CN112098292A - 一种基于二维渗流效应的微纳孔隙材料高温气体渗透率的测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于二维渗流效应的微纳孔隙材料高温气体渗透率的测量装置及方法，本发明待测样品微纳孔隙材料为圆盘状，安放在上、下两个腔体之间的连通管的支座上，实验气体由气瓶提供，并经减压阀、第一真空阀和稳压罐进入加热器，被加热到实验温度后进入带保温和预热功能的上腔体内；下腔体利用真空泵抽真空到实验初始压力，上腔体内的恒压高温气体在上、下腔体的压差作用下，经过待测样品渗流进入下腔体，并导致下腔体内压力和温度逐渐升高；本发明基于渗流方程组，设计搭建了实验台，运用实验和模拟的方法，能够更加精确的测量微纳孔隙材料的渗透率，可应用于多种微纳孔隙材料在多种气体温度下渗透率的测量。
Description
技术领域
本发明属于渗透率的测量技术领域，特别是涉及一种基于二维渗流效应的微纳孔隙材料高温气体渗透率的测量装置及方法。
背景技术
微纳孔隙材料广泛应用于各个领域。应用于航空航天领域的隔热材料是典型的微纳孔隙材料。微纳孔隙材料的渗透率对隔热材料的隔热性能有很大影响，对微纳孔隙材料渗透率进行精确有效的测量十分重要。国内外文献对各种微纳孔隙材料的气体渗透率的测量进行了大量的研究报道，形成了很多成熟的测量方法。但在这些研究报道中，测量方法大多基于一维达西定律，忽略了气体渗流过程中的二维效应，造成渗透率测量结果上的误差。且文献中对微纳孔隙材料气体渗透率的测量中大多为常温气体，高温气体的渗透率测量很少。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种基于二维渗流效应的微纳孔隙材料高温气体渗透率的测量装置及方法；本发明基于渗流方程组，设计搭建了实验台，运用实验和模拟的方法，能够更加精确的测量微纳孔隙材料的渗透率，可应用于多种微纳孔隙材料在多种气体温度下渗透率的测量。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种基于二维渗流效应的微纳孔隙材料高温气体渗透率的测量装置，待测样品微纳孔隙材料为圆盘状，安放在上、下两个腔体之间的连通管的支座上，实验气体由气瓶1提供，并经减压阀2、第一真空阀3和稳压罐4进入加热器5，被加热到实验温度后进入带保温和预热功能的上腔体7内；下腔体13利用真空泵15抽真空到实验初始压力，上腔体7内的恒压高温气体在上、下腔体的压差作用下，经过待测样品渗流进入下腔体13，并导致下腔体13内压力和温度逐渐升高；所述真空泵15通过第二真空阀6与加热器5相连；所述下腔体13通过第三真空阀14与真空泵15相连；利用第一热电偶8、第二热电偶12和第一压力传感器9、第二压力传感器11测量上、下腔体内的温度和压力随时间的变化，由数据采集系统10记录和存储随时间瞬态变化的温度和压力数据。
进一步地，上、下腔体的压力范围：上腔体7压力10kPa-200kPa，下腔体13压力1kPa-190kPa；上、下腔体的温度范围：上腔体7温度范围为常温-1500K，下腔体13温度依赖微纳孔隙材料的传热特性，下腔体13温度小于等于上腔体7温度，当下腔体13温度与上腔体7温度相同时为等温渗流。
进一步地，所述实验气体为空气、氮气、二氧化碳、氦气或氩气。
本发明还提出一种基于二维渗流效应的微纳孔隙材料高温气体渗透率的测量装置的测量方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、将微纳孔隙材料切削成圆盘形，安放在上、下两个腔体之间的连通管的支座上，使上腔体7内的气体只能通过微纳孔隙材料扩散进入下腔体13内；
步骤2、将上腔体7和下腔体13进行配套安装，并用隔热材料对上、下腔体外壁进行隔热处理，将气路管道系统接好，检查装置的气密性；
步骤3、若气密性完好，则对装置进行抽真空处理，关闭第一真空阀3和减压阀2，打开第二真空阀6、第三真空阀14和真空泵15，将稳压罐4、上腔体7和下腔体13抽至真空；
步骤4、关闭第二真空阀6、第三真空阀14和真空泵15，打开第一真空阀3和减压阀2，同时打开加热器5，对上腔体7进行预热处理，处理完毕后，对上腔体7进行充气，实验过程开始，数据采集处理系统10对实验过程数据进行记录保存；
步骤5、实验进行一定时间后，关闭减压阀2、第一真空阀3和加热器5，打开第二真空阀6和第三真空阀14，将气路管道系统中的气体放出，实验过程结束；
步骤6、将数据采集处理系统10保存的数据导出，经处理后用于模拟反演过程，求解出所述微纳孔隙材料渗透率随压力、温度变化的关系式。
进一步地，所述模拟反演过程具体为：
考虑样品安放支座通流面积与待测样品渗流面积的不同，样品中的气体渗流为轴对称的二维非稳态过程，其控制方程组如下：
p＝ρaRgT (3)
其中，r为材料径向方向，t为时间，z为材料轴向方向，Rg为气体常数，p为压力，T为温度，K＝K(p,T)为渗透系数，K为压力和温度的函数；ρ、c、λ为微纳孔隙材料密度、比热和导热系数，ρa、ca为渗流气体的密度和比热，Φ为微纳孔隙材料的孔隙率，μ为渗流气体的粘度；
根据状态方程(3)可知，气体密度和温度压力有关，所以只需给出温度和压力的边界条件；
所述边界条件为：
样品上表面：z＝H，0＜r＜ry，T＝T1(t)，p＝p1；
z＝H，ry＜r＜r0，T＝T1(t)，
样品下表面：z＝0，0＜r＜ry，T＝T2(t)，p＝p2(t)；
z＝0，ry＜r＜r0，T＝T2(t)，
样品侧面：r＝r0，
样品中心轴：r＝0，
式中H为样品沿轴向的长度、ry为样品有效渗透半径、T1(t)为上腔体7温度时变函数、p1为上腔体7压力时变函数、r0为圆盘状样品半径、T2(t)为下腔体13温度时变函数，p2(t)为下腔体13压力随时间变化函数；
实验过程中，保持上腔体7压力不变，由于下腔体13是封闭腔体，所以从上腔体7经由微纳孔隙材料流入下腔体13的气体导致下腔体13压力逐渐变大，所以下表面压力p2(t)为随时间变化的边界条件，同样，温度的边界条件也为随时间变化的边界条件，所述温度由两个热电偶实时给出；
根据上述控制方程组，若已知K(p,T)，可求得每个时刻p、T分布，根据达西定律
式中vz表示沿z轴方向的渗流速度，求得每个时刻样品下表面每一点的渗流速度，即可求出每一时刻流入下腔体13的体积流量，根据状态方程3可知每一时刻下腔体13内气体的密度，即可得到每一时刻流入下腔体13的质量流量，然后根据状态方程(3)即可得下腔体13压力随时间变化p2(t)；利用样品下表面的压力随时间变化，基于方程(1)、(2)、(3)构造反演辨识的模型K(p,T)，然后利用反演算法，求解辨识K(p,T)。
进一步地，所述微纳孔隙材料的密度、比热和导热系数表述为：
ρc＝Φρaca+(1-Φ)ρscs，λ＝Φλa+(1-Φ)λs (4)
其中，ρa,ρs为气体和固体材料的密度，ca,cs为气体和固体的比热；λa,λs为气体和固体导热系数。
进一步地，所述反演辨识的模型K(p,T)为：
其中，a1、a2、a3、a4为待辨识参数。
进一步地，所述反演算法为遗传算法或模拟退火算法。
本发明的有益效果为：本发明基于渗流方程组，设计搭建了实验台，运用实验和模拟的方法，能够更加精确的测量微纳孔隙材料的渗透率，可应用于多种微纳孔隙材料在多种气体温度下渗透率的测量。
附图说明
图1为本发明所述基于二维渗流效应的微纳孔隙材料高温气体渗透率的测量装置图；
图2为微纳孔隙材料的处理方法与坐标系的建立示意图。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
结合图1，本发明提出一种基于二维渗流效应的微纳孔隙材料高温气体渗透率的测量装置，待测样品微纳孔隙材料为圆盘状，安放在上、下两个腔体之间的连通管的支座上，实验气体由气瓶1提供，并经减压阀2、第一真空阀3和稳压罐4进入加热器5，被加热到实验温度后进入带保温和预热功能的上腔体7内；下腔体13利用真空泵15抽真空到实验初始压力，上腔体7内的恒压高温气体在上、下腔体的压差作用下，经过待测样品渗流进入下腔体13，并导致下腔体13内压力和温度逐渐升高；所述真空泵15通过第二真空阀6与加热器5相连；所述下腔体13通过第三真空阀14与真空泵15相连；利用第一热电偶8、第二热电偶12和第一压力传感器9、第二压力传感器11测量上、下腔体内的温度和压力随时间的变化，由数据采集系统10记录和存储随时间瞬态变化的温度和压力数据。
气瓶1、减压阀2和稳压罐4为上腔体7提供稳定的压力源，真空泵15负责为各实验腔体抽真空，加热器5对流经的气体进行加热控温，微纳孔隙材料切削成圆盘形，与样品安放平台相连，两个热电偶焊接在盲井内，将盲井插入上、下腔体内并进行焊接密封，第一压力传感器9用于测量上腔体7和下腔体13的压力差，第二压力传感器11用于测量下腔体13的绝对压力。
上、下腔体的压力范围：上腔体7压力10kPa-200kPa，下腔体13压力1kPa-190kPa；上、下腔体的温度范围：上腔体7温度范围为常温-1500K，下腔体13温度依赖微纳孔隙材料的传热特性，下腔体13温度小于等于上腔体7温度，当下腔体13温度与上腔体7温度相同时为等温渗流。
所述实验气体为空气、氮气、二氧化碳、氦气或氩气。
本发明还提出一种基于二维渗流效应的微纳孔隙材料高温气体渗透率的测量装置的测量方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、将微纳孔隙材料切削成圆盘形，安放在上、下两个腔体之间的连通管的支座上，使上腔体7内的气体只能通过微纳孔隙材料扩散进入下腔体13内；
步骤2、将上腔体7和下腔体13进行配套安装，并用隔热材料对上、下腔体外壁进行隔热处理，将气路管道系统接好，检查装置的气密性；
步骤3、若气密性完好，则对装置进行抽真空处理，关闭第一真空阀3和减压阀2，打开第二真空阀6、第三真空阀14和真空泵15，将稳压罐4、上腔体7和下腔体13抽至真空；
步骤4、关闭第二真空阀6、第三真空阀14和真空泵15，打开第一真空阀3和减压阀2，同时打开加热器5，对上腔体7进行预热处理，处理完毕后，对上腔体7进行充气，实验过程开始，数据采集处理系统10对实验过程数据进行记录保存；
步骤5、实验进行一定时间后，关闭减压阀2、第一真空阀3和加热器5，打开第二真空阀6和第三真空阀14，将气路管道系统中的气体放出，实验过程结束；
步骤6、将数据采集处理系统10保存的数据导出，经处理后用于模拟反演过程，求解出所述微纳孔隙材料渗透率随压力、温度变化的关系式。
所述模拟反演过程具体为：
对样品进行如图2所示的处理，图2黑色不带箭头的边界粗实线为对样品进行密封处理，处理完毕后，考虑样品安放支座通流面积与待测样品渗流面积的不同，样品中的气体渗流为轴对称的二维非稳态过程，因为渗流速度很小，且渗流对传热温度的依赖性不很大，因此样品中的传热过程可认为是一维的，根据图2建立的坐标系，其控制方程组如下：
p＝ρaRgT (3)
其中，r为材料径向方向，t为时间，z为材料轴向方向，Rg为气体常数，p为压力，T为温度，K＝K(p,T)为渗透系数，K为压力和温度的函数；ρ、c、λ为微纳孔隙材料密度、比热和导热系数，ρa、ca为渗流气体的密度和比热，Φ为微纳孔隙材料的孔隙率，μ为渗流气体的粘度；
所述微纳孔隙材料的密度、比热和导热系数表述为：
ρc＝Φρaca+(1-Φ)ρscs，λ＝Φλa+(1-Φ)λs (4)
其中，ρa,ρs为气体和固体材料的密度，ca,cs为气体和固体的比热；λa,λs为气体和固体导热系数。
根据状态方程(3)可知，气体密度和温度压力有关，所以只需给出温度和压力的边界条件；
所述边界条件为：
样品上表面：z＝H，0＜r＜ry，T＝T1(t)，p＝p1；
z＝H，ry＜r＜r0，T＝T1(t)，
样品下表面：z＝0，0＜r＜ry，T＝T2(t)，p＝p2(t)；
z＝0，ry＜r＜r0，T＝T2(t)，
样品侧面：r＝r0，
样品中心轴：r＝0，
式中H为样品沿轴向的长度、ry为样品有效渗透半径、T1(t)为上腔体7温度时变函数、p1为上腔体7压力时变函数、r0为圆盘状样品半径、T2(t)为下腔体13温度时变函数，p2(t)为下腔体13压力随时间变化函数；
实验过程中，保持上腔体7压力不变，由于下腔体13是封闭腔体，所以从上腔体7经由微纳孔隙材料流入下腔体13的气体导致下腔体13压力逐渐变大，所以下表面压力p2(t)为随时间变化的边界条件，同样，温度的边界条件也为随时间变化的边界条件，所述温度由两个热电偶实时给出；
根据上述控制方程组，若已知K(p,T)，可求得每个时刻p、T分布，根据达西定律
式中vz表示沿z轴方向的渗流速度，求得每个时刻样品下表面每一点的渗流速度，即可求出每一时刻流入下腔体13的体积流量，根据状态方程3可知每一时刻下腔体13内气体的密度，即可得到每一时刻流入下腔体13的质量流量，然后根据状态方程(3)即可得下腔体13压力随时间变化p2(t)；利用样品下表面的压力随时间变化，基于方程(1)、(2)、(3)构造反演辨识的模型K(p,T)，然后利用反演算法，求解辨识K(p,T)。
所述反演辨识的模型K(p,T)为：
其中，a1、a2、a3、a4为待辨识参数。
所述反演算法为遗传算法或模拟退火算法。
以上对本发明所提供的一种基于二维渗流效应的微纳孔隙材料高温气体渗透率的测量装置及方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种基于二维渗流效应的微纳孔隙材料高温气体渗透率的测量装置，其特征在于：待测样品微纳孔隙材料为圆盘状，安放在上、下两个腔体之间的连通管的支座上，实验气体由气瓶(1)提供，并经减压阀(2)、第一真空阀(3)和稳压罐(4)进入加热器(5)，被加热到实验温度后进入带保温和预热功能的上腔体(7)内；下腔体(13)利用真空泵(15)抽真空到实验初始压力，上腔体(7)内的恒压高温气体在上、下腔体的压差作用下，经过待测样品渗流进入下腔体(13)，并导致下腔体(13)内压力和温度逐渐升高；所述真空泵(15)通过第二真空阀(6)与加热器(5)相连；所述下腔体(13)通过第三真空阀(14)与真空泵(15)相连；利用第一热电偶(8)、第二热电偶(12)和第一压力传感器(9)、第二压力传感器(11)测量上、下腔体内的温度和压力随时间的变化，由数据采集系统(10)记录和存储随时间瞬态变化的温度和压力数据。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：上、下腔体的压力范围：上腔体(7)压力10kPa-200kPa，下腔体(13)压力1kPa-190kPa；上、下腔体的温度范围：上腔体(7)温度范围为常温-1500K，下腔体(13)温度依赖微纳孔隙材料的传热特性，下腔体(13)温度小于等于上腔体(7)温度，当下腔体(13)温度与上腔体(7)温度相同时为等温渗流。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述实验气体为空气、氮气、二氧化碳、氦气或氩气。
4.一种如权利要求1-3中任一项所述的基于二维渗流效应的微纳孔隙材料高温气体渗透率的测量装置的测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1、将微纳孔隙材料切削成圆盘形，安放在上、下两个腔体之间的连通管的支座上，使上腔体(7)内的气体只能通过微纳孔隙材料扩散进入下腔体(13)内；
步骤2、将上腔体(7)和下腔体(13)进行配套安装，并用隔热材料对上、下腔体外壁进行隔热处理，将气路管道系统接好，检查装置的气密性；
步骤3、若气密性完好，则对装置进行抽真空处理，关闭第一真空阀(3)和减压阀(2)，打开第二真空阀(6)、第三真空阀(14)和真空泵(15)，将稳压罐(4)、上腔体(7)和下腔体(13)抽至真空；
步骤4、关闭第二真空阀(6)、第三真空阀(14)和真空泵(15)，打开第一真空阀(3)和减压阀(2)，同时打开加热器(5)，对上腔体(7)进行预热处理，处理完毕后，对上腔体(7)进行充气，实验过程开始，数据采集处理系统(10)对实验过程数据进行记录保存；
步骤5、实验进行一定时间后，关闭减压阀(2)、第一真空阀(3)和加热器(5)，打开第二真空阀(6)和第三真空阀(14)，将气路管道系统中的气体放出，实验过程结束；
步骤6、将数据采集处理系统(10)保存的数据导出，经处理后用于模拟反演过程，求解出所述微纳孔隙材料渗透率随压力、温度变化的关系式。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述模拟反演过程具体为：
考虑样品安放支座通流面积与待测样品渗流面积的不同，样品中的气体渗流为轴对称的二维非稳态过程，其控制方程组如下：
p＝ρaRgT (3)
其中，r为材料径向方向，t为时间，z为材料轴向方向，Rg为气体常数，p为压力，T为温度，K＝K(p,T)为渗透系数，K为压力和温度的函数；ρ、c、λ为微纳孔隙材料密度、比热和导热系数，ρa、ca为渗流气体的密度和比热，Φ为微纳孔隙材料的孔隙率，μ为渗流气体的粘度；
根据状态方程(3)可知，气体密度和温度压力有关，所以只需给出温度和压力的边界条件；
所述边界条件为：
样品上表面：z＝H，0＜r＜ry，T＝T1(t)，p＝p1；
z＝H，ry＜r＜r0，T＝T1(t)，
样品下表面：z＝0，0＜r＜ry，T＝T2(t)，p＝p2(t)；
z＝0，ry＜r＜r0，T＝T2(t)，
样品侧面：r＝r0，
样品中心轴：r＝0，
式中H为样品沿轴向的长度、ry为样品有效渗透半径、T1(t)为上腔体(7)温度时变函数、p1为上腔体(7)压力时变函数、r0为圆盘状样品半径、T2(t)为下腔体(13)温度时变函数，p2(t)为下腔体(13)压力随时间变化函数；
实验过程中，保持上腔体(7)压力不变，由于下腔体(13)是封闭腔体，所以从上腔体(7)经由微纳孔隙材料流入下腔体(13)的气体导致下腔体(13)压力逐渐变大，所以下表面压力p2(t)为随时间变化的边界条件，同样，温度的边界条件也为随时间变化的边界条件，所述温度由两个热电偶实时给出；
根据上述控制方程组，若已知K(p,T)，可求得每个时刻p、T分布，根据达西定律
式中vz表示沿z轴方向的渗流速度，求得每个时刻样品下表面每一点的渗流速度，即可求出每一时刻流入下腔体(13)的体积流量，根据状态方程(3)可知每一时刻下腔体(13)内气体的密度，即可得到每一时刻流入下腔体(13)的质量流量，然后根据状态方程(3)即可得下腔体(13)压力随时间变化p2(t)；利用样品下表面的压力随时间变化，基于方程(1)、(2)、(3)构造反演辨识的模型K(p,T)，然后利用反演算法，求解辨识K(p,T)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述微纳孔隙材料的密度、比热和导热系数表述为：
ρc＝Φρaca+(1-Φ)ρscs，λ＝Φλa+(1-Φ)λs (4)
其中，ρa,ρs为气体和固体材料的密度，ca,cs为气体和固体的比热；λa,λs为气体和固体导热系数。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述反演辨识的模型K(p,T)为：
其中，a1、a2、a3、a4为待辨识参数。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述反演算法为遗传算法或模拟退火算法。
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