CN111997917B - 一种用于均匀加气的气液两相掺混装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于均匀加气的气液两相掺混装置。本发明的目的是解决现有技术在进行气液两相流动特性研究，缺乏能够向输送管路的液体中均匀加气试验装置的技术问题，以及由其导致的火箭液氧煤油发动机离心泵水力性能、汽蚀性能研究试验中，难以向即将送入离心泵输液管路中的液体中均匀加气、导致研究试验难以开展的技术问题，提供一种用于均匀加气的气液两相掺混装置，可将气体均匀地加入到流动的液体中。该装置利用安装于输送管路上的一对法兰安装掺混段和观察段，掺混段利用安装件将带有多个轴向孔的环形管安装在管路内，并向环形管内通气，从而将气体均匀地逆向加入流道内的液体中，通过观察段可观察气液两相的掺混效果。

Description

一种用于均匀加气的气液两相掺混装置

技术领域

本发明涉及一种气液混合装置，具体涉及一种用于均匀加气的气液两相掺混装置。

背景技术

气液两相流是多相流中最常见的流动形态，经常会出现在石油化工、水利运输、核电站工程以及航空航天领域的输送管路中。在液体输送过程中，液体中有时会夹带管路中的气体，从而产生夹气，造成输送管路中液体流量下降、振动加剧等异常现象，因此需要进行气液两相流动特性的研究，模拟气液两相掺混过程，以得到两相流在输送管路或是离心泵内的流动特性，但现有技术中缺乏一种能够向输送管路的液体中均匀加气的装置。

以火箭液氧煤油发动机离心泵水力性能、汽蚀性能研究试验为例，当发动机储箱中的推进剂快要耗尽时，会产生夹气，这时发动机离心泵的水力性能和汽蚀性能均会大幅下降，使得发动机的总推力线产生偏移，对箭体到达预定轨道产生较大干扰。为了提高发动机的可靠性，需要对其离心泵进行含有游离气体推进剂的性能研究，即需要对液氧煤油发动机的离心泵在不同含气量的体积比下，进行水力性能、汽蚀性能试验研究，以暴露出离心泵进液时的潜在不稳定环节，但该研究试验的进行受限于未找到能够向输送管路的液体中均匀加气的装置。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术在进行气液两相流动特性研究，模拟气液两相掺混过程，以得到两相流在输送管路或是离心泵内的流动特性时，缺乏能够向输送管路的液体中均匀加气试验装置的技术问题，以及由其导致的火箭液氧煤油发动机离心泵水力性能、汽蚀性能研究试验中，难以向即将送入离心泵输液管路中的液体中均匀加气、导致研究试验难以开展的技术问题，提供一种用于均匀加气的气液两相掺混装置，可将气体均匀地加入到流动的液体中。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：

一种用于均匀加气的气液两相掺混装置，其特殊之处在于：包括安装于输送管路上、且位于输送管路自带压力表之前的上法兰和下法兰，以及安装于上法兰和下法兰之间的掺混段和观察段；

所述掺混段包括环形管、通过在中心开设第一通孔套设于环形管外侧的安装件、多个连接管和多个连接直通；

所述环形管朝向上法兰一侧的端面上沿圆周均匀开设有多个轴向孔，朝向安装件的侧面上沿圆周均匀开设有多个径向孔；

所述安装件上开设有多个与所述径向孔一一对应的第二通孔；

每个连接管设置在环形管与安装件之间，用于一个第二通孔的内侧端口与一个径向孔之间的连通；

每个连接直通设置在安装件的外侧，位于一个第二通孔的外侧端口处；

所述安装件安装于上法兰下部，所述观察段安装于安装件与下法兰之间。

进一步地，为了在均匀加气的同时，得到不同含气率下的两相流，所述多个轴向孔总的有效截面积由以下公式确定：

Δp＝P₁-P₂

其中，

P₁为连接直通处气体的绝对压力，单位为MPa；

P₂为输送管路自带的压力表测得的绝对压力，单位为MPa；

ΔP为轴向孔内、外侧压差的等效值，单位为MPa；

q_z为气体在大气压为0.1013MPa的自由状态下的流速，单位为L/min；

S为多个轴向孔总的有效截面积，单位为mm²；

T₁为连接直通处气体的绝对温度，单位为K；

所述轴向孔的数目n由以下公式确定：

其中，

S₀为每个轴向孔的有效截面积。

进一步地，为了使掺混气体后液体的流动状态最稳定，所述环形管的中心径由以下公式确定：

其中，

d₁为环形管的中心径，中心径为环形管外径与内经之和的一半，单位为mm；

d₀为输送管路的内径，单位为mm。

进一步地，为了将掺混装置快速、有效地安装于试验管路中，保证了掺混装置与输送管路的同轴度，并且切换方便，所述安装件通过止口分别与上法兰和观察段对接，观察段通过止口与下法兰对接；为了保证输送管路正压和负压的密封性能，各对接处均设有密封圈。

进一步地，为了减小气泡在液体中的折射，并增加观察段的强度，所述观察段采用外方内圆的透明有机玻璃管。

进一步地，为了实现对通气量的调节，所述连接直通上设有连接气源的音速喷嘴和气体减压阀，音速喷嘴位于连接直通与气体减压阀之间。

进一步地，为了保证通过掺混装置加入的气体所形成的气泡能够均匀地流入输送管路，根据气泡在液体中的流动特性，气泡运动距离越短，气泡的上浮与聚集就会越少，所述下法兰应当尽量靠近所述压力表，上法兰和下法兰之间通过紧固螺柱连接。

进一步地，为了保证连接的可靠性和密封性，每个所述连接管的两端分别与环形管和安装件焊接连接；每个所述连接直通焊接连接于安装件的外侧。

进一步地，所述输送管路为火箭液氧煤油发动机离心泵的进液管路。

进一步地，为了获得1％～10％的气液比，所述轴向孔的数目为30个或60个，每个轴向孔的孔径为1mm。

本发明相比现有技术具有的有益效果如下：

1、本发明提供的用于均匀加气的气液两相掺混装置，通过结构设计、仿真计算和试验得到，该装置利用安装于输送管路上的一对法兰安装掺混段和观察段，掺混段利用安装件将带有多个轴向孔的环形管安装在输送管路内，并向环形管内通气，从而将气体均匀地逆向加入流道内流动的液体中，通过观察段可观察气液两相的掺混效果，该装置可用于气液两相掺混研究及应用中，实用价值和工程价值大，前景广阔。

2、将本发明提供的用于均匀加气的气液两相掺混装置，安装到现有火箭液氧煤油发动机离心泵水力性能和汽蚀性能试验系统的进液管路上，可将游离气体均匀地加入离心泵进液管路中，使得在不同含气率条件下，气液两相能以紊流的状态流动，气泡均匀地分布在流道内，从而方便后续不同含气量下的离心泵性能和汽蚀曲线的获得，使得离心泵试验系统在气液两相条件下可靠、安全地运转，保证了液氧煤油发动机可靠性增长工作的顺利进行。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例在另一方向的结构示意图；

图3为本发明实施例中环形管连接了连接管后的结构示意图；

图4为图3沿B-B向(环形管中部水平向)剖开后的结构示意图；

图5为本发明实施例中安装件的结构示意图；

图6为本发明实施例中掺混段的结构示意图；

图7为本发明实施例中掺混段在另一方向的结构示意图；

附图标记说明：

1-上法兰、2-下法兰、3-掺混段、301-环形管、3011-轴向孔、3012-径向孔、302-安装件、3021-第一通孔、3022-第二通孔、303-连接管、304-连接直通、4-观察段、5-紧固螺柱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。

一种用于均匀加气的气液两相掺混装置，用于火箭液氧煤油发动机离心泵水力性能、汽蚀性能研究试验，如图1至7所示，包括安装于进液管路(离心泵的入口管路、输送管路)上、且位于进液管路自带压力表之前的上法兰1和下法兰2，以及安装于上法兰1和下法兰2之间的掺混段3和观察段4。此实验中，输送的液体是水，加入的气体是空气或氮气，利用掺混段3可将压缩空气或氮气均匀地加入离心泵入口管路流道内，通过观察段4可观察气液两相的掺混效果。并且，为了保证通过掺混装置加入的气体所形成的气泡能够均匀地流入离心泵入口，根据气泡在液体中的流动特性，气泡运动距离越短，气泡的上浮与聚集就会越少，所以掺混装置的位置应尽量靠近离心泵入口，故需要将所述下法兰2靠近所述压力表，上法兰1和下法兰2之间通过紧固螺柱5连接，也即将观察段4和掺混段3安装于管路的一对法兰中，通过紧固螺柱5将掺混段3和观察段4固定于进液管路中。该装置安装于离心泵进液管路(入口竖直管段)上，观察段4安装在气液掺混段3之后，以便于高速摄影系统观察气液掺混状态。

设计思路：

一般气液混合器的结构大致有管式喷嘴混合结构、射流器结构和小孔进气结构等。由于此处掺混装置需要在现有的离心泵地面试验系统进行安装，而管式喷嘴混合结构和射流器结构尺寸巨大，无法满足现有试验系统状态，所以考虑采用小孔进气结构(对应于下文中环形管301上的轴向孔3011)，不同于管式喷嘴混合结构、射流器结构，带有进气小孔的内置管结构简单，加工方便。

确定采用小孔进气结构后，再确定小孔如何分布可使气泡均匀生成。通过对不同的小孔分布结构进行仿真、分析，得到小孔分布结构的气象云图，得知通过在内置环形管301上开设小孔的掺混效果最好，气泡在水中分布最均匀。

根据横截面积相等的原则，确定内置的环形管301尺寸，使得环形管301的中心径到进液管路内侧的横截面积等于环形管301的中心径到环形管301中心(圆心)的横截面积，此时，液体的流动状态最稳定；

所述环形管301的中心径由以下公式确定：

其中，

d₁为环形管301的中心径，中心径为环形管301外径与内经之和的一半，单位为mm；

d0为进液管路的内径，单位为mm。

由于火箭液氧煤油发动机可靠性增长试验中，要求进行不超过10％气液体积比下的离心泵水力性能、汽蚀性能研究性试验，所以掺混装置需要通过气体，使得气液混合后得到1％～10％不同含气率下的两相流，并且所有含气率下的气泡需要均匀分布，故需要确定掺混段3小孔的数目。此装置需满足1％～10％气液体积比下，即不同气量的流通能力，根据进气量的多少改变进气小孔总的有效截面积及数量，具有一定的灵活性。

当1≥P₂/P₁≥0.528时，可压缩气体通过节流小孔(进气小孔)的流速在亚声速区，可通过标准大气压下的不同气流量，计算得到轴向孔3011

的数目；多个轴向孔3011总的有效截面积由以下公式(可压缩气体流通节流小孔流速计算公式)确定：

Δp＝P₁-P₂

其中，

P₁为连接直通304处气体的绝对压力，单位为MPa；

P₂为进液管路自带压力表测得的绝对压力，单位为MPa；

ΔP为轴向孔3011内、外侧压差的等效值，单位为MPa；

q_z为气体在大气压为0.1013MPa的自由状态下的流速，单位为L/min；

S为多个轴向孔3011总的有效截面积，单位为mm²；

T₁为连接直通304处气体的绝对温度，单位为K；

所述轴向孔3011的数目n由以下公式确定：

其中，

S₀为每个轴向孔3011的有效截面积。

节流小孔(轴向孔3011采用方便加工、且有利于均匀加气的

(直径1mm小孔，初步计算用于1％～5％含气率试验的

进气小孔需要30个，用于6％～10％含气率试验的

小孔需要60个，调整轴向孔3011数目时，可以只切换掺混段3，这样成本较低，也可以更换整套掺混装置。

小试验证

以相同流速的原则，建立一套小流量的离心泵泵压模拟系统，以通过小试的方式对上述设计方案进行验证，即按照上述设计思路，验证掺混装置加气是否均匀。小试中，计算得到模拟试验的轴向孔3011数量为16个，通过高速摄影观察气液两相流态均匀，表明：通过上述方式确定的小孔数目，满足试验要求。

具体结构

为了减小气泡在水中的折射，将透明有机玻璃管制作成外方内圆的结构作为观察段4，这样做，也可以增加玻璃管段的强度。掺混段3包括(内置)环形管301(选用

的不锈钢管弯曲成圆形)、通过在中心开设第一通孔3021套设于环形管301外侧的安装件302(安装短直管段)、4个

(内径6mm)连接管303(不锈钢管)和4个

(内径6mm)连接直通304(焊接直通)；所述环形管301朝向上法兰1一侧的端面上沿圆周均匀开设有30个或60个轴向孔3011，每个轴向孔3011的孔径为1mm，朝向安装件302的侧面上沿圆周均匀开设有4个径向孔3012；所述安装件302上开设有4个与所述径向孔3012一一对应的第二通孔3022，用于气体的进入；每个所述连接管303的两端分别与一个第二通孔3022的内侧端口和一个径向孔3012焊接连接，每个所述连接直通304焊接连接于一个第二通孔3022外侧端口处，连接可靠；连接直通304上设有连接气源的音速喷嘴和气体减压阀，音速喷嘴位于连接直通304与气体减压阀之间；所述安装件302安装于上法兰1下部，所述观察段4安装于安装件302与下法兰2之间；所述安装件302通过止口分别与上法兰1和观察段4对接(凹凸面定位)，观察段4通过止口与下法兰2对接(凹凸面定位)，这样可以快速、有效地安装于试验管路，保证了掺混装置与离心泵入口管路的同轴度，并且切换方便，各对接处均设有O形密封圈，保证离心泵入口管路正压和负压的密封性能。

采用上述结构的掺混装置，环形管301内置固定于进液管路中，安装件302用于安装和切换掺混段3，以调整轴向孔3011数目。内置环形管301通过4个均布的连接管303焊接于安装件302的4个第二通孔3022处，环形管301的4个径向孔3012对准于安装件302的4个第二通孔3022，保证连接管303流道不节流。安装件302外侧面的第二通孔3022口处焊接连接4个焊接直通，用于前端气源的连接。松开上述紧固螺柱5，可快速切换不同数量进气小孔(轴向孔3011的掺混段3)或掺混装置，操作方便、安装可靠。

该掺混装置为单向孔进气(从连接直通304进气、从轴向孔3011出气、逆向水流(水流方向与轴向孔3011出气方向相反)的方向安装，并且可以根据不同含气率要求，变换进气小孔(轴向孔3011)的数量(即替换掺混段3，以调整轴向孔3011数目)，气流量可以通过掺混装置前端的气体减压阀调节和音速喷嘴来实现。加气压力应大于离心泵入口管段(进液管路)的压力，即可满足不同气量均匀进入离心泵入口流道(进液管路)中，通过高速摄影对掺混段3后端透明玻璃管(观察段4)进行拍摄，可以看出加入流道内的气泡小且均匀地分布在流道内，对离心泵试验系统扰动较小，试验系统可靠、安全，便于火箭液氧煤油发动机冷流试验的气液两相流动特性的研究，保证了火箭液氧煤油发动机可靠性增长工作的顺利进行。

本发明创造性地采用内置环形管301并开设进气小孔的方式进行加气，通过仿真计算和试验，观察到气泡在不同含气率条件下，气液两相以紊流的状态流动，气泡均匀地进入离心泵的泵流道内，保证了气液两相条件下，离心泵试验系统运转的可靠性和安全性。在切换与拆卸方面，环形管301可方便地安装于短直管段(安装件302上)，采用凹凸面定位的模式保证了掺混装置与短直管段的同轴度，操作方便、安装可靠，轴向孔3011数目可调整，可用于不同含气率试验的切换。

本发明还可应用于其他类似的气液两相掺混相关应用场景中，实用价值和工程价值大，前景广阔。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于均匀加气的气液两相掺混装置，其特征在于：包括安装于输送管路上、且位于输送管路自带压力表之前的上法兰(1)和下法兰(2)，以及安装于上法兰(1)和下法兰(2)之间的掺混段(3)和观察段(4)；

所述掺混段(3)包括环形管(301)、通过在中心开设第一通孔(3021)套设于环形管(301)外侧的安装件(302)、多个连接管(303)和多个连接直通(304)；

所述环形管(301)朝向上法兰(1)一侧的端面上沿圆周均匀开设有多个轴向孔(3011)，朝向安装件(302)的侧面上沿圆周均匀开设有多个径向孔(3012)；

所述安装件(302)上开设有多个与所述径向孔(3012)一一对应的第二通孔(3022)；

每个连接管(303)设置在环形管(301)与安装件(302)之间，用于一个第二通孔(3022)的内侧端口与一个径向孔(3012)之间的连通；

每个连接直通(304)设置在安装件(302)的外侧，位于一个第二通孔(3022)的外侧端口处；

所述安装件(302)安装于上法兰(1)下部，所述观察段(4)安装于安装件(302)与下法兰(2)之间。

2.根据权利要求1所述的用于均匀加气的气液两相掺混装置，其特征在于，所述多个轴向孔(3011)总的有效截面积由以下公式确定：

Δp＝P₁-P₂

其中，

P₁为连接直通(304)处气体的绝对压力，单位为MPa；

P₂为输送管路自带的压力表测得的绝对压力，单位为MPa；

ΔP为轴向孔(3011)内、外侧压差的等效值，单位为MPa；

q_z为气体在大气压为0.1013MPa的自由状态下的流速，单位为L/min；

S为多个轴向孔(3011)总的有效截面积，单位为mm²；

T₁为连接直通(304)处气体的绝对温度，单位为K；

所述轴向孔(3011)的数目n由以下公式确定：

其中，

S₀为每个轴向孔(3011)的有效截面积。

3.根据权利要求1所述的用于均匀加气的气液两相掺混装置，其特征在于，所述环形管(301)的中心径由以下公式确定：

其中，

d₁为环形管(301)的中心径，中心径为环形管(301)外径与内径之和的一半，单位为mm；

d₀为输送管路的内径，单位为mm。

4.根据权利要求1所述的用于均匀加气的气液两相掺混装置，其特征在于：所述安装件(302)通过止口分别与上法兰(1)和观察段(4)对接，观察段(4)通过止口与下法兰(2)对接，各对接处均设有密封圈。

5.根据权利要求4所述的用于均匀加气的气液两相掺混装置，其特征在于：所述观察段(4)采用外方内圆的透明有机玻璃管。

6.根据权利要求5所述的用于均匀加气的气液两相掺混装置，其特征在于：所述连接直通(304)上设有连接气源的音速喷嘴和气体减压阀，音速喷嘴位于连接直通(304)与气体减压阀之间。

7.根据权利要求1所述的用于均匀加气的气液两相掺混装置，其特征在于：所述下法兰(2)靠近所述压力表，上法兰(1)和下法兰(2)之间通过紧固螺柱(5)连接。

8.根据权利要求7所述的用于均匀加气的气液两相掺混装置，其特征在于：每个所述连接管(303)的两端分别与环形管(301)和安装件(302)焊接连接；每个所述连接直通(304)焊接连接于安装件(302)的外侧。

9.根据权利要求1至8任一所述的用于均匀加气的气液两相掺混装置，其特征在于：所述输送管路为火箭液氧煤油发动机离心泵的进液管路。

10.根据权利要求9所述的用于均匀加气的气液两相掺混装置，其特征在于：所述轴向孔(3011)的数目为30个或60个，每个轴向孔(3011)的孔径为1mm。

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