CN106198609B - 一种研究空化传热特性的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种研究空化传热特性的试验装置，属于实验流体力学领域。空化试管上方开有四个通孔，压力和温度传感器穿过通孔悬空固定在空化试管中，液体输送管阀门通过管道与空化试管内连通，气体接口阀通过管道与空化试管内连通；试验罐上方开有四个通孔，压力和温度传感器穿过通孔悬空固定在试验罐中，液体输送管阀门通过管道与试验罐内连通，气体接口阀通过管道与试验罐内连通；空化试管放置在试验罐中，试验罐放置在真空罐中并通过法兰盘实现密封，试验罐和真空罐侧壁均开有可视化观察窗；高速相机放置在可视化观察窗外侧；本发明功能多样，能实现常温和低温液体在不同液体间和不同温度条件下汽化泡形态、压力和温度数据的同步采集和存储。

Description

一种研究空化传热特性的试验装置

技术领域

本发明涉及液体空化试验装置，尤其涉及一种研究空化传热特性的试验装置。属于流体力学及传热学范畴，实验流体力学领域。

背景技术

当一定温度的液体内部局部压力降低到液体饱和蒸汽压时，液体就会发生相变，同时溶解于液体中的气体也会析出，一同形成汽泡，当汽泡周围的压力升高，泡内的蒸汽重新凝结，汽泡溃灭。这种液体内部汽泡的产生、发展、溃灭，以及由此引发的一系列物理和化学变化过程称之为空化现象。空化广泛存在于流体机械、传热传质、能源及航空航天等工程领域。例如，在水力机械、液体火箭发动机与动力机械的燃料供应系统以及火力与核电的回路中，空化是一种十分常见的现象，空化的发生往往会导致机器效率下降并引起振动、噪声和材料表面破坏等问题，严重时会使机器不能正常工作。

空化泡的演变包含了丰富的物理化学信息，一直以来备受研究人员的关注。空化泡的演变过程在不同液体介质中存在明显差异，并且会显著受到液体压力和温度的影响。液体的汽化过程是一吸热过程，而凝结过程则会放出热量，这就使得空化泡的演变过程伴随着热量的传递和当地温度的改变，并且这一过程在不同液体介质及不同空化条件下的剧烈程度也是不一样的。

研究人员通常采用实验方法对空化泡的演变过程进行研究，经文献检索发现，已公开的文献和专利均没有涉及空化传热特性研究的试验装置。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术无法满足实际需求的问题，提供一种研究空化传热特性的试验装置。该试验装置能实现常温液体和低温液体空化泡的生成及空化泡演变过程的可视化图像、温度和压力数据采集，研究液体的压力和温度可进行大范围调节，所获取的试验数据对空化泡传热特性研究有重要价值。

本发明是通过下述技术方案实现的。

一种研究空化传热特性的试验装置，包括真空罐部分、试验罐部分、辅助设备部分、数据采集系统。

真空罐部分用于提供真空环境起隔热的作用；包括真空罐、真空接口、真空罐法兰盘、第一观察窗、第一法兰盘、第二法兰盘，连接关系：真空罐为上方敞口的圆柱形罐体，第二法兰盘中心通孔的直径与真空罐的外径相同，真空罐的上边缘与第二法兰盘的上表面平齐，通过焊接固定；在真空罐的侧壁沿同一圆周方向开设圆形通孔；第一观察窗为具有厚度的圆片，真空罐法兰盘和第一法兰盘的内径和外径相同，真空罐法兰盘的外径与真空罐开设通孔的孔径相同并通过焊接固定，第一观察窗的外径大于真空罐法兰盘的内径但与螺栓孔不干涉，第一法兰盘通过螺栓将第一观察窗压紧在真空罐法兰盘上，真空罐的通孔、真空罐法兰盘、第一观察窗和第一法兰盘的轴线重合；真空罐的侧壁上开设有真空接口。

试验罐部分用于调节研究液体的温度并生成空化泡；包括：试验罐、试验罐法兰盘、第二观察窗、第三法兰盘、第四法兰盘、空化试管、第一液体输送管、第一气体接口阀、第二液体输送管、液体输送管阀门、泄压阀、第二气体接口阀，连接关系：试验罐为上方敞口的圆柱形罐体，第四法兰盘为实心法兰盘，试验罐的上边缘与第四法兰盘的下表面平齐，中心轴线重合，通过焊接固定；在试验罐的侧壁沿同一圆周方向开设圆形通孔；第二观察窗为具有厚度的圆片，试验罐法兰盘和第三法兰盘的内径和外径相同，试验罐法兰盘的外径与试验罐开设通孔的孔径相同并通过焊接固定，第二观察窗的外径大于试验罐法兰盘的内径但与螺栓孔不干涉，第三法兰盘通过螺栓将第二观察窗压紧在试验罐法兰盘上，试验罐的侧壁的通孔、试验罐法兰盘、第二观察窗和第三法兰盘的轴线重合；第四法兰盘的中心轴线上开设有通孔，空化试管穿过通孔悬空固定在试验罐内部；空化试管的底部与试验罐法兰盘内孔下沿处于同一平面；固定空化试管的实心法兰盘上开设有通孔，第一液体输送管穿过通孔并与孔壁固定连接，第一液体输送管另一端连接有阀门；固定空化试管的实心法兰盘上开设有通孔并通过焊接管道与第一气体接口阀连接；第四法兰盘开设有通孔，第二液体输送管穿过通孔并与孔壁固定连接；第二液体输送管与液体输送管阀门固定连接；第四法兰盘开设有通孔并通过焊接管道与第二气体接口阀连接，第四法兰盘与第二气体接口阀之间的管道上还设有旁通管道与泄压阀连接。试验罐放置到真空罐中，并通过第二法兰盘与第四法兰盘上的法兰孔固定；空化试管放置到试验罐中，并通过实心法兰盘悬空固定在第四法兰盘上。

辅助设备部分用于实现压力和温度的调节；包括：第一真空泵、第一真空泵阀门、氦气钢瓶、氦气钢瓶阀门、第二真空泵、电加热管、电加热管开关，连接关系：第一气体接口阀和第二气体接口阀均通过管路分别与第一真空泵和氦气钢瓶连接，并分别通过第一真空泵阀门和氦气钢瓶阀门控制气体的输送；第二真空泵与真空罐侧壁上开设的真空接口连通；电加热管悬浮放置于试验罐的液体中；电加热管通过电线与电加热管开关连接。

数据采集系统用于显示并采集试验罐和空化试管内的压力和温度数据，采集并存储空化泡生成及溃灭过程的图像数据；包括：冷光源、光源控制器、高速相机、第一压力传感器、第一温度传感器、第二压力传感器、第二温度传感器、压力采集器、温度采集器、计算机，连接关系：冷光源与光源控制器通过控制线连接，冷光源透过第一观察窗和第二观察窗向试验罐内打光；高速相机用于拍摄空化试管内空化泡的形态；高速相机的镜头的轴线与第一观察窗的轴线重合，高速相机通过控制线与计算机连接；固定空化试管的实心法兰盘上开设有两个通孔，第一压力传感器和第一温度传感器分别穿过通孔插入到空化试管内的液体中；第一压力传感器和第一温度传感器的顶端分别通过数据线与压力采集器和温度采集器连接；第四法兰盘上开设有两个通孔，第二压力传感器和第二温度传感器分别穿过通孔插入到试验罐内的液体中；第二压力传感器和第二温度传感器的顶端分别通过数据线与压力采集器和温度采集器连接；压力采集器和温度采集器分别通过数据线与计算机连接；计算机可对高速相机、压力采集器和温度采集器进行控制。

所述真空罐侧壁开设的圆形通孔之间的距离相等；圆形通孔的数量至少为两个；

所述真空罐法兰盘与试验罐法兰盘上的螺栓孔为半通孔；

所述第一观察窗和第二观察窗的内外两侧均贴有密封垫圈；所述第二法兰盘和第四法兰盘之间夹有密封圈；密封圈起到缓冲和密封的作用；所述空化试管、第一压力传感器、第一温度传感器、第二压力传感器和第二温度传感器均通过实心法兰盘悬空固定在第四法兰盘上并用密封胶进行密封；

所述空化试管为带有体积刻度的全透明石英玻璃试管；

所述第一压力传感器和第一温度传感器插入到空化试管内的长度大于第四法兰盘上表面到试验罐法兰盘上沿之间的距离，但小于空化试管的长度；

所述第二压力传感器和第二温度传感器插入到试验罐内的长度不大于第四法兰盘上表面到试验罐法兰盘上沿之间的距离，即不影响高速相机的拍摄；

所述第一观察窗采用透明亚克力材质；所述第二观察窗采用石英玻璃材质；

所述真空罐、真空接口、真空罐法兰盘、第一法兰盘、第二法兰盘、试验罐、试验罐法兰盘、第三法兰盘、第四法兰盘、第一液体输送管、第二液体输送管采用不锈钢材质；

具体工作过程：

试验开始前，所有阀门处于关闭状态；开启第二真空泵使真空罐内始终保持为准真空状态以起到隔热效果；开启液体输送管阀门，将研究液体注入试验罐内，研究液体淹没第二压力传感器和第二温度传感器的下端，液体的具体高度可根据试验需要进行调节，然后关闭液体输送管阀门；开启第一液体输送管连接的阀门，将研究液体注入空化试管内，研究液体淹没第一压力传感器和第一温度传感器的下端，并保证高速相机能够拍摄到空化试管内研究液体的液面，然后关闭第一液体输送管连接的阀门；压力采集器和温度采集器实时显示试验罐和空化试管内研究液体的压力和温度；

通过辅助设备部分调节试验罐内研究液体的温度，然后由于传热作用，空化试管内研究液体的温度和试验罐内研究液体的温度会逐渐趋于一致；

若需要让研究液体的温度升高且该指定温度低于试验罐内压力所对应的研究液体的沸点，则打开电加热管开关，电加热管对研究液体进行加热，温度采集器实时显示试验罐内研究液体的温度，研究液体被加热到指定温度后关闭电加热管开关,若指定温度不低于试验罐内压力所对应的研究液体的沸点，则首先需要开启第二气体接口阀和氦气钢瓶阀门，氦气钢瓶内的高压氦气进入试验罐内使压力升高，试验罐内的压力高于所需温度对应的饱和蒸气压后关闭第二气体接口阀和氦气钢瓶阀门，然后再通过电加热管对研究液体进行加热升温；同理，若指定温度高于空化试管内压力所对应的研究液体的沸点，则采用上述相同方式先对空化试管进行加压；

若需要让研究液体的温度降低，则开启第二气体接口阀和第一真空泵阀门，启动第一真空泵对试验罐内进行抽压，当试验罐内的压力低于该温度下研究液体的饱和蒸气压时，研究液体就会发生空化现象，研究液体汽化需要吸收热量，由于试验罐处于准真空环境无法从外界吸收热量，则只能吸收研究液体本身热量，进而使得研究液体的温度降低，当温度降低到指定温度时，关闭第二气体接口阀和第一真空泵阀门，关闭第一真空泵，试验罐内的压力会实现再平衡，温度基本保持不变；

加压过程中若试验罐内压力高于泄压阀的设定压力时，泄压阀自动开启使得压力不会继续升高以保护试验装置；

通过光源控制器调节冷光源的强度，并调整冷光源的照射位置和角度，使高速相机拍摄到的空化试管内研究液体的图像清晰可见；

将试验罐内研究液体调节到所需的温度后，等待空化试管内研究液体的温度与试验罐内研究液体温度相同；温度保持一致后，记录下高速相机拍摄到的空化试管内研究液体的液面高度；开启第一气体接口阀和第一真空泵阀门，启动第一真空泵对空化试管内进行抽压，当空化试管内的压力低于该温度下研究液体的饱和蒸气压时，空化试管内的研究液体就会发生空化现象而产生大量的空化泡，产生空化泡的剧烈程度可通过第一真空泵的抽速和第一气体接口阀的开度进行调节；在空化泡产生的瞬间，通过计算机控制高速相机、压力采集器和温度采集器按照设定的频率同步工作，采集空化试管内空化泡演变过程中相应的数据并存储在计算机中；试验采集完毕后，关闭第一气体接口阀和第一真空泵阀门，关闭第一真空泵，待液面平稳后再次记录下高速相机拍摄到的空化试管内研究液体的液面高度；对比发生空化前后空化试管内研究液体的液面高度差就可知发生空化的研究液体的体积；结合发生空化的研究液体的体积和反应的时间，对采集得到的压力和温度数据和高速相机采集得到的空化泡的形态进行分析，就能够对空化泡演变过程及空化传热特性进行深入研究。

试验过程中可根据需要补充和调节空化试管内的研究液体；可以快速地调节试验罐内的压力和温度；阶段性试验完成后，可快速更换不同的研究液体，若之前的研究液体为常温液体，则关闭所有阀门，断开与试验罐部分相连的管道接口和连线，开启第一液体输送管连接的阀门和液体输送管阀门将研究液体倒出；若之前的研究液体为低温液体，则关闭第二真空泵并开启所有阀门使低温液体受热汽化溢出；之前的研究液体排出后，即可注入新的研究液体开展新一组试验。试验所采用的空化试管内的研究液体和试验罐内的研究液体可以相同也可以不同，但是需保证不同的研究液体在试验条件下能够处于同一温度。

有益效果

1、本发明的一种研究空化传热特性的试验装置，能够快速调节温度，实现不同温度条件下空化泡演变过程形态、压力和温度数据的同步采集和存储，开展空化传热特性试验研究。

2、本发明的一种研究空化传热特性的试验装置，能够对常温液体和低温液体开展空化泡试验研究，并且发生空化的研究液体和环境条件下的研究液体可以不相同。

3、本发明的一种研究空化传热特性的试验装置，结构简单，功能多样，能够快速更换不同的研究液体。

附图说明

图1为本发明的一种研究空化传热特性的试验装置示意图；

图2为真空罐及连接附件三维示意图；

其中，1—真空罐、2—真空接口、3—真空罐法兰盘、4—第一观察窗、5—第一法兰盘、6—第二法兰盘、7—试验罐、8—试验罐法兰盘、9—第二观察窗、10—第三法兰盘、11—第四法兰盘、12—空化试管、13—第一液体输送管、14—第一气体接口阀、15—电加热管、16—第二液体输送管、17—液体输送管阀门、18—泄压阀、19—第二气体接口阀、20—第一真空泵、21—第一真空泵阀门、22—氦气钢瓶、23—氦气钢瓶阀门、24—第二真空泵、25—电加热管开关、26—冷光源、27—光源控制器、28—高速相机、29—第一压力传感器、30—第一温度传感器、31—第二压力传感器、32—第二温度传感器、33—压力采集器、34—温度采集器、35—计算机。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，一种研究空化传热特性的试验装置，包括真空罐部分、试验罐部分、辅助设备部分、数据采集系统。

如图1和图2所示，真空罐部分用于提供真空环境；包括真空罐1、真空接口2、真空罐法兰盘3、第一观察窗4、第一法兰盘5、第二法兰盘6，连接关系：真空罐1为上方敞口的圆柱形罐体，第二法兰盘6的中心通孔的直径与真空罐1的上边缘外径相同，真空罐1的上边缘与第二法兰盘6的上表面平齐，通过焊接固定；真空罐1的中间部位的侧壁，沿圆周方向等间距开设有四个圆形通孔，四个圆形通孔的大小相同；第一观察窗4为10mm厚的圆片，真空罐法兰盘3和第一法兰盘5的内径和外径相同，真空罐法兰盘3的外径与真空罐1开设通孔的孔径相同并通过焊接固定，第一观察窗4的外径大于真空罐法兰盘3的内径但与螺栓孔不干涉，第一观察窗4的内外两侧均贴有密封垫圈，第一法兰盘5通过螺栓将第一观察窗4压紧在真空罐法兰盘3上，真空罐1的通孔、真空罐法兰盘3、第一观察窗4和第一法兰盘5的轴线重合；真空罐1的下部侧壁上开设有真空接口2实现内外连通。

所述第一观察窗4采用透明亚克力材质；

所述真空罐1、真空接口2、真空罐法兰盘3、第一法兰盘5、第二法兰盘6均采用不锈钢材质。

如图1所示，试验罐部分用于调节研究液体的温度并生成空化泡；包括：试验罐7、试验罐法兰盘8、第二观察窗9、第三法兰盘10、第四法兰盘11、空化试管12、第一液体输送管13、第一气体接口阀14、第二液体输送管16、液体输送管阀门17、泄压阀18、第二气体接口阀19，连接关系：试验罐7为上方敞口的圆柱形罐体，第四法兰盘11为实心法兰盘，试验罐7的上边缘与第四法兰盘11的下表面平齐，中心轴线重合，通过焊接固定；试验罐7的中间部位的侧壁，沿圆周方向等间距开设有四个圆形通孔，四个圆形通孔的大小相同；第二观察窗9为10mm厚的圆片，试验罐法兰盘8和第三法兰盘10的内径和外径相同，试验罐法兰盘8的外径与试验罐7开设通孔的孔径相同并通过焊接固定，第二观察窗9的外径大于试验罐法兰盘8的内径但与螺栓孔不干涉，第二观察窗9的内外两侧均贴有密封垫圈，第三法兰盘10通过螺栓将第二观察窗9压紧在试验罐法兰盘8上，试验罐7的侧壁的通孔、试验罐法兰盘8、第二观察窗9和第三法兰盘10的轴线重合；第四法兰盘11的中心轴线上开设有通孔，空化试管12穿过通孔插入到试验罐7内部，通过法兰盘悬空固定在第四法兰盘11上并用密封胶进行密封；空化试管12的底部与试验罐法兰盘8内孔下沿处于同一平面；固定空化试管12的实心法兰盘上开设有通孔，第一液体输送管13穿过通孔并与孔壁固定连接，第一液体输送管13另一端连接有阀门；固定空化试管12的实心法兰盘上开设有通孔并通过焊接管道与第一气体接口阀14连接；第四法兰盘11开设有通孔并与第二液体输送管16通过焊接连接，第二液体输送管16与液体输送管阀门17通过法兰盘连接；第四法兰盘11开设有通孔并通过焊接管道与第二气体接口阀19连接，第四法兰盘11与第二气体接口阀19之间的管道上还设有旁通管道与泄压阀18连接；试验罐7放置到真空罐1中，并通过第二法兰盘6与第四法兰盘11上的法兰孔固定，第二法兰盘6和第四法兰盘11之间夹有密封圈，起到缓冲和密封的作用；空化试管12放置到试验罐7中，并通过实心法兰盘悬空固定在第四法兰盘11上，空化试管12与实心法兰盘和第四法兰盘11之间均夹有密封圈。

所述第二观察窗9采用石英玻璃材质；

所述空化试管12为带有体积刻度的全透明石英玻璃试管；

所述试验罐7、试验罐法兰盘8、第三法兰盘10、第四法兰盘11、第一液体输送管13、第二液体输送管16采用不锈钢材质；

所述真空罐法兰盘3与试验罐法兰盘8上的螺栓孔为半通孔。

如图1所示，辅助设备部分用于实现压力和温度的调节；包括：第一真空泵20、第一真空泵阀门21、氦气钢瓶22、氦气钢瓶阀门23、第二真空泵24、电加热管15、电加热管开关25，连接关系：第一气体接口阀14和第二气体接口阀19均通过管路分别与第一真空泵20和氦气钢瓶22连接，并分别通过第一真空泵阀门21和氦气钢瓶阀门23控制气体的输送；第二真空泵24与真空罐1的下部侧壁上开设的真空接口2连通；电加热管15通过支撑固定于试验罐7的底部并不与试验罐7直接接触，电加热管15通过电线与电加热管开关25连接。

如图1所示，数据采集系统用于显示并采集试验罐7和空化试管12内的压力和温度数据，采集并存储空化泡生成及溃灭过程的图像数据；包括：冷光源26、光源控制器27、高速相机28、第一压力传感器29、第一温度传感器30、第二压力传感器31、第二温度传感器32、压力采集器33、温度采集器34、计算机35，连接关系：冷光源26与光源控制器27通过控制线连接，冷光源26透过第一观察窗4和第二观察窗9向试验罐7内打光；高速相机28用于拍摄空化试管12内空化泡的形态；高速相机28的镜头的轴线与第一观察窗4的轴线重合，高速相机28通过控制线与计算机35连接；固定空化试管12的实心法兰盘上开设有两个通孔，第一压力传感器29和第一温度传感器30分别穿过通孔插入到空化试管12内的液体中，通过法兰盘悬空固定在第四法兰盘11上并用密封胶进行密封；第一压力传感器29和第一温度传感器30的顶端分别通过数据线与压力采集器33和温度采集器34连接；第四法兰盘11上开设有两个通孔，第二压力传感器31和第二温度传感器32分别穿过通孔插入到试验罐7内的液体中，通过法兰盘悬空固定在第四法兰盘11上并用密封胶进行密封；第二压力传感器31和第二温度传感器32的顶端分别通过数据线与压力采集器33和温度采集器34连接，压力采集器33和温度采集器34分别通过数据线与计算机35连接；计算机35可对高速相机28、压力采集器33和温度采集器34进行控制；

所述第一压力传感器29和第一温度传感器30插入到空化试管12内的长度大于第四法兰盘11上表面到试验罐法兰盘8上沿之间的距离，但小于空化试管12的长度；

所述第二压力传感器31和第二温度传感器32插入到试验罐7内的长度不大于第四法兰盘11上表面到试验罐法兰盘8上沿之间的距离，即不影响高速相机28的拍摄；

安装过程如图1所示：真空罐1侧壁上的四个通孔、第二法兰盘6的螺栓孔、试验罐7侧壁上的四个通孔和第四法兰盘11的螺栓孔均采用相同的参照；所述试验罐7的直径和高度均小于所述真空罐1的直径和高度，所述空化试管12的直径和高度均小于所述试验罐7的直径和高度；试验罐7放置到真空罐1中，并通过第二法兰盘6与第四法兰盘11上的法兰孔固定；第二法兰盘6和第四法兰盘11之间夹有密封圈，三者轴线重合后通过螺栓固定连接；真空罐1侧壁上的四个通孔的轴线分别与试验罐7侧壁上的四个通孔的轴线重合；空化试管12放置到试验罐7中，并通过实心法兰盘悬空固定在第四法兰盘11上，空化试管12与实心法兰盘和第四法兰盘11之间均夹有密封圈。

具体工作过程：

试验需要对温度为70K的液氮在同样为70K的液氮环境下的空化泡演变过程及传热特性进行试验研究。

试验前保证所有阀门处于关闭状态；开启第二真空泵24使真空罐1内始终保持为准真空状态以确保隔热效果；开启液体输送管阀门17，利用自增压杜瓦将液氮注入试验罐7内，液氮淹没第二压力传感器31和第二温度传感器32的下端达到一定高度后关闭液体输送管阀门17，液体的具体高度可根据试验需要进行调节；开启第一液体输送管13连接的阀门，同样利用自增压杜瓦将液氮注入空化试管12内，液氮淹没第一压力传感器29和第一温度传感器30的下端，并保证高速相机28能够拍摄到空化试管12内液氮的液面，然后关闭第一液体输送管连接的阀门；压力采集器33和温度采集器34实时显示试验罐7和空化试管12内液氮的压力和温度，此时两个容器里液氮的温度均为77K，由于自增压杜瓦的作用液氮的压力大于100kPa；

首先对试验罐7内液氮的温度进行调节，需要让液氮的温度降低，则开启第二气体接口阀19和第一真空泵阀门21，启动第一真空泵20对试验罐7内持续抽压，当试验罐7内的压力低于77K液氮的饱和蒸气压(约为100kPa)时，液氮就会发生空化现象，液氮汽化需要吸收热量，由于试验罐7处于准真空环境无法从外界吸收热量，则只能吸收液氮本身热量，进而使得试验罐7内液氮的温度降低，由于传热的作用，空化试管12内液氮的温度会逐渐与试验罐7内液氮的温度会趋于一致；当试验罐7和空化试管12内液氮的温度降低均到70K时，关闭第二气体接口阀19和第一真空泵阀门21，关闭第一真空泵20，此时试验罐7内的压力小于100kPa，温度基本保持在70K；

通过光源控制器27调节冷光源26的强度，并调整冷光源26的照射位置和角度，使高速相机28拍到的空化试管12内液氮的图像清晰可见；压力采集器33和温度采集器34实时显示试验罐7和空化试管12内液氮的压力和温度。

试验罐7和空化试管12内液氮的温度稳定在70K后，首先记录下高速相机28拍摄到的空化试管12内液氮的液面高度；开启第一气体接口阀14和第一真空泵阀门21，启动第一真空泵20对空化试管12内进行抽压，当空化试管12内的压力低于该70K液氮的饱和蒸气压时，空化试管12内的液氮就会发生空化现象而产生大量的空化泡，产生空化泡的剧烈程度可通过第一真空泵20的抽速和第一气体接口阀14的开度进行调节；

在空化泡产生的瞬间，通过计算机35控制高速相机28、压力采集器33和温度采集器34按照设定的频率同步工作，采集空化试管12内空化泡演变过程中相应的数据并存储在计算机35中；试验采集完毕后，关闭第一气体接口阀14和第一真空泵阀门21，关闭第一真空泵20，待液面平稳后再次记录下高速相机28拍摄到的空化试管12内液氮的液面高度；对比发生空化前后空化试管12内液氮的液面高度差就可知发生空化的液氮的体积；结合发生空化的液氮的体积和反应的时间，对采集得到的压力和温度数据和高速相机28采集得到的空化泡的形态进行分析，就能够对液氮空化泡演变过程及空化传热特性进行深入研究。

试验过程中可根据需要补充和调节空化试管12内的液氮；可以快速地调节试验罐7内的压力和温度；该阶段性试验完成后，可快速更换其他的研究液体，由于本次试验研究液体为液氮，则关闭第二真空泵24使真空罐的隔热效果失效，并开启所有阀门使液氮受热汽化溢出；液氮排出后，即可注入新的研究液体开展新一组试验。

Claims (7)

1.一种研究空化传热特性的试验装置，其特征在于：包括真空罐部分、试验罐部分、辅助设备部分、数据采集系统；

真空罐部分用于提供真空环境起隔热的作用；包括真空罐(1)、真空接口(2)、真空罐法兰盘(3)、第一观察窗(4)、第一法兰盘(5)、第二法兰盘(6)，连接关系：真空罐(1)为上方敞口的圆柱形罐体，第二法兰盘(6)中心通孔的直径与真空罐(1)的外径相同，真空罐(1)的上边缘与第二法兰盘(6)的上表面平齐，通过焊接固定；在真空罐(1)的侧壁沿同一圆周方向开设圆形通孔；第一观察窗(4)为具有厚度的圆片，真空罐法兰盘(3)和第一法兰盘(5)的内径和外径相同，真空罐法兰盘(3)的外径与真空罐(1)开设通孔的孔径相同并通过焊接固定，第一观察窗(4)的外径大于真空罐法兰盘(3)的内径，但与螺栓孔不干涉，第一法兰盘(5)通过螺栓将第一观察窗(4)压紧在真空罐法兰盘(3)上，真空罐(1)的通孔、真空罐法兰盘(3)、第一观察窗(4)和第一法兰盘(5)的轴线重合；真空罐(1)的侧壁上开设有真空接口(2)；

试验罐部分用于调节研究液体的温度并生成空化泡；包括：试验罐(7)、试验罐法兰盘(8)、第二观察窗(9)、第三法兰盘(10)、第四法兰盘(11)、空化试管(12)、第一液体输送管(13)、第一气体接口阀(14)、第二液体输送管(16)、液体输送管阀门(17)、泄压阀(18)、第二气体接口阀(19)，连接关系：试验罐(7)为上方敞口的圆柱形罐体，第四法兰盘(11)为实心的法兰盘，试验罐(7)的上边缘与第四法兰盘(11)的下表面平齐，中心轴线重合，通过焊接固定；在试验罐(7)的侧壁沿同一圆周方向开设圆形通孔；第二观察窗(9)为具有厚度的圆片，试验罐法兰盘(8)和第三法兰盘(10)的内径和外径相同，试验罐法兰盘(8)的外径与试验罐(7)开设通孔的孔径相同并通过焊接固定，第二观察窗(9)的外径大于试验罐法兰盘(8)的内径但与螺栓孔不干涉，第三法兰盘(10)通过螺栓将第二观察窗(9)压紧在试验罐法兰盘(8)上，试验罐(7)的侧壁的通孔、试验罐法兰盘(8)、第二观察窗(9)和第三法兰盘(10)的轴线重合；第四法兰盘(11)的中心轴线上开设有通孔，空化试管(12)穿过通孔悬空固定在试验罐(7)内部；空化试管(12)的底部与试验罐法兰盘(8)内孔下沿处于同一平面；固定空化试管(12)的实心法兰盘上开设有通孔，第一液体输送管(13)穿过通孔并与孔壁固定连接，第一液体输送管(13)另一端连接有阀门；固定空化试管(12)的实心法兰盘上开设有通孔并通过焊接管道与第一气体接口阀(14)连接；第四法兰盘(11)开设有通孔，第二液体输送管(16)穿过通孔并与孔壁固定连接；第二液体输送管(16)与液体输送管阀门(17)固定连接；第四法兰盘(11)开设有通孔并通过焊接管道与第二气体接口阀(19)连接，第四法兰盘(11)与第二气体接口阀(19)之间的管道上还设有旁通管道与泄压阀(18)连接；试验罐(7)放置到真空罐(1)中，并通过第二法兰盘(6)与第四法兰盘(11)上的法兰孔固定；空化试管(12)放置到试验罐(7)中，并通过实心法兰盘悬空固定在第四法兰盘(11)上；

辅助设备部分用于实现压力和温度的调节；包括：第一真空泵(20)、第一真空泵阀门(21)、氦气钢瓶(22)、氦气钢瓶阀门(23)、第二真空泵(24)、电加热管(15)、电加热管开关(25)，连接关系：第一气体接口阀(14)和第二气体接口阀(19)均通过管路分别与第一真空泵(20)和氦气钢瓶(22)连接，并分别通过第一真空泵阀门(21)和氦气钢瓶阀门(23)控制气体的输送；第二真空泵(24)与真空罐(1)侧壁上开设的真空接口(2)连通；电加热管(15)悬浮放置于试验罐(7)的液体中；电加热管(15)通过电线与电加热管开关(25)连接；

数据采集系统用于显示并采集试验罐(7)和空化试管(12)内的压力和温度数据，采集并存储空化泡生成及溃灭过程的图像数据；包括：冷光源(26)、光源控制器(27)、高速相机(28)、第一压力传感器(29)、第一温度传感器(30)、第二压力传感器(31)、第二温度传感器(32)、压力采集器(33)、温度采集器(34)、计算机(35)，连接关系：冷光源(26)与光源控制器(27)通过控制线连接，冷光源(26)透过第一观察窗(4)和第二观察窗(9)向试验罐(7)内打光；高速相机(28)用于拍摄空化试管(12)内空化泡的形态；高速相机(28)的镜头的轴线与第一观察窗(4)的轴线重合，高速相机(28)通过控制线与计算机(35)连接；固定空化试管(12)的实心法兰盘上开设有两个通孔，第一压力传感器(29)和第一温度传感器(30)分别穿过通孔插入到空化试管(12)内的液体中；第一压力传感器(29)和第一温度传感器(30)的顶端分别通过数据线与压力采集器(33)和温度采集器(34)连接；第四法兰盘(11)上开设有两个通孔，第二压力传感器(31)和第二温度传感器(32)分别穿过通孔插入到试验罐(7)内的液体中；第二压力传感器(31)和第二温度传感器(32)的顶端分别通过数据线与压力采集器(33)和温度采集器(34)连接；压力采集器(33)和温度采集器(34)分别通过数据线与计算机(35)连接；计算机(35)可对高速相机(28)、压力采集器(33)和温度采集器(34)进行控制。

2.如权利要求1所述的一种研究空化传热特性的试验装置，其特征在于：所述第一观察窗(4)和第二观察窗(9)的内外两侧均贴有密封垫圈；所述第二法兰盘(6)和第四法兰盘(11)之间夹有密封圈；密封圈起到缓冲和密封的作用；所述空化试管(12)、第一压力传感器(29)、第一温度传感器(30)、第二压力传感器(31)和第二温度传感器(32)均通过实心法兰盘悬空固定在第四法兰盘(11)上并用密封胶进行密封。

3.如权利要求1所述的一种研究空化传热特性的试验装置，其特征在于：所述真空罐(1)侧壁开设的圆形通孔之间的距离相等；圆形通孔的数量至少为两个。

4.如权利要求1所述的一种研究空化传热特性的试验装置，其特征在于：所述真空罐法兰盘(3)与试验罐法兰盘(8)上的螺栓孔为半通孔。

5.如权利要求1所述的一种研究空化传热特性的试验装置，其特征在于：所述空化试管(12)为带有体积刻度的全透明石英玻璃试管；所述第一观察窗(4)采用透明亚克力材质；所述第二观察窗(9)采用石英玻璃材质；所述真空罐(1)、真空接口(2)、真空罐法兰盘(3)、第一法兰盘(5)、第二法兰盘(6)、试验罐(7)、试验罐法兰盘(8)、第三法兰盘(10)、第四法兰盘(11)、第一液体输送管(13)、第二液体输送管(16)采用不锈钢材质。

6.如权利要求1所述的一种研究空化传热特性的试验装置，其特征在于：所述第一压力传感器(29)和第一温度传感器(30)插入到空化试管(12)内的长度大于第四法兰盘(11)上表面到试验罐法兰盘(8)上沿之间的距离，但小于空化试管(12)的长度；所述第二压力传感器(31)和第二温度传感器(32)插入到试验罐(7)内的长度不大于第四法兰盘(11)上表面到试验罐法兰盘(8)上沿之间的距离，即不影响高速相机(28)的拍摄。

7.如权利要求1至6任意一项所述的一种研究空化传热特性的试验装置，其特征在于：具体工作过程为：试验开始前，所有阀门处于关闭状态；开启第二真空泵(24)使真空罐(1)内始终保持为准真空状态以起到隔热效果；开启液体输送管阀门(17)，将研究液体注入试验罐(7)内，研究液体淹没第二压力传感器(31)和第二温度传感器(32)的下端，液体的具体高度可根据试验需要进行调节，然后关闭液体输送管阀门(17)；开启第一液体输送管(13)连接的阀门，将研究液体注入空化试管(12)内，研究液体淹没第一压力传感器(29)和第一温度传感器(30)的下端，并保证高速相机(28)能够拍摄到空化试管(12)内研究液体的液面，然后关闭第一液体输送管连接的阀门；压力采集器(33)和温度采集器(34)实时显示试验罐(7)和空化试管(12)内研究液体的压力和温度；

通过辅助设备部分调节试验罐(7)内研究液体的温度，然后由于传热作用，空化试管(12)内研究液体的温度和试验罐(7)内研究液体的温度会逐渐趋于一致；

若需要让研究液体的温度升高且低于试验罐(7)内压力所对应的研究液体的沸点，则打开电加热管开关(25)，电加热管(15)对研究液体进行加热，温度采集器(34)实时显示试验罐(7)内研究液体的温度，研究液体被加热到指定温度后关闭电加热管开关(25),若指定温度不低于试验罐(7)内压力所对应的研究液体的沸点，则首先需要开启第二气体接口阀(19)和氦气钢瓶阀门(23)，氦气钢瓶(22)内的高压氦气进入试验罐(7)内使压力升高，试验罐(7)内的压力高于所需温度对应的饱和蒸气压后关闭第二气体接口阀(19)和氦气钢瓶阀门(23)，然后再通过电加热管(15)对研究液体进行加热升温；同理，若指定温度高于空化试管(12)内压力所对应的研究液体的沸点，则采用上述相同方式先对空化试管(12)进行加压；

若需要让研究液体的温度降低，则开启第二气体接口阀(19)和第一真空泵阀门(21)，启动第一真空泵(20)对试验罐(7)内进行抽压，当试验罐(7)内的压力低于该温度下研究液体的饱和蒸气压时，研究液体就会发生空化现象，研究液体汽化需要吸收热量，由于试验罐(7)处于准真空环境无法从外界吸收热量，则只能吸收研究液体本身热量，进而使得研究液体的温度降低，当温度降低到指定温度时，关闭第二气体接口阀(19)和第一真空泵阀门(21)，关闭第一真空泵(20)，试验罐(7)内的压力会实现再平衡，温度基本保持不变；

加压过程中若试验罐(7)内压力高于泄压阀(18)的设定压力时，泄压阀(18)自动开启使得压力不会继续升高以保护试验装置；

通过光源控制器(27)调节冷光源(26)的强度，并调整冷光源(26)的照射位置和角度，使高速相机(28)拍摄到的空化试管(12)内研究液体的图像清晰可见；

将试验罐(7)内研究液体调节到所需的温度后，等待空化试管(12)内研究液体的温度与试验罐(7)内研究液体温度相同；温度保持一致后，记录下高速相机(28)拍摄到的空化试管(12)内研究液体的液面高度；开启第一气体接口阀(14)和第一真空泵阀门(21)，启动第一真空泵(20)对空化试管(12)内进行抽压，当空化试管(12)内的压力低于该温度下研究液体的饱和蒸气压时，空化试管(12)内的研究液体就会发生空化现象而产生大量的空化泡，产生空化泡的剧烈程度可通过第一真空泵(20)的抽速和第一气体接口阀(14)的开度进行调节；在空化泡产生的瞬间，通过计算机(35)控制高速相机(28)、压力采集器(33)和温度采集器(34)按照设定的频率同步工作，采集空化试管(12)内空化泡演变过程中相应的数据并存储在计算机(35)中；试验采集完毕后，关闭第一气体接口阀(14)和第一真空泵阀门(21)，关闭第一真空泵(20)，待液面平稳后再次记录下高速相机(28)拍摄到的空化试管(12)内研究液体的液面高度；对比发生空化前后空化试管(12)内研究液体的液面高度差就可知发生空化的研究液体的体积；结合发生空化的研究液体的体积和反应的时间，对采集得到的压力和温度数据和高速相机(28)采集得到的空化泡的形态进行分析，就能够对空化泡演变过程及空化传热特性进行深入研究；

试验过程中可根据需要补充和调节空化试管(12)内的研究液体；可以快速地调节试验罐(7)内的压力和温度；阶段性试验完成后，可快速更换不同的研究液体，若之前的研究液体为常温液体，则关闭所有阀门，断开与试验罐部分相连的管道接口和连线，开启第一液体输送管(13)连接的阀门和液体输送管阀门(17)将研究液体倒出；若之前的研究液体为低温液体，则关闭第二真空泵(24)并开启所有阀门使低温液体受热汽化溢出；之前的研究液体排出后，即可注入新的研究液体开展新一组试验；试验所采用的空化试管(12)内的研究液体和试验罐(7)内的研究液体可以相同也可以不同，但是需保证不同的研究液体在试验条件下能够处于同一温度。