CN111477078A - 一种用于研究非均匀热流边界下流量漂移的实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于流体动力学实验领域，公开了一种用于研究非均匀热流边界下流量漂移的实验装置，第一储液罐的出口依次通过与工质泵、流量计与实验本体组的入口相连，实验本体组的出口与第二储液罐连接；实验本体组的入口处设置有第一压力传感器，出口处设置有第二压力传感器；实验本体组包括钢管，钢管外部周向均匀的覆盖有多个加热片，每个加热片的加热功率可分别控制，实现对钢管提供周向均匀热流或周向非均匀热流；钢管外部布置有用于测量温度的热电偶，多个热电偶沿钢管的周向和轴向分别均匀布置。本发明能够实现非均匀热流边界条件，开展气液相变系统中发生流量漂移的实验研究，并探究改善流量漂移的方法。

Description

一种用于研究非均匀热流边界下流量漂移的实验装置
技术领域
本发明属于流体动力学实验领域，更具体的说，是涉及一种用于研究流量漂移的实验装置。
背景技术
两相流动沸腾过程中常会出现流动不稳定现象，流动不稳定分为静态不稳定和动态不稳定，其中流量漂移是一种较为常见的静态不稳定现象。流量漂移是由管路压降-质量通量曲线的负斜率区引发的。当流体位于负斜率区的某点时，如果流量发生扰动，流体将偏离原来的工况，在新的工况下运行。如果流量漂移导致流量减小，将会引起管道烧坏，对沸腾通道造成极大危害；如果流量漂移导致流量增大，将会导致设备出口的干度过低，影响后续设备的安全运行。尽管流量漂移的发生取决于外部和内部压降特性曲线的关系，但是为了防止流量变得不稳定，最好还是要避免负斜率区的出现。因此，研究流量漂移的特性可有效指导工程领域采取合理的手段避免不稳定性产生的危害，对于设备的设计和运行调控有着重要的意义。
在核反应堆、热交换器(如槽式太阳能集热器)、航空航天热控系统(如泵驱动的两相散热系统)等发生气液相变的系统中，热流边界条件往往表现出明显的非均匀分布。但现有研究流动不稳定的装置，绝大部分都采用均匀热流边界条件，如公开号为CN110444303A的中国发明专利申请“用于流动传热、流动不稳定和沸腾临界实验的装置和方法”和公开号为CN107170501B的中国发明专利申请“一种抑制汽液两相自然循环系统流动不稳定的方法和装置”。现有实验装置无法满足现实中各种非均匀热流的边界条件，缺乏对非均匀热流边界条件的设置。公开号为CN103219055B的中国发明专利申请“用于检测核反应堆中间隙流动不稳定现象的装置”采用了模拟流动不稳定的上升段，相当于装置倾角90度，缺乏对装置在各个倾角下发生流动不稳定的实验探究，无法进行对照实验，从而得到改善流动不稳定的方法。
综上，在气液相变系统中发生流动不稳定特别是流量漂移会对系统产生极大的危害，探究流量漂移的特性及寻找改善流量漂移的方法是亟需解决的问题。因此，如何实现非均匀热流边界的实验条件，以及非均匀热流边界和改变装置倾角对改善流量漂移如何产生影响，成为探究气液相变系统中流量漂移现象的研究重点。
发明内容
本发明着力于解决的技术问题是发生气液相变的系统中，热流边界条件往往表现出明显的非均匀分布，而且容易出现流量漂移现象。故而提供一种用于研究非均匀热流边界下流量漂移的实验装置，能够实现非均匀热流边界条件，开展气液相变系统中发生流量漂移的实验研究，并探究改善流量漂移的方法。
为了解决上述技术问题，本发明具体通过以下的技术方案予以实现：
一种用于研究非均匀热流边界下流量漂移的实验装置，包括第一储液罐、工质泵、流量计、实验本体组、第二储液罐；所述第一储液罐的出口依次通过所述工质泵和所述流量计与所述实验本体组的入口相连，所述实验本体组的出口与所述第二储液罐连接；所述实验本体组的入口处设置有第一压力传感器，出口处设置有第二压力传感器；
所述实验本体组包括钢管，所述钢管外部周向均匀的覆盖有多个加热片，每个加热片的加热功率可分别控制，实现对所述钢管提供周向均匀热流或周向非均匀热流；所述钢管外部布置有多个热电偶，所述热电偶沿所述钢管外部的周向和轴向分别均匀布置，所述热电偶用于测量所述钢管温度。
进一步地，所述第一储液罐和所述第二储液罐均设有压力控制装置。
进一步地，所述实验本体组安装于升降台，通过控制所述升降台调节所述实验本体组的水平倾角。
进一步地，所述钢管的外表面设置有绝缘薄膜，所述加热片设置在所述绝缘薄膜外部，所述热电偶穿过所述绝缘薄膜探入到所述钢管的外壁。
进一步地，所述实验本体组在所述加热片外部包裹有保温材料。
进一步地，每相邻两个所述加热片之间布置有一组所述热电偶，每组所述热电偶在所述钢管轴向等间距布置有多个，每根所述加热片沿径向设置。
本发明的有益效果是：
(一)本发明的用于研究非均匀热流边界下流量漂移的实验装置，提供了满足气液相变系统非均匀热流边界的实验条件；通过控制多块加热片的加热功率，从而使钢管截面热流分布呈现出所需满足的非均匀分布的形式时，能够实现气液相变系统非均匀热流边界的实验条件。
(二)本发明的用于研究非均匀热流边界下流量漂移的实验装置，能够同时在一种装置中实现均匀热流和非均匀热流两种实验条件；通过控制各个加热片的加热功率，可实现在均匀热流和非均匀热流两种实验条件下观测流量漂移现象，形成对照组，从而分析非均匀热流能否改善流量漂移现象。
(三)本发明的用于研究非均匀热流边界下流量漂移的实验装置，可以对非均匀热流条件下改善流量漂移方法的探究；将实验本体组水平倾角设置为0～90度变化，观测流量漂移的发生情况，记录几组对照实验，可以得到倾角变化对流量漂移的影响，选择出改善流量漂移的较优倾角。
附图说明
图1是本发明的用于研究非均匀热流边界下流量漂移的实验装置的结构示意图；
图2是本发明的用于研究非均匀热流边界下流量漂移的实验装置的周向截面示意图；
图3是本发明的用于研究非均匀热流边界下流量漂移的实验装置的轴向截面示意图；
图4是典型流量漂移的压降-质量流量曲线图；
图5是典型槽式集热器的截面热流非均匀分布图。
上述图中：1-第一储液罐、2-工质泵、3-流量计、4-实验本体组、5-第一压力传感器、6-第二压力传感器、7-第二储液罐、8-升降台、9-钢管、10-加热片、11-热电偶、12-保温材料。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明作进一步的详细描述，以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
如图1所示，本实施例公开了一种用于研究非均匀热流边界下流量漂移的实验装置，包括第一储液罐1、工质泵2、流量计3、实验本体组4、第一压力传感器5、第二压力传感器6、第二储液罐7、升降台8。
第一储液罐1的出口与工质泵2的入口连接，工质泵2的出口与流量计3的入口连接，流量计3的出口与实验本体组4的入口相连，实验本体组4的出口与第二储液罐7连接。实验本体组4的入口处设置有第一压力传感器5，出口处设置有第二压力传感器6。
第一储液罐1和第二储液罐7均设有压力控制装置，能够使罐内工质处于饱和状态，避免因工质流出或流入引起罐内压力变化，从而对工质状态产生影响，甚至对整个系统运行产生不利影响。
实验本体组4安装于升降台8，通过控制升降台8可实现实验本体组4水平倾角的变化。实验本体组4的水平倾角会影响重力压降，从而对流量漂移产生影响。一般将水平倾角设置为0～90度变化，观测流量漂移的发生情况。记录几组对照实验，可以观测到水平倾角变化对流量漂移的影响，得出改善流量漂移的较优倾角。
如图2和图3所示，实验本体组4包括外表面有一层绝缘薄膜的钢管9、布置在钢管9外表面的多个加热片10、用于测量钢管9温度的热电偶11、包裹在加热片10外部的保温材料12。
为了隔离导电体，保证整个实验台用电安全，在实验本体组4的钢管9外表面包裹一层绝缘薄膜。绝缘薄膜选取径向导热系数好，周向导热系数差的材料，如PVC绝缘胶带等。径向导热好，可以使加热片10的热量较好地输入到钢管9外壁，从而对工质加热；周向导热差，阻碍了热量在周向方向上的传输，能较好的实现实验所需的周向非均匀热流边界。同时，包裹在最外层的保温材料12，能够很好地使钢管9与外界环境隔绝，起到保温与隔离的作用。钢管9的钢制材料既能达到热量有效输入到管内流体的作用，又能减少各个加热片10对钢管9加热时的彼此影响。
本实施例中，十六个加热片10在钢管9外部周向均匀布置，且加热片10紧密贴合在钢管9的绝缘薄膜上，能够为整个实验本体组4提供热量输入。本发明对加热片10的数量不做严格限制，一般在兼顾实现热流边界和考虑加工成本的情况下综合选择最优数量，同时加热片10应尽量将钢管9外表面全部覆盖。每个加热片10分别连接电流控制器，通过电流控制器单独控制每个加热片10的电流大小，达到加热片10各自所需的加热功率，实现均匀或非均匀的边界条件。当多块加热片9在相同加热功率下工作时，可向钢管8提供周向均匀的热流，实现均匀热流边界的实验条件。当分别控制每块加热片9的加热功率，可达到对不同位置输入不同热量的效果，实现非均匀热流边界的实验条件。因此，本装置可以分别在均匀热流边界和非均匀热流边界两种实验条件下观测流量漂移现象，形成对照组，从而分析非均匀热流能否改善流量漂移现象。
从钢管9的周向方向看，每两块相邻加热片10之间布置有一组热电偶11，热电偶11沿径向设置，并且通过绝缘薄膜探入到钢管9外壁，用来测量管壁温度，可观测发生流量漂移时各区域温度波动情况。从钢管9的轴向方向看，每组热电偶11包含多个，沿钢管9轴向等间距布置，形成等距分布的各个测温截面，而每个测温截面周向均布的热电偶11与加热片10数量相同，可以观测均匀热流和非均匀热流条件下，发生流量漂移时钢管9外壁各个区域的温度变化。
这样，第一储液罐1中的工质，经由工质泵2以液相状态进入实验本体组4，由布置在钢管9外表面的加热片10加热后，可能以液相、气相或气液两相的状态到达实验本体组4的出口，最后由第二储液罐7将工质回收储存，重复利用。其中，工质流量可由流量计3测得，实验本体组4的进口压力由第一压力传感器5测得，出口压力由第二压力传感器6测得，流量和压力可由数据采集仪显示，压降由进口压力减去出口压力得到。
如图4所示，典型流量漂移现象可由压降-质量流量曲线表征，展示了流动沸腾管路中内部压降特性曲线和外部泵驱动曲线的可能情况。当工质工况点位于A点时，如果流量发生扰动，流体将偏离原来的工况，在新的流量值B或C运行。尽管流量漂移的发生取决于外部和内部压降特性曲线的关系，但是为了防止发生流量漂移现象，最好还是要避免负斜率区的出现。因此，研究负斜率区的斜率大小、工况区间范围等压降特性曲线的特征，从而对采取合理工况避免流量漂移产生的危害有重要意义。
在实际的槽式集热管中，如图5所示，管壁截面的热流分布呈现出高斯分布的形式，热量集中在槽式集热管管壁的小半段。利用上述实验装置研究槽式集热管中流量漂移的具体步骤如下：
(1)编制实验工况表，明确实验工况下的实验参数；调节压力控制装置，使第一储液罐1和第二储液罐7的压力维持正常状态；
(2)根据实验参数设定，通过升降台8调整实验本体组4的管道倾角为α1；
(3)打开电源总开关、电流控制器、数据采集仪，查看参数是否正常，确保实验系统各个设备正常运行；
(4)打开工质泵2，调制设定质量流量m1所需的泵频；
(5)分别调节每块加热片10的加热功率，使周向热流分布基本接近高斯分布。上半周的加热片10可近似为不加热的状态，下半周的每块加热片10的加热功率取截面热流非均匀分布图中该加热片10所对应角度范围的热流密度平均值。
如图5所示，以本实施例设置十六块加热片10为例，具体为0°～90°、270°～360°角度的八块加热片9可近似为不加热，调节90°～112.5°的加热片10的加热功率，使其达到图5中90°～112.5°的热流密度平均值，其余七块加热片10的加热方式同90°～112.5°的加热片9。
(6)保持实验工况稳定在10分钟以上，记录实验工况和时间；
(7)根据实验设定的方案，调整工质泵2泵频来改变质量流量m2，并控制实验本体组4的出口压力与前次出口压力相同，达到新的稳定工况并记录实验数据；
(8)重复步骤7，依次改变质量流量m3、m4......mn，测得此实验工况下的压降-质量流量曲线；
(9)通过压力控制装置改变系统压力，重复步骤(4)至步骤(8)，绘制新的压降-质量流量曲线；
(10)结束实验，断开所有开关，导出压力、温度、质量流量的所有数据。
进行非均匀热流和均匀热流的流量漂移实验比较，区别仅在于对上述步骤5)进行改变，均匀热流可通过使所有加热片10在相同功率下工作来实现。
进行不同水平倾角的流量漂移实验比较，区别仅在于对步骤2)进行改变，使实验本体组4的水平倾角按照工况设定依次从α1、α1......αn变化。
其他非均匀热流边界条件的实施例，区别仅在于步骤5)中热流边界条件的设置。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于研究非均匀热流边界下流量漂移的实验装置，其特征在于，包括第一储液罐、工质泵、流量计、实验本体组、第二储液罐；所述第一储液罐的出口依次通过所述工质泵和所述流量计与所述实验本体组的入口相连，所述实验本体组的出口与所述第二储液罐连接；所述实验本体组的入口处设置有第一压力传感器，出口处设置有第二压力传感器；
所述实验本体组包括钢管，所述钢管外部周向均匀的覆盖有多个加热片，每个加热片的加热功率可分别控制，实现对所述钢管提供周向均匀热流或周向非均匀热流；所述钢管外部布置有多个热电偶，所述热电偶沿所述钢管外部的周向和轴向分别均匀布置，所述热电偶用于测量所述钢管温度。
2.根据权利要求1所述的一种用于研究非均匀热流边界下流量漂移的实验装置，其特征在于，所述第一储液罐和所述第二储液罐均设有压力控制装置。
3.根据权利要求1所述的一种用于研究非均匀热流边界下流量漂移的实验装置，其特征在于，所述实验本体组安装于升降台，通过控制所述升降台调节所述实验本体组的水平倾角。
4.根据权利要求1所述的一种用于研究非均匀热流边界下流量漂移的实验装置，其特征在于，所述钢管的外表面设置有绝缘薄膜，所述加热片设置在所述绝缘薄膜外部，所述热电偶穿过所述绝缘薄膜探入到所述钢管的外壁。
5.根据权利要求1所述的一种用于研究非均匀热流边界下流量漂移的实验装置，其特征在于，所述实验本体组在所述加热片外部包裹有保温材料。
6.根据权利要求1所述的一种用于研究非均匀热流边界下流量漂移的实验装置，其特征在于，每相邻两个所述加热片之间布置有一组所述热电偶，每组所述热电偶在所述钢管轴向等间距布置有多个，每根所述加热片沿径向设置。
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