CN114384197B - 一种无泵驱动的热力学排气系统流态观测实验装置 - Google Patents

Abstract

一种无泵驱动的热力学排气系统流态观测实验装置，包括增压气瓶，增压气瓶与低温储罐入口连接，低温储罐出口连接TVS电磁阀入口，TVS电磁阀控制连接集成控制器，TVS电磁阀出口分成两支路：第一支路通过第二调节阀、J‑T节流阀和TVS换热器入口c连接，对应的TVS换热器出口d经水浴式汽化器依次连接气体流量计、气体温度传感器、气体压力传感器，随后经第一泄流阀排空；第二支路连接TVS换热器入口e，对应的TVS换热器出口f接第三调节阀入口，第三调节阀出口接测试容器的喷雾棒入口，在TVS换热器出口f与喷雾棒入口之间设置排空支路；测试容器设置可视化窗口与冷光窗口；本发明实现TVS工作特性的实验测试，可观测喷射流体在箱内的混合过程。

Description

一种无泵驱动的热力学排气系统流态观测实验装置

技术领域

本发明涉及运载火箭低温推进剂管理技术领域，具体涉及一种无泵驱动的热力学排气系统流态观测实验装置。

背景技术

低温推进剂比冲高、无毒无污染，不仅被广泛应用于国内外运载火箭，更是未来天地往返与深空探测的首选推进剂，这些任务要求低温推进剂能够在微重力下长期贮存。但低温推进剂沸点低，在轨贮存易受热蒸发，造成贮箱压力升高，影响贮箱安全与推进剂品质。因此，必须解决低温贮箱微重力贮存期间的安全排气难题。

在轨排气必须克服微重力下气液相杂混与气液分离技术难题。地面重力下，可在贮箱顶部设置排气阀直接排气泄压，而在微重力下，箱内气液两相位置不易确定，开设排气阀可能发生液体直接排放，造成推进剂浪费。此外，液体排放会在空间闪蒸，产生力学干扰，影响飞行器的姿轨控。为此，有学者提出了热力学排气系统(TVS)，TVS包括液体循环泵、J-T节流阀、换热器、喷雾棒或喷射器等，其中，循环泵与液体获取装置(LAD)配合工作，从低温贮箱内获取纯液推进剂，并对其进行增压；增压后的液体分成两股流体，第一股液体经J-T节流阀后，成为低压下的气液两相流，进入换热器的低温侧；第二股液体直接进入换热器的高温侧；在换热器内，第一股流体对第二股流体进行冷却，第一股流体升温后，以纯气相排出贮箱，实现排气功能；第二股流体降温后，自喷雾棒或喷射器重新注入贮箱内部，将冷量传给箱内推进剂，实现对箱内推进剂的降温降压目的；同时，喷射装置的搅拌功能可实现箱内流体的混合，有利于消除热分层。

TVS技术作为支撑低温推进剂空间贮存与流体管理的核心技术，国内外均已开展了初步的仿真与实验研究，包括基于常温流体开展的模化实验，以及基于低温流体开展的控压实验等，相关研究证明了TVS的有效性。但现有研究尚不充分，对于TVS喷射流体在箱内的混合效果并不清楚；现有研究仅通过测量贮箱温度、压力、排气量等参数实现对系统性能的宏观评估，未有观测箱内流场的研究报道。TVS喷射过程中，喷射流体与箱内原有气、液两相流体间的混合过程对TVS的控压速率及冷量传输速率具有重要影响。了解喷射液体与箱内气相区的混合过程、喷射液体与液相区的混合效果对于优化TVS结构设置、TVS控制策略设置等具有重要意义。

地面开展TVS实验时，选择恰当的低温液体循环泵具有重要影响。通常，低温液体循环泵价格昂贵，选型困难、工作不稳定，且低温液体循环泵本身需要被提前预冷，其预冷过程会对TVS的正常工作产生干扰；对于小型实验平台，低温液体循环泵的选择面临极大困难；针对液氧、液甲烷、液氢等真实推进剂，低温液体循环泵还必须解决防爆等特殊困难。因此，在TVS地面实验系统设计中，必须寻找低温液体循环泵的解决方案。

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无泵驱动的热力学排气系统流态观测实验装置，无需低温液体循环泵即可实现TVS工作特性的实验测试，可观测TVS不同喷射结构下喷射流体在箱内的混合过程，为优化TVS结构设计、控制策略制定等提供依据。

为了达到上述目的，本发明通过如下技术方案予以实现：

一种无泵驱动的热力学排气系统流态观测实验装置，包括增压气瓶1，增压气瓶1通过第一调节阀2与低温储罐3的入口a连接，低温储罐3的出口b连接TVS电磁阀4入口，TVS电磁阀4控制连接集成控制器26，TVS电磁阀4的出口分成两支路：

第一支路通过第二调节阀5、J-T节流阀6与TVS换热器7入口c连接，和TVS换热器7入口c对应的TVS换热器7出口d连接水浴式汽化器8入口，水浴式汽化器8出口依次连接气体流量计9、气体温度传感器10、气体压力传感器11，随后经第一泄流阀12排空；

第二支路连接TVS换热器7入口e，和TVS换热器7入口e对应的TVS换热器7出口f接第三调节阀14入口，第三调节阀14出口接测试容器24的喷雾棒20入口，在TVS换热器7出口f与喷雾棒20入口之间设置排空支路，并通过第二泄流阀13排空；

所述的测试容器24由柱形筒段、底部椭球封头及顶部法兰组成，测试容器24顶部法兰通过顶部法兰盖密封，顶部法兰盖分别开设喷注液体注入口、液体加注口、安全排气口、主动排气口、取压口及航空插头接口；液体加注口连接液体加注阀17，安全排气口连接安全阀15，主动排气口连接主动排气阀16，喷射液体注入口连接箱内的喷雾棒20，取压口连接压力计18，压力计18连接集成控制器26；航空插头实现测试容器24内温度、压力信号的对外输出，测试容器24内部电容式液位计21通过航空插头连接集成控制器26。

所述的测试容器24的压力通过智能控制器26对TVS电磁阀4的控制进行调节，控压精度±0.01MPa；当测试容器24内压力超过设定范围时，TVS电磁阀4开启，向测试容器24注入过冷流体；当测试容器24内压力低于设定范围时，TVS电磁阀4关闭，停止注入过冷流体。

所述的测试容器24整体包裹硬质聚氨酯发泡层；测试容器24的顶部法兰内部设置内发泡19，内发泡19为硬质聚氨酯发泡层；测试容器24的中心高度位置设置法线正对的可视化窗口22与冷光窗口23；可视化窗口22外布置相机33；冷光窗口23外布置冷光源32；测试容器24底部设置液体泄流管，泄流管上设置液体泄流阀25，液体泄流阀25连接集成控制器26。

所述的可视化窗口22与冷光窗口23均采用双层石英玻璃组成真空腔体，真空腔内压力低于100Pa；内层石英玻璃与测试容器24内部流体接触，外层石英玻璃与环境接触。

所述的第一调节阀2、第一泄流阀12为常温调节阀；第二调节阀5、第二泄流阀13、第三调节阀14、主动排气阀16、液体加注阀17为低温调节阀；TVS电磁阀4、液体泄流阀25为低温电磁阀。

在研究TVS排气时，第二调节阀5与第一泄流阀12开启，第一支路内的低温流体与大气连通，实现排气功能；关闭第二调节阀5与第一泄流阀12，研究贮箱喷射混合控压；对第一支路的调节实现对TVS不同工作模式的切换；低温储罐3为高压液体源，使用挤压喷液替代TVS中的泵驱喷液注入测试容器24。

所述的集成控制器26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测试容器24的液位控制范围与控压范围，以调节TVS电磁阀4与液体泄流阀25的工作状态，并观测测试容器24内压力、温度与液位高度；可编程逻辑控制器采用PID控制，通过设定压力上下限信号与当前压力信号比对，控制TVS电磁阀4的开闭；通过设定液位信号与当前液位信号比对，控制液体泄流阀25的开度，保证喷液过程中液位相对稳定；TVS电磁阀4与液体泄流阀25也能够通过集成控制器26面板设置调节范围。

一种无泵驱动的热力学排气系统流态观测实验装置的方法，包括以下步骤：

步骤一：依次打开第一泄流阀12、第二泄流阀13、第二调节阀5、TVS电磁阀4，采用高压氮气对整个管路部分进行气体置换，管路气体置换完成后，打开第一调节阀2，增压气瓶1向低温储罐3增压至目标压力，低温储罐3挤压液氮进入管路，对第一、第二支路进行预冷；关闭TVS电磁阀4、第一泄流阀12、第二泄流阀13、第二调节阀5，对喷雾棒20及连接管路进行气体置换；打开主动排气阀16，通过液体加注阀17向测试容器24通入高压氮气，对测试容器24进行气体置换，气体置换完成后，将液体加注阀17保持一定开度，对测试容器24进行预冷至金属壁内侧温度接近液氮饱和温度；开启液体泄流阀25，对排液管路进行预冷；

步骤二：开启真空泵，对可视化窗口22与冷光窗口23的双层石英玻璃腔体抽真空；通过液体加注阀17向测试容器24加注液氮至目标液位，达到目标液位后，关闭液体加注阀17；静置测试容器24，根据测试容器24内的液位高度补充液氮，直至箱内流体达到稳定，液位低于可视化窗口22下沿；

步骤三：关闭液体加注阀17，测试容器24在漏热作用下增压，通过集成控制器26监测并控制测试容器24内的压力变化与液位变化；增压过程中，开启第二调节阀5与第一泄流阀12；当压力达到控压上限时，集成控制器26控制TVS电磁阀4打开，开始TVS喷射控压过程；来自低温储罐3的高压液氮流经TVS电磁阀4后分为两股流，第一股流依次流经第二调节阀5、J-T节流阀6、TVS换热器7、气体流量计9、气体温度传感器10、气体压力传感器11后，经第一泄流阀12排空；第二股流经TVS换热器7、第三调节阀14、喷雾棒20后注入测试容器24，实现喷射与混合控压；集成控制器26根据测试容器24内的液位变化，调节液体泄流阀25的开度，保证测试容器24内液位稳定；待测试容器24内压力达到设定控压下限时，集成控制器26控制TVS电磁阀4、液体泄流阀25关闭，转入漏热增压阶段；

步骤四：关闭第一调节阀2，低温储罐3泄压，调节低温储罐3内部的液体温度；随后开启第一调节阀2，再次建立低温储罐3内高压低温的冷液氮条件；按照步骤一至步骤三操作，开展下一组测试工况；

步骤五：测试结束后，关闭第一调节阀2，低温储罐3泄压；打开主动排气阀16，测试容器24泄压；打开液体泄流阀25，排空测试容器24内全部液体；打开第一泄流阀12、第二泄流阀13、第二调节阀5、TVS电磁阀4、第三调节阀14，采用高压氮气对整个装置进行吹除与复温；结束后撤收实验装置。

通过第二调节阀5的开启与关闭调节，改变TVS的工作模式，分别开展TVS排气混合控压实验与单纯的混合控压实验；

通过设定集成控制器26的控压上下限，调节测试容器24的控压范围；

通过调节液体加注阀17的开启时间，调节集成控制器26的设定液位取值，实现测试容器24内液位调节，依次观测喷射液体与气相混合、喷射液体与液体混合；

通过改变第二调节阀5开度，实现喷雾棒入口过冷度调节，模拟TVS中换热器的不同工况；

通过改变第三泄流阀14开度，实现喷雾棒入口流量调节，模拟TVS中低温泵的变流量工况。

当通过液体泄流阀25的排液量大或开展液氧、液氢、液甲烷流体的测试时，通过缓冲容器31蓄留液体泄流阀25排放的低温液体，缓冲容器31连接有排气阀30、液体回流阀29和增压阀28，液体回流阀29和低温储罐3入口g连接，增压阀28和高压气瓶27出口连接；操作中，打开排气阀30，打开液体回流阀29，低温储罐3泄压；来自测试容器24的排液进入缓冲容器31并蓄留在此；待TVS喷射结束后，关闭排气阀30，打开增压阀28，高压气瓶27向缓冲容器31增压，缓冲容器31内蓄留的液体重新被压回低温储罐3，实现液体回收利用。

若仅观测喷注液体在箱内的流场信息，TVS电磁阀4的出口和液氮浴式换热器36入口连接，液氮浴式换热器36出口通过第四调节阀37和第二泄流阀13、喷雾棒20入口连接，液氮浴式换热器36上连接有注液阀34和排气阀35；实验中，打开注液阀34，向液氮浴式换热器36注入液氮；TVS喷射降压过程中，来自低温储罐3的高压液体在液氮浴式换热器36中与液氮池进行换热，获得过冷度，随后在注入测试容器24开展混合控压。

本发明的有益效果：

在地面对热力学排气系统(TVS)不同结构与布置位置的喷射过程进行实验研究，得到低温两相流体在该过程中的物理场分布，可以完善低温推进剂在轨贮存与利用的理论基础，提升低温推进剂空间管理应用的技术指导性。

首先，本发明引入高压液体源，采用挤压喷液替代TVS原型结构中使用的泵驱喷液方式，通过底部电磁阀控制液体泄流，达到控制箱内液位的目的，从而实现了无需液体泵即可满足TVS性能与规律研究的目标。相较于传统的泵驱TVS实验装置，本发明避免了小型低温泵成本高、选型困难、工作不稳定等不利因素对TVS实验系统性能的影响，便于实现，且可排除低温泵自身预冷对TVS工作性能的干扰。

其次，常规的TVS实验系统仅通过测量贮箱压力、温度等获得TVS工作的宏观参数，对内部喷射液体扰动与流场信息知之甚微。本发明首次采用低温可视化技术观测TVS喷射搅拌过程中箱内流体的流态分布与变化规律，除可获得系统温度、压力等宏观参数外，还可获得最直观的箱内流场信息，还可通过箱内液位高度的控制，实现喷注液体在气相区、液相区的多种流场研究，其结果有助于更加清晰地揭示TVS的工作性能，进而对其开展结构优化与控制策略设计，得到消除低温贮箱内热分层的喷射结构最优解。

再次，本发明在实现TVS基本功能的基础上，具备更加方便的拓展性与操作便捷性；若仅观测喷注液体在箱内的流场信息，则可通过液氮浴式换热器实现喷注液体过冷度影响研究；当开展液氧、液氢、液甲烷等危险工质的实验时，可通过增加缓冲容器回收测试容器底部的排液，降低实验过程中低温工质的浪费，减少危险气体排放量，给排放技术带来极大便利；此外，喷雾棒也可根据实验工况的要求，更换为其他的喷雾棒结构与喷射器结构，避免了对整个TVS结构系统的更换，大幅降低实验成本与技术难度。

综上可知，本发明避免了低温泵选型及高成本对开展相关研究的制约，能够实现喷射低温液体在箱内混合过程的流场可视化观测，获取最直接的信息指导TVS结构优化与控制策略设计，具有成本低、技术难度小、易于实现与控制等诸多优势。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例1测试容器24的俯视图。

图3为本发明实施例2带缓冲容器的结构示意图。

图4为本发明实施例3采用液氮浴式换热器的结构示意图。

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。

实施例1，参照图1、图2，一种无泵驱动的热力学排气系统流态观测实验装置，包括增压气瓶1，增压气瓶1通过第一调节阀2与低温储罐3的入口a连接，当第一调节阀2打开时，增压气体对低温储罐3增压；低温储罐3的出口b通过管道连接TVS电磁阀4入口，TVS电磁阀4控制通过导线连接集成控制器26，当TVS电磁阀4受集成控制器26控制打开，低温储罐3内部的高压液体被挤向后续管路；TVS电磁阀4的出口分成两支路：

第一支路通过第二调节阀5、J-T节流阀6与TVS换热器7入口c连接，当第二调节阀5打开，来自低温储罐3的液体进入第一支路；和TVS换热器7入口c对应的TVS换热器7出口d连接水浴式汽化器8入口，水浴式汽化器8出口依次连接气体流量计9、气体温度传感器10、气体压力传感器11，随后经第一泄流阀12排空；

第二支路连接TVS换热器7入口e，和TVS换热器7入口e对应的TVS换热器7出口f接第三调节阀14入口，第三调节阀14出口接测试容器24的喷雾棒20入口，当第三调节阀14打开，低温液体通过喷雾棒20喷入测试容器24；在TVS换热器7出口f与喷雾棒20入口之间设置排空支路，并通过第二泄流阀13排空，第二泄流阀13的开度可旁通调节通过喷雾棒20的液体流量；

所述的测试容器24由柱形筒段、底部椭球封头及顶部法兰组成，柱形筒段材质为304不锈钢，壁厚大于等于5mm，直径Ф310mm，高度400mm，测试容器24的压力测试范围为0.1-0.6MPa；测试容器24顶部法兰通过顶部法兰盖密封，顶部法兰盖分别开设喷注液体注入口、液体加注口、安全排气口、主动排气口、取压口及航空插头接口；液体加注口连接液体加注阀17，安全排气口连接安全阀15，主动排气口连接主动排气阀16，喷射液体注入口连接箱内的喷雾棒20，取压口连接压力计18，压力计18通过导线连接集成控制器26；当液体加注阀17打开，外部向测试容器24内注液；安全阀15用于保证测试容器24内不致过压；当主动排气阀16打开，测试容器24向大气泄压；航空插头可实现测试容器24内温度、压力信号的对外输出，测试容器24内部电容式液位计21通过航空插头连接集成控制器26；

测试容器24整体包裹硬质聚氨酯发泡层；测试容器24的顶部法兰内部设置内发泡19，内发泡19为硬质聚氨酯发泡层，用于降低低温容器24内低温流体经过顶部法兰盖的漏热；测试容器24的中心高度位置设置法线正对的可视化窗口22与冷光窗口23；可视化窗口22外布置相机33，用于观测低温容器24内部流体相态；冷光窗口23外布置冷光源32，用于拍摄补光，功率为55W；测试容器24底部设置液体泄流管，泄流管上设置液体泄流阀25，液体泄流阀25通过导线连接集成控制器26；当液体泄流阀25打开，测试容器24内液体可通过液体泄流管排出；集成控制器26收集来自液位计21的液位信号，与测试容器24内需要保持的液位信号进行比对，控制液体泄流阀25的开度。

所述的测试容器24的压力通过智能控制器26对TVS电磁阀4的控制进行调节，控压精度±0.01MPa；当测试容器24内压力超过设定范围时，TVS电磁阀4开启，向测试容器24注入过冷流体；当测试容器24内压力低于设定范围时，TVS电磁阀4关闭，停止注入过冷流体。

所述的可视化窗口22与冷光窗口23均采用双层石英玻璃组成真空腔体，真空腔内压力低于100Pa；内层石英玻璃与测试容器24内部流体接触，外层石英玻璃与环境接触。

所述的第一调节阀2、第一泄流阀12为常温调节阀；第二调节阀5、第二泄流阀13、第三调节阀14、主动排气阀16、液体加注阀17为低温调节阀；TVS电磁阀4、液体泄流阀25为低温电磁阀。

在研究TVS排气时，第二调节阀5与第一泄流阀12开启，第一支路内的低温流体与大气连通，实现排气功能；关闭第二调节阀5与第一泄流阀12，研究贮箱喷射混合控压；对第一支路的调节实现对TVS不同工作模式的切换；低温储罐3为高压液体源，使用挤压喷液替代TVS中的泵驱喷液注入测试容器24。

所述的集成控制器26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测试容器24的液位控制范围与控压范围，以调节TVS电磁阀4与液体泄流阀25的工作状态，并观测测试容器24内压力、温度与液位高度；可编程逻辑控制器采用PID控制，通过设定压力上下限信号与当前压力信号比对，控制TVS电磁阀4的开闭；通过设定液位信号与当前液位信号比对，控制液体泄流阀25的开度，保证喷液过程中液位相对稳定；TVS电磁阀4与液体泄流阀25也能够通过集成控制器26面板设置调节范围。

一种无泵驱动的热力学排气系统流态观测实验装置的方法，包括以下步骤：

步骤一：依次打开第一泄流阀12、第二泄流阀13、第二调节阀5、TVS电磁阀4，采用高压氮气对整个管路部分进行气体置换，持续5min；管路气体置换完成后，打开第一调节阀2，增压气瓶1向低温储罐3增压至目标压力，低温储罐3挤压液氮进入管路，对第一、第二支路进行预冷；关闭TVS电磁阀4、第一泄流阀12、第二泄流阀13、第二调节阀5，对喷雾棒20及连接管路进行气体置换；打开主动排气阀16，通过液体加注阀17向测试容器24通入高压氮气，对测试容器24进行气体置换，持续5min；气体置换完成后，将液体加注阀17保持一定开度，对测试容器24进行预冷至金属壁内侧温度接近液氮饱和温度；开启液体泄流阀25，对排液管路进行预冷；

步骤二：开启真空泵，对可视化窗口22与冷光窗口23的双层石英玻璃腔体抽真空；通过液体加注阀17向测试容器24加注液氮至目标液位，达到目标液位后，关闭液体加注阀17；静置测试容器24，根据测试容器24内的液位高度补充液氮，直至箱内流体达到稳定，液位低于可视化窗口22下沿；

步骤三：关闭液体加注阀17，测试容器24在漏热作用下增压，通过集成控制器26监测并控制测试容器24内的压力变化与液位变化；增压过程中，开启第二调节阀5与第一泄流阀12；当压力达到控压上限时，集成控制器26控制TVS电磁阀4打开，开始TVS喷射控压过程；来自低温储罐3的高压液氮流经TVS电磁阀4后分为两股流，第一股流依次流经第二调节阀5、J-T节流阀6、TVS换热器7、气体流量计9、气体温度传感器10、气体压力传感器11后，经第一泄流阀12排空；第二股流经TVS换热器7、第三调节阀14、喷雾棒20后注入测试容器24，实现喷射与混合控压；集成控制器26根据测试容器24内的液位变化，调节液体泄流阀25的开度，保证测试容器24内液位稳定；待测试容器24内压力达到设定控压下限时，集成控制器26控制TVS电磁阀4、液体泄流阀25关闭，转入漏热增压阶段；

步骤四：关闭第一调节阀2，低温储罐3泄压，调节低温储罐3内部的液体温度；随后开启第一调节阀2，再次建立低温储罐3内高压低温的冷液氮条件；按照步骤一至步骤三操作，开展下一组测试工况；

步骤五：测试结束后，关闭第一调节阀2，低温储罐3泄压；打开主动排气阀16，测试容器24泄压；打开液体泄流阀25，排空测试容器24内全部液体；打开第一泄流阀12、第二泄流阀13、第二调节阀5、TVS电磁阀4、第三调节阀14，采用高压氮气对整个装置进行吹除与复温；结束后撤收实验装置。

通过第二调节阀5的开启与关闭调节，改变TVS的工作模式，分别开展TVS排气混合控压实验与单纯的混合控压实验；

通过设定集成控制器26的控压上下限，调节测试容器24的控压范围；

通过调节液体加注阀17的开启时间，调节集成控制器26的设定液位取值，实现测试容器24内液位调节，依次观测喷射液体与气相混合、喷射液体与液体混合；

通过改变第二调节阀5开度，实现喷雾棒入口过冷度调节，模拟TVS中换热器的不同工况；

通过改变第三泄流阀14开度，实现喷雾棒入口流量调节，模拟TVS中低温泵的变流量工况。

实施例2，参照图3，当通过液体泄流阀25的排液量大或开展液氧、液氢、液甲烷等流体的测试时，通过缓冲容器31蓄留液体泄流阀25排放的低温液体，缓冲容器31连接有排气阀30、液体回流阀29和增压阀28，液体回流阀29和低温储罐3入口g连接，增压阀28和高压气瓶27出口连接；操作中，打开排气阀30，打开液体回流阀29，低温储罐3泄压；来自测试容器24的排液进入缓冲容器31并蓄留在此；待TVS喷射结束后，关闭排气阀30，打开增压阀28，高压气瓶27向缓冲容器31增压，缓冲容器31内蓄留的液体重新被压回低温储罐3，实现液体回收利用，并减少实验中危险气体排放量。

实施例3，参照图4，若仅观测喷注液体在箱内的流场信息，TVS电磁阀4的出口和液氮浴式换热器36入口连接，液氮浴式换热器36出口通过第四调节阀37和第二泄流阀13、喷雾棒20入口连接，液氮浴式换热器36上连接有注液阀34和排气阀35；实验中，打开注液阀34，向液氮浴式换热器36注入液氮；TVS喷射降压过程中，来自低温储罐3的高压液体在液氮浴式换热器36中与液氮池进行换热，获得过冷度，随后在注入测试容器24开展混合控压。

通过上述原理分析，本发明优势在于：①引入高压液体源，采用挤压喷液替代真实TVS中使用的泵驱喷液方式，以更低的成本实现更稳定的注液控压性能，且可排出低温液体泵自身预冷对热力学排气系统工作性能的干扰；②首次实现热力学排气系统射流形态可视化观测，获得最直观的箱内流场信息，其结果有助于更加清晰地揭示TVS工作性能，便于开展结构优化与控制策略设计；③在完全实现TVS基本功能的基础上，设计了便于更换喷射结构的法兰盖结构，及用于实现喷注液体过冷度影响研究的液氮浴式换热器与缓冲容器，使本发明具备极大的拓展性与操作便捷性。

以上实施例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述事例限制，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 (7)

1.一种无泵驱动的热力学排气系统流态观测实验装置，包括增压气瓶（1），其特征在于：增压气瓶（1）通过第一调节阀（2）与低温储罐（3）的入口a连接，低温储罐（3）的出口b连接TVS电磁阀（4）入口，TVS电磁阀（4）控制连接集成控制器（26），TVS电磁阀（4）出口分成两支路：

第一支路通过第二调节阀（5）、J-T节流阀（6）与TVS换热器（7）入口c连接，和TVS换热器（7）入口c对应的TVS换热器（7）出口d连接水浴式汽化器（8）入口，水浴式汽化器（8）出口依次连接气体流量计（9）、气体温度传感器（10）、气体压力传感器（11），随后经第一泄流阀（12）排空；

第二支路连接TVS换热器（7）入口e，和TVS换热器（7）入口e对应的TVS换热器（7）出口f接第三调节阀（14）入口，第三调节阀（14）出口接测试容器（24）的喷雾棒（20）入口，在TVS换热器（7）出口f与喷雾棒（20）入口之间设置排空支路，并通过第二泄流阀（13）排空；

所述的测试容器（24）由柱形筒段、底部椭球封头及顶部法兰组成，测试容器（24）顶部法兰通过顶部法兰盖密封，顶部法兰盖分别开设喷注液体注入口、液体加注口、安全排气口、主动排气口、取压口及航空插头接口；液体加注口连接液体加注阀（17），安全排气口连接安全阀（15），主动排气口连接主动排气阀（16），喷射液体注入口连接箱内的喷雾棒（20），取压口连接压力计（18），压力计（18）连接集成控制器（26）；航空插头实现测试容器（24）内温度、压力信号的对外输出，测试容器（24）内部电容式液位计（21）通过航空插头连接集成控制器（26）；

所述的测试容器（24）整体包裹硬质聚氨酯发泡层；测试容器（24）的顶部法兰内部设置内发泡（19），内发泡（19）为硬质聚氨酯发泡层；测试容器（24）的中心高度位置设置法线正对的可视化窗口（22）与冷光窗口（23）；可视化窗口（22）外布置相机（33）；冷光窗口（23）外布置冷光源（32）；测试容器（24）底部设置液体泄流管，泄流管上设置液体泄流阀（25），液体泄流阀（25）连接集成控制器（26）；

所述的可视化窗口（22）与冷光窗口（23）均采用双层石英玻璃组成真空腔体，真空腔内压力低于100Pa；内层石英玻璃与测试容器（24）内部流体接触，外层石英玻璃与环境接触；

一种无泵驱动的热力学排气系统流态观测实验装置的方法，包括以下步骤：

步骤一：依次打开第一泄流阀（12）、第二泄流阀（13）、第二调节阀（5）、TVS电磁阀（4），采用高压氮气对整个管路部分进行气体置换，管路气体置换完成后，打开第一调节阀（2），增压气瓶（1）向低温储罐（3）增压至目标压力，低温储罐（3）挤压液氮进入管路，对第一、第二支路进行预冷；关闭TVS电磁阀（4）、第一泄流阀（12）、第二泄流阀（13）、第二调节阀（5），对喷雾棒（20）及连接管路进行气体置换；打开主动排气阀（16），通过液体加注阀（17）向测试容器（24）通入高压氮气，对测试容器（24）进行气体置换，气体置换完成后，将液体加注阀（17）保持一定开度，对测试容器（24）进行预冷至金属壁内侧温度接近液氮饱和温度；开启液体泄流阀（25），对排液管路进行预冷；

步骤二：开启真空泵，对可视化窗口（22）与冷光窗口（23）的双层石英玻璃腔体抽真空；通过液体加注阀（17）向测试容器（24）加注液氮至目标液位，达到目标液位后，关闭液体加注阀（17）；静置测试容器（24），根据测试容器（24）内的液位高度补充液氮，直至箱内流体达到稳定，液位低于可视化窗口（22）下沿；

步骤三：关闭液体加注阀（17），测试容器（24）在漏热作用下增压，通过集成控制器（26）监测并控制测试容器（24）内的压力变化与液位变化；增压过程中，开启第二调节阀（5）与第一泄流阀（12）；当压力达到控压上限时，集成控制器（26）控制TVS电磁阀（4）打开，开始TVS喷射控压过程；来自低温储罐（3）的高压液氮流经TVS电磁阀（4）后分为两股流，第一股流依次流经第二调节阀（5）、J-T节流阀（6）、TVS换热器（7）、气体流量计（9）、气体温度传感器（10）、气体压力传感器（11）后，经第一泄流阀（12）排空；第二股流经TVS换热器（7）、第三调节阀（14）、喷雾棒（20）后注入测试容器（24），实现喷射与混合控压；集成控制器（26）根据测试容器（24）内的液位变化，调节液体泄流阀（25）的开度，保证测试容器（24）内液位稳定；待测试容器（24）内压力达到设定控压下限时，集成控制器（26）控制TVS电磁阀（4）、液体泄流阀（25）关闭，转入漏热增压阶段；

步骤四：关闭第一调节阀（2），低温储罐（3）泄压，调节低温储罐（3）内部的液体温度；随后开启第一调节阀（2），再次建立低温储罐（3）内高压低温的冷液氮条件；按照步骤一至步骤三操作，开展下一组测试工况；

步骤五：测试结束后，关闭第一调节阀（2），低温储罐（3）泄压；打开主动排气阀（16），测试容器（24）泄压；打开液体泄流阀（25），排空测试容器（24）内全部液体；打开第一泄流阀（12）、第二泄流阀（13）、第二调节阀（5）、TVS电磁阀（4）、第三调节阀（14），采用高压氮气对整个装置进行吹除与复温；结束后撤收实验装置。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的第一调节阀（2）、第一泄流阀（12）为常温调节阀；第二调节阀（5）、第二泄流阀（13）、第三调节阀（14）、主动排气阀（16）、液体加注阀（17）为低温调节阀；TVS电磁阀（4）、液体泄流阀（25）为低温电磁阀。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：在研究TVS排气时，第二调节阀（5）与第一泄流阀（12）开启，第一支路内的低温流体与大气连通，实现排气功能；关闭第二调节阀（5）与第一泄流阀（12），研究贮箱喷射混合控压；对第一支路的调节实现对TVS不同工作模式的切换；低温储罐（3）为高压液体源，使用挤压喷液注入测试容器（24）。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的集成控制器（26）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测试容器（24）的液位控制范围与控压范围，以调节TVS电磁阀（4）与液体泄流阀（25）的工作状态，并观测测试容器（24）内压力、温度与液位高度；可编程逻辑控制器采用PID控制，通过设定压力上下限信号与当前压力信号比对，控制TVS电磁阀（4）的开闭；通过设定液位信号与当前液位信号比对，控制液体泄流阀（25）的开度，保证喷液过程中液位相对稳定；TVS电磁阀（4）与液体泄流阀（25）也能够通过集成控制器（26）面板设置调节范围。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：通过第二调节阀（5）的开启与关闭调节，改变热力学排气系统的工作模式，分别开展热力学排气系统排气混合控压实验与单纯的混合控压实验；

通过设定集成控制器（26）的控压上下限，调节测试容器（24）的控压范围；

通过调节液体加注阀（17）的开启时间，调节集成控制器（26）的设定液位取值，实现测试容器（24）内液位调节，依次观测喷射液体与气相混合、喷射液体与液体混合；

通过改变第二调节阀（5）开度，实现喷雾棒入口过冷度调节，模拟热力学排气系统中换热器的不同工况；

通过改变第三调节阀（14）开度，实现喷雾棒入口流量调节，模拟热力学排气系统中低温泵的变流量工况。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：当通过液体泄流阀（25）的排液量大或开展液氧、液氢、液甲烷流体的测试时，通过缓冲容器（31）蓄留液体泄流阀（25）排放的低温液体，缓冲容器（31）连接有排气阀（30）、液体回流阀（29）和增压阀（28），液体回流阀（29）和低温储罐（3）入口g连接，增压阀（28）和高压气瓶（27）出口连接；操作中，打开排气阀（30），打开液体回流阀（29），低温储罐（3）泄压；来自测试容器（24）的排液进入缓冲容器（31）并蓄留在此；待热力学排气系统喷射结束后，关闭排气阀（30），打开增压阀（28），高压气瓶（27）向缓冲容器（31）增压，缓冲容器（31）内蓄留的液体重新被压回低温储罐（3），实现液体回收利用。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：若仅观测喷注液体在箱内的流场信息，TVS电磁阀（4）出口和液氮浴式换热器（36）入口连接，液氮浴式换热器（36）出口通过第四调节阀（37）分别和第二泄流阀（13）、喷雾棒（20）入口连接，液氮浴式换热器（36）上连接有注液阀（34）和排气阀（35）；实验中，打开注液阀（34），向液氮浴式换热器（36）注入液氮；热力学排气系统喷射降压过程中，来自低温储罐（3）的高压液体在液氮浴式换热器（36）中与液氮池进行换热，获得过冷度，随后在注入测试容器（24）开展混合控压。

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