CN113984826B - 一种低温裸壁贮箱内流体相态观测的可视化实验装置 - Google Patents

Abstract

一种低温裸壁贮箱内流体相态观测的可视化实验装置，包括低温容器，低温容器侧壁设置可视化窗口与冷光窗口，可视化窗口正对热流调节区；低温液体通过液体加注阀、液体加注管进入低温容器底部；增压气体通过气体电磁阀进入低温容器顶部；安全排气通道外接安全阀与压力传感器；气体泄压通道通过排气阀实现主动排气，或依次流经压力开关、水浴式复温器、流量计实现排气与流量测量；低温容器内设置电容式液位计，低温容器底部通过液体泄流阀控制，气体电磁阀、电容式液位计、压力开关、水浴式复温器、流量计分别通过信号线与集成智能控制器相接；本发明可研究不同热流条件下低温贮箱内流体相态与热分层规律，对低温推进剂品质开展综合评估。

Description

一种低温裸壁贮箱内流体相态观测的可视化实验装置

技术领域

本发明涉及运载火箭低温贮箱可视化观测技术领域，具体涉及一种低温裸壁贮箱内流体相态观测的可视化实验装置。

背景技术

新一代运载火箭广泛采用低温推进剂，为了降低推进剂在火箭全任务周期的蒸发损失，低温推进剂贮箱通常包裹20～30mm厚的发泡绝热层。国外也有低温火箭取消了贮箱表面的绝热层，且发射取得了成功。取消绝热层后，贮箱金属壁直接暴露在环境中，在火箭升空过程中，贮箱表面与空气摩擦，产生较大的气动热，引起低温液体推进剂的沸腾损失，造成推进剂可用量不足；此外，当推进剂温度超过规定的许可温度后，该推进剂也无法满足发射要求；过量的沸腾相变也可能引起贮箱超压等危害。因此，必须对贮箱内低温推进剂的相态与温度分布开展评估，为火箭方案设计提供可靠的支撑。

运载火箭低温贮箱在整个任务周期内，贮箱表面所经历的漏热变化范围在100W/m²～20,000W/m²之间。通过地面实验观测贮箱内的流体相态难度较大：为了实现大范围热流边界的调节，贮箱采用真空杜瓦绝热面临极大技术挑战；为了达到观测目的，必须设置低温观测窗与光源窗口，且保证清晰的拍摄效果；开展大热流工况实验时，贮箱内可能发生剧烈沸腾，影响观测，且过冷度维持时间过短；飞行过程中，贮箱压力维持恒定，因此，必须确保贮箱在实验中的压力稳定；裸壁贮箱可能发生外壁面结霜，必须考虑结霜对可视化观测的干扰。

已有的低温可视化观测通常是在小漏热下进行，容器采用真空绝热，热流的调节是通过调节电加热功率来实现；可视化观测时，观测窗与光源窗口正对，光源对观测区干扰明显；现有实验贮箱尺寸较小，无法反应贮箱内流体的热分层特征。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种低温裸壁贮箱内流体相态观测的可视化实验装置，可研究不同热流条件下低温贮箱内流体相态与热分层规律，对大热流下的低温推进剂品质开展综合测试与评估，为该技术在新一代低温火箭的后续应用提供可靠的技术支撑。

为了达到上述目的，本发明通过如下技术方案予以实现：

一种低温裸壁贮箱内流体相态观测的可视化实验装置，包括低温容器1，低温容器1顶部法兰内设置内发泡2，低温容器1底部椭球封头外包裹外发泡3，低温容器1侧壁分别设置可视化窗口5与冷光窗口6，可视化窗口5与冷光窗口6法线在同一高度，且夹角为30°-60°；可视化窗口5正对低温容器1侧壁设置有矩形区域的热流调节区4；冷光窗口6外设置冷光源8，可视化窗口5外布置相机7；

低温容器1顶部通过法兰盖9密封，法兰盖9上分别开设液体加注通道、气体入口通道、安全排气通道、气体泄压通道、及低温容器1内部测点引线通道；低温液体通过液体加注阀10、液体加注管11经液体加注通道进入低温容器1底部；增压气体通过气体电磁阀13经气体入口通道进入低温容器1顶部；安全排气通道外接安全阀15与压力传感器14；气体泄压通道通过排气阀16实现主动排气，或依次流经压力开关17、水浴式复温器18、流量计19实现排气与流量测量；

低温容器1内设置电容式液位计20；低温容器1底部设置排液通道，通过液体泄流阀12控制液体泄流；气体电磁阀13、电容式液位计20、压力开关17、水浴式复温器18、流量计19分别通过信号线与集成智能控制器21相接。

所述的低温容器1由柱形筒段及其底部椭球封头、顶部法兰组成，柱形筒段材质为304不锈钢，壁厚大于等于5mm；柱形筒段表面除热流调节区4之外，均包裹发泡绝热层，发泡绝热层厚度大于10cm，低温容器1的压力测试范围0.1～0.6MPa。

所述的可视化窗口5与冷光窗口6均采用双层石英玻璃组成真空腔体，真空腔内压力低于100Pa；内层石英玻璃与低温容器1内部低温流体接触，外层石英玻璃与外环境接触。

所述的热流调节区4暴露于环境中，通过调速风机22、气体加热器23改变吹风速度与温度，实现风速、风温调节，达到变热流调节，变热流调节范围200～10,000W/m²。

所述的气体电磁阀13与压力开关17根据设定的控压范围实现增压气体注入与排气功能，从而维持实验过程中低温容器1的压力稳定，控压精度±0.01MPa。

所述的水浴式复温器18采用管壳式换热器结构，实验排气走管侧，水位于壳侧，且壳侧水温通过电加热调节维持在70℃附近。

所述的集成智能控制器21由可视化界面和可编程逻辑控制器组成，可视化界面用于设定低温容器1的控压范围和水浴式复温器18的水侧温度值，并动态观察低温贮箱1内压力、液位高度和水浴式复温器18的水温。

不同热流条件下流体相态的观测通过相机7拍摄获得，对应的热流调节区4的实际热流按照如下方法确定：首先，热流调节区4采用与低温贮箱1其他侧壁相同的绝热方案，在常压条件下开展实验，监测热流调节区4的发泡绝热层内外壁温及流量计监测的排气流量m_g，根据内外壁温差及发泡绝热层的导热系数，推算该工况下热流调节区4的热流密度q₀，根据排气流量m_g与测试低温流体的气化潜热h_fg，计算稳定热流下低温容器1的总漏热为Q₀＝m_g·h_fg；

热流调节区4暴露在环境中，并改变调速风机22风速、气体加热器23功率，在热流调节区4建立稳定的热流边界，记录新的热流边界下低温容器1的排气流量m_g′，则新热流边界下低温容器1的总漏热为Q′＝m_g′·h_fg；

热流调节区4的加热面积为A，则在新的热流边界下，热流调节区增加的热流密度为

此时，热流调节区4实际热流密度q′为q′＝Δq+q₀。

基于所述的一种低温裸壁贮箱内流体相态观测的可视化实验装置的方法，包括以下步骤：

步骤一，打开排气阀16，通过液体加注阀10向低温容器1内通入常温氮气，实现对低温容器1内空气置换，置换后关闭液体加注阀10；

步骤二，液氮储罐接通液体加注阀10管路，维持排气阀16打开状态；开启真空泵对可视化窗口5、冷光窗口6的真空腔体抽真空，待真空腔体压力降至100Pa以下时，打开液体加注阀10，开始向低温容器1内加注液氮；通过电容式液位计20监测低温容器1内的液氮液位，以没过可视化窗口5的上沿为准；

步骤三，液氮加注完成后，实验装置静置1个小时以上；若液氮液位降低，则补加液氮，保证低温容器1内液氮液位始终高于可视化窗口5的上沿位置；静置过程中，多次打开液体泄流阀12，实现对底部排放管路的充分预冷；

步骤四，待实验装置冷却后，关闭排气阀16，通过集成智能控制器21设置低温容器1的控制压力为0.1MPa，确保所有蒸发排气均通过压力开关17、水浴式复温器18、流量计19排出，调节调速风机22的转速、气体加热器23功率，在热流调节区4建立稳定的热流边界，监测低温容器1的排气量，推算当前工况下热流调节区4的实际热流密度q′；

步骤五，调节集成智能控制器21的压力设定目标值，并通过气体电磁阀13、压力开关17保证低温容器1的气枕压力稳定在控压范围内，通过冷光源8实现对热流调节区4内部补光；通过相机7对热流调节区4进行流体相态的拍摄；集成智能控制器21控制气体电磁阀13开启实现对低温容器1的快速增压，直至设定的目标压力范围，通过温度、压力、流量的参数测量与可视化拍摄实现对该工况下流体相态的测量；

步骤六，上述热流工况实验结束后，打开排气阀16对低温容器1开展排气泄压，直至常压，通过液氮的持续沸腾，确保剩余液氮为常压对应的饱和温度；接通液体加注阀10进行液氮补加，直至目标液位高度；改变集成智能控制器21的压力设定目标及调速风机22转速、气体加热器23功率，设置新的实验工况，开展流体相态的实验测试。

对低温容器1的绝热结构做相应改变，取消柱形筒段的发泡绝热层，柱形筒段均暴露于环境中，则低温液氮加注过程及实验装置静置中，低温容器1的柱形筒段外壁会形成霜层；在常压下或增压下对该条件下的流体相态进行观测，对流体温度进行测量。

本发明的有益效果：

本发明所提出的低温裸壁贮箱内流体相态观测的可视化实验装置，低温容器测试压力范围在0.1～0.6MPa之间，局部热流调节范围在200～10,000W/m²之间，涵盖了低温运载火箭升空过程中的压力变化区间与热流变化区间，实验工况与真实过程相近，为在地面研究裸壁贮箱升空过程中箱内流体相态提供了一种简便、可靠的测试装置。

低温容器1的壁面不采用真空绝热，而在可视化窗口5与冷光窗口6采用石英玻璃真空绝热，兼顾了漏热热流调节的需求与可视化观测的需求。无真空绝热的侧壁可通过改变外侧空气温度、风速实现壁面漏热在极宽的范围内调节；可视化窗口5与冷光窗口6采用真空杜瓦结构可大幅降低经窗口的传热量，有效避免窗口内部低温液体过量气化影响可视化拍摄，同时避免外侧玻璃表面结霜、结雾造成干扰。

低温容器1的壁面大部分区域采用发泡绝热，而在热流调节区4采用裸壁结构，兼具了整体绝热与热流调节的需求；若侧壁均采用裸壁，则低温容器1的整体漏热过大，箱内低温液体极易复温并气化，液体过冷度无法维持，无法建立所需的过冷液体工况目标。

可视化窗口5与冷光窗口6法线夹角控制在30°～60°，避免了传统低温可视化观测所采用的窗口正对方案中光源所形成的光斑对可视化观测的干扰，拍摄效果更加清晰。

在实验装置中取消低温容器1侧壁的发泡绝热层，加注完低温液体后静置较长时间，侧壁表面生成一定厚度的霜层，则该实验装置可开展结霜工况下的低温贮箱内流体相态观测，该目标属于裸壁低温贮箱测试的重要内容之一。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2为本发明的俯视示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细描述。

如图1、图2所示，一种低温裸壁贮箱内流体相态观测的可视化实验装置，包括低温容器1，低温容器1由柱形筒段及其底部椭球封头、顶部法兰组成，柱形筒段材质为304不锈钢，壁厚为5mm；柱形筒段直径为Ф310mm，高度400mm，底部椭球封头高度100mm，

低温容器1侧壁中间位置设置可视化窗口5与冷光窗口6，可视化窗口5与冷光窗口6法线在同一高度，且夹角为30°-60°；可视化窗口5直径为100mm，冷光窗口6直径65mm，两窗口均采用双层石英玻璃组成真空腔体，真空腔体采用聚四氟乙烯垫片和真空低温硅脂密封，用真空泵抽真空度，真空度优于100Pa；内层石英玻璃与低温容器1内部低温流体接触，外层石英玻璃与外环境接触。

低温容器1顶部通过法兰盖9密封，法兰盖9上开设5个开孔，分别为液体加注通道、气体入口通道、安全排气通道、气体泄压通道及引线通道；布置在低温容器1内部的测点，包括壁温温度测点、流体温度测点、电容式液位计等，引线通过引线通道连接外部数采，并采用低温胶进行密封；低温液体通过液体加注阀10、液体加注管11经液体加注通道进入低温容器1底部；增压气体通过气体电磁阀13经气体入口通道进入低温容器1顶部；安全排气通道外接安全阀15与压力传感器14；气体泄压通道通过排气阀16实现主动排气，或依次流经压力开关17、水浴式复温器18、流量计19实现排气与流量测量；

低温容器1顶部法兰内设置内发泡2，内发泡2为硬质聚氨酯发泡层，以降低经过法兰盖9的漏热；硬质聚氨酯发泡层厚度10cm，其间预留低温液体加注管11、测点引线通道；低温容器1底部椭球封头外包裹外发泡3，外发泡3厚度15cm；低温容器1的侧壁采用整体裸壁结构，以开展外壁结霜条件下的实验工况；或采用整体包裹发泡层+热流调节区4裸壁的结构布置，以降低低温容器1整体漏热并满足热流可调节的目的。

低温容器1内设置电容式液位计20；低温容器1底部设置排液通道，通过液体泄流阀12控制液体泄流；气体电磁阀13、电容式液位计20、压力开关17、水浴式复温器18、流量计19分别通过信号线与集成智能控制器21相接。

低温容器1的压力通过集成智能控制器21、气体电磁阀13、压力开关17实现压力稳定，控压精度为±0.01MPa。实验前可在集成智能控制器21设定低温容器1的目标压力水平P，当低温容器1内压力低于(P-0.01)MPa时，压力开关17关闭，低温容器1无排气；气体电磁阀13接通，增压气体注入低温容器1实现压力升高；当低温容器1内压力高于(P+0.01)MPa时，气体电磁阀13关闭，压力开关17接通，低温容器1通过排气实现降压目的。

低温容器1侧壁的热流调节区4内部沿高度方向设置6个温度测点，外部对应位置设置6个温度测点；在侧壁非热流调节区沿高度设置4个温度测点，两个测点位于液相区，两个测点位于气枕区；内发泡2的底部设置一个温度测点，法兰盖9对应位置设置一个温度测点；低温容器1底部椭球封头内部设置一个温度测点，外发泡3对应位置设置一个温度测点；电容式液位计20通过集成智能控制器21显示液位高度；所有温度测点均采用铜-康铜热电偶；气体流量计19采用涡街流量计，在气体流量计19附近测量气体温度、压力，从而推算气体的质量流量；低温容器1的气枕区设置压力传感器14实时显示低温容器1的气枕压力；所有温度、压力、流量传感器均通过引线连接数采。

集成智能控制器21由可视化界面和可编程逻辑控制器组成，可视化界面用于设定低温容器1的控压范围和水浴式复温器18水侧温度值，并动态观察低温贮箱1内压力和水浴式复温器18的水温。可编程逻辑控制器采用PID控制，进行压力调节时，集成智能控制器21将压力传感器14读数与压力设定值进行比较，确定输出控制信号，通过信号输出线反馈给压力开关17，调节其阀门开度；进行水浴式复温器水侧温度值调节时，集成智能控制器21将水浴式复温器18测量水温与温度设定值比较，确定是否输出控制信号，通过信号输出线反馈给加热器，控制加热器开关，实现温度双位控制。

不同热流工况下流体相态通过相机7拍摄，采用冷光源9补光，冷光源9带聚光功能，功率55W；对应的热流调节区4的实际热流按照如下方法确定：首先，热流调节区4采用与与低温贮箱1其他侧壁相同的绝热方案，在常压条件下开展实验，并监测热流调节区的发泡绝热层内外壁温及流量计监测的排气流量m_g，根据内外壁温差及发泡绝热层的导热系数，推算该工况下热流调节区4的热流密度q₀，根据排气流量m_g与测试低温流体气化潜热h_fg，可计算该稳定热流下低温容器1的总漏热为Q₀＝m_g·h_fg；

热流调节区4暴露在环境中，并改变调速风机22风速、气体加热器23功率，在热流调节区4建立稳定的热流边界，并记录新的热流边界下低温容器1的排气流量m_g′，则新热流边界下低温容器的总漏热为Q′＝m_g′·h_fg；

热流调节区4的加热面积为A，则在新的热流边界下，热流调节区增加的热流密度为

此时，热流调节区4实际的热流密度q′为q′＝Δq+q₀。

基于所述的一种低温裸壁贮箱内流体相态观测的可视化实验装置的方法，包括以下步骤：

步骤一，打开排气阀16，高压氮气瓶通过液体加注阀10向低温容器1内通入常温高纯氮气，实现对低温容器1内空气置换，置换时间持续10分钟以上，随后关闭液体加注阀10；

步骤二，液氮储罐接通液体加注阀10管路，维持排气阀16打开状态；开启真空泵对可视化窗口5、冷光窗口6的真空腔体抽真空，待真空腔体压力降至100Pa以下时，打开液体加注阀10，开始向低温容器1内加注液氮；通过电容式液位计20监测低温容器1内的液氮液位；开始加注时，通过小流量加注，待低温容器1内出现液氮液位累积后，增大液氮加注流量；液氮液位以没过可视化窗口5的上沿为准；

步骤三，液氮加注完成后，实验装置静置1个小时以上，以实现充分冷却；若液氮液位显著降低，则可补加液氮，保证低温容器1内液氮液位始终高于可视化窗口5的上沿位置；静置过程中，应多次打开液体泄流阀12，实现对底部排放管路的充分预冷，避免正式实验观测时，排放管路处生成气泡对观测产生干扰；

步骤四，待实验装置充分冷却后，关闭排气阀16，通过集成智能控制器21设置低温容器1的控制压力为0.1MPa，确保所有蒸发排气均通过压力开关17、水浴式复温器18、流量计19排出，调节调速风机22的转速、气体加热器23功率，在热流调节区4建立稳定的热流边界，监测低温容器1的排气量，根据前述方法推算当前工况下热流调节区4的实际加热功率q′；

步骤五，调节集成智能控制器21的压力设定目标值，并通过气体电磁阀13、压力开关17保证低温容器1的气枕压力稳定在控压范围内，通过冷光源8实现对热流调节区4内部补光；通过相机7对热流调节区4进行流体相态的拍摄；由于新的设定压力大于常压，集成智能控制器21控制气体电磁阀13开启实现对低温容器1的快速增压，直至设定的目标压力范围，通过温度、压力、流量等参数测量与可视化拍摄实现对该工况下流体相态的测量；

步骤六，上述热流工况实验结束后，打开排气阀16对低温容器1开展排气泄压，直至常压，通过液氮的持续沸腾，确保剩余液氮为常压对应的饱和温度；接通液体加注阀10进行液氮补加，直至目标液位高度；改变集成智能控制器21的压力设定目标及调速风机22转速、气体加热器23功率，设置新的实验工况，重复上述步骤开展流体相态的实验测试。

在上述实验操作步骤的基础上，对低温容器1的绝热结构做相应改变，取消柱形筒段的所有发泡绝热层，所有柱形筒段均暴露于环境中，则低温液氮加注过程及实验装置静置过程中，低温容器1的柱形筒段外壁会形成霜层；在常压下或增压下对该条件下的流体相态的观测与流体温度的测量也属于本发明装置涵盖的实验内容之一，且该结果也为裸壁贮箱方案所关注的测试对象。

以上实施例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低温裸壁贮箱内流体相态观测的可视化实验装置，包括低温贮箱(1)，低温贮箱(1)顶部法兰内设置内发泡(2)，低温贮箱(1)底部椭球封头外包裹外发泡(3)，其特征在于：低温贮箱(1)侧壁分别设置可视化窗口(5)与冷光窗口(6)，可视化窗口(5)与冷光窗口(6)法线在同一高度，且夹角为30°-60°；可视化窗口(5)正对低温贮箱(1)另一侧侧壁设置有矩形区域的热流调节区(4)；冷光窗口(6)外设置冷光源(8)，可视化窗口(5)外布置相机(7)；

低温贮箱(1)顶部通过法兰盖(9)密封，法兰盖(9)上分别开设液体加注通道、气体入口通道、安全排气通道、气体泄压通道及低温贮箱(1)内部测点引线通道；低温液体通过液体加注阀(10)、液体加注管(11)经液体加注通道进入低温贮箱(1)底部；增压气体通过气体电磁阀(13)经气体入口通道进入低温贮箱(1)顶部；安全排气通道外接安全阀(15)与压力传感器(14)；气体泄压通道通过排气阀(16)实现主动排气，或依次流经压力开关(17)、水浴式复温器(18)、流量计(19)实现排气与流量测量；

低温贮箱(1)内设置电容式液位计(20)；低温贮箱(1)底部设置排液通道，通过液体泄流阀(12)控制液体泄流；气体电磁阀(13)、电容式液位计(20)、压力开关(17)、水浴式复温器(18)、流量计(19)分别通过信号线与集成智能控制器(21)相接。

2.根据权利要求1所述的一种低温裸壁贮箱内流体相态观测的可视化实验装置，其特征在于：所述的低温贮箱(1)由柱形筒段及其底部椭球封头、顶部法兰组成，柱形筒段材质为304不锈钢，壁厚大于等于5mm；柱形筒段表面除热流调节区(4)之外，均包裹发泡绝热层，发泡绝热层厚度大于10cm，低温贮箱(1)的压力测试范围0.1～0.6MPa。

3.根据权利要求1所述的一种低温裸壁贮箱内流体相态观测的可视化实验装置，其特征在于：所述的可视化窗口(5)与冷光窗口(6)均采用双层石英玻璃组成真空腔体，真空腔体内压力低于100Pa；内层石英玻璃与低温贮箱(1)内部低温流体接触，外层石英玻璃与外环境接触。

4.根据权利要求1所述的一种低温裸壁贮箱内流体相态观测的可视化实验装置，其特征在于：所述的热流调节区(4)暴露于环境中，通过调速风机(22)、气体加热器(23)改变吹风速度与温度，实现风速、风温调节，达到变热流调节，变热流调节范围200～10,000W/m²。

5.根据权利要求1所述的一种低温裸壁贮箱内流体相态观测的可视化实验装置，其特征在于：所述的气体电磁阀(13)与压力开关(17)根据设定的控压范围实现增压气体注入与排气功能，从而维持实验过程中低温贮箱(1)的压力稳定，控压精度±0.01MPa。

6.根据权利要求1所述的一种低温裸壁贮箱内流体相态观测的可视化实验装置，其特征在于：所述的水浴式复温器(18)采用管壳式换热器结构，实验排气走管侧，水位于壳侧，且壳侧水温通过电加热调节维持在70℃附近。

7.根据权利要求1所述的一种低温裸壁贮箱内流体相态观测的可视化实验装置，其特征在于：所述的集成智能控制器(21)由可视化界面和可编程逻辑控制器组成，可视化界面用于设定低温贮箱(1)的控压范围和水浴式复温器(18)的水侧温度值，并动态观察低温贮箱(1)内压力、液位高度和水浴式复温器(18)的水温。

8.根据权利要求2所述的一种低温裸壁贮箱内流体相态观测的可视化实验装置，其特征在于：不同热流条件下流体相态的观测通过相机(7)拍摄获得，对应的热流调节区(4)的实际热流按照如下方法确定：首先，热流调节区(4)采用与低温贮箱(1)其他侧壁相同的绝热方案，在常压条件下开展实验，监测热流调节区(4)的发泡绝热层内外壁温及流量计监测的排气流量m_g，根据内外壁温差及发泡绝热层的导热系数，推算该工况下热流调节区(4)的热流密度q0，根据排气流量m_g与测试低温流体的气化潜热h_fg，计算稳定热流下低温贮箱(1)的总漏热为Q₀＝m_g·h_fg；

热流调节区(4)暴露在环境中，并改变调速风机(22)风速、气体加热器(23)功率，在热流调节区(4)建立稳定的热流边界，记录新的热流边界下低温贮箱(1)的排气流量m_g′，则新热流边界下低温贮箱(1)的总漏热为Q′＝m_g′·h_fg；

热流调节区(4)的加热面积为A，则在新的热流边界下，热流调节区增加的热流密度为

此时，热流调节区(4)实际热流密度q′为q′＝Δq+q₀。

9.基于权利要求8所述的一种低温裸壁贮箱内流体相态观测的可视化实验装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，打开排气阀(16)，通过液体加注阀(10)向低温贮箱(1)内通入常温氮气，实现对低温贮箱(1)内空气置换，置换后关闭液体加注阀(10)；

步骤二，液氮储罐接通液体加注阀(10)管路，维持排气阀(16)打开状态；开启真空泵对可视化窗口(5)、冷光窗口(6)的真空腔体抽真空，待真空腔体压力降至100Pa以下时，打开液体加注阀(10)，开始向低温贮箱(1)内加注液氮；通过电容式液位计(20)监测低温贮箱(1)内的液氮液位，以没过可视化窗口(5)的上沿为准；

步骤三，液氮加注完成后，实验装置静置1个小时以上；若液氮液位降低，则补加液氮，保证低温贮箱(1)内液氮液位始终高于可视化窗口(5)的上沿位置；静置过程中，应多次打开液体泄流阀(12)，实现对底部排放管路的充分预冷；

步骤四，待实验装置冷却后，关闭排气阀(16)，通过集成智能控制器(21)设置低温贮箱(1)的控制压力为0.1MPa，确保所有蒸发排气均通过压力开关(17)、水浴式复温器(18)、流量计(19)排出，调节调速风机(22)的转速、气体加热器(23)功率，在热流调节区(4)建立稳定的热流边界，监测低温贮箱(1)的排气量，推算当前工况下热流调节区(4)的实际热流密度q′；

步骤五，调节集成智能控制器(21)的压力设定目标值，并通过气体电磁阀(13)、压力开关(17)保证低温贮箱(1)的气枕压力稳定在控压范围内，通过冷光源(8)实现对热流调节区(4)内部补光；通过相机(7)对热流调节区(4)进行流体相态的拍摄；集成智能控制器(21)控制气体电磁阀(13)开启实现对低温贮箱(1)的快速增压，直至设定的目标压力范围，通过温度、压力、流量的参数测量与可视化拍摄实现对该工况下流体相态的测量；

步骤六，上述热流工况实验结束后，打开排气阀(16)对低温贮箱(1)开展排气泄压，直至常压，通过液氮的持续沸腾，确保剩余液氮为常压对应的饱和温度；接通液体加注阀(10)进行液氮补加，直至目标液位高度；改变集成智能控制器(21)的压力设定目标及调速风机(22)转速、气体加热器(23)功率，设置新的实验工况，开展流体相态的实验测试。

10.根据权利要求9的方法，其特征在于：对低温贮箱(1)的绝热结构做相应改变，取消柱形筒段的发泡绝热层，柱形筒段均暴露于环境中，则低温液氮加注过程及实验装置静置中，低温贮箱(1)的柱形筒段外壁会形成霜层；在常压下或增压下对该条件下的流体相态进行观测，对流体温度进行测量。

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