相流动的复杂性，准确的数值模拟低温气液两相流动是非常困难的，所以试验分析的方法是国内外在该领域的主要研究手段。因低温流体的特殊性，试验分析的难度较大。目前可视化的方法只应用到简单的低温流体气化即核态沸腾部分的研究。为了开展低温流体气液两相掺混的可视化试验，目前没有适用的可视化装置，因此需要一种适用于低温气液两相掺混的可视化试验装置。

发明内容

本发明针对现有可视化装置的问题和低温流体的特性，提出了一种适用于低温气液两相掺混的可视化试验装置。

一种适用于低温气液两相掺混的可视化试验装置，包括上接管嘴、下接管嘴、气体接入管、上密封法兰工装、下密封法兰工装、连接螺杆、内层玻璃管、外层玻璃管和抽真空管。

所述内层玻璃管、外层玻璃管通过径向密封的方式与上密封法兰工装、下密封法兰工装连接；上密封法兰工装、下密封法兰工装通过连接螺杆紧固连接；上接管嘴、气体接入管焊接在上密封法兰工装上，上接管嘴与内层玻璃管上端口直接连通，气体接入管通过上密封法兰工装上的气体接入孔和集气环连通到内层玻璃管上的进气孔；下接管嘴、抽真空管焊接在下密封法兰工装上，下接管嘴与内层玻璃管下端口直接连通，抽真空管和环形区域连通，所述的环形区域是指内层玻璃管和外层玻璃管之间的空间。

所述的上密封法兰工装和内层玻璃管的接触端面、上密封法兰工装和外层玻璃管的接触端面、下密封法兰工装和内层玻璃管的接触端面、下密封法兰工装和外层玻璃管的接触端面上，均采用密封垫圈做缓冲。在内层玻璃管分别与上密封法兰工装和下密封法兰工装的径向密封位置设置密封圈；在外层玻璃管分别与上密封法兰工装和下密封法兰工装的径向密封位置设置密封圈。

本发明的优点和积极效果在于：

(1)内外层玻璃管采用石英玻璃，两端采用径向密封方式和上下密封法兰工装连接，拆装方便。

(2)内层玻璃管的进气孔采用钻孔方式代替支管焊接方式，加工简单，且避免了进气管的焊接造成的精度难控制、以及在安装过程中进气支管易断裂的问题，安装更简单可靠。

(3)实际使用过程中，只需更换不同类型的内层玻璃管，例如改变内层玻璃管进气孔角度、进气孔数量等，以实现不同掺混工况。

(4)上密封法兰工装在内层玻璃管的进气孔位置采用了集气环的设计，气流在两个进气孔间的分配更均匀，且在内层玻璃管安装时无须对准上密封法兰工装的气体接入口，减小了安装难度。

(5)内外层玻璃管间设有抽真空管，在试验时与真空泵连接以对此空间抽真空，避免在低温下壁面结霜影响观察的问题。

附图说明

图1是本发明的试验装置结构示意图；

图1A是本发明中密封圈的安装位置放大示意图；

图2是本发明中上密封法兰工装的结构示意图；

图2A是本发明中上密封法兰工装的剖面结构示意图；

图3是本发明中下密封法兰工装的结构示意图。

图中：

1-上接管嘴        2-气体接入管        3-上密封法兰工装

4-连接螺杆        5-内层玻璃管        6-外层玻璃管

7-密封垫圈        8-密封圈            9-下密封法兰工装

10-抽真空管       11-下接管嘴         12-环形区域

13-集气环         501-进气孔

301-中心通孔A     302-气体接入孔      303-螺栓孔A

901-中心通孔B     902-抽真空孔        903-螺栓孔B

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供一种适用于低温气液两相掺混的可视化试验装置，所述的低温一般是指温度范围从20K至90K范围内的低温液体，例如液氧、液氮和液氢等。所述的可视化试验装置如图1所示，主要包括上接管嘴1、下接管嘴11、气体接入管2、上密封法兰工装3、下密封法兰工装9、连接螺杆4、内层玻璃管5、外层玻璃管6和抽真空管10，还包括密封垫圈7和密封圈8。

所述的内层玻璃管5、外层玻璃管6通过径向密封的方式与上密封法兰工装3、下密封法兰工装9连接，所述径向密封的位置采用密封圈8实现密封，如图1A。并在上下两个接触端面(包括上密封法兰工装3和内层玻璃管5的接触端面、上密封法兰工装3和外层玻璃管6的接触端面、下密封法兰工装9和和内层玻璃管5的接触端面、下密封法兰工装9和外层玻璃管6的接触端面)上均采用密封垫圈7做缓冲；上密封法兰工装3、下密封法兰工装9分别有四个螺栓孔，通过四个连接螺杆4紧固，将所述的内层玻璃管5和外层玻璃管6紧固密封在上密封法兰工装3、下密封法兰工装9之间；所述的内层玻璃管5位于外层玻璃管6内部，内层玻璃管5外壁和外层玻璃管6内壁之间形成环形区域12，环形区域12通过抽真空管10连接真空泵实现真空环境。

如图2，所述的上密封法兰工装3具有一个中心通孔A301、两个气体接入孔302和四个螺栓孔A303，所述的中心通孔A301连接固定上接管嘴1，上接管嘴1与内层玻璃管5的上端口直接连通；所述的气体接入孔302连接固定气体接入管2，所述的气体接入管2与上密封法兰工装3上设置的气体接入孔302和集气环13连通，集气环13为环形管道，与内层玻璃管5上的进气孔501连通；所述的螺栓孔A303用于与连接螺杆4配合，实现上密封法兰工装3和下密封法兰工装9之间的连接。所述的气体接入管2与上密封法兰工装3上的气体接入孔302之间为焊接连接关系；所述的上接管嘴1与中心通孔A301之间的为焊接连接关系；集气环13与气体接入孔302加工在上密封法兰工装3上并连通。

如图2A所示，所述的上密封法兰工装3内表面具有与中心通孔A301同轴的两个环形凸起结构，所述的两个环形凸起结构内壁均加工有凹槽，用于放置密封圈8。其中，较大直径的环形凸起结构内径与外层玻璃管6外径相配合，较小直径的环形凸起结构内径与内层玻璃管5外径相配合。所述的气体接入孔302贯穿在所述较小直径环形凸起结构内，并与所述较小直径环形凸起结构内壁上加工的集气环13贯通，气体接入孔302用于将气体接入管2中的气体通过集气环13和进气孔501通入内层玻璃管5。所述的集气环13是加工在较小直径环形凸起结构内壁的环形凹槽结构，所述集气环13所在平面与上密封法兰工装3端面平行，安装后，内层玻璃管5沿轴线任意旋转，都能够保证所述的集气环13与内层玻璃管5上的进气孔501连通。

如图3，所述的下密封法兰工装9上设置有一个中心通孔B901、一个抽真空孔902和四个螺栓孔B903，所述的下接管嘴11焊接在所述的中心通孔B901上，并且与内层玻璃管5下端口直接连通；所述的抽真空管10焊接在所述的抽真空孔902上，并且与环形区域12连通，用于对所述的环形区域12抽真空，减少该环形区域12中水蒸气含量和阻止内外玻璃管壁面间的导热，防止内外玻璃管管壁上由于水蒸气凝结而干扰光学观测。所述的四个螺栓孔B903与上密封法兰工装3上的四个螺栓孔A303相应，配合四个连接螺杆4实现上、下密封法兰工装的连接。

如图1所示，所述的下密封法兰工装9的内表面也具有与中心通孔B901同轴的两个环形凸起结构，所述的两个环形凸起结构内壁均加工有凹槽，用于放置密封圈8。其中，较大直径的环形凸起结构内径与外层玻璃管6外径相配合，较小直径的环形凸起结构内径与内层玻璃管5外径相配合。所述抽真空孔902位于两个环形凸起结构中间，安装后与环形区域12连通。

所述的密封圈8选用耐低温橡胶圈。

上密封法兰工装3在内层玻璃管5的进气孔501处采用集气环13的设计，气流分配均匀，安装简单，无需对正，内层玻璃管5可以绕轴线随意旋转确定可视化位置。能够提升在试验时密封圈8的温度，对密封圈8的弹性和密封有改善，能够耐受更高的压力。

内层玻璃管5选用石英玻璃，外层玻璃管6选用高硼硅玻璃或者石英玻璃，透明度高，耐受低温流体的温度冲击，方便高速摄影仪对气液两相掺混效果进行拍摄。

上接管嘴1和下接管嘴11的内径要和中心通孔A301、中心通孔B901、内层玻璃管5的内径相同，并且同轴，保证流动的稳定性。

连接螺杆4在紧固上密封法兰工装3、下密封法兰工装9和内层玻璃管5、外层玻璃管6时，两个法兰端面的上下两侧都用螺母紧固，防止内层玻璃管5、外层玻璃管6承受法兰的重量而破裂。

抽真空管10焊接在下密封法兰工装9上，连通位置在内层玻璃管5和外层玻璃管6之间的环形区域12空间内，通过连接真空泵对该空间进行抽真空，避免在试验时，空气遇低温结霜影响高速摄影仪的拍摄。

内层玻璃管5的进气孔501采用在其壁面钻孔的方法，利用其壁厚，使该进气孔501的长度大于10倍的孔径，能保持气流的稳定。该设计避免了在内层玻璃管5表面焊接支管的方案，保证了进气孔501的尺寸和位置的精度，同时排除了在安装时支管断裂的问题。

内层玻璃管5的进气孔501的孔径和角度可以根据试验的要求设计，只需将新设计的内层玻璃管5替换即可，更换方便和节约成本。

所述气体接入孔302的数量可以根据需要设置三个以上，其中，至少一个气体接入孔302用于连接固定气体接入管2并实现气体接入管2与集气环13的连通，其余气体接入孔302用于布置压力传感器或温度传感器，以实现对气体参数的采集。

Claims (9)

1.一种适用于低温气液两相掺混的可视化试验装置，其特征在于：包括上接管嘴、下接管嘴、气体接入管、上密封法兰工装、下密封法兰工装、连接螺杆、内层玻璃管、外层玻璃管和抽真空管；

所述内层玻璃管、外层玻璃管通过径向密封的方式与上密封法兰工装、下密封法兰工装连接；上密封法兰工装、下密封法兰工装通过连接螺杆紧固连接；上接管嘴、气体接入管焊接在上密封法兰工装上，上接管嘴与内层玻璃管上端口直接连通，所述的气体接入管通过上密封法兰工装上的气体接入孔和集气环连通到内层玻璃管上的进气孔；下接管嘴、抽真空管焊接在下密封法兰工装上，下接管嘴与内层玻璃管下端口直接连通，抽真空管与环形区域连通，所述的环形区域是指内层玻璃管和外层玻璃管之间的空间。

2.根据权利要求1所述的一种适用于低温气液两相掺混的可视化试验装置，其特征在于：所述的上密封法兰工装和内层玻璃管的接触端面、上密封法兰工装和外层玻璃管的接触端面、下密封法兰工装和和内层玻璃管的接触端面、下密封法兰工装和外层玻璃管的接触端面上，均采用密封垫圈做缓冲。

3.根据权利要求1所述的一种适用于低温气液两相掺混的可视化试验装置，其特征在于：在内层玻璃管分别与上密封法兰工装和下密封法兰工装的径向密封位置设置密封圈；在外层玻璃管分别与上密封法兰工装和下密封法兰工装的径向密封位置设置密封圈。

4.根据权利要求1所述的一种适用于低温气液两相掺混的可视化试验装置，其特征在于：所述的上密封法兰工装具有一个中心通孔A、两个气体接入孔和四个螺栓孔A，所述的中心通孔A连接固定上接管嘴；所述的气体接入孔连接固定气体接入管；所述的螺栓孔A用于与连接螺杆配合，实现上密封法兰工装和下密封法兰工装之间的连接。

5.根据权利要求1或4所述的一种适用于低温气液两相掺混的可视化试验装置，其特征在于：所述的下密封法兰工装上设置有一个中心通孔B、一个抽真空孔和四个螺栓孔B，所述的下接管嘴焊接在所述的中心通孔B上；抽真空管焊接在所述的抽真空孔上；所述的四个螺栓孔B与上密封法兰工装上的四个螺栓孔A相应，配合四个连接螺杆实现上、下密封法兰工装的连接。

6.根据权利要求1所述的一种适用于低温气液两相掺混的可视化试验装置，其特征在于：上接管嘴和下接管嘴的内径和中心通孔A、中心通孔B、内层玻璃管的内径相同，并且同轴。

7.根据权利要求1所述的一种适用于低温气液两相掺混的可视化试验装置，其特征在于：内层玻璃管的进气孔采用在其壁面钻孔的方法，利用其壁厚，使该进气孔的长度大于10倍的孔径，能保持气流的稳定。

8.根据权利要求1所述的一种适用于低温气液两相掺混的可视化试验装置，其特征在于：所述的气体接入孔的数量设置三个以上，其中，至少一个气体接入孔用于连接气体接入管，其余的气体接入孔用于布置压力或温度传感器，以实现对气体参数的采集。

9.根据权利要求1所述的一种适用于低温气液两相掺混的可视化试验装置，其特征在于：所述的内层玻璃管选用石英玻璃，外层玻璃管选用高硼硅玻璃或者石英玻璃。