CN111006783A

CN111006783A - 一种适用于气液两相流的气相测温探针及其设计方法

Info

Publication number: CN111006783A
Application number: CN201911252594.4A
Authority: CN
Inventors: 张海滨; 白博峰; 朱艳; 裴斌斌; 孙文斌
Original assignee: Xian Jiaotong University; AECC Sichuan Gas Turbine Research Institute
Current assignee: Xian Jiaotong University; AECC Sichuan Gas Turbine Research Institute
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2020-04-14
Anticipated expiration: 2039-12-09
Also published as: CN111006783B

Abstract

本发明公开了一种适用于气液两相流的气相测温探针及其设计方法，属于流场温度测试领域。一种适用于气液两相流的气相测温探针，包括钝体结构，钝体结构的背风侧设有空心管，远离钝体结构的空心管内设有折流板，空心管下方靠近钝体结构的一侧开设有通流孔，靠近钝体结构的空心管内设有第一热电偶。本发明的适用于气液两相流的气相测温探针，不用外在的动力即可产生气液两相流的分离，第一热电偶设置的位置经基于惯性差异产生气液两相流分离出液相、经折流板的阻挡滤出液相、经重力的作用由通流孔滤出液相，保障了热电偶测气相温度不受液相的干扰，测试结果准确率高。

Description

一种适用于气液两相流的气相测温探针及其设计方法

技术领域

本发明属于流场温度测试领域，尤其是一种适用于气液两相流的气相测温探针及其设计方法。

背景技术

气液两相流广泛的存在于能源、化工及国防动力技术等领域，如涡喷发动机进气道射流预冷、航空发动机内液体燃料与空气的预混和燃烧，燃气轮机进气加湿等过程。准确获取气液两相流场的温度分布特性，是研究气液传热传质特性和优化两相流过程组织的基础和关键。而在气液两相流场中，受液滴相的影响，非接触式光学测量手段以及常规接触式热电偶探针均难以准确测量气液两相流中的气相温度。

气液两相流场中气相温度直接反映射流冷却效果，是评估射流预冷技术提升动力系统功率的重要判断依据，因此，气相温度的精确测量对射流预冷技术的发展起着重要作用。目前国内外相关气液两相测温技术主要有非接触式的分子示踪测温技术和直接接触式热电偶测温技术。分子示踪测温技术通过在流场中加入微小示踪分子(如磷光、NO等)，耦合PIV、高速摄影等技术，依据不同时段测得的示踪分子发光强度，标定发光时间-温度关系，进而获得气液两相中温度场。该技术所需示踪分子发光强度会随时间、温度、压力等工况参数变化，导致较大测量误差，且实验段必须可视化，在高温高压等极端工况下难以实现。热电偶测温技术利用流场中固定的热电偶探头与气相场对流传热，实现对温度场的直接测量，当气液两相中液滴较多时，导致热电偶所测温度为液滴温度，无法真实反映气相温度场。针对上述技术存在的弊端，国内中国航发四川燃气涡轮研究院提出了一种基于离心分离方法的气液两相流气相温度测量装置(CN 108562376 A)，将气液两相引入封闭空心管内，通过内置旋流叶片的离心作用，使气液两相中液滴与气相分离，从而通过热电偶实现对气相温度测量。该技术主要靠液滴的惯性作用实现两相液滴的分离，但当液滴粒径较小时分离效果不佳，液滴容易撞击到热电偶探头，影响气相温度的测量精度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中气液两相流分离效果不佳，测量气相温度时受液相影响缺点，提供一种适用于气液两相流的气相测温探针及其设计方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种适用于气液两相流的气相测温探针，包括钝体结构，钝体结构的背风侧设有空心管，远离钝体结构的空心管内设有折流板，空心管下方靠近钝体结构的一侧开设有通流孔，靠近钝体结构的空心管内设有第一热电偶。

进一步的，钝体结构内部开设有热电偶通道，热电偶通道一端延伸至钝体结构的端面，另一端与空心管相连通。

进一步的，所述通流孔外设有防护罩。

进一步的，第一热电偶安装位置由以下方法确定：

对钝体结构和空心管在气液两相流场中引起的流场变化和气液流动特性进行仿真；

对仿真结果进行分析，获取空心管内的气相流区，即为第一热电偶安装位置。

进一步的，钝体结构为圆柱状或流线型扰流柱状。

进一步的，还包括支撑架和通光管，支撑架用于支撑钝体结构；

通光管设在空心管的两侧，两者为连通状态，两者的中心线呈90°；

通光管的一端设有平行光源，另一端设有用于捕捉第一热电偶状态的高速摄像装置。

一种适用于气液两相流的气相测温探针的设计方法，包括以下步骤：

1)获取用于产生分离气液两相流的钝体结构，在钝体结构的背风侧设置空心管，在空心管下方靠近钝体结构的一侧开设有通流孔，得到气液分离结构；

2)对所述气液分离结构在气液两相流场中引起的流场变化和气液流动特性进行仿真；

3)对仿真结果进行分析，获取空心管的气相流区，并通过热电偶通道在气相流区中布置第一热电偶；

4)将带有第一热电偶的气液分离结构置于待测的气液两相流场中，获取第一热电偶的温度时间曲线和第一热电偶同时段的视频；

5)分析第一热电偶的温度时间曲线和对应的视频图像，若第一热电偶输出了气相温度，则设计完成；

否则，重复步骤1)-4)直至第一热电偶输出气相温度与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的适用于气液两相流的气相测温探针，带有空心管的利用钝体结构基于气液两相惯性差异实现对气液两相流的分离，分离后的气体由空心管末端进入腔内，与腔内第一热电偶对流换热实现对气相温度的测量；折流板的存在，起到对偶然进入空心管的液相阻挡的作用，进一步保证空心管内气相不受液相的影响；该适用于气液两相流的气相测温探针，不用外在的动力即可产生气液两相流的分离，第一热电偶设置的位置经基于惯性差异产生气液两相流分离出液相、经折流板的阻挡滤出液相、经重力的作用由通流孔滤出液相，保障了热电偶测气相温度不受液相的干扰，测试结果准确率高。

进一步的，钝体结构内部开设有热电偶通道，第一热电偶从通道顶端引入，最终布置在空心管内，起到固定热电偶、防止热电偶被气流卷吸错位的作用。

进一步的，通流孔外设有防护罩，防止下方液相经通流孔进入空心管。

进一步的，由仿真分析得到第一热电偶的安装位置，进一步的保证了其处于气相区，从而保证第一热电偶测试结果的准确率。

进一步的，支撑架和通光管的存在，为观测适用于气液两相流的气相测温探针内的热电偶状态提供可视化的硬件基础，而观测热电偶状态能够结合另一个维度的信息，热电偶状态的获取，测试者能够获取更准确的气相温度。

本发明的适用于气液两相流的气相测温探针及其设计方法，基于气液两相惯性差异采用带有空心管的钝体结构对两者分离，从而在空心管中形成纯气相环境；而后利用仿真分析方法找到纯气相环境所在区域，并在此区域中安装第一热电偶，而后，得到适用于气液两相流的气相测温探针；将上述探针置于两相流中，得到输出的温度时间曲线和第一热电偶的图像，结合两者分析，若第一热电偶输出了气相温度，则设计成功，否则，采用可视化试验手段，分析影响测试的影响因素，重新设计；该设计方法，结合仿真结果确定第一热电偶的安装位置、可视化实验验证设计的合理性，有利于提高测试的准确率，从而提高设计的效率。

附图说明

图1为实施例1的适用于气液两相流的气相测温探针的结构示意图；

图2为实施例1的适用于气液两相流的气相测温探针剖视图；

图3为实施例1的加装了可视化装置的适用于气液两相流的气相测温探针的结构示意图；

图4本发明的适用于气液两相流的气相测温探针及其设计方法流程图；

图5为基于实施例1的适用于气液两相流的气相测温探针得到的仿真结果图；

图6为基于实施例1的适用于气液两相流的气相测温探针输出的结果图，6(a)为气流、探针温度变化，6(b)为液滴撞击到探针的示意图；

图7为基于实施例1的适用于气液两相流的气相测温探针输出温度-时间曲线。

其中：1-钝体结构；2-空心管；3-防护罩；4-通流孔；5-热电偶通道；6-热电偶；7-折流板；8-气液分离区；9-支撑架；10-通光管。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1、图2，图1、图2分别为本发明的适用于气液两相流的气相测温探针的结构示意图和剖视图，本发明的适用于气液两相流的气相测温探针包括钝体结构1、空心管2、防护罩3、通流孔4、热电偶通道5、热电偶6和折流板7，钝体结构1为圆柱状、大高宽比的立方体状或流线型扰流柱状，钝体结构1的迎风侧垂直于来流方向，钝体结构1的背风侧设有空心管2，空心管2内设有折流板7，空心管2下方靠近钝体结构1的一侧开设有通流孔4，空心管2内的气相流区设有第一热电偶6；其中，对于钝体结构1，空心管2所在的端面的长为l₃，宽为h₁；另一端面的长为l₁，其几何关系满足：l₁>20mm，h₁>8mm，l₃>50mm；对于空心管2，其内径d<3mm，壁厚<0.5mm；通流孔4的直径约2mm，通流孔4距钝体结构1的最短距离约1mm；防护罩3壁厚<0.5mm，宽l₄<2mm，长l₄＝d<3mm，厚度h₄＝3mm。

参见图3，图3为实施例1的加装了可视化装置的适用于气液两相流的气相测温探针的结构示意图；在实施例1的基础上增加了可视化装置，实施例1的适用于气液两相流的气相测温探针还包括支撑架9和通光管10，支撑架9用于支撑钝体结构1，钝体结构1在水平方向上做了延长，方便装置的安装；通光管10设在空心管2的两侧，两者为连通状态，两者的中心线呈90°；通光管10的一端设有平行光源，另一端设有用于捕捉第一热电偶6状态的高速摄像装置，高速摄像装置上安装有高倍率放大远距镜头。

参见图4，图4本发明的适用于气液两相流的气相测温探针及其设计方法流程图；具体包括以下步骤：

S1.获取用于分离气液两相流的钝体结构1，在钝体结构1的背风侧设置空心管2，所述空心管2下方靠近钝体结构1的一侧开设有通流孔4，得到气液分离结构，具体操作如下：

两相流探针气液分离结构的迎风面为垂直于来流方向的钝体结构，背风侧安装空心管，在空心管下方靠近钝体结构一侧开设通流孔，为防止下方液体经通流孔进入空心管，在通流孔处设计防护罩结构。

S2.对所述气液分离结构在气液两相流场中引起的流场变化和气液流动特性进行仿真。利用计算流体力学软件，建立分离结构的数值计算域，设置进出口温度(T＝80℃)、压力(P＝3MPa)等边界条件。首先，采用湍流模型对气相流场进行非稳态计算，待气相流场收敛稳定后，添加喷嘴的雾化以及液滴群的扩散蒸发模型，而后对气液两相流过程进行计算。统计分析进入空心管结构内的液滴数量，以便评价液滴分离效果。

S3.对仿真结果进行分析，基于气流绕钝体结构后边界层分离原理，空心管后方产生负压区，该区域流体速度低，携带液滴能力弱，是气液分离结构的气液分离区。图5中椭圆形虚线框内为气液分离区8，在分离结构内液滴可以高效与气相分离，分离后的气体从分离区空心管末端进入腔内，与腔内热电偶对流换热实现对温度的测量。

S4.将带有第一热电偶的气液分离结构置于待测的气液两相的环境中，获取第一热电偶的温度时间曲线和第一热电偶同时段的视频；具体的，在所设计的两相流探针的气液分离结构的基础上，进行可视化设计。参见图3，图3为加装了可视化装置的适用于气液两相流的气相测温探针示意图；在分离结构空心管2内热电偶6位置处设置通光管，为了试验方便，根据测量需要对钝体结构1在水平方向上延长，并在两端设置支撑结构9；在空心管2上侧安装第一热电偶6。

图像的获取方式由拍摄系统完成，拍摄系统由高速摄像机、高倍率放大远距镜头和平行光源组成。开展实验之前，调整拍摄系统和气液分离结构通光管的相对位置，确保平行光源穿过通光管、空心管并被高速摄像机捕捉，同时调正高倍率放大远距镜头的焦距在第一热电偶上，从而可以实现对微小液滴碰撞热电偶过程的精确捕捉。

S5.分析第一热电偶的温度时间曲线和第一热电偶对应的视频图像，若第一热电偶输出了气相温度则设计完成；否则，重复步骤1)-4)直至第一热电偶输出气相温度。步骤4)输出的温度时间曲线，能够分析出液滴碰撞热电偶与温度响应的内在关系，对两相流探针的测量温度值进行分析，可以得出两相流探针测试过程中是否存在液滴碰撞热电偶现象，进而实现对两相流探针气液分离效果的评价，即当热电偶输出温度值没有或仅有少量突降时，说明没有或仅有极少量液滴碰撞热电偶，表明两相流探针的气液分离效果较好，反之则说明两相流探针的气液分离效果较差。如果是后者，则需要重新设计气液分离结构，再重复步骤1)-4)，直到两相流探针实现很好的气液分离效果。

具体的，将气液分离结构置于气液两相流中，并在两相来流中布置第二热电偶；采用拍摄系统进行拍摄，并利用数据采集系统对实验中的第一、第二热电偶输出温度进行同步监测，该方法可实现对液滴碰撞热电偶的瞬态过程捕捉并获得相应的热电偶温度值的变化。从而基于实验测试数据建立两者之间的内在关联，以及不同位置处热电偶测量温度的差异。

实验初期实验段内为加热空气，空气流速60-120m/s，温度40-80℃，实验开始约2min开始采用喷嘴往试验段内喷水，使得试验段内形成气液两相流。实验整个过程中对第一热电偶进行拍摄，同时对所有热电偶温度进行监测。试验测试结果参见图6，图6(a)为热电偶输出的温度曲线，图6(b)为温度突降时(t＝260、280、325s)拍摄系统输出的图像，从测试结果可以看出液滴撞击热电偶与相应的热电偶温度变化特性，即液滴碰撞热电偶时会引起热电偶测量温度的突降。图7所示为最终气液两相温度稳定输出的曲线。从图7中可以看出，两相流探针内部热电偶的温度测量值远小于两相来流的测量温度值，且热电偶测量温度值没有出现突降的现象，表明所设计的气液两相流探针实现了很好的气液分离效果，可用于气液两相流场温度的准确测量。以上结果充分证明了本发明可用于适用于气液两相流的气相测温探针的设计。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims

1.一种适用于气液两相流的气相测温探针，其特征在于，包括钝体结构(1)，钝体结构(1)的背风侧设有空心管(2)，远离钝体结构(1)的空心管(2)内设有折流板(7)，空心管(2)下方靠近钝体结构(1)的一侧开设有通流孔(4)，靠近钝体结构(1)的空心管(2)内设有第一热电偶(6)。

2.根据权利要求1所述的适用于气液两相流的气相测温探针，其特征在于，钝体结构(1)内部开设有热电偶通道(5)，热电偶通道(5)一端延伸至钝体结构(1)的端面，另一端与空心管(2)相连通。

3.根据权利要求1所述的适用于气液两相流的气相测温探针，其特征在于，所述通流孔(4)外设有防护罩(3)。

4.根据权利要求1所述的适用于气液两相流的气相测温探针，其特征在于，第一热电偶(6)安装位置由以下方法确定：

对钝体结构(1)和空心管(2)在气液两相流场中引起的流场变化和气液流动特性进行仿真；

对仿真结果进行分析，获取空心管(2)内的气相流区，即为第一热电偶(6)安装位置。

5.根据权利要求1所述的适用于气液两相流的气相测温探针，其特征在于，钝体结构为圆柱状或流线型扰流柱状。

6.根据权利要求1所述的适用于气液两相流的气相测温探针，其特征在于，还包括支撑架(9)和通光管(10)，支撑架(9)用于支撑钝体结构(1)；

通光管(10)设在空心管(2)的两侧，两者为连通状态，两者的中心线呈90°；

通光管(10)的一端设有平行光源，另一端设有用于捕捉第一热电偶(6)状态的高速摄像装置。

7.一种适用于气液两相流的气相测温探针的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取用于产生分离气液两相流的钝体结构(1)，在钝体结构(1)的背风侧设置空心管(2)，在空心管(2)下方靠近钝体结构(1)的一侧开设有通流孔(4)，得到气液分离结构；

3)对仿真结果进行分析，获取空心管(2)的气相流区，并通过热电偶通道(5)在气相流区中布置第一热电偶(6)；

4)将带有第一热电偶(6)的气液分离结构置于待测的气液两相流场中，获取第一热电偶(6)的温度时间曲线和第一热电偶同时段的视频；

5)分析第一热电偶(6)的温度时间曲线和对应的视频图像，若第一热电偶输出了气相温度，则设计完成；

否则，重复步骤1)-4)直至第一热电偶输出气相温度。