CN113176379A - 一种反重力液体获取实验装置 - Google Patents

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蔡爱峰
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Abstract

本发明公开了一种反重力液体获取实验装置，涉及推进剂管理技术领域，包括测试箱体、供气系统、进/排液系统；测试箱体和进/排液系统是主要的实验区域，用于提供不同尺寸的网幕通道和实验环境，供气系统保证测试箱体内部的压力。本发明还包括数据采集系统，数据采集系统实现目标参数的采集、信号转换和处理。本发明实现了对网幕通道式液体获取装置内部压力的控制，进一步能够获取网幕参数、尺寸规格、工质物性、驱动方式等参数对液体获取效率的定量影响规律，具有良好的技术效果。

Description

一种反重力液体获取实验装置
技术领域
本发明涉及推进剂管理技术领域，尤其涉及一种反重力液体获取实验装置。
背景技术
随着深空探测的不断发展，高性能动力系统成为实现深空高效轨道转移运输的基础条件，液氢、液氧低温推进剂由于其高比冲、无毒性等优点，是未来空间应用中的首选推进剂。但低温推进剂也具有温度低、沸点低、表面张力小等特殊性，使其空间气液管理更加困难。然而，推进剂的气液分离技术是航天器在轨安全可靠运行的重要保障，其主要任务就是适应微重力条件下低温推进剂贮箱中气液分布不连续、不确定的情况，进行高效的气液分离，保证航天器顺利完成各项复杂任务。
在地面常重力环境下，气液两相由于密度差异或者惯性驱动而使液体自发沉底。但在在轨微重力条件下，气液相分布存在很大的随机性，必须通过气液管理技术实现气液定位与分离。
研究人员针对推进剂提出了助推式分离、离心式分离、表面张力式分离、电磁式分离等多种可行的在轨气液分离方法。对比发现，网幕通道式液体获取技术能充分利用在微重力下起主导作用的表面张力，不消耗多余能量，能够不间断对气液相进行定位分离，具有显著优势。目前，网幕通道式液体获取装置的有效性已经获得在轨实验验证，但是对于网幕参数、尺寸规格、工质物性、驱动方式等参数对液体获取效率的定量影响规律研究仍为空白，由于受到空间在轨实验的成本和效率限制，需建立地面模拟实验装置对其进行分析研究。
因此，本领域的技术人员致力于提供一种反重力液体获取实验装置，以对网幕通道式液体获取装置的参数影响规律进行研究。
发明内容
有鉴于现有技术上的缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能对网幕通道式液体获取装置的参数影响规律进行研究的实验装置。
为实现上述目的，本发明提供了一种反重力液体获取实验装置，包括测试箱体、供气系统、进/排液系统；
所述测试箱体包括上壁面、侧壁面、下壁面，所述上壁面的中间开有通孔；所述测试箱体还包括夹具和垫圈；
所述供气系统包括气体储罐、减压阀、稳压阀，所述气体储罐、所述减压阀、所述稳压阀通过管道依次连接；
所述进/排液系统包括盖板、计量泵、第一隔离阀、第二隔离阀、水箱、立式通道、金属网幕；所述立式通道的上端与所述盖板连接为一体，所述立式通道的一个侧面是所述金属网幕；所述计量泵的第一端通过管道与所述水箱连接，所述第二隔离阀的第一端通过管道与所述计量泵连接，所述第一隔离阀的第一端通过管道与所述水箱连接，所述第一隔离阀、所述第二隔离阀的第二端通过管道汇合后穿过所述盖板，与所述立式通道连接；
所述盖板位于所述上壁面上，所述盖板与所述上壁面通过所述夹具固定，所述盖板与所述上壁面之间填充有所述垫圈；所述立式通道位于所述测试箱体内，所述稳压阀通过管道与所述测试箱体连接。
进一步地，还包括数据采集系统，所述数据采集系统包括温度传感器、液位传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第一流量计、第二流量计；所述温度传感器和所述液位传感器置于所述盖板上，并伸入所述测试箱体内；所述第一压力传感器和所述第二压力传感器置于所述盖板上，并分别连接至所述立式通道的上端和下端；所述第一流量计位于所述第一隔离阀和所述水箱之间的管道上；所述第二流量计位于所述计量泵和所述水箱之间的管道上。
进一步地，所述数据采集系统还包括高速相机、激光发生器和粒子图像测速系统，所述激光发生器置于所述测试箱体的下方，所述高速相机置于所述测试箱体的一侧。
优选地，所述上壁面的材料为不锈钢，所述侧壁面、所述下壁面的材料为石英玻璃。
优选地，所述上壁面、所述侧壁面、所述下壁面构成六面体的所述测试箱体。
优选地，所述盖板的材料为不锈钢。
进一步地，所述盖板和所述上壁面的尺寸一致。
优选地，所述夹具是老虎夹。
进一步地，所述金属网幕具有多孔结构，所述金属网幕的名义孔径尺寸为5-50微米。
进一步地，所述气体储罐的气体是不凝性气体。
本发明至少具有如下有益技术效果：
1、本发明提供的反重力液体获取实验装置，实现了对网幕通道式液体获取装置内部压力的控制，进而实现对流量的控制。
2、本发明提供的反重力液体获取实验装置，通过数据采集系统实现了基于粒子图像测速仪的流场实验测试，从而能够获取网幕参数、尺寸规格、工质物性、驱动方式等参数对液体获取效率的定量影响规律。
3、本发明提供的反重力液体获取实验装置，盖板与测试箱体之间为可拆卸结构，可以对不同规格的网幕进行更换，实验操作方便。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的实验装置示意图。
其中，1-气体储罐，2-减压阀，3-稳压阀，4-盖板，5-温度传感器，6-液位传感器，7-第一隔离阀，8-第二隔离阀，9-第一压力传感器，10-第二压力传感器，11-计量泵，12-第一流量计，13-水箱，14-高速相机，15-夹具，16-侧壁面，17-立式通道，18-激光发生器，19-金属网幕，20-上壁面，21-垫圈，22-第二流量计。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示，本发明的一个较佳实施例的反重力液体获取实验装置，包括测试箱体、供气系统、进/排液系统、数据采集系统。测试箱体和进/排液系统是主要的实验区域，用于提供不同尺寸的网幕通道和实验环境；供气系统保证测试箱体内部压力；数据采集系统实现目标参数的采集、信号转换和处理。
测试箱体由上壁面20、侧壁面16和下壁面构成，上壁面20是不锈钢壁面，侧壁面16和下壁面是石英玻璃壁面，测试箱体的形状优选正六面体。上壁面20上开有通孔，用于进/排液系统的安装，通孔的大小与下壁面相当。测试箱体上还包括夹具15和垫圈21，夹具15优选老虎夹，垫圈21优选硅胶垫圈。
进/排液系统包括盖板4、第一隔离阀7、第二隔离阀8、计量泵11、水箱13、立式通道17、金属网幕19。立式通道17的上端与盖板4连接为一体，即盖板4构成立式通道17的上部壁面，金属网幕19是立式通道17的一个侧面，立式通道17的其它侧面是石英玻璃。计量泵11通过管道与水箱13和第二隔离阀8连接，第一隔离阀7通过管道与水箱13连接，第一隔离阀7和第二隔离阀8的另一端通过管道汇合后，穿过盖板4接至立式通道17。第一隔离阀7和第二隔离阀8优选球阀。金属网幕19由金属细丝编制而成，具有刚性多孔介质结构，空隙直径在微米量级，优选5-50微米；金属网幕19优选不锈钢网幕。
盖板4置于上壁面20上，用夹具15夹紧，盖板4和上壁面20之间填充有垫圈21，保证密封性；立式通道17和金属网幕19置于测试箱体中，立式通道17的高度与测试箱体的高度相当。盖板4和上壁面20的尺寸一致，便于安装；盖板4和上壁面20的夹持结构连接使拆卸方便，可对不同规格的网幕进行更换和实验。
供气系统包括气体储罐1、减压阀2、稳压阀3，气体储罐1、减压阀2、稳压阀3通过管道依次连接，稳压阀3的末端通过管道穿过盖板4和上壁面20接入测试箱体中。气体储罐1所储存的气体为不凝性高压气体。供气系统通过稳压阀3的开度调控进气压力，保障整个实验系统的压力条件。
数据采集系统包括温度传感器5、液位传感器6、第一压力传感器9、第二压力传感器10、第一流量计12、高速相机14、激光发生器18、第二流量计22和粒子图像测速系统。温度传感器5和液位传感器6置于盖板4上，下端伸入测试箱体内，分别用于测量实验环境温度和测试箱体内的液位变化。第一压力传感器9和第二压力传感器10置于盖板4上，第一压力传感器9连接至立式通道17的上端，测量网幕通道式液体获取装置整体压降，第二压力传感器10连接至立式通道17的下端，测量液体穿过网幕的局部压降。第二流量计22置于计量泵11的出口处，第一流量计12置于第一隔离阀7与水箱13之间，用于测量排液量。激光发生器18置于测试箱体的下面，高速相机14置于与激光发生器18相垂直的平面。粒子图像测速系统所需的示踪粒子提前置于水箱13中，在测试箱体内通过金属网幕19进入立式通道17。所有测量元件均接入同一台数据采集仪，所得数据导入数据处理计算机进行分析。
本发明提供的反重力液体获取实验装置中，进/排液系统包含两种工作模式，即增压供液和抽吸供液。打开第一隔离阀7、关闭第二隔离阀8，通过气体储罐1向测试箱体内加压，进而使得液体排出，即为增压供液。关闭第一隔离阀7、打开第二隔离阀8和计量泵11，进而使得液体通过计量泵11排出，即为抽吸供液。
本发明的反重力液体获取实验装置，工作过程分为注液和排液两个阶段。在注液前，将测试箱体水平放置并将进/排液系统、供气系统通过管路连接，盖板4和上壁面20通过垫圈21和夹具15密封，以保证内部压力。在注液阶段，关闭第二隔离阀8，打开第一隔离阀7对测试箱体进行充注，待注液完成后，关闭第一隔离阀7。在排液阶段，先打开减压阀2，再打开稳压阀3，调至适当压力后打开第一隔离阀7进行排液，同时记录压力、流量等相关数据。
本发明的反重力液体获取实验装置，实现了对网幕通道式液体获取装置内部压力的控制，进一步能够获取网幕参数、尺寸规格、工质物性、驱动方式等参数对液体获取效率的定量影响规律，具有良好的技术效果。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种反重力液体获取实验装置，其特征在于，包括测试箱体、供气系统、进/排液系统；
所述测试箱体包括上壁面、侧壁面、下壁面，所述上壁面的中间开有通孔；所述测试箱体还包括夹具和垫圈；
所述供气系统包括气体储罐、减压阀、稳压阀，所述气体储罐、所述减压阀、所述稳压阀通过管道依次连接；
所述进/排液系统包括盖板、计量泵、第一隔离阀、第二隔离阀、水箱、立式通道、金属网幕；所述立式通道的上端与所述盖板连接为一体，所述立式通道的一个侧面是所述金属网幕；所述计量泵的第一端通过管道与所述水箱连接，所述第二隔离阀的第一端通过管道与所述计量泵连接，所述第一隔离阀的第一端通过管道与所述水箱连接，所述第一隔离阀、所述第二隔离阀的第二端通过管道汇合后穿过所述盖板，与所述立式通道连接；
所述盖板位于所述上壁面上，所述盖板与所述上壁面通过所述夹具固定，所述盖板与所述上壁面之间填充有所述垫圈；所述立式通道位于所述测试箱体内，所述稳压阀通过管道与所述测试箱体连接。
2.如权利要求1所述的反重力液体获取实验装置，其特征在于，还包括数据采集系统，所述数据采集系统包括温度传感器、液位传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第一流量计、第二流量计；所述温度传感器和所述液位传感器置于所述盖板上，并伸入所述测试箱体内；所述第一压力传感器和所述第二压力传感器置于所述盖板上，并分别连接至所述立式通道的上端和下端；所述第一流量计位于所述第一隔离阀和所述水箱之间的管道上；所述第二流量计位于所述计量泵和所述水箱之间的管道上。
3.如权利要求2所述的反重力液体获取实验装置，其特征在于，所述数据采集系统还包括高速相机、激光发生器和粒子图像测速系统，所述激光发生器置于所述测试箱体的下方，所述高速相机置于所述测试箱体的一侧。
4.如权利要求1所述的反重力液体获取实验装置，其特征在于，所述上壁面的材料为不锈钢，所述侧壁面、所述下壁面的材料为石英玻璃。
5.如权利要求4所述的反重力液体获取实验装置，其特征在于，所述上壁面、所述侧壁面、所述下壁面构成六面体的所述测试箱体。
6.如权利要求1所述的反重力液体获取实验装置，其特征在于，所述盖板的材料为不锈钢。
7.如权利要求1所述的反重力液体获取实验装置，其特征在于，所述盖板和所述上壁面的尺寸一致。
8.如权利要求1所述的反重力液体获取实验装置，其特征在于，所述夹具是老虎夹。
9.如权利要求1所述的反重力液体获取实验装置，其特征在于，所述金属网幕具有多孔结构，所述金属网幕的名义孔径尺寸为5-50微米。
10.如权利要求1所述的反重力液体获取实验装置，其特征在于，所述气体储罐的气体是不凝性气体。
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