CN106248673A - 一种适用于动态运动条件下的汽泡动力学可视化研究装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种适用于动态运动条件下的汽泡动力学可视化研究装置，包括窄通道实验件、预热器、冷凝器、空冷塔、蓄水箱、摇摆平台，冷凝器的管程进口连通窄通道实验件出口，冷凝器的管程出口连通预热器，预热器连通窄通道实验件进口，冷凝器的壳程进口连通蓄水箱，冷凝器的壳程出口连通空冷塔进口，空冷塔出口连通蓄水箱，窄通道实验件垂直固定在摇摆平台上，预热器、冷凝器平行布置于摇摆平台上，摇摆平台下方设置液压驱动机构，窄通道实验件旁设置高速摄影仪，高速摄影仪通过数据采集板连接计算机。本发明可实现窄通道、自然循环、动态运动条件下汽泡行为研究，具有多变量可调、不同运行工况快速切换、自动化程度高的优点。

Description

一种适用于动态运动条件下的汽泡动力学可视化研究装置

技术领域

本发明涉及的是一种实验装置，具体地说是汽泡动力学实验装置。

背景技术

沸腾换热广泛存在于热能、化工及核反应堆领域，汽泡的行为特征与流体的沸腾换热特性密切相关，因此，汽泡动力学研究是各国学者重点关注的课题之一。汽泡形成脱离等运动行为会受到流道结构、流动方式及流动稳定性等多因素的影响，目前研究主要集中在大容器、强迫循环、稳定条件下，而对于细微通道、自然循环以及动载运动等特殊条件下较少。实际上，海洋和航空航天条件下的热工动力装置存在摇摆非稳态、自然循环、窄通道等特殊条件。研究表明这些条件会对流动和传热特性必然会有很大的改变，与之相应的汽泡核化过程、生长、脱离等行为均会受到影响，而产生不同程度的变化。原有常规条件下汽泡行为的研究已不能满足现实的需求，因此开展细微通道、自然循环以及动载运动条件下汽泡动力学研究是必要的。

采用高速摄影仪拍摄实研究装置内汽泡图像，并对汽泡图像后处理得到一些参数(汽泡核化密度、生长速度、脱离频率、汽泡直径等)是目前汽泡动力学可视化研究的主要手段。而研究装置可分为池式和回路式两种。池式装置主要研究工质发生大容积沸腾时汽泡动力学特征。回路式装置主要研究工质流动沸腾汽泡动力学特征。这些装置只能研究稳定状态常规条件下汽泡动力学特征，无法开展非稳定以及与自然循环、窄通道等复合条件下汽泡动力学的研究。如：重庆大学潘良明的汽泡动力学研究装置(潘良明.垂直矩形窄缝流动过冷沸腾时的汽泡行为和换热[D].重庆大学，2002.)仅能完成竖直状态下强迫循环汽泡动力学研究；而大阪大学的Tomio Okawad的可视化汽泡动力学研究装置(Tomio Okawa,Tatsuhiro,Isao Kataoka,et al.Bubble rise characteristics after the departurefrom a nucleation site in vertical upflow boiling of subcooled water[J].Nuclear Engineering and Design,2005,235:1149-1161.)实验件较短，只能观察一个特定区域内的汽泡特性，不能开展跟踪汽泡在通道内演变过程的研究。尤其是在动态条件下，如何准确有效地获取汽泡的运动行为特征，对于研究非稳定条件下的汽泡行为至关重要。

发明内容

本发明的目的在于提供可实现窄通道、自然循环、动态运动条件下汽泡行为研究的一种适用于动态运动条件下的汽泡动力学可视化研究装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种适用于动态运动条件下的汽泡动力学可视化研究装置，其特征是：包括窄通道实验件、预热器、冷凝器、空冷塔、蓄水箱、摇摆平台，冷凝器的管程进口连通窄通道实验件出口，冷凝器的管程出口通过第一管路连通预热器，预热器连通窄通道实验件进口，冷凝器的壳程进口通过第二管路连通蓄水箱，冷凝器的壳程出口通过第三管路连通空冷塔进口，空冷塔出口连通蓄水箱，窄通道实验件垂直固定在摇摆平台上，预热器、冷凝器平行布置于摇摆平台上，摇摆平台下方设置可使其六自由度摇摆运动的液压驱动机构，窄通道实验件旁设置高速摄影仪，高速摄影仪通过数据采集板连接进行数据整理的计算机。

本发明还可以包括：

1、所述窄通道实验件包括加热平板、耐温玻璃，加热平板和耐温玻璃通过不锈钢固定板固定支撑，加热平板和耐温玻璃之间形成窄矩形通道，固定板上设置凹形槽道，凹形槽道里放置实现与耐温玻璃密封的O型硅胶密封圈，固定板背面设置有热电偶孔，热电偶孔里布置N型铠装热电偶，加热平板连接直流电源。

2、第一管路上安装稳压器，稳压器里充有氮气，稳压器的上方设置泄压阀和安全阀。

3、高速摄影仪位于可水平前后移动和垂直上下移动的导轨机构上，高速摄影仪面向窄通道实验件的耐温玻璃设置，窄通道实验件的耐温玻璃前方设置光纤灯。

本发明的优势在于：

1.本发明实现了非竖直静止条件下汽泡动力学的可视化研究，为运载动态条件下两相流动的换热特性机理研究提供了支持。

2.本发明多变量可控，如系统压力、流量、入口过冷度、加热功率、摇摆周期和角度。可全面研究不同工况条件下，汽泡的特性变化。

3.本发明可以分别进行自然循环和强迫循环两相流实验。通过两种工况下汽泡行为对比，可深入认识自然循环条件下汽泡行为特点。

4.本发明高速摄影仪可变换拍摄位置，有助于认识汽泡在通道内的演变过程，还可以跟踪过冷沸腾ONB点。摇摆平台工作时可通过控制平台移动高速摄影拍摄位置，操作安全，且节约实验时间。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的实验回路三维示意图；

图3为本发明实验件的横界面示意图；

图4为本发明可视化系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-4，本发明一种适用于动态运动条件下汽泡动力学可视化研究装置结构如下：包括实验回路Ⅰ、冷却回路Ⅱ、摇摆平台Ⅲ、数据采集系统Ⅳ四部分，实验工质为去离子水。实验回路Ⅰ由窄通道实验件1、法兰2、压差传感器3、冷凝器4、排气阀5、离心泵6、阀门7、阀门8、流量计9、稳压器10、泄压阀11、安全阀12、压力变送器13、预热器14、过滤器15组成。摇摆平台Ⅲ由可倾斜、摇摆模拟海洋、航空等运载动态条件。冷凝回路Ⅱ由离心泵19、过滤器20、流量计21、连接软管22、空冷塔23、蓄水箱24等组成。数据采集系统Ⅳ主要包括电脑25、数据采集板26、高速摄影仪27。

主实验回路Ⅰ中各部分通过不锈钢管路连接为立体封闭回路，垂直对称布置在摇摆平台16上。垂直布置可使得摇摆产生的附加惯性力引入到流动回路中；对称布置可使得摇摆时摇摆平台两边受力均衡，有利于实验回路的稳定。工质水在回路中的流程为：首先流出预热器14，且温度达到目标值，流经实验件1加热至过冷沸腾，流出实验件1后进入到冷凝器4，被冷却返回到预热器14。主实验回路上布置有多根K型热电偶，测量回路中温度的变化。由于实验件流道小，实验件前安装有Y型过滤器15，防止杂质堵塞。

流动驱动力在强迫循环条件下为离心泵6，自然循环条件下为冷热段的密度差。电动阀门7和电动阀门8与控制平台相连，控制阀门关闭可以实现自然循环和强迫循环的切换。自然循环实验前启动强迫循环，使通道内的流体循环起来，再切换到自然循环进行实验，可缩短自然循环实验流量稳定的时间。

主实验回路Ⅰ最高位置留有排气孔。为避免不凝气体对核化汽泡的影响，实验前需要对实验回路内工质排气，通过预热器将实验回路内水加热至饱和，通过阀门5将不凝气体排出。

单面加热可视化窄矩形通道实验件1垂直固定在摇摆平台16上。实验件与实验回路通过法兰2连接，方便拆卸和更换不同流道尺寸实验件，可展开流道尺寸结构对汽泡行为影响的研究。如图3所示，实验件1中窄矩形通道由加热平板1-1和耐温玻璃1-2组成。加热板材质为316不锈钢，石英玻璃上刻有矩形流道。加热板1-1和玻璃1-2由不锈钢固定板1-3固定支撑，并用螺栓上紧。固定板1-3上刻有凹型槽道1-4，放置有O型硅胶密封圈1-5。硅胶垫可以起到密封作用，并且可以承受高温。固定板背面留有热电偶孔1-6，布置N型铠装热电偶1-7，测量实验件背面温度。如图4所示，加热平板连接直流电源1-8。实验件外部除可视化面外，其余部分包裹硅酸盐保温棉1-9，防止热量向环境的散失，确保实验测量的准确

为控制自然循环流动系统内的压力稳定，实验回路与稳压器相连。稳压器10内充氮气，可减缓系统内压力波动对实验回路的损坏，并维持系统压力到预定值。当压力过高时，可通过稳压器10上泄压阀门11泄压或安全阀12泄压。泄压阀门上留有接口可与高压氮气瓶连接，当系统压力低时，可向系统内加压。

由图1和图2可知，冷凝器4平行布置在摇摆台中心轴17正上方。平行布置可减弱摇摆时冷凝器腔内流体搅动对回路循环的影响。实验回路Ⅰ中工质流经冷凝器管程，回路内流动阻力小，有利于自然循环实验。

预热器14平行布置在摇摆平台中心轴17上，这样布置可减弱摇摆时预热器腔体内流体搅动对回路循环的影响。同时预热器连有PID控制器，可以使出口温度保持在预设值±0.5℃以内。

主实验回路Ⅰ流量测量选用电磁流量计9。动态自然循环条件下，实验回路中会产生反向流动，电磁流量计可测量小流量和负流量，并且精度高。动态不稳定性对电磁流量计的测量精度影响较小，而对质量流量计和涡轮流量计测量精度有较大的影响。

冷却回路Ⅱ通过软管22与主实验回路冷凝器4相连。冷却水被泵19驱动，流经冷凝器4壳层带走热量，然后进入到空冷器23中，将热量最终散失到环境中，冷却水最终流回到水箱24。涡轮流量计21测量冷却水的流量。回路上布置有两根K型铠装热电偶，测量冷凝器壳层进出口水温。

摇摆平台16由液压驱动机构18驱动，可六自由度摇摆运动。通过操作平台，可设置倾斜角度、摇摆角度和摇摆周期。

如图4所示，高速摄影仪27正对实验件1可视化面，布置在可二维移动的导轨机构27-1上。导轨机构由导杆和滑块组成，通过电机27-3驱动可垂直上下和水平前后移动，并与控制平台连接。高速摄影仪前后移动可改变拍摄区域的大小，实现局部区域与全通道汽泡的行为特征研究；上下移动可拍摄通道内不同位置的汽泡行为，实现汽泡在通道内演变过程的研究。摇摆平台工作时可通过控制平台自动移动高速摄影拍摄位置，操作安全，且节约实验时间。采用光纤灯27-2在实验件正面打光，光纤灯的位置和亮度均可调，可为高速摄影提供最佳亮度光源。

Claims (5)

1.一种适用于动态运动条件下的汽泡动力学可视化研究装置，其特征是：包括窄通道实验件、预热器、冷凝器、空冷塔、蓄水箱、摇摆平台，冷凝器的管程进口连通窄通道实验件出口，冷凝器的管程出口通过第一管路连通预热器，预热器连通窄通道实验件进口，冷凝器的壳程进口通过第二管路连通蓄水箱，冷凝器的壳程出口通过第三管路连通空冷塔进口，空冷塔出口连通蓄水箱，窄通道实验件垂直固定在摇摆平台上，预热器、冷凝器平行布置于摇摆平台上，摇摆平台下方设置可使其六自由度摇摆运动的液压驱动机构，窄通道实验件旁设置高速摄影仪，高速摄影仪通过数据采集板连接进行数据整理的计算机。

2.根据权利要求1所述的一种适用于动态运动条件下的汽泡动力学可视化研究装置，其特征是：所述窄通道实验件包括加热平板、耐温玻璃，加热平板和耐温玻璃通过不锈钢固定板固定支撑，加热平板和耐温玻璃之间形成窄矩形通道，固定板上设置凹形槽道，凹形槽道里放置实现与耐温玻璃密封的O型硅胶密封圈，固定板背面设置有热电偶孔，热电偶孔里布置N型铠装热电偶，加热平板连接直流电源。

3.根据权利要求1或2所述的一种适用于动态运动条件下的汽泡动力学可视化研究装置，其特征是：第一管路上安装稳压器，稳压器里充有氮气，稳压器的上方设置泄压阀和安全阀。

4.根据权利要求1或2所述的一种适用于动态运动条件下的汽泡动力学可视化研究装置，其特征是：高速摄影仪位于可水平前后移动和垂直上下移动的导轨机构上，高速摄影仪面向窄通道实验件的耐温玻璃设置，窄通道实验件的耐温玻璃前方设置光纤灯。

5.根据权利要求3所述的一种适用于动态运动条件下的汽泡动力学可视化研究装置，其特征是：高速摄影仪位于可水平前后移动和垂直上下移动的导轨机构上，高速摄影仪面向窄通道实验件的耐温玻璃设置，窄通道实验件的耐温玻璃前方设置光纤灯。