CN113252720B - 一种采用液氮与氮气冷却液氧的两相流掺混试验系统 - Google Patents

一种采用液氮与氮气冷却液氧的两相流掺混试验系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种采用液氮与氮气冷却液氧的两相流掺混试验系统，包括：液氧控制装置、氧气控制装置、液氮控制装置、氮气控制装置、氮氧换热器和可视化装置；液氮控制装置用于向氮氧换热器输出液氮；氮气控制装置用于向氮氧换热器输出氮气；液氧控制装置用于向氮氧换热器输出液氧；氮氧换热器用于调节液氮与氮气的比例构造需求环境温度，使液氧在需求环境温度下进行换热，得到需求过冷度的液氧；可视化装置用于将需求过冷度的液氧与氧气控制装置输出的氧气进行混合，实现液氧与氧气的掺混试验；氮氧换热器上的控制装置可实现压力迅速稳定和流量配比更加精准，可使液氧在两相流试验前获得需求的过冷度。

Description

一种采用液氮与氮气冷却液氧的两相流掺混试验系统
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，尤其是涉及一种采用液氮与氮气冷却液氧的两相流掺混试验系统。
背景技术
随着科技的发展，低温流体的使用越来越广泛，而低温流体在实际工作过程中必然存在着两相流动。目前两相流动的试验研究多集中在常温介质，低温介质的两相流动由于低温流体温度的控制和低温装置的密封等原因开展较少。液氧和氧气为常用的氧化剂，其在航空航天领域应用较多，其两相流掺混也对火箭发动机离心泵的水力性能和汽蚀性能具有较大影响。
目前液氧与氧气的两相流掺混多集中在将液氧与氧气直接混合，在混合前对于液氧的过冷度难以保证，尤其是需要过冷度随时调节的场合。目前常见的获取过冷液氧的方式为抽空减压和换热过冷的方案，利用泵驱动液氧至换热器进行换热过冷，然后再回流至液氧贮箱，但是上述方法过程繁琐复杂，尤其对于需要随时调节液氧过冷度的情况更显繁琐。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供采用液氮与氮气冷却液氧的两相流掺混试验系统，通过调节液氮与氮气的比例可以获得不同温度的低温环境。液氧在氮氧换热器中经过换热平衡后进入可视化装置中，从而实现液氧与氧气的掺混试验；氮氧换热器上的控制装置可实现压力迅速稳定和流量配比更加精准，可使液氧在两相流试验前获得需求的过冷度。
第一方面，本发明实施例提供了采用液氮与氮气冷却液氧的两相流掺混试验系统，所述系统包括：液氧控制装置、氧气控制装置、液氮控制装置、氮气控制装置、氮氧换热器和可视化装置；
所述液氮控制装置、所述氮气控制装置、所述液氧控制装置、所述可视化装置分别与所述氮氧换热器相连接，所述氧气控制装置与所述可视化装置相连接；
所述液氮控制装置，用于向所述氮氧换热器输出液氮；
所述氮气控制装置，用于向所述氮氧换热器输出氮气；
所述液氧控制装置，用于向所述氮氧换热器输出液氧；
所述氮氧换热器，用于调节所述液氮与所述氮气的比例构造需求环境温度，使所述液氧在所述需求环境温度下进行换热，得到需求过冷度的液氧；
所述可视化装置，用于将所述需求过冷度的液氧与所述氧气控制装置输出的氧气进行混合。
进一步的，所述氮氧换热器上设置有压力传感器、温度传感器和控制器，所述氮氧换热器的底部设置有第一反压调节阀，所述液氮控制装置包括液氮流量调节阀，所述氮气控制装置包括氮气流量调节阀；
所述压力传感器，用于检测所述氮氧换热器内的压力，得到第一压力值；
所述温度传感器，用于检测所述氮氧换热器内的温度，得到第一温度值；
所述控制器，用于根据所述第一压力值和设定的混合压力值，得到第一偏差；如果所述第一偏差大于第一预设压力偏差范围，则将所述第一偏差通过PD控制算法，得到第一结果；根据所述第一结果控制所述第一反压调节阀的开度；
如果所述第一偏差在所述第一预设压力偏差范围内，则根据所述第一温度值和设定的混合温度值，得到第二偏差；判断所述第一偏差是否在第二预设压力偏差范围内和所述第二偏差是否在第一预设温度偏差范围内，如果不在，则将所述第一偏差和所述第二偏差通过PID控制算法，得到第二结果；根据所述第二结果控制所述液氮流量调节阀的开度或所述氮气流量调节阀的开度。
进一步的，所述控制器，用于判断所述第一偏差和所述第二偏差是否同号，如果同号，则将所述第一偏差和所述第二偏差通过所述PID控制算法，得到第一电压值，根据所述第一电压值控制所述氮气流量调节阀的开度；
如果异号，则将所述第一偏差和所述第二偏差通过所述PID控制算法，得到第二电压值，根据所述第二电压值控制所述液氮流量调节阀的开度。
进一步的，所述控制器，用于当所述第一结果为正值时，控制所述第一反压调节阀的开度增大；当所述第一结果为负值时，控制所述第一反压调节阀的开度减小。
进一步的，所述液氧控制装置还包括高压液氧贮箱、第一温度传感器、第一气动阀、第一流量计、第二温度传感器、第一压力传感器、汽蚀文氏管、第二压力传感器和第三温度传感器；
所述高压液氧贮箱、所述第一温度传感器、所述第一气动阀、所述第一流量计、所述第二温度传感器、所述第一压力传感器、所述汽蚀文氏管、所述氮氧换热器、所述第二压力传感器、所述第三温度传感器和所述可视化装置依次连接；
所述第一温度传感器，用于检测所述高压液氧贮箱内液氧温度；
所述第一气动阀，用于控制所述高压液氧贮箱内的液体与下游部分的通断；
所述第一流量计，用于检测所述高压液氧贮箱内液氧的质量流量；
所述第二温度传感器，用于检测所述汽蚀文氏管前的温度；
所述第一压力传感器，用于检测所述汽蚀文氏管前的压力；
所述第二压力传感器，用于检测所述需求过冷度的液氧的压力；
所述第三温度传感器，用于检测所述需求过冷度的液氧的温度。
进一步的，所述氧气控制装置包括高压氧气贮箱、第二气动阀、第一减压器、第二流量计、第三压力传感器、第四温度传感器、音速喷嘴、第一电磁阀、第一单向阀、第四压力传感器和第五温度传感器；
所述高压氧气贮箱、所述第二气动阀、所述第一减压器、所述第二流量计、所述第三压力传感器、所述第四温度传感器、所述音速喷嘴、所述第一电磁阀、所述第一单向阀、所述第四压力传感器和所述第五温度传感器依次连接，所述第五温度传感器与所述可视化装置相连接；
所述第二气动阀，用于控制氧气与下游的通断；
所述第一减压器，用于调整所述音速喷嘴前的压力；
所述第二流量计，用于实时检测管路内气体的流量；
所述第三压力传感器，用于检测所述音速喷嘴前的压力；
所述第四温度传感器，用于检测所述音速喷嘴前的温度；
所述第一电磁阀和所述第一单向阀，用于控制流入所述可视化装置的气体的通断；
所述第四压力传感器，用于检测进入所述可视化装置前的氧气的压力；
所述第五温度传感器，用于检测进入所述可视化装置前的氧气的温度。
进一步的，所述液氮控制装置还包括液氮贮箱、第一手阀、第三气动阀、第五压力传感器和第六温度传感器；
所述液氮贮箱、所述第一手阀、所述第三气动阀、液氮流量调节阀、所述第五压力传感器和所述第六温度传感器依次连接，所述第六温度传感器与所述氮氧换热器相连接；
所述第三气动阀用于控制液氮与下游的通断；
所述第五压力传感器，用于检测进入所述氮氧换热器的液氮的压力；
所述第六温度传感器，用于检测进入所述氮氧换热器的液氮的温度。
进一步的，所述氮气控制装置包括氮气贮箱、第四气动阀、第二减压器、第六压力传感器和第七温度传感器；
所述氮气贮箱、所述第四气动阀、所述第二减压器、氮气流量调节阀、所述第六压力传感器和所述第七温度传感器依次连接，所述第七温度传感器与所述氮氧换热器相连接；
所述第四气动阀，用于控制氮气与下游的通断；
所述第二减压器，用于调整所述氮气流量调节阀的压力；
所述第六压力传感器，用于检测进入所述氮氧换热器的氧气的压力；
所述第七温度传感器，用于检测进入所述氮氧换热器的氧气的温度。
进一步的，所述高压液氧贮箱的顶部连接有第一安全阀，所述高压液氧贮箱的底部连接有第一过滤器和第二手阀。
进一步的，所述液氮贮箱的顶部连接有第二安全阀，所述液氮贮箱的底部通过第三手阀依次连接第二过滤器和第四手阀。
本发明实施例提供了采用液氮与氮气冷却液氧的两相流掺混试验系统，包括：液氧控制装置、氧气控制装置、液氮控制装置、氮气控制装置、氮氧换热器和可视化装置；液氮控制装置、氮气控制装置、液氧控制装置、可视化装置分别与氮氧换热器相连接，氧气控制装置与可视化装置相连接；液氮控制装置用于向氮氧换热器输出液氮；氮气控制装置用于向氮氧换热器输出氮气；液氧控制装置用于向氮氧换热器输出液氧；氮氧换热器用于调节液氮与氮气的比例构造需求环境温度，使液氧在需求环境温度下进行换热，得到需求过冷度的液氧；可视化装置用于将需求过冷度的液氧与氧气控制装置输出的氧气进行混合，从而实现液氧与氧气的掺混试验；氮氧换热器上的控制装置可实现压力迅速稳定和流量配比更加精准，可使液氧在两相流试验前获得需求的过冷度。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的采用液氮与氮气冷却液氧的两相流掺混试验系统示意图；
图2为本发明实施例一提供的氮氧换热器内的温度与压力调节原理示意图；
图3为本发明实施例二提供的采用液氮与氮气冷却液氧的两相流掺混试验系统结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
为便于对本实施例进行理解，下面对本发明实施例进行详细介绍。
实施例一：
图1为本发明实施例一提供的采用液氮与氮气冷却液氧的两相流掺混试验系统示意图。
参照图1，该系统包括：液氧控制装置、氧气控制装置、液氮控制装置、氮气控制装置、氮氧换热器和可视化装置；
液氮控制装置、氮气控制装置、液氧控制装置、可视化装置分别与氮氧换热器相连接，氧气控制装置与可视化装置相连接；
液氮控制装置，用于向氮氧换热器输出液氮；
氮气控制装置，用于向氮氧换热器输出氮气；
液氧控制装置，用于向氮氧换热器输出液氧；
氮氧换热器，用于调节液氮与氮气的比例构造需求环境温度，使液氧在需求环境温度下进行换热，得到设定过冷度的液氧；
可视化装置，用于将设定过冷度的液氧与氧气控制装置输出的氧气进行混合。
具体地，为在试验前获取设定过冷度的液氧，由于在常压下液氮温度为-196.56℃，而液氧温度为-183℃。氮氧换热器调节液氮与氮气的比例构造需求环境温度，使液氧在需求环境温度下进行换热，得到设定过冷度的液氧，然后将设定过冷度的液氧进入可视化装置中，进行液氧与氧气的掺混试验。
调节液氮与氮气的比例获取需求环境温度，通过采用PD控制算法控制氮氧换热器的第一反压调节阀，采用PID控制算法控制液氮流量调节阀或氮气流量调节阀，使氮氧换热器内压力迅速稳定和流量配比更加精准，从而使液氧在两相流试验前获得需求过冷度。
进一步的，氮氧换热器上设置有压力传感器、温度传感器和控制器，氮氧换热器的底部设置有第一反压调节阀，液氮控制装置包括液氮流量调节阀，氮气控制装置包括氮气流量调节阀；
压力传感器，用于检测氮氧换热器内的压力，得到第一压力值；
温度传感器，用于检测氮氧换热器内的温度，得到第一温度值；
控制器，用于根据第一压力值和设定的混合压力值，得到第一偏差；如果第一偏差大于第一预设压力偏差范围，则将第一偏差通过PD控制算法，得到第一结果；根据第一结果控制第一反压调节阀的开度；
控制器，用于当第一结果为正值时，控制第一反压调节阀的开度增大；当第一结果为负值时，控制第一反压调节阀的开度减小。
具体地，为获得需求过冷度的液氧，需要控制液氮与氮气混合后的温度。参照图2，氮氧换热器温度输入信号源为液氮与氮气的设定的混合温度值，氮氧换热器压力输入信号源为液氮与氮气的设定的混合压力值，设定的混合压力值r2与氮氧换热器内第一压力值y2做差，得到第一偏差e2。
将液氮与氮气混合压力未达标情况下进行粗调的偏差范围定义为第一预设压力偏差范围，当第一偏差e2大于第一预设压力偏差范围β时，将采用PD控制算法，将误差乘一个比例因子Kp的结果与相邻两次误差的差乘一个比例因子Kd的结果求和，得到的值为u3，将u3作为电压信号控制第一反压调节阀(C-FYF01)的开度大小。
u3的大小与第一反压调节阀的动作行程呈线性关系，u3的符号控制开度的增大或减小，当u3为正值时，控制第一反压调节阀的开度增大，当u3为负值时，控制第一反压调节阀的开度减小。由于混合压力对液氮和氮气混合的温度影响较小，因此第一反压调节阀采用PD控制算法调节氮氧换热器的混合压力，保证了其压力能够快速稳定到设定值，并减小超调。
如果第一偏差在第一预设压力偏差范围内，则根据第一温度值和设定的混合温度值，得到第二偏差；判断第一偏差是否在第二预设压力偏差范围内和第二偏差是否在第一预设温度偏差范围内，如果不在，则将第一偏差和第二偏差通过PID控制算法，得到第二结果；根据第二结果控制液氮流量调节阀的开度或氮气流量调节阀的开度。
具体地，当第一偏差e2在第一预设压力偏差范围β内时，启动液氮与氮气混合温度的调节过程和混合压力的微调过程。将液氮与氮气混合压力达标的偏差范围值定义为第二预设压力偏差范围δ，混合温度达标的偏差范围值定义为第一预设温度偏差范围ξ。根据第一温度值和设定的混合温度值，得到第二偏差e1。
进一步的，控制器，用于判断第一偏差和第二偏差是否同号，如果同号，则将第一偏差和第二偏差通过PID控制算法，得到第一电压值，根据第一电压值控制氮气流量调节阀的开度；
如果异号，则将第一偏差和第二偏差通过PID控制算法，得到第二电压值，根据第二电压值控制液氮流量调节阀的开度。
具体地，当第一偏差e2不在第二预设压力偏差范围内和第二偏差e1不在第一预设温度偏差范围内时，将第二偏差e1和第一偏差e2做乘积并判断其与0的大小关系，即判断第二偏差e1和第一偏差e2是否同号。由于增大液氮流量调节阀的开度，液氮的流量将会增大，导致混合温度降低以及掺混压力的上升；同样地，对于氮气流量调节阀，也会存在上述温度和压力的双重影响。
当第二偏差e1和第一偏差e2同号时，即温度和压力均偏高或偏低，将采用PID控制算法，将误差乘一个比例因子Kp的结果、累计误差和乘一个比例因子Ki的结果、相邻两次误差的差乘一个比例因子Kd的结果三者求和，得到的值为u2，将u2将作为电压信号控制氮气流量调节阀的流量，其控制方法与上述第一反压调节阀的控制方法相同，在此不作赘述。
当第二偏差e1和第一偏差e2异号时，即温度和压力一个偏高，另一个偏低，将采用PID控制算法，将误差乘一个比例因子Kp的结果、累计误差和乘一个比例因子Ki的结果、相邻两次误差的差乘一个比例因子Kd的结果三者求和，得到的值为u1，将u1作为电压信号，控制液氮流量调节阀的流量，其控制方法与前述相同，在此不作赘述。
通过液氮流量调节阀或氮气流量调节阀采用PID控制方法微调混合压力和温度，保证其在快速和降低超调的基础上，还能消除稳态误差，提高压力和温度的调节精度。当第一偏差e2在第二预设压力偏差范围内和第二偏差e1在第一预设温度偏差范围内时，认为混合温度和压力满足要求。
本实施例中，液氮与氮气混合形成低于液氧沸点温度的环境，液氧在试验前经过氮氧换热器与前述液氮与氮气形成的低温环境进行换热，调节液氮与氮气的比例，可以获得不同温度的低温环境。
采用液氮与氮气混合获取低温环境的方式，同时利用PD控制算法控制氮氧换热器的第一反压调节阀和PID控制算法控制液氮与氮气路的流量，使氮氧换热器内的压力迅速稳定和流量配比更加精准，可使液氧在两相流试验前获得需求过冷度。采用液氮流量调节阀或氮气流量调节阀控制液氮和氮气的流量，以及第一反压调节阀控制氮氧换热器的混合压力，能够方便快速地获得所需的温度和压力。
实施例二：
图3为本发明实施例二提供的采用液氮与氮气冷却液氧的两相流掺混试验系统结构示意图。
参照图3，该系统包括液氧控制装置、氧气控制装置、液氮控制装置、氮气控制装置、氮氧换热器和可视化装置；液氮控制装置和氮气控制装置分别向氮氧换热器提供不同比例的液氮和氮气。
液氧控制装置还包括高压液氧贮箱(A-GYYYZX)、第一温度传感器(A-WC01)、第一气动阀(A-QDF01)、第一流量计(A-LLJ01)、第二温度传感器(A-WC02)、第一压力传感器(A-YC01)、汽蚀文氏管(A-QSWSG)、第二压力传感器(A-YC02)和第三温度传感器(A-WC03)；
高压液氧贮箱(A-GYYYZX)、第一温度传感器(A-WC01)、第一气动阀(A-QDF01)、第一流量计(A-LLJ01)、第二温度传感器(A-WC02)、第一压力传感器(A-YC01)、汽蚀文氏管(A-QSWSG)、氮氧换热器(DYHRQ)、第二压力传感器(A-YC02)、第三温度传感器(A-WC03)和可视化装置(KSHZZ)依次连接；
第一温度传感器(A-WC01)，用于检测高压液氧贮箱(A-GYYYZX)内液氧温度；
第一气动阀(A-QDF01)，用于控制高压液氧贮箱(A-GYYYZX)内的液体与下游部分的通断；
第一流量计(A-LLJ01)，用于检测高压液氧贮箱(A-GYYYZX)内液氧的质量流量；
第二温度传感器(A-WC02)，用于检测汽蚀文氏管(A-QSWSG)前的温度；
第一压力传感器(A-YC01)，用于检测汽蚀文氏管(A-QSWSG)前的压力；
汽蚀文氏管(A-QSWSG)主要用来控制管路内的流量，对于汽蚀文氏管(A-QSWSG)在汽蚀状态下的流量计算过程，参照公式(1)：
Figure BDA0003103956400000111
其中，qm为通过汽蚀文氏管的流量，μ为流量系数，一般为0.89-0.97，与汽蚀文氏管相关，AC为汽蚀文氏管喉部的几何面积，ρ为流过液体的密度，p0为汽蚀文氏管前压力，pS为流过液体的饱和蒸气压。
汽蚀文氏管在汽蚀状态下的流量将与汽蚀文氏管前压力、液氧密度相关，而这两个参数与汽蚀文氏管前的温度和压力相关，因此可通过调节高压液氧贮箱增压气体的压力进而控制液氧的流量。
经过汽蚀文氏管(A-QSWSG)的液氧进入到氮氧换热器(DYHRQ)内，经过氮氧换热器(DYHRQ)后将得到需求过冷度的液氧，此时液氧进入到可视化装置(KSHZZ)内与氧气进行掺混，在掺混前由第三温度传感器(A-WC03)和第二压力传感器(A-YC02)测量液氧的参数。
第二压力传感器(A-YC02)，用于检测需求过冷度的液氧的压力；
第三温度传感器(A-WC03)，用于检测需求过冷度的液氧的温度。
高压液氧贮箱(A-GYYYZX)的上游连接高压气，用于给高压液氧贮箱(A-GYYYZX)内的液氧增压以向下游流动。
高压液氧贮箱(A-GYYYZX)的顶部连接有第一安全阀(A-AQF01)，当高压液氧贮箱(A-GYYYZX)内的压力超过设定安全压力后，将自动打开以保证高压液氧贮箱(A-GYYYZX)的安全。
高压液氧贮箱(A-GYYYZX)的底部连接有第一过滤器(A-GLQ01)和第二手阀(A-SF02)，主要用于向高压液氧贮箱(A-GYYYZX)内加注液氧。高压液氧贮箱(A-GYYYZX)的上部通过第三手阀(A-SF01)与泄放路连接，主要用于向高压液氧贮箱(A-GYYYZX)内加注时，其处于打开状态，并可通过其观察高压液氧贮箱(A-GYYYZX)内是否加满。
进一步的，氧气控制装置包括高压氧气贮箱(B-GYYQZX)、第二气动阀(B-QDF01)、第一减压器(B-JYQ01)、第二流量计(B-LLJ01)、第三压力传感器(B-YC01)、第四温度传感器(B-WC01)、音速喷嘴(B-YSPZ)、第一电磁阀(B-DCF01)、第一单向阀(B-DXF01)、第四压力传感器(B-YC02)和第五温度传感器(B-WC02)；
高压氧气贮箱(B-GYYQZX)、第二气动阀(B-QDF01)、第一减压器(B-JYQ01)、第二流量计(B-LLJ01)、第三压力传感器(B-YC01)、第四温度传感器(B-WC01)、音速喷嘴(B-YSPZ)、第一电磁阀(B-DCF01)、第一单向阀(B-DXF01)、第四压力传感器(B-YC02)和第五温度传感器(B-WC02)依次连接，第五温度传感器(B-WC02)与可视化装置(KSHZZ)相连接；
第二气动阀(B-QDF01)，用于控制氧气与下游的通断；
第一减压器(B-JYQ01)，用于调整音速喷嘴前的压力；
第二流量计(B-LLJ01)，用于实时检测管路内气体的流量；
第三压力传感器(B-YC01)，用于检测音速喷嘴前的压力；
第四温度传感器(B-WC01)，用于检测音速喷嘴前的温度；
音速喷嘴为先收缩后扩张的管子，主要作用为控制管路中的流量，音速喷嘴的流量计算过程，参照公式(2)：
Figure BDA0003103956400000131
其中，qm为流过气体的质量流量，Cd为音速喷嘴的流出系数，用于调整理想气体与实际气体的差别，C*为临界流函数，是比热比的函数，A为音速喷嘴喉部的横截面积，p0为音速喷嘴入口处气体的绝对滞止压力，R为通用气体常数，T0为音速喷嘴入口处气体的绝对滞止温度，M为气体的摩尔质量。
音速喷嘴的流量将和音速喷嘴前绝对滞止压力和绝对滞止温度相关，可通过调节减压器出口的压力大小进而控制音速喷嘴前压力，从而达到调整流量的目的。
可视化装置为需求过冷度的液氧与氧气的掺混装置，用于研究其掺混特性，在可视化装置下游安装有第七压力传感器(A-YC03)，用于测量可视化装置内的压力；在可视化装置下游安装第二反压调节阀(A-FYF01)，主要利用第二反压调节阀(A-FYF01)开度的大小来控制可视化装置内掺混压力的大小。
第一电磁阀(B-DCF01)和第一单向阀(B-DXF01)，用于控制流入可视化装置的气体的通断；
第四压力传感器(B-YC02)，用于检测进入可视化装置前的氧气的压力；
第五温度传感器(B-WC02)，用于检测进入可视化装置前的氧气的温度。
高压氧气贮箱(B-GYYQZX)的顶部安装有第三安全阀(B-AQF01)，以保证安全。
进一步的，液氮控制装置还包括液氮贮箱(C-YDZX)、第一手阀(C-SF01)、第三气动阀(C-QDF01)、第五压力传感器(C-YC01)和第六温度传感器(C-WC01)；
液氮贮箱(C-YDZX)、第一手阀(C-SF01)、第三气动阀(C-QDF01)、液氮流量调节阀(C-LLTJF)、第五压力传感器(C-YC01)和第六温度传感器(C-WC01)依次连接，第六温度传感器(C-WC01)与氮氧换热器(DYHRQ)相连接；
第三气动阀(C-QDF01)，用于控制液氮与下游的通断；
液氮流量调节阀(C-LLTJF)，用于通过调整阀门开度和压力以保持流量恒定，并可由电信号控制；
第五压力传感器(C-YC01)，用于检测进入氮氧换热器的液氮的压力；
第六温度传感器(C-WC01)，用于检测进入氮氧换热器的液氮的温度。
液氮贮箱(C-YDZX)的顶部连接有第二安全阀(C-AQF01)，液氮贮箱(C-YDZX)的底部通过第三手阀(C-SF01)依次连接第二过滤器(C-GLQ01)和第四手阀(C-SF04)，主要用于向液氮贮箱(C-YDZX)内加注液氮。
液氮贮箱(C-YDZX)的上部通过第五手阀(C-SF03)与泄放路连接，主要用于向液氮贮箱(C-YDZX)内加注时，其处于打开状态，并可通过其观察液氮贮箱(C-YDZX)内是否加满。
液氮贮箱(C-YDZX)的底部还通过第三手阀(C-SF01)依次连接第六手阀(C-SF02)、汽化器(C-QHQ01)用于给液氮贮箱(C-YDZX)增压，其中，汽化器(C-QHQ01)能够将液体汽化成气体，并导入到液氮贮箱(C-YDZX)以实现自增压。
进一步的，氮气控制装置包括氮气贮箱(D-DQZX)、第四气动阀(D-QDF01)、第二减压器(D-JYQ01)、第六压力传感器(D-YC01)和第七温度传感器(D-WC01)；
氮气贮箱(D-DQZX)、第四气动阀(D-QDF01)、第二减压器(D-JYQ01)、氮气流量调节阀(D-LLTJF01)、第六压力传感器(D-YC01)和第七温度传感器(D-WC01)依次连接，第七温度传感器(D-WC01)与氮氧换热器(DYHRQ)相连接；
第四气动阀(D-QDF01)，用于控制氮气与下游的通断；
第二减压器(D-JYQ01)，用于调整氮气流量调节阀的压力；
第六压力传感器(D-YC01)，用于检测进入氮氧换热器的氧气的压力；
第七温度传感器(D-WC01)，用于检测进入氮氧换热器的氧气的温度。
氮气贮箱(D-DQZX)的顶部安装有第四安全阀(D-AQF01)以保证安全；氮气流量调节阀(D-LLTJF01)主要通过调整阀门开度和压力以保持流量恒定，并可由电信号控制；
氮氧换热器上安装有压力传感器(C-YC02)和温度传感器(C-WC02)，用于测量氮氧换热器内液氮和氮气混合后的压力和温度。即压力传感器(C-YC02)用于检测氮氧换热器内的压力，得到第一压力值；温度传感器(C-WC02)用于检测氮氧换热器内的温度，得到第一温度值。
在氮氧换热器的下游安装有第一反压调节阀(C-FYF01)，主要利用第一反压调节阀(C-FYF01)开度的大小来控制氮氧换热器内液氮与氮气混合压力的大小。
本发明实施例提供了采用液氮与氮气冷却液氧的两相流掺混试验系统，包括：液氧控制装置、氧气控制装置、液氮控制装置、氮气控制装置、氮氧换热器和可视化装置；液氮控制装置、氮气控制装置、液氧控制装置、可视化装置分别与氮氧换热器相连接，氧气控制装置与可视化装置相连接；液氮控制装置用于向氮氧换热器输出液氮；氮气控制装置用于向氮氧换热器输出氮气；液氧控制装置用于向氮氧换热器输出液氧；氮氧换热器用于调节液氮与氮气的比例构造需求环境温度，使液氧在需求环境温度下进行换热，得到需求过冷度的液氧；可视化装置用于将需求过冷度的液氧与氧气控制装置输出的氧气进行混合，从而实现液氧与氧气的掺混试验；氮氧换热器上的控制装置可实现压力迅速稳定和流量配比更加精准，可使液氧在两相流试验前获得需求的过冷度。
本发明实施例所提供的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种采用液氮与氮气冷却液氧的两相流掺混试验系统，其特征在于，所述系统包括：液氧控制装置、氧气控制装置、液氮控制装置、氮气控制装置、氮氧换热器和可视化装置；
所述液氮控制装置、所述氮气控制装置、所述液氧控制装置、所述可视化装置分别与所述氮氧换热器相连接，所述氧气控制装置与所述可视化装置相连接；
所述液氮控制装置，用于向所述氮氧换热器输出液氮；
所述氮气控制装置，用于向所述氮氧换热器输出氮气；
所述液氧控制装置，用于向所述氮氧换热器输出液氧；
所述氮氧换热器，用于调节所述液氮与所述氮气的比例构造需求环境温度，使所述液氧在所述需求环境温度下进行换热，得到需求过冷度的液氧；
所述可视化装置，用于将所述需求过冷度的液氧与所述氧气控制装置输出的氧气进行混合；
所述氮氧换热器上设置有压力传感器、温度传感器和控制器，所述氮氧换热器的底部设置有第一反压调节阀，所述液氮控制装置包括液氮流量调节阀，所述氮气控制装置包括氮气流量调节阀；
所述压力传感器，用于检测所述氮氧换热器内的压力，得到第一压力值；
所述温度传感器，用于检测所述氮氧换热器内的温度，得到第一温度值；
所述控制器，用于根据所述第一压力值和设定的混合压力值，得到第一偏差；如果所述第一偏差大于第一预设压力偏差范围，则将所述第一偏差通过PD控制算法，得到第一结果；根据所述第一结果控制所述第一反压调节阀的开度；
如果所述第一偏差在所述第一预设压力偏差范围内，则根据所述第一温度值和设定的混合温度值，得到第二偏差；判断所述第一偏差是否在第二预设压力偏差范围内和所述第二偏差是否在第一预设温度偏差范围内，如果不在，则将所述第一偏差和所述第二偏差通过PID控制算法，得到第二结果；根据所述第二结果控制所述液氮流量调节阀的开度或所述氮气流量调节阀的开度。
2.根据权利要求1所述的采用液氮与氮气冷却液氧的两相流掺混试验系统，其特征在于，所述控制器，用于判断所述第一偏差和所述第二偏差是否同号，如果同号，则将所述第一偏差和所述第二偏差通过所述PID控制算法，得到第一电压值，根据所述第一电压值控制所述氮气流量调节阀的开度；
如果异号，则将所述第一偏差和所述第二偏差通过所述PID控制算法，得到第二电压值，根据所述第二电压值控制所述液氮流量调节阀的开度。
3.根据权利要求1所述的采用液氮与氮气冷却液氧的两相流掺混试验系统，其特征在于，所述控制器，用于当所述第一结果为正值时，控制所述第一反压调节阀的开度增大；当所述第一结果为负值时，控制所述第一反压调节阀的开度减小。
4.根据权利要求1所述的采用液氮与氮气冷却液氧的两相流掺混试验系统，其特征在于，所述液氧控制装置还包括高压液氧贮箱、第一温度传感器、第一气动阀、第一流量计、第二温度传感器、第一压力传感器、汽蚀文氏管、第二压力传感器和第三温度传感器；
所述高压液氧贮箱、所述第一温度传感器、所述第一气动阀、所述第一流量计、所述第二温度传感器、所述第一压力传感器、所述汽蚀文氏管、所述氮氧换热器、所述第二压力传感器、所述第三温度传感器和所述可视化装置依次连接；
所述第一温度传感器，用于检测所述高压液氧贮箱内液氧温度；
所述第一气动阀，用于控制所述高压液氧贮箱内的液体与下游部分的通断；
所述第一流量计，用于检测所述高压液氧贮箱内液氧的质量流量；
所述第二温度传感器，用于检测所述汽蚀文氏管前的温度；
所述第一压力传感器，用于检测所述汽蚀文氏管前的压力；
所述第二压力传感器，用于检测所述需求过冷度的液氧的压力；
所述第三温度传感器，用于检测所述需求过冷度的液氧的温度。
5.根据权利要求1所述的采用液氮与氮气冷却液氧的两相流掺混试验系统，其特征在于，所述氧气控制装置包括高压氧气贮箱、第二气动阀、第一减压器、第二流量计、第三压力传感器、第四温度传感器、音速喷嘴、第一电磁阀、第一单向阀、第四压力传感器和第五温度传感器；
所述高压氧气贮箱、所述第二气动阀、所述第一减压器、所述第二流量计、所述第三压力传感器、所述第四温度传感器、所述音速喷嘴、所述第一电磁阀、所述第一单向阀、所述第四压力传感器和所述第五温度传感器依次连接，所述第五温度传感器与所述可视化装置相连接；
所述第二气动阀，用于控制氧气与下游的通断；
所述第一减压器，用于调整所述音速喷嘴前的压力；
所述第二流量计，用于实时检测管路内气体的流量；
所述第三压力传感器，用于检测所述音速喷嘴前的压力；
所述第四温度传感器，用于检测所述音速喷嘴前的温度；
所述第一电磁阀和所述第一单向阀，用于控制流入所述可视化装置的气体的通断；
所述第四压力传感器，用于检测进入所述可视化装置前的氧气的压力；
所述第五温度传感器，用于检测进入所述可视化装置前的氧气的温度。
6.根据权利要求1所述的采用液氮与氮气冷却液氧的两相流掺混试验系统，其特征在于，所述液氮控制装置还包括液氮贮箱、第一手阀、第三气动阀、第五压力传感器和第六温度传感器；
所述液氮贮箱、所述第一手阀、所述第三气动阀、液氮流量调节阀、所述第五压力传感器和所述第六温度传感器依次连接，所述第六温度传感器与所述氮氧换热器相连接；
所述第三气动阀用于控制液氮与下游的通断；
所述第五压力传感器，用于检测进入所述氮氧换热器的液氮的压力；
所述第六温度传感器，用于检测进入所述氮氧换热器的液氮的温度。
7.根据权利要求1所述的采用液氮与氮气冷却液氧的两相流掺混试验系统，其特征在于，所述氮气控制装置包括氮气贮箱、第四气动阀、第二减压器、第六压力传感器和第七温度传感器；
所述氮气贮箱、所述第四气动阀、所述第二减压器、氮气流量调节阀、所述第六压力传感器和所述第七温度传感器依次连接，所述第七温度传感器与所述氮氧换热器相连接；
所述第四气动阀，用于控制氮气与下游的通断；
所述第二减压器，用于调整所述氮气流量调节阀的压力；
所述第六压力传感器，用于检测进入所述氮氧换热器的氧气的压力；
所述第七温度传感器，用于检测进入所述氮氧换热器的氧气的温度。
8.根据权利要求4所述的采用液氮与氮气冷却液氧的两相流掺混试验系统，其特征在于，所述高压液氧贮箱的顶部连接有第一安全阀，所述高压液氧贮箱的底部连接有第一过滤器和第二手阀。
9.根据权利要求6所述的采用液氮与氮气冷却液氧的两相流掺混试验系统，其特征在于，所述液氮贮箱的顶部连接有第二安全阀，所述液氮贮箱的底部通过第三手阀依次连接第二过滤器和第四手阀。
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CN116820153B (zh) * 2023-08-30 2023-11-14 中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所 单进双出流路进气马赫数和涵道比精确控制系统和方法

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CN109083768B (zh) * 2018-10-10 2020-09-29 北京航空航天大学 适用于大型液氧甲烷火箭发动机试验供应系统及火箭
CN111765370A (zh) * 2020-06-16 2020-10-13 成都科瑞尔低温设备有限公司 一种全封闭橇装式过冷液氧加注装置及设备

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