CN113820098B - 一种液氮空化试验验证系统及气泡产生过程观察方法 - Google Patents
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Abstract
液氮空化试验验证系统包括介质供给系统、低温模拟贮箱、低温出流系统、高速摄像系统和测控系统；介质供给系统为试验系统提供气体、液体介质，本发明的试验用的介质为氮气和液氮。低温模拟贮箱为低温压力容器，可以通过与其相连的进气管路和排气管路，完成置换、升压和降压的操作。低温出流系统包括气泡发生器、不锈钢出流管、带透明观察窗的不锈钢真空出流管、低温球阀、液氮泵、低温球阀、流量计。高速摄像系统对透明视窗内的气泡产生过程进行拍摄并录像，并对气泡尺寸、数量、流体含气率等参数进行分析。测控系统控制高速摄像机开启和关闭，并进行数据采集。用于火箭低温贮箱和低温推进剂输送管路中介质空化过程的模拟、观察及机理研究。
Description
技术领域
本发明涉及一种液氮空化试验验证系统及气泡产生过程观察方法。
背景技术
在以液氢、液氧为推进剂的火箭中，由于系统漏热或局部压力的变化，贮箱及输送管内的流体不可避免地会出现空化现象。空化的出现，对低温液体的流量和流速均会产生影响。严重时可能会导致发动机泵气蚀，甚至发射任务失利。因此，对空化现象进行研究则非常重要。
相对于水空化过程，低温空化蕴含更复杂的物理机理。这主要是由于它们特殊的工质物性所致。低温液体空化区温度降低导致饱和压力降低，降低的饱和压力反过来遏制空化的进一步发生，直至达到动态平衡，这种由于温降导致的独有的特性称为热效应。但低温环境下可视化实验观察难度极大，因此至今为止，相关实验数据较为匮乏，对低温空化非稳态特性和机理的理解尚未充分。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明的目的是提供一种液氮空化试验验证系统及气泡产生过程观察方法，用于火箭低温贮箱和低温推进剂输送管路中介质空化过程的模拟、观察及机理研究。
本发明所采用的技术方案是：一种液氮空化试验验证系统，包括介质供给系统、低温模拟贮箱、低温出流系统、高速摄像系统和测控系统；
介质供给系统包括氮气源、液氮源；氮气源通过第一气动球阀与低温模拟贮箱的进气口连接，低温模拟贮箱的出气口与第二气动球阀连接，液氮通过管路加注至低温模拟贮箱；液氮源通过第二低温球阀和第一低温球阀与液氮泵相连；
低温出流系统包括气泡发生器、不锈钢出流管、带透明观察窗的不锈钢真空出流管、低温球阀、液氮泵、低温球阀、流量计；
气泡发生器设置在低温模拟贮箱的底部，气泡发生器出口与不锈钢出流管及带透明视窗的不锈钢真空出流管相连后通过第一低温球阀与液氮泵相连，液氮泵通过第三低温球阀与流量计相连，透过透明观察窗观察出流管不同高度位置的流体气泡产生和发展的情况，管内的液氮通过液氮泵抽吸至泵后的管路，再经流量计，最终排放至空气中；
高速摄像系统包括高速摄像机与配套光源，高速摄像机对透明视窗内的气泡产生过程进行拍摄并录像；
测控系统控制高速摄像机开启和关闭，并进行数据采集。
低温出流系统用高密度橡塑隔热板绝热。
气泡发生器用于模拟低温模拟贮箱出口流道突变的形态，出流的液氮在此处发生空化，并向下游发展。
所述液氮空化试验验证系统配置两段带透明观察窗的不锈钢真空出流管。
带透明观察窗的不锈钢真空出流管包括不锈钢真空外管、内管、玻璃管、抽真空接头、玻璃观察窗、法兰，外管两端分别设置用于连接的法兰，外管侧面设置抽真空接头，内管设置一段玻璃管，外管侧面设置四个玻璃观察窗，作为光源口和观察口。
液氮泵采用变频离心式液氮泵，通过调节电机频率，改变液氮出流的流量，观察相同管路在不同流量、流速下流体的空化情况。
流量计采用真空绝热的科氏流量计。
使用所述液氮空化试验验证系统进行气泡产生过程观察的方法，包括步骤如下：
步骤一、关闭第二低温球阀、第一低温球阀、第二气动球阀，打开第一气动球阀将低温模拟贮箱及相关管路增压至压力P1；关闭第一气动球阀，打开第二气动球阀，将低温模拟贮箱及相关管路压力降至压力P2以下，操作重复5遍；
步骤二：打开第二气动球阀，开启第二低温球阀，向低温模拟贮箱及相关管路小流量(流量范围为30g/s～50g/s)加注液氮，待第二气动球阀排气平稳后，将第二低温球阀旋至最大开度，将低温模拟贮箱加满液氮；
步骤三：打开第一低温球阀、第三低温球阀，对液氮泵、流量计以及相关管路进行预冷，待液氮泵及管路完全预冷后，关闭第二低温球阀、第三低温球阀；
步骤四：打开第一气动球阀，向低温模拟贮箱内充入氮气，使低温模拟贮箱压力增至预定值；
步骤五：开启数据采集并控制高速摄像机拍摄，打开第三低温球阀，启动液氮泵，根据观测到的液氮出流及空化情况，调整低温模拟贮箱压力和液氮泵频率，使所述液氮空化试验验证系统达到预想空化状态，之后停止运行液氮泵并关闭第三低温球阀。
P1＝0.3MPa。
P2＝0.01MPa。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的试验系统可以在不同尺寸的气泡发生器、不同出流管径、不同流量下，对输送管内的流动状态进行观察与研究，考虑了流体参数的测量和流体状态的记录，得到了空化过程中管路压力、温度、流量等参数的变化情况，拍摄到了流体夹气的清晰影像，可对气泡尺寸、数量、流体含气率等参数进行分析。该系统能够为空化现象的研究提供可靠的依据，为低温火箭设计与状态分析提供依据。
(2)本发明的试验系统安装了气泡发生器，使液氮在此处节流并发生空化，为气泡产生过程的观察提供研究对象；采用带观察窗的低温真空输送管和高速摄像装置实现了对液氮及气泡管内流动状态的观测与记录，能清晰拍摄液氮及气泡的流动状态，可根据影像对气泡尺寸、数量、流体含气率等参数进行分析。
(3)本发明的系统中安装了变频液氮泵，使得液氮出流的流量可变，可观察相同管路在不同流量、流速下流体的空化情况。
附图说明
图1为液氮空化试验验证系统原理示意图；
图2为带观察窗的液氮真空输送管结构图。
具体实施方式
结合附图对本发明进行说明。
为了深入了解低温贮箱液体输送管的内介质的工作情况，对空化现象产生后系统压力、温度等参数的变化进行研究，设计并建设了液氮空化试验验证系统。
如图1所示，液氮空化试验验证系统包括介质供给系统、低温模拟贮箱4、低温出流系统、高速摄像系统和测控系统；
介质供给系统为试验系统提供气体、液体介质，本发明的试验用的介质为氮气和液氮。介质供给系统包括氮气源1、液氮源14；氮气源1通过第一气动球阀2与低温模拟贮箱4的进气口连接，低温模拟贮箱4的出气口与第二气动球阀3连接，液氮通过管路加注至低温模拟贮箱4，氮气为贮箱置换、增压、为气动阀门提供操作气、为液氮泵11提供吹除气；液氮源14通过第二低温球阀15和第一低温球阀10与液氮泵11相连。
低温模拟贮箱4为低温压力容器，可以通过与其相连的进气管路和排气管路，完成置换、升压和降压的操作。低温模拟贮箱4的温度范围为77k～300k,压力范围为1.6MPa以下。
低温出流系统包括气泡发生器5、不锈钢出流管、两段带透明观察窗的不锈钢真空出流管6、低温球阀10、液氮泵11、低温球阀12、流量计13，整个系统用高密度橡塑隔热板绝热。
气泡发生器5设置在低温模拟贮箱4的底部，用来模拟低温模拟贮箱4出口流道突变的形态，出流的液氮在此处发生空化，并向下游发展。气泡发生器5出口与不锈钢出流管及两段带透明视窗的不锈钢真空出流管6相连后通过第一低温球阀10与液氮泵11相连，液氮泵11通过第三低温球阀12与流量计13相连，透过透明观察窗7，可观察出流管不同高度位置的流体气泡产生和发展的情况，管内的液氮通过液氮泵11抽吸至泵后的管路，再经流量计13，最终排放至空气中。
出流管路采用带透明观察窗的不锈钢真空液氮输送管。本发明的试验需要将液氮空化的情况用影像的方式记录，关键在于解决液氮管路的绝热和可视化的问题，因此，采用带观察窗的低温液氮输送管，其主体为不锈钢真空外管16，外管16两端分别通过法兰18与普通不锈钢真空出流管(即不带观察窗的出流管)相连，外管16侧面设置抽真空接头9，内管有一段为玻璃管17，外管16有四个玻璃观察窗7，可以作为光源口和观察口(高速摄像口)，如图2所示。
试验使用了高速摄像机8与配套光源组成的高速摄像系统，可以对透明视窗内的气泡产生过程进行拍摄并录像，并对气泡尺寸、数量、流体含气率等参数进行分析。
测控系统控制高速摄像机8开启和关闭，并进行数据采集。
气泡发生器5为一种节流元件，流体经过气泡发生器5时，通道的断面突然缩小，流体压力降低，流体压力低于该温度所对应的饱和蒸汽压，流体就会空化，形成气泡。
液氮泵11选用变频离心式液氮泵，通过调节电机频率，可以改变液氮出流的流量，观察相同管路在不同流量、流速下流体的空化情况。
流量计13选用真空绝热的科氏流量计，该流量计自带真空绝热层，可以在液氮温区下正常工作，且流阻小，测量值精度高。
使用上述液氮空化试验验证系统进行气泡产生过程观察方法，包括步骤如下：
步骤一、氮气置换。关闭第二低温球阀15、第一低温球阀10、第二气动球阀3，打开第一气动球阀2将液氮低温模拟贮箱4及相关管路增压至0.3MPa，关闭第一气动球阀2，打开第二气动球阀3，将液氮低温模拟贮箱4及相关管路压力降至0.01MPa以下，操作重复5遍；
步骤二：液氮加注。打开第二气动球阀3，缓慢开启第二低温球阀15，向低温模拟贮箱4及相关管路小流量加注液氮，待第二气动球阀3排气平稳后，将第二低温球阀15旋至最大开度，将低温模拟贮箱4加满液氮；
步骤三：液氮泵预冷。打开第一低温球阀10、第三低温球阀12，将液氮泵11、流量计13以及相关管路进行预冷，待液氮泵及管路完全预冷后，关闭第二低温球阀15、第三低温球阀12；
步骤四：低温模拟贮箱增压。打开第一气动球阀2，向低温模拟贮箱4内充入氮气，使低温模拟贮箱压力增至预定值；
步骤五：出流正式试验。开启数据采集及高速摄像机拍摄程序，打开第三低温球阀12，启动液氮泵11，根据观测到的液氮出流及空化情况，调整低温模拟贮箱压力、和液氮泵频率，使系统达到预想空化状态，之后停止运行液氮泵11并关闭第三低温球阀12，试验结束。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。
Claims (10)
1.一种液氮空化试验验证系统，其特征在于，包括介质供给系统、低温模拟贮箱(4)、低温出流系统、高速摄像系统和测控系统；
介质供给系统包括氮气源(1)、液氮源(14)；氮气源(1)通过第一气动球阀(2)与低温模拟贮箱(4)的进气口连接，低温模拟贮箱(4)的出气口与第二气动球阀(3)连接，液氮通过管路加注至低温模拟贮箱(4)；液氮源(14)通过第二低温球阀(15)和第一低温球阀(10)与液氮泵(11)相连；
低温出流系统包括气泡发生器(5)、不锈钢出流管、带透明观察窗的不锈钢真空出流管(6)、低温球阀(10)、液氮泵(11)、低温球阀(12)、流量计(13)；
气泡发生器(5)设置在低温模拟贮箱(4)的底部，气泡发生器(5)出口与不锈钢出流管及带透明观察窗的不锈钢真空出流管(6)相连后通过第一低温球阀(10)与液氮泵(11)相连，液氮泵(11)通过第三低温球阀(12)与流量计(13)相连，透过透明观察窗(7)观察出流管不同高度位置的流体气泡产生和发展的情况，管内的液氮通过液氮泵(11)抽吸至泵后的管路，再经流量计(13)，最终排放至空气中；
高速摄像系统包括高速摄像机(8)与配套光源，高速摄像机(8)对透明观察窗内的气泡产生过程进行拍摄并录像；
测控系统控制高速摄像机(8)开启和关闭，并进行数据采集。
2.根据权利要求1所述的一种液氮空化试验验证系统，其特征在于，低温出流系统用高密度橡塑隔热板绝热。
3.根据权利要求2所述的一种液氮空化试验验证系统，其特征在于，气泡发生器(5)用于模拟低温模拟贮箱(4)出口流道突变的形态，出流的液氮在此处发生空化，并向下游发展。
4.根据权利要求3所述的一种液氮空化试验验证系统，其特征在于，所述液氮空化试验验证系统配置两段带透明观察窗的不锈钢真空出流管(6)。
5.根据权利要求4所述的一种液氮空化试验验证系统，其特征在于，带透明观察窗的不锈钢真空出流管(6)包括不锈钢真空外管(16)、内管、玻璃管(17)、抽真空接头(9)、透明观察窗(7)、法兰(18)，外管(16)两端分别设置用于连接的法兰(18)，外管(16)侧面设置抽真空接头(9)，内管设置一段玻璃管(17)，外管(16)侧面设置四个透明观察窗(7)，作为光源口和观察口。
6.根据权利要求5所述的一种液氮空化试验验证系统，其特征在于，液氮泵(11)采用变频离心式液氮泵，通过调节电机频率，改变液氮出流的流量，观察相同管路在不同流量、流速下流体的空化情况。
7.根据权利要求6所述的一种液氮空化试验验证系统，其特征在于，流量计(13)采用真空绝热的科氏流量计。
8.使用如权利要求1～7任一所述液氮空化试验验证系统进行气泡产生过程观察的方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤一、关闭第二低温球阀(15)、第一低温球阀(10)、第二气动球阀(3)，打开第一气动球阀(2)将低温模拟贮箱(4)及相关管路增压至压力P1；关闭第一气动球阀(2)，打开第二气动球阀(3)，将低温模拟贮箱(4)及相关管路压力降至压力P2以下，操作重复5遍；
步骤二：打开第二气动球阀(3)，开启第二低温球阀(15)，向低温模拟贮箱(4)及相关管路以流量30g/s～50g/s加注液氮，待第二气动球阀(3)排气平稳后，将第二低温球阀(15)旋至最大开度，将低温模拟贮箱(4)加满液氮；
步骤三：打开第一低温球阀(10)、第三低温球阀(12)，对液氮泵(11)、流量计(13)以及相关管路进行预冷，待液氮泵(11)及管路完全预冷后，关闭第二低温球阀(15)、第三低温球阀(12)；
步骤四：打开第一气动球阀(2)，向低温模拟贮箱(4)内充入氮气，使低温模拟贮箱(4)压力增至预定值；
步骤五：开启数据采集并控制高速摄像机(8)拍摄，打开第三低温球阀(12)，启动液氮泵(11)，根据观测到的液氮出流及空化情况，调整低温模拟贮箱(4)压力和液氮泵(11)频率，使所述液氮空化试验验证系统达到预想空化状态，之后停止运行液氮泵(11)并关闭第三低温球阀(12)。
9.根据权利要求8所述的气泡产生过程观察的方法，其特征在于，P1＝0.3MPa。
10.根据权利要求9所述的气泡产生过程观察的方法，其特征在于，P2＝0.01MPa。
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