CN110567675B - 等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置和方法，该实验装置包括：实验主体腔、放置于实验主体腔内的测试几何结构对象、两个流体输送装置、低温流体高压储存罐和低温流体常压收集罐；实验主体腔包括：分别与两个流体输送装置连接的下部流体注入口和上部流体注入口、操作口和实验主体腔壁面；实验主体腔壁面包括：内层壁、外层壁和环形通道；操作口位于实验主体腔的顶部，操作口的下端凸形法兰结构上设有流体排出口。本发明的结构简单，能够维持低温环境，通过有效减弱浮力作用并降低两相界面张力，实现了地面上比拟研究微重力及低温条件下典型结构内气液界面分布与流体管理的目的。

Description

等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置和方法

技术领域

本发明属于航天总体技术领域，尤其涉及一种等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置和方法。

背景技术

微重力流体物理是微重力科学的重要领域，具有气-液和液-液界面的两相流体体系普遍存在于航天工程中，涉及空间热控、流体管理和生态系统等内容。然而，在空间微重力环境下，由于重力缺失，表面张力等次级力成了流体运动和界面演化的主要驱动力，两相系统中的流体过程也呈现了许多与地面上不同的情况。了解微重力条件下航天器典型部件内的气液相分布特征，尤其考虑空间的低温环境，对空间航天器的参数设计、安全运行和优化管理均有重要价值。

空间微重力实验本身成本较高，实验过程所能控制的流体参数变得苛刻，所能观测到的数据有限，这对微重力流体科学的发展和界面张力的应用带来各种不便。若能够提出一种地面上能够等效实施微重力低温环境下气液分布及流体管理的装置及方法，将界面力作用下的气液分布关键过程得以可视化呈现，那么将直接解决热控过程中储液器和燃料贮箱内结构设计上的缺陷和瓶颈问题。

针对以上问题，业界一直在探讨，但目前尚没有针对流体过程提出的可靠等效方法。要成功实现比拟过程，一方面要降低重力效应对界面形态的影响，凸显表面张力的作用，另一方面可调节表面张力大小，在低温环境下又能反应低表面张力流体的性质。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置和方法，以通过两种不溶流体组合，消除或减弱界面处浮升力的影响，降低两相界面处的界面张力，以真实反应低温流体在航天器典型部件结构内的工作特征。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置，包括：实验主体腔、测试几何结构对象、第一流体输送装置、第二流体输送装置、低温流体高压储存罐和低温流体常压收集罐；其中，实验主体腔，包括：下部流体注入口、上部流体注入口、操作口和实验主体腔壁面；

实验主体腔壁面为双层结构实体壁面，包括：内层壁、外层壁、以及由内层壁和外层壁构成的低温环境保护流体的环形通道；其中，环形通道上设有低温保护流体的注入口和排出口，注入口和排出口焊接于外层壁上，并与环形通道相连通；注入口通过管道与低温流体高压储存罐相连接，排出口通过管道与低温流体常压收集罐相连接；

下部流体注入口位于实验主体腔的下半部分，穿过环形通道与内层壁相连通；第一流体输送装置通过管道与下部流体注入口相连接；

上部流体注入口位于实验主体腔的上半部分，穿过环形通道与内层壁相连通；第二流体输送装置通过管道与上部流体注入口相连接；

操作口位于实验主体腔的顶部，下端为凸形法兰结构，穿过环形通道与内层壁相连通，并通过螺栓与实验主体腔密封；其中，操作口的下端凸形法兰结构上设有流体排出口，贯通下端凸形法兰结构与实验主体腔相连通；

测试几何结构对象放置于实验主体腔内。

在上述等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置中，实验主体腔，还包括：透明观察窗和透明疏水材料层；

透明观察窗设置于实验主体腔的前后两侧，透明观察窗为双层结构，分别与内层壁和外层壁通过高压法兰连接；

透明疏水材料层敷设在透明观察窗的外层外表面上。

在上述等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置中，实验主体腔壁面，还包括：保温材料层；

保温材料层敷设在外层壁的外层外表面上。

在上述等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置中，还包括：拍摄相机和补光灯；

拍摄相机位于透明观察窗的侧面，以记录不同流体注入的过程中，两相界面在测试几何结构对象内发生的动态演化；

补光灯位于实验装置的上方。

在上述等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置中，还包括：多个流体控制阀；

下部流体注入口、上部流体注入口和流体排出口上均设有流体控制阀。

在上述等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置中，测试几何结构对象包括如下对象中的任意一种：夹角结构对象、多孔介质结构对象和储液器整体结构对象。

本发明还公开了一种等效实施微重力低温环境下气液分布的实验方法，包括：

将低温流体高压储存罐内的低温环境保护流体通过注入口注入实验主体腔的环形通道内，并通过与排出口相连的低温流体常压收集罐连续收集；

将第一流体输送装置内的第一流体通过下部流体注入口注入实验主体腔内，并调节初始液位位于透明观察窗的中部位置；

将第二流体输送装置内的第二流体通过上部流体注入口注入实验主体腔内，实验主体腔内的原气体由流体排出口排出、直至第二流体充满整个实验主体腔，第二流体与第一流体形成两相界面；其中，第一流体与第二流体不相互溶；

记录流体注入的过程中，两相界面在测试几何结构对象内发生的动态演化。

在上述等效实施微重力低温环境下气液分布的实验方法中，在将低温流体高压储存罐内的低温环境保护流体通过注入口注入实验主体腔的环形通道内时，通过控制低温流体高压储存罐的阀门大小改变低温环境保护流体的注入速度，以维持实验主体腔内实验所需的低温环境。

在上述等效实施微重力低温环境下气液分布的实验方法中，还包括：在实验前，根据实验要求，预先选定第一流体和第二流体的物性，以降低两相界面处的界面张力，并减弱浮升力效应，从而比拟不同重力条件下典型几何结构内的气液分布和界面演化过程。

在上述等效实施微重力低温环境下气液分布的实验方法中，还包括：通过改变测试几何结构对象的几何特征，得到不同测试几何结构对象条件下的流体的分布状态和输运规律，形成等效流体管理方案。

本发明具有以下优点：

(1)本发明结构简单，操作方便，能够维持低温环境，一方面可通过配置等密度流体，消除或减弱两相界面处浮升力的影响，另一方面可通过不同的流体组合，得到较低的两相界面张力，从而反应低温流体的工作特征，实现了地面上比拟研究微重力及低温条件下典型结构内气液界面分布与流体管理的目的。

(2)在本发明中，可通过设计合理的第一流体和第二流体的物性范围，以实现不同的等效实验条件和操作范围；由实验结果获得的界面演化过程和相应无量纲动力学参数，来设计实验主体腔内的测试几何结构对象的型式和尺寸，实现流体位置的合理分布和有效输送，则实现了等效条件下流体管理的目的。

附图说明

图1是本发明实施例中一种等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中一种夹角结构对象的结构示意图；

图3是本发明实施例中一种多孔介质结构对象的结构示意图；

图4是本发明实施例中一种储液器整体结构对象的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

如图1，在本实施例中，该等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置，包括：实验主体腔1、测试几何结构对象2、第一流体输送装置3、第二流体输送装置4、低温流体高压储存罐16和低温流体常压收集罐17。其中，实验主体腔1具体可以包括：下部流体注入口5、上部流体注入口6、操作口7和实验主体腔壁面。

优选的，为实现实验所需的低温环境，实验主体腔壁面设计为双层结构实体壁面，具体可以包括：内层壁9、外层壁10、以及由内层壁9和外层壁10构成的低温环境保护流体的环形通道11。进一步的，由于环形通道11内需注入所需的低温环境保护流体，因此，环形通道11上设有低温保护流体的注入口14和排出口15，注入口14和排出口15焊接于外层壁10上，并与环形通道11相连通；注入口14通过管道与低温流体高压储存罐16相连接，打开阀门后可实现低温环境保护流体的供应，排出口15通过管道与低温流体常压收集罐17相连接，可保证流体不断被收集。

优选的，实验测试过程中，测试几何结构对象2放置于实验主体腔1内，为实现流体加注，实验主体腔1上开有下部流体注入口5和上部流体注入口6。进一步的，实验过程中，需要将第一流体和第二流体相断注入实验主体腔1内，因此，下部流体注入口5位于实验主体腔1的下半部分，穿过环形通道11与内层壁9相连通，作为第一流体的注入口；上部流体注入口6位于实验主体腔1的上半部分，穿过环形通道11与内层壁9相连通，作为第二流体的注入口；第一流体由第一流体输送装置3加注，第一流体输送装置3通过管道与下部流体注入口5相连接；第二流体由第二流体输送装置4加注，第二流体输送装置4通过管道与上部流体注入口6相连接。

优选的，操作口7位于实验主体腔1的顶部，下端为凸形法兰结构，穿过环形通道11与内层壁9相连通，并通过螺栓与实验主体腔1密封，主要用于将测试几何结构对象2放置于实验主体腔1内。其中，操作口7的下端凸形法兰结构上设有流体排出口12，贯通下端凸形法兰结构与实验主体腔1相连通，主要可用于在加注第一流体或第二流体时，将实验主体腔1内原有的气体排出，也可用于实验结束后流体的排出、装置的清洗，以及协助调整测试几何结构对象2的放置位置和方向等。

在本发明的一优选实施例中，如图1，该实验主体腔1还可以包括：透明观察窗8和透明疏水材料层13。其中，透明观察窗8设置于实验主体腔1的前后两侧，透明观察窗8为双层结构，分别与内层壁9和外层壁10通过高压法兰连接；透明疏水材料层13敷设在透明观察窗8的外层外表面上，以减少外层窗外表面上蒸汽的冷凝和结霜。

在本发明的一优选实施例中，如图1，该实验主体腔壁面还可以包括：保温材料层18。其中，保温材料层18敷设在外层壁10的外层外表面上，以降低散热。

在本发明的一优选实施例中，如图1，该等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置，还可以包括：拍摄相机19和补光灯20。其中，拍摄相机19位于透明观察窗8的侧面，以记录不同流体注入的过程中，两相界面在测试几何结构对象2内发生的动态演化；补光灯20位于实验装置的上方。

在本发明的一优选实施例中，如图1，该等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置，还可以包括：多个流体控制阀21。其中，下部流体注入口5、上部流体注入口6和流体排出口12上均设有流体控制阀21，用于调节流体加注速度，或加注结束后封闭实验主体腔。

在本发明的一优选实施例中，测试几何结构对象2可等效视为航天器典型部件结构，包括但不仅限于如下对象中的任意一种：夹角结构对象、多孔介质结构对象和储液器整体结构对象。

优选的，如图2，夹角结构对象具体可以包括：透明平板Ⅰ221和透明平板Ⅱ222，透明平板Ⅰ221和透明平板Ⅱ222的夹角α为5～90°。

优选的，多孔介质结构对象可由单层或双层多孔丝网231构成。其中，如图3，多孔丝网231由透明平板Ⅲ232和透明平板Ⅳ233夹住使用，一方可面通过减少丝网层数保证两相界面的可视化状态，另一方面可通过透明平板支撑多孔丝网内已爬升的流体质量，能更有效测试多孔丝网本身的毛细力和阻力特性。

优选的，如图4，储液器整体结构对象的左右端不密封，为开式结构。为实现界面可视化，储液器整体结构对象的壁面241由透明材料构成，内部设有星形夹角结构242或多孔介质结构对象。

在上述实施例的基础上，下面结合该等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置的工作原理进行说明。

该实验装置的工作原理如下：使用时，打开操作口7，清洗实验主体腔1，之后将预先设计好的测试几何结构对象2放置于实验主体腔1，做好定位和加固，之后封闭操作口7。实验测试前，打开补光灯20和拍摄相机19，调节好拍摄相机19的焦距和补光灯20的亮度，确保最佳拍摄效果。实验测试开始后，先打开低温流体常压收集罐17，之后打开低温流体高压储存罐16，调节好流量，将低温流体高压储存罐16内的低温环境保护流体通过注入口14注入实验主体腔1的环形通道11内，并通过与排出口15相连的低温流体常压收集罐17连续收集；数十分钟后，低温环境保护流体和实验主体腔1内的温度均达到稳定(低温环境：10～170K)。打开实验主体腔1上的流体排出口12和下部流体注入口5的流体控制阀，并由第一流体输送装置3加注预先设计好的第一流体，使界面达到观察窗中部位置时即停止，关闭部流体注入口5的流体控制阀；打开上部流体注入口6的流体控制阀，并由第二流体输送装置4加注预先设计好的第二流体；第一流体和第二流体相互作用的过程中，两相界面在几何结构对象2内会发生新的变化，整个动态过程一直由拍摄相机19记录。最终第二流体加注结束后，两相界面不断趋向稳定，达到新的平衡状态，即得到了等效条件下几何结构对象2的静态界面位置和两相的分布方式。此外，第二流体加注满后，可关闭流体排出口12的流体控制阀，那么整个实验主体腔1成为了独立但封闭的实验整体，可晃动实验主体腔1或连续旋转实验主体腔1的放置角度，记录等效条件下几何结构对象2内两相界面的动力学特征和演化过程。

综上可知，本发明实施例所述的等效实施微重力低温环境下气液分布的实验，具有如下优点：(1)等效实验效果好。现有测试结果表明，所配置的第一流体和第二流体组合体系，一方面能够消除或减弱两相界面上的浮升力作用，使得两相界面在内角结构内的分布形态与已知微重力条件下的形态基本一致，达到了在地面条件下比拟实现微重力下典型部件结构内气液分布特征的目的。(2)界面张力调节范围大。通过改变流体组合体系，可使两相界面张力位于第一流体和第二流体本身的表面张力之间、均低于第一流体和第二流体本身的表面张力和超低表面张力范围(<5mN/m)，可有效比拟空间低温流体的低表面张力性质，并通过控制无量纲参数来调整夹角结构、毛细结构的尺寸范围，实现相似的界面动力学过程。(3)实现了低温环境，通过观察窗实现了实验主体腔内部的可视化。(4)实验过程简单，实验成本较低，通过调节两种流体的物性，所能比拟的实验参数范围较宽，通过消除浮升力影响，使比拟实验不再局限于微尺度结构，因此可通过设计不同的宏观测试几何结构对象，实现航天器不同部件结构内气液分布过程的实验测试。

在上述实施例的基础上，本发明还公开了一种等效实施微重力低温环境下气液分布的实验方法，包括：将低温流体高压储存罐内的低温环境保护流体通过注入口注入实验主体腔的环形通道内，并通过与排出口相连的低温流体常压收集罐连续收集；将第一流体输送装置内的第一流体通过下部流体注入口注入实验主体腔内，并调节初始液位位于透明观察窗的中部位置；将第二流体输送装置内的第二流体通过上部流体注入口注入实验主体腔内，实验主体腔内的原气体由流体排出口排出、直至第二流体充满整个实验主体腔腔，第二流体与第一流体形成两相界面；其中，第一流体与第二流体不相互溶；记录流体注入的过程中，两相界面在测试几何结构对象内发生的动态演化。

优选的，在将低温流体高压储存罐内的低温环境保护流体通过注入口注入实验主体腔的环形通道内时，可通过控制低温流体高压储存罐的阀门大小改变低温环境保护流体的注入速度，以维持实验主体腔内实验所需的低温环境。

优选的，该等效实施微重力低温环境下气液分布的实验方法，还可以包括：在实验前，根据实验要求，预先选定第一流体和第二流体的物性，以降低两相界面处的界面张力，并减弱浮升力效应，从而比拟不同重力条件下典型几何结构内的气液分布和界面演化过程。

优选的，该等效实施微重力低温环境下气液分布的实验方法，还可以包括：通过改变测试几何结构对象的几何特征，得到不同测试几何结构对象条件下的流体的分布状态和输运规律，形成等效流体管理方案。

对于方法实施例而言，由于其与装置实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装置实施例部分的说明即可。

本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置，其特征在于，包括：实验主体腔(1)、测试几何结构对象(2)、第一流体输送装置(3)、第二流体输送装置(4)、低温流体高压储存罐(16)和低温流体常压收集罐(17)；其中，实验主体腔(1)，包括：下部流体注入口(5)、上部流体注入口(6)、操作口(7)和实验主体腔壁面；

实验主体腔壁面为双层结构实体壁面，包括：内层壁(9)、外层壁(10)、以及由内层壁(9)和外层壁(10)构成的低温环境保护流体的环形通道(11)；其中，环形通道(11)上设有低温保护流体的注入口(14)和排出口(15)，注入口(14)和排出口(15)焊接于外层壁(10)上，并与环形通道(11)相连通；注入口(14)通过管道与低温流体高压储存罐(16)相连接，排出口(15)通过管道与低温流体常压收集罐(17)相连接；

下部流体注入口(5)位于实验主体腔(1)的下半部分，穿过环形通道(11)与内层壁(9)相连通；第一流体输送装置(3)通过管道与下部流体注入口(5)相连接；

上部流体注入口(6)位于实验主体腔(1)的上半部分，穿过环形通道(11)与内层壁(9)相连通；第二流体输送装置(4)通过管道与上部流体注入口(6)相连接；

操作口(7)位于实验主体腔(1)的顶部，下端为凸形法兰结构，穿过环形通道(11)与内层壁(9)相连通，并通过螺栓与实验主体腔(1)密封；其中，操作口(7)的下端凸形法兰结构上设有流体排出口(12)，贯通下端凸形法兰结构与实验主体腔(1)相连通；

测试几何结构对象(2)放置于实验主体腔(1)内。

2.根据权利要求1所述的等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置，其特征在于，实验主体腔(1)，还包括：透明观察窗(8)和透明疏水材料层(13)；

透明观察窗(8)设置于实验主体腔(1)的前后两侧，透明观察窗(8)为双层结构，分别与内层壁(9)和外层壁(10)通过高压法兰连接；

透明疏水材料层(13)敷设在透明观察窗(8)的外层外表面上。

3.根据权利要求1所述的等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置，其特征在于，实验主体腔壁面，还包括：保温材料层(18)；

保温材料层(18)敷设在外层壁(10)的外层外表面上。

4.根据权利要求2所述的等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置，其特征在于，还包括：拍摄相机(19)和补光灯(20)；

拍摄相机(19)位于透明观察窗(8)的侧面，以记录不同流体注入的过程中，两相界面在测试几何结构对象(2)内发生的动态演化；

补光灯(20)位于实验装置的上方。

5.根据权利要求1所述的等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置，其特征在于，还包括：多个流体控制阀(21)；

下部流体注入口(5)、上部流体注入口(6)和流体排出口(12)上均设有流体控制阀(21)。

6.根据权利要求1所述的等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置，其特征在于，测试几何结构对象(2)为：夹角结构对象、多孔介质结构对象或储液器整体结构对象。

7.一种如权利要求1所述的等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置的实验方法，其特征在于，包括：

将低温流体高压储存罐内的低温环境保护流体通过注入口注入实验主体腔的环形通道内，并通过与排出口相连的低温流体常压收集罐连续收集；

将第一流体输送装置内的第一流体通过下部流体注入口注入实验主体腔内，并调节初始液位位于透明观察窗的中部位置；

将第二流体输送装置内的第二流体通过上部流体注入口注入实验主体腔内，实验主体腔内的原气体由流体排出口排出、直至第二流体充满整个实验主体腔，第二流体与第一流体形成两相界面；其中，第一流体与第二流体不相互溶；

记录流体注入的过程中，两相界面在测试几何结构对象内发生的动态演化。

8.根据权利要求7所述的实验方法，其特征在于，在将低温流体高压储存罐内的低温环境保护流体通过注入口注入实验主体腔的环形通道内时，通过控制低温流体高压储存罐的阀门大小改变低温环境保护流体的注入速度，以维持实验主体腔内实验所需的低温环境。

9.根据权利要求7所述的实验方法，其特征在于，还包括：在实验前，根据实验要求，预先选定第一流体和第二流体的物性，以降低两相界面处的界面张力，并减弱浮升力效应，从而比拟不同重力条件下典型几何结构内的气液分布和界面演化过程。

10.根据权利要求7所述的实验方法，其特征在于，还包括：通过改变测试几何结构对象的几何特征，得到不同测试几何结构对象条件下的流体的分布状态和输运规律，形成等效流体管理方案。

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