CN111425689A - 一种实现抑制低温管道压力波动的结构 - Google Patents

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Abstract

一种实现抑制低温管道压力波动的结构，包括低温温控箱，通过制冷机提供冷量；在所述低温温控箱的核心腔体上通过低温管道与室温端稳定压力气源相连接；所述低温管道一端位于室温环境，一端位于低温环境，形成沿管道的轴向温度梯度分布，从而诱发低温温控箱核心腔体及管道内部的压力波动；低温管道上安装有抑制系统内部压力波动模块。稳定压力气源的工作介质通过低温管道进入低温温控箱的核心腔体，在整个系统中形成一个稳定的压力环境。本发明一方面解决低温管道中出现的热声震荡现象导致的系统漏热损失大以及压力测量失稳等问题，另一方面提供了一种可实现系统压力波动抑制的模块，其结构简单，易于实现，性能可靠。

Description

一种实现抑制低温管道压力波动的结构
技术领域
本发明涉及一种管道压力波动抑制的结构，特别涉及一种实现抑制低温管道压力波动的结构。
背景技术
工业设备中常因系统工作环境或设备结构的影响，产生热声振荡现象。尤其在低温工程测量和低温液体储存系统中，低温管道由于冷热端之间的温度梯度形成，在该管内就可能产生振荡。然而热声振荡现象却是双刃剑，在多数场合中振荡大都是有害的，特别是在低温系统中，一方面，振荡将增加低温管道系统中的漏热损失，造成低温环境下的压力测量等失准；另一方面，振荡严重时会影响实验设备的安全运行。在低温流体的冷却系统中，如由液氦或者超流氦冷却的超导磁体，常常会出现由于热扰动或者机械扰动而引发的剧烈压力振荡和温度振荡。如果没有与之相适应的灵活、可靠和高效的压力波动抑制技术的出现，低温领域计量学等的发展将受到制约和影响。目前，关于热声震荡的研究集中于现象以及机理研究，H.F.Smimov等(Smirnov H F，Zrodinkov V V，Boshkova I L.Thermoacousticphenomena at boiling subcooled liquid in channels.International Journal ofHeatand Mass Transfer，1997，40 1977.)对水在不同形状管道中热声振荡进行了研究，Y.Gu等(Gu Y，Timmerhaus K D.Numerical simulation of thermal acousticoscillation in a liquid helium system.Advances inCryogenic Engineering，1996，41 163)对连接液氦温区和常温区域的管道中热声振荡进行了数值计算，很少有针对压力波动抑制进行专门研究。
发明内容
本发明的目的在于解决低温管道中出现的热声震荡现象导致的系统漏热损失大以及压力测量失稳等问题，提供了一种结构简单，易于实现，性能可靠的实现抑制低温管道压力波动的结构。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括带有制冷机的低温温控箱，低温温控箱的核心腔体通过低温管道与室温端稳定压力气源相连接，所述低温管道一端位于室温环境，一端位于低温环境，形成沿管轴向的温度梯度分布，从而诱发系统内部的压力振荡，在低温温控箱内的低温管道上安装有压力波动抑制模块。
所述压力波动抑制模块采用动耗散的叶轮与双向阻容不一致的突变结构串联实现对系统内压力波动的抑制。
所述叶轮为离心式、径流式或混流式，通过叶轮两侧不同流动特性增加系统内的动耗散，进而减小压力波动。
所述突变结构采用多层疏密不均匀的翅片结构。
所述多层疏密不均匀的翅片结构的翅片的形状采用三角形、环形或矩形。
所述突变结构采用渐扩或渐缩式调控元件组。
所述突变结构的结构尺寸根据工质在该结构中运动导致的压力梯度式(1)以及体积流率梯度式(2)达到最小来确定：
Figure BDA0002402897040000021
Figure BDA0002402897040000022
p为工质的压力，w为工质在管道中振荡的频率，l为单位长度的电感，rμ为单位长度的阻抗，U为工质流动的体积流率，c为单位长度的电容，rk为热弛豫阻力，g为体积流量源项，i为虚数单位，通过使工质流过突变结构产生的压力梯度以及体积流率梯度达到最小，即可获得突变结构相应的电容，电感以及阻抗，进而合理分配突变结构的结构参数。
由于本发明低温温控箱的核心腔体通过低温管道与室温端稳定压力气源相连接，低温管道上安装有抑制系统内部压力波动模块，可抑制由于低温管道上的温度梯度诱发的压力振荡，一方面可抑制低温管道系统内的不利压力波动，解决热声震荡现象导致的系统漏热损失大以及压力测量失稳等问题，另一方面易于实现，性能可靠。
进一步的，本发明基于热声振荡理论以及阻容调控思想，基于压力波动抑制结构与工质流过该结构时产生的压力梯度以及体积流率梯度相匹配的设计理念，采用动耗散的叶轮与双向阻容不一致的突变结构相串联的集成方式，寻找一个合适的结构参数配置，使声感、声容以及阻抗对应的压力梯度与体积流率梯度最小，从而抑制振荡。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明叶轮7的结构示意图。
图3(a)为本发明压力波动抑制模块多层疏密不均匀翅片的结构示意图。
图3(b)为本发明压力波动抑制模块多层疏密不均匀翅片的俯视图。
图4为本发明压力波动抑制模块渐扩式或渐缩式调控元件的结构示意图。
图中：1-低温温控箱，2-制冷机，3-核心腔体，4-低温管道，5-稳定压力气源，6-压力波动抑制模块，7-叶轮，8-突变结构，6.1-多层疏密不均匀翅片结构，6.2-渐扩式或渐缩式调控元件，9-翅片。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1，图2，图3a，图3b所示，本实施例包括带有制冷机2的低温温控箱1，由制冷机2提供冷量，低温温控箱1的核心腔体3通过低温管道4与室温端稳定压力气源5相连接，工作介质经压力系统5通过低温管道4进入低温温控箱的核心腔体3，在整个系统中形成一个稳定的压力环境。由于低温管道4一端位于室温环境，一端位于低温环境，形成沿管轴向的温度梯度分布，从而诱发系统内部的压力振荡，低温管道4上安装有系统内部压力波动抑制模块6。所述的压力波动抑制模块为叶轮7与多层疏密不均匀翅片结构6.1相串联的集成方式，其安装在低温管道的低温端，所述的多层疏密布均匀翅片结构的尺寸及疏密程度根据工质流过该结构时产生的压力梯度以及体积流率梯度达到最小来确定：
Figure BDA0002402897040000041
Figure BDA0002402897040000042
Figure BDA0002402897040000043
Figure BDA0002402897040000044
Figure BDA0002402897040000045
在所述多层疏密不均匀的翅片结构中，工质的体积流率梯度
Figure BDA0002402897040000046
是由压力和沿温度梯度方向的体积速度产生的，气体以体积流率U的运动导致了压力梯度
Figure BDA0002402897040000047
p为工质的压力，w为工质在管道中振荡的频率，l为单位长度的电感，rμ为单位长度的阻抗，U为工质流动的体积流率，c为单位长度的电容，rk为热弛豫阻力，g为体积流量源项，i为虚数单位，C(x)压力梯度与体积流率梯度的系数矩阵。由于在突变结构中，管道水力半径远大于粘性/热渗透深度，黏性耗散函数和热耗散函数的值很小，因而即便存在温度梯度，体积流量源项g也很小，可以忽略不计。结合压力梯度与体积流率梯度的计算公式(1)-(2)可得式(3)-(4)，使压力梯度与体积流率梯度对应的系数矩阵最小(即式(5)最小)，即可获得工质流过突变结构时产生的压力波动最小时所对应的电容、电感以及阻抗，进而匹配多层疏密布均匀翅片结构的尺寸及疏密程度，从而抑制振荡。
实施例2：
同实施例1中的基本结构一致，但压力波动抑制模块采用渐扩式或渐缩式调控元件6.2，如图4所示，所述压力波动抑制模块安装在低温管道4的低温端，其对应的管径最大以及最小工质流过该结构时产生的压力梯度以及体积流率梯度达到最小来确定。

Claims (7)

1.一种实现抑制低温管道压力波动的结构，其特征在于：包括带有制冷机(2)的低温温控箱(1)，低温温控箱(1)的核心腔体(3)通过低温管道(4)与室温端稳定压力气源(5)相连接，所述低温管道(4)一端位于室温环境，一端位于低温环境，形成沿管轴向的温度梯度分布，从而诱发系统内部的压力振荡，在低温温控箱(1)内的低温管道(4)上安装有压力波动抑制模块(6)。
2.根据权利要求1所述的实现抑制低温管道压力波动的结构，其特征在于：所述压力波动抑制模块(6)采用动耗散的叶轮(7)与双向阻容不一致的突变结构(8)串联实现对系统内压力波动的抑制。
3.根据权利要求2所述的实现抑制低温管道压力波动的结构，其特征在于：所述叶轮(7)为离心式、径流式或混流式，通过叶轮两侧不同流动特性增加系统内的动耗散，进而减小压力波动。
4.根据权利要求2所述的实现抑制低温管道压力波动的结构，其特征在于：所述突变结构(8)采用多层疏密不均匀的翅片结构(6.1)。
5.根据权利要求4所述的实现抑制低温管道压力波动的结构，其特征在于：所述多层疏密不均匀的翅片结构(6.1)的翅片(9)的形状采用三角形、环形或矩形。
6.根据权利要求2所述的实现抑制低温管道压力波动的结构，其特征在于：所述突变结构(8)采用渐扩或渐缩式调控元件组(6.2)。
7.根据权利要求4或6所述的实现抑制低温管道压力波动的结构，其特征在于：所述突变结构(8)的结构尺寸根据工质在该结构中运动导致的压力梯度式(1)以及体积流率梯度式(2)达到最小来确定：
Figure FDA0002402897030000011
Figure FDA0002402897030000012
p为工质的压力，w为工质在管道中振荡的频率，l为单位长度的电感，rμ为单位长度的阻抗，U为工质流动的体积流率，c为单位长度的电容，rk为热弛豫阻力，g为体积流量源项，i为虚数单位，通过使工质流过突变结构产生的压力梯度以及体积流率梯度达到最小，即可获得突变结构相应的电容，电感以及阻抗，进而合理分配突变结构(8)的结构参数。
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