CN113376401A - 一种流量可控式的示踪分子添加装置及其添加方法 - Google Patents

一种流量可控式的示踪分子添加装置及其添加方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种流量可控式的示踪分子添加装置及其添加方法，属于分子标记流场领域。本发明的示踪分子添加装置，利用旁路气将示踪分子添加到主流场中，混合室内的金属波纹板能够增加了气液接触面积，使气流中示踪分子的分压力能够达到其饱和蒸汽压；加热室和混合室内设有加热器件，能够对失踪分子液体进行加热，设置的温度传感器和压力传感器能够获取相应的数据，为实现量的精确控制提供数据；最后利用高压吹气喷管将示踪分子添加到主流当中，可将示踪分子与主流充分混合。本发明示踪分子添加装置结构简单，加工方便，装置体积小，携带方便，适用于各种复杂设备流场中示踪分子的添加，适应性强。

Description

一种流量可控式的示踪分子添加装置及其添加方法
技术领域
本发明属于分子标记测速技术领域，尤其是一种流量可控式的示踪分子添加装置及其添加方法。
背景技术
在现代航空航天领域，流速的高精度测量对发动机的设计和理论研究具有重大的意义。高精度可靠的流场参数测量技术在燃烧基础问题研究、流场特性分析、发动机研发中起着关键的作用，不仅能为流体动力学、燃烧化学反应动力学研究和数值模拟计算提供实验数据，也是发动机模型参数测试和发动机性能评估不可或缺的手段。近几年来，随着激光技术和光谱、图像采集技术的蓬勃发展，分子标记测速技术获得了很好的发展。通过在主流场中加入示踪分子，利用特定波长的激光激发示踪分子产生荧光或磷光对流场进行标记示踪，进而基于示踪分子的位移-时间关系获得流场速度。其中，主流场中示踪分子的合理添加对其速度场的测量起着关键性的作用。
对于示踪分子试剂的添加，常用方法是利用旁路辅助气流将示踪分子携带至待测流场中，而对于常温下为液态的示踪分子试剂而言，仅靠示踪分子自身的挥发性通常不能满足主流场速度测量需要，此外，当旁路设置不当时也会导致示踪分子以液滴形式进入待测流场，进而影响主流场中速度场的精确测量，同时也会造成示踪分子的大量浪费，这也是目前制约示踪分子测速技术广泛应用的难题之一。因此，急需一种合适的示踪分子的添加装置，能够实现主流场中示踪分子的精准添加与控制。
发明内容
本发明的目的在于克服示踪分子添加到待测流场中量不可控的缺点，提供一种流量可控式的示踪分子添加装置及其添加方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种流量可控式的示踪分子添加装置，包括加热室、除液室和混合室；
所述加热室上设有加液口，加热室内设有第一温度传感器，加热室通过输液管与混合室相连通，输液管上设有自动液位控制开关；
混合室上设有进气管，进气管上设有自动进气控制开关；
混合室下部设有气体分布器，气体分布器上设有若干个金属波纹板；
气体分布器上还设有挡板，挡板与混合室内壁相贴合，挡板与混合室内壁内设有第二压力传感器，混合室上部设有第一压力传感器；
混合室内壁上设有加热电阻丝，混合室顶部通过连通管与除液室相连通；
除液室内设有金属丝网过滤器，除液室的顶部设有排气管，排气管的末端设有高压吹气喷嘴。
进一步的，所述加热室通过通气管与除液室相连通。
进一步的，所述位于气体分布器下方的混合室内壁上设有第二温度传感器；
混合室的底部设有排液口。
进一步的，进气管为弯管。
一种流量可控的示踪分子添加方法，基于本发明的流量可控式的示踪分子添加装置进行，利用自动进气控制开关进行负反馈调节，从而控制高压吹气喷嘴出口流量；
通过负反馈调节实现温度的控制，从而控制高压吹气喷嘴出口气流中示踪分子的摩尔分数；
利用液位自动控制开关通过负反馈调节控制液面高度在预设范围之间。
进一步的，利用自动进气控制开关进行负反馈调节，从而控制高压吹气喷嘴出口流量的过程为：
基于流体动力学建立高压吹气喷嘴出口流量与混合室内部气体压力之间的数学关系；
获取第一压力传感器的测量的混合室气体压力，可得到对应的高压吹气喷嘴出口流量；
利用自动进气控制开关进行负反馈调节，控制混合室气体压力，从而实现高压吹气喷嘴出口流量的控制。
进一步的，通过负反馈调节实现温度的控制，从而控制出口气流中示踪分子的摩尔分数的过程为：
根据混合室内部气体压力和示踪分子的摩尔分数，计算出示踪分子的分压力pv；
将示踪分子液体加热到所述分压力下的饱和温度，使混合室内的示踪分子气体气压达到所述分压力；
获取第一压力传感器的测量的混合室气体压力，将所述分压力与所述混合室气体压力相比，得到示踪分子的占混合气体的摩尔分数；
通过负反馈调节实现温度的控制，从而控制出口气流中示踪分子的摩尔分数。
进一步的，利用液位自动控制开关通过负反馈调节控制液面高度在预设范围之间的过程为：
获取第一压力传感器和第二压力传感器测量的数据，第一压力传感器测量的为混合室内部的气体压力，第二压力传感器测量的为液体压力；
基于第一压力传感器和第二压力传感器的压力差计算得到混合室内液面高度；
利用液位自动控制开关通过负反馈调节控制液面高度在预设范围之间。
进一步的，包括以下操作：
将示踪分子液体通过加液口加入加热室中，加热板将示踪分子液体加热到其饱和温度，示踪分子液体经自动液位控制开关和输液管流入到混合室中；
混合室内的加热电阻丝内部的示踪分子液体进行再加热；
将旁路气体分别经进气管、自动进气控制开关进入到混合室中，进入的气体通过气体分布器形成气体的初始分布，随后气体向上流动流过金属波纹板；
受热的示踪分子液体部分进行蒸发，蒸发的示踪分子气体与流动的气体进行接触和混合；
混合室中的混合气体通过连通管进入除液室，进入时，气流的横截面突然增大，气流中的液体在自身重力作用下从气流中脱落，掉落在除液室中，再通过连通管流回到混合室中；
在除液室中的混合气体流过金属丝网过滤器，去除细小液滴，金属丝网过滤器上的加热电阻丝对混合气体进行再加热；
再加热后的混合气体通过排气管流出除液室，进入到高压吹气喷嘴中，由高压吹气喷嘴将含有示踪分子气体的混合气体喷射到主流场中。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的流量可控式的示踪分子添加装置，利用旁路气将示踪分子添加到主流场中，混合室内的金属波纹板能够增加了气液接触面积，加强气液间的传质和传热，使气流中示踪分子的分压力能够达到其饱和蒸汽压；加热室和混合室内设有加热器件，能够对失踪分子液体进行加热，设置的温度传感器和压力传感器能够获取相应的数据，为实现量的精确控制提供数据；最后利用高压吹气喷管将示踪分子添加到主流当中，可将示踪分子与主流充分混合，增强示踪分子在主流场中的初始分布，有利于分子标记测试技术对流场流动特性进一步探测。本发明示踪分子添加装置结构简单，加工方便，装置体积小，携带方便，适用于各种复杂设备流场中示踪分子的添加，适应性强。
进一步的，加热室通过通气管与除液室相连通，除液室通过连通管与混合室相连通，保证两者压力内部压力相等，避免了混合室内的压力高于加热室的压力时，加热室内液体无法流入到混合室的情况出现。
进一步的，进气管设置成弯管，能够有效防止装置在启动阶段或停止阶段混合室中液体发生回流，从而避免示踪分子的浪费。
进一步的，除液室的存在可去除气流中存在的小液滴，提高吹气喷嘴的效率。
本发明的流量可控的示踪分子添加方法，基于流体动力学原理以及示踪分子的热物性，实现了示踪分子的摩尔分数控制、流量控制和液位控制。一方面，能够精准的控制出口气流中示踪分子的摩尔分数，从而实现主流场中示踪分子的精确添加；另一方面能够避免了因示踪分子耗尽而设备还在空运行，确保设备的可靠性，从而解决了复杂流场中示踪分子添加等难题。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2为本发明的剖视图；
图3为本发明的气体分布器的结构图；
图4为金属波纹板的结构图，其中，图4(a)为平板结构，图4(b)为冲压成螺旋结构；
图5为金属波纹板在混合式中装填方式示意图。
其中：01-控制室；02-加热室；03-除液室；04-混合室；1-进气管；2-输液管；3-自动液位控制开关；4-加热板；5-第一温度传感器；6-加液口；7-通气管；8-高压吹气喷嘴；9-排气管；10-金属丝网过滤器；11-连通管；12-第一压力传感器；13-挡板；14-加热电阻丝；15-第二压力传感器；16-第二温度传感器；17-气体分布器；18-排液口；19-金属波纹板；20-自动进气控制开关。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1和图2，图1和图2分别为本发明的结构图和剖视图，本发明的流量可控的示踪分子添加装置，包括控制室01、加热室02、除液室03和混合室04；控制室01用于根据第一压力传感器4、第二压力传感器13、第一温度传感器10和第二温度传感器14的数据，实现整个装置流量、示踪分子加热温度、混合室液面高度的控制；加热室02底部装有加热板3，对示踪分子液体可进行初步加热，使其达到其饱和温度；混合室04可使气液间充分混合，增强气液间的传质传热，同时混合室内壁面装有直径为0.25mm电加热阻丝，可对液体进行再加热，保证液体温度达到其饱和温度；除液室03中利用金属丝网过滤器9，进一步去除气流中的小液滴，保证高压吹气喷嘴高效的工作，从而实现主流场中示踪分子的精确添加。其中，加热室02为盒体状，尺寸为120mm×120mm×100mm；混合室04为空心圆柱状，直径为80mm，高150mm；除液室03为盒体状，尺寸为100mm×120mm×55mm；。
控制系统设计
1)流量控制
根据所设计的高压不锈钢吹气喷嘴8，以及内流道特性，基于流体动力学建立出口流量与混合室内压力之间的关系，根据第一压力传感器12的数值，利用自动进气控制开关20通过负反馈调节从而实现混合式内部压力的确定，实现出口流量的精确控制。
2)温度控制
根据混合室内部的压力以及示踪分子的摩尔分数，计算出示踪分子的分压力pv(pv＝px，pv为示踪分子的分压力，p为混合室的总压力，x为出口气流中示踪分子的摩尔分数)。根据示踪分子的热物性，利用混合室中的加热板4和加热室的加热电阻丝14将示踪分子液体加热到其该分压力下的饱和温度，通过负反馈调节实现温度的精确控制，从而保证出口气流中示踪分子的摩尔分数。
3)液位控制
为了保证混合室中气液混合程度，需要保持液面到达一定的高度，设计了液位控制系统。在混合室中设计了挡板13，同时由于气体分布器17的作用，使挡板13内部不会有气体流动，不会影响第二传感器15压力的测量；其次，根据第一压力传感器12和第二压力传感器15的压力差实时监测混合室内液面高度的(Δp＝ρgh)；最后，利用液位自动控制开关3通过负反馈调节控制液面高度在100～120mm之间，若液面高度低于100mm，开关打开，将液面高度补充到120mm，再关闭，直到加热室中示踪分子耗尽；当液面高度低于60mm时，此时示踪分子液体耗尽，设备停止工作。同时，为了保证加热室内的液体能够依靠自身重力作用加入到混合室当中，采用通气管7将其间接连通。
结构设计
1)气体分布器
气体分布器15主要目的是对进入混合室的气体进行一个重新分布，使混合室中气液混合更均匀，同时也为金属波纹板19提供一个支撑作用。气体分布器15在一个厚度为2mm的金属板上规整的开有直径为3mm的通孔，同时为了保证气体不进入挡板17当中，避免影响压力的测量，在支撑挡板处不开通孔。参见图3，图3为气体分布器的结构图，可以看到圆盘状的基体上分布有多个气孔，基体外围的一部分没有气孔，此处用于安装挡板13。
2)金属波纹板的结构
为了增强气液间的传质传热过程，根据混合室内气液两相间的流动特性，设计了金属波纹板19，增大气液间的接触面积。参见图4，图4为平板结构，图4为冲压成螺旋结构。
金属波纹板按照图5的方式气体分布器15上规整装填，图5中，气体分布器15的气孔上均可金属波纹板19，可极大程度上增加气液两相间接触面积。
3)金属丝网过滤器10结构设计
金属丝网过滤器10采用不锈钢金属丝网组成(丝径0.15mm)，目的是去除气流中夹杂的液滴、液沫等，同时为了防止气流流过金属丝网时冷凝出液体，在每5层金属丝网中间会夹杂一层加热电阻丝，对金属丝网进行一个加热过程。当气流流过金属丝网时，会对气体进行一个再加热过程，防止气流中示踪分子发生冷凝，以及防止喷入到主流当中示踪分子冷凝。其中，金属丝网过滤器厚度可达15mm。
本发明的流量可控的示踪分子添加装置的使用方法，具体如下：
将示踪分子液体(如联乙酰、丙酮)通过加液口6加入加热室01中，加热室01的加热板4将示踪分子液体加热到其饱和温度，示踪分子液体经自动液位控制开关3和输液管2流入到混合室04中；混合室04内的加热电阻丝14对进入的示踪分子液体进行再加热；
加热室02通过通气管7与除液室03相连通，除液室03通过连通管11与混合室04相连通，这样就将加热室02和混合室04连通起来了，保证两者压力内部压力相等，避免了混合室04内的压力高于加热室02的压力时，加热室02内液体无法流入到混合室04的情况出现；
同时，旁路气分别经进气管1、自动进气控制开关20进入到混合室04中，进入的气体通过混合室04底部的气体分布器17后，形成气体的初始分布，随后气体向上流动流过金属波纹板19，流动的气体和示踪分子液体充分接触，一部分示踪分子溶液发生相变和气体充分混合，其浓度可达到示踪分子的饱和蒸汽压；
混合室04中的气体通过连通管11进入除液室03，进入除液室03时，气流的横截面突然增大，气流中的液体会在自身重力作用下从气流中脱落，掉落在除液室03中，再通过连通管11流回到混合室04中；
在除液室03中的气体流过金属丝网过滤器10，去除气流中包含的细小液滴，金属丝网过滤器10上的加热电阻丝对气体进行再加热，防止气体中的示踪分子气体发生冷凝；
再次加热后的示踪分子气体通过排气管9流出除液室03，进入到高压不锈钢的吹气喷嘴8中，吹气喷嘴8将含有示踪分子气体的气流喷射到主流场当中，实现示踪分子的精确添加；
实验结束后，采用排液口18对溶液进行再回收，实现示踪分子液体的循环利用。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种流量可控式的示踪分子添加装置，其特征在于，包括加热室(02)、除液室(03)和混合室(04)；
所述加热室(02)上设有加液口(6)，加热室(02)内设有第一温度传感器(5)，加热室(02)通过输液管(2)与混合室(04)相连通，输液管(2)上设有自动液位控制开关(3)；
混合室(04)上设有进气管(1)，进气管(1)上设有自动进气控制开关(20)；
混合室(04)下部设有气体分布器(17)，气体分布器(17)上设有若干个金属波纹板(19)；
气体分布器(17)上还设有挡板(13)，挡板(13)与混合室(04)内壁相贴合，挡板(13)与混合室(04)内壁内设有第二压力传感器(15)，混合室(04)上部设有第一压力传感器(12)；
混合室(04)内壁上设有加热电阻丝(14)，混合室(04)顶部通过连通管(11)与除液室(03)相连通；
除液室(03)内设有金属丝网过滤器(10)，除液室(03)的顶部设有排气管(9)，排气管(9)的末端设有高压吹气喷嘴(8)。
2.根据权利要求1所述的流量可控式的示踪分子添加装置，其特征在于，所述加热室(02)通过通气管(7)与除液室(03)相连通。
3.根据权利要求1所述的流量可控式的示踪分子添加装置，其特征在于，所述位于气体分布器(17)下方的混合室(04)内壁上设有第二温度传感器(16)；
混合室(04)的底部设有排液口(18)。
4.根据权利要求1所述的流量可控式的示踪分子添加装置，其特征在于，进气管(1)为弯管。
5.一种流量可控的示踪分子添加方法，其特征在于，基于权利要求1、2、3或4的流量可控式的示踪分子添加装置进行，利用自动进气控制开关(20)进行负反馈调节，从而控制高压吹气喷嘴(8)出口流量；
通过负反馈调节实现温度的控制，从而控制高压吹气喷嘴(8)出口气流中示踪分子的摩尔分数；
利用液位自动控制开关(3)通过负反馈调节控制液面高度在预设范围之间。
6.根据权利要求5所述的流量可控的示踪分子添加方法，其特征在于，利用自动进气控制开关(20)进行负反馈调节，从而控制高压吹气喷嘴(8)出口流量的过程为：
基于流体动力学建立高压吹气喷嘴(8)出口流量与混合室(04)内部气体压力之间的数学关系；
获取第一压力传感器(12)的测量的混合室(04)气体压力，可得到对应的高压吹气喷嘴(8)出口流量；
利用自动进气控制开关(20)进行负反馈调节，控制混合室(04)气体压力，从而实现高压吹气喷嘴(8)出口流量的控制。
7.根据权利要求5所述的流量可控的示踪分子添加方法，其特征在于，通过负反馈调节实现温度的控制，从而控制出口气流中示踪分子的摩尔分数的过程为：
根据混合室(04)内部气体压力和示踪分子的摩尔分数，计算出示踪分子的分压力pv；
将示踪分子液体加热到所述分压力下的饱和温度，使混合室(04)内的示踪分子气体气压达到所述分压力；
获取第一压力传感器(12)的测量的混合室(04)气体压力，将所述分压力与所述混合室(04)气体压力相比，得到示踪分子的占混合气体的摩尔分数；
通过负反馈调节实现温度的控制，从而控制出口气流中示踪分子的摩尔分数。
8.根据权利要求5所述的流量可控的示踪分子添加方法，其特征在于，利用液位自动控制开关(3)通过负反馈调节控制液面高度在预设范围之间的过程为：
获取第一压力传感器(12)和第二压力传感器(15)测量的数据，第一压力传感器(12)测量的为混合室(04)内部的气体压力，第二压力传感器(15)测量的为液体压力；
基于第一压力传感器(12)和第二压力传感器(15)的压力差计算得到混合室(04)内液面高度；
利用液位自动控制开关(3)通过负反馈调节控制液面高度在预设范围之间。
9.根据权利要求5所述的流量可控的示踪分子添加方法，其特征在于，包括以下操作：
将示踪分子液体通过加液口(6)加入加热室(01)中，加热板(4)将示踪分子液体加热到其饱和温度，示踪分子液体经自动液位控制开关(3)和输液管(2)流入到混合室(04)中；
混合室(04)内的加热电阻丝(14)内部的示踪分子液体进行再加热；
将旁路气体分别经进气管(1)、自动进气控制开关(20)进入到混合室(04)中，进入的气体通过气体分布器(17)形成气体的初始分布，随后气体向上流动流过金属波纹板(19)；
受热的示踪分子液体部分进行蒸发，蒸发的示踪分子气体与流动的气体进行接触和混合；
混合室(04)中的混合气体通过连通管(11)进入除液室(03)，进入时，气流的横截面突然增大，气流中的液体在自身重力作用下从气流中脱落，掉落在除液室(03)中，再通过连通管(11)流回到混合室(04)中；
在除液室(03)中的混合气体流过金属丝网过滤器(10)，去除细小液滴，金属丝网过滤器(10)上的加热电阻丝对混合气体进行再加热；
再加热后的混合气体通过排气管(9)流出除液室(03)，进入到高压吹气喷嘴(8)中，由高压吹气喷嘴(8)将含有示踪分子气体的混合气体喷射到主流场中。
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