CN114526890B - 一种低温流体毛细输运性能的可视化实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温流体毛细输运性能的可视化实验装置，涉及推进剂管理技术领域，包括真空腔、补液腔、实验腔、低温可视化模块、充注排放模块和数据采集系统；其中，真空腔内部设置有补液腔和实验腔，用以降低可视化实验装置漏热；补液腔外置于实验腔，保证实验腔内气液两相的温度均匀性；实验腔和充注排放模块连接，内部充有液氮和高压气体；低温可视化模块实现捕捉和记录实验腔内部纯液输运过程或气液两相分离失效过程中的图像；充注排放模块用于向实验腔内充注液氮和高压气体，并驱动液氮流出；数据采集系统用于监测和记录实验数据。本发明可实现低温流体系统相分离性能和液体输运性能的研究，拆装方便，充注率可控，输运效果可视。

Description

一种低温流体毛细输运性能的可视化实验装置

技术领域

本发明涉及推进剂管理技术领域，尤其涉及一种低温流体毛细输运性能的可视化实验装置。

背景技术

低温推进剂在轨管理和液体获取是实现未来深空探测等大型飞行任务的重要保障。低温推进剂的表面张力和汽化潜热较低，极易蒸发。同时飞行器在轨长期处于微重力环境，气液相界面分布不确定，内外因共同作用导致低温推进剂在轨取用困难。因此必须发展低温推进剂的在轨管理技术，适应微重力环境下低温推进剂贮箱中气液分布不连续、不确定的状况，进行高效的气液分离、供给发动机启动所需的液体燃料，保证航天器顺利完成各项复杂运动。网幕通道式液体获取装置能够充分利用微重力环境中起主导作用的表面张力，在旋转、加速等更恶劣的加速度环境中保持中高流速的纯液推进剂获取效率，被认为是未来实现低温流体空间气液分离的最佳选择。但是目前国内外相关研究仍处于起步阶段，网幕规格、通道截面尺寸、工质物性等参数对液体获取效率的影响规律仍为空白。受微重力实验的成本和效率限制，需要建立地面实验系统对网幕通道式液体获取装置的相分离性能和液体获取性能进行分析研究。

通过检索现有的相关技术发现，关于低温流体毛细管理技术的专利较少，已有专利关注于网幕通道结构的设计(发明专利：CN112983677A，2021-06-18)、低温贮箱内网幕通道的布置形式(发明专利：CN108854166B，2018-11-23)、多孔网幕的性能测试(发明专利：110553969B，2019-12-10；发明专利：111855909B，2020-10-30)等方面。针对低温流体毛细管理装置的系统相分离性能和液体输运性能测试的技术较少，发明专利号为CN113176379A的专利公开了一种测试反重力液体获取性能的实验装置，通过增压供液和抽吸供液的方式对网幕通道式液体获取装置内部压力的控制，获取网幕参数、尺寸规格、工质物性、驱动方式等参数对液体获取效率的定量影响规律。但该装置仅针对常温工况，无法进行低温流体的反重力输运实验。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种适用于低温流体的毛细输运性能的可视化实验装置。该实验装置对环境要求较高，需要维持实验装置内的液氮温区环境，控制低温流体的蒸发，进而实现网幕通道等形式的低温流体管理装置的系统相分离性能和液体输运性能的研究。同时还需要集成可视化监测与记录功能，直观记录相分离失效的临界状态。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种低温流体毛细管理装置的系统相分离性能和液体输运性能研究的实验装置，能够控制实验环境中低温流体的蒸发、维持气液两相的温度均匀性，并能够进行可视化直观鉴别相分离失效临界状态。

为实现上述目的，本发明提供了一种低温流体毛细输运性能的可视化实验装置，其特征在于，包括真空腔、补液腔、实验腔、低温可视化模块、充注排放模块和数据采集系统；其中，所述真空腔内部设置有所述补液腔和所述实验腔，所述真空腔用以降低所述可视化实验装置漏热；所述补液腔外置于所述实验腔，所述补液腔设置为保证所述实验腔内气液两相的温度均匀性；所述实验腔和所述充注排放模块连接，所述实验腔内部充有液氮和高压气体；所述低温可视化模块实现捕捉和记录图像，所述图像为所述实验腔内部纯液输运过程或气液两相分离失效过程中的图像；所述充注排放模块用于向所述实验腔内充注所述液氮和所述高压气体，并驱动所述液氮流出；所述数据采集系统用于监测和记录实验数据。

更进一步地，所述真空腔包括腔体、真空腔法兰端盖和抽真空口组成，所述真空腔法兰端盖设置在所述真空腔的底部，所述真空腔设置为外接真空泵，所述真空泵用以维持所述真空腔内部的真空环境。

更进一步地，所述补液腔与所述实验腔通过低温管路连通，所述低温管路上布置低温调节阀，所述低温调节阀用于控制所述实验腔内所述液氮的充注率。

更进一步地，所述实验腔包括不锈钢筒体和实验腔法兰端盖，所述实验腔法兰端盖布置在所述实验腔底部，所述实验腔法兰端盖内侧与所述充注排放模块的网幕通道通过可拆卸的方式相连，所述实验腔法兰端盖外侧与所述充注排放模块相连，控制所述实验腔内部的压力环境和液氮充注率。

更进一步地，所述低温可视模块包含可视管段和可视观察窗，所述可视管段布置于所述真空腔内部，所述可视管段与所述网幕通道出口相连通；所述可视视察窗固定于所述真空腔体侧壁面，用于观测所述可视管段内的所述液氮流动情况。

更进一步地，所述可视管段利用可伐合金将玻璃管焊接在金属管上，所述可视管段上设置有连接波纹管。

更进一步地，所述可视管段的所述玻璃管为石英玻璃管，所述金属管为不锈钢管。

更进一步地，所述充注排放模块包含高纯气体储罐、液氮增压杜瓦、进气加压管、进液管、低温调节阀、所述网幕通道、排空安全阀、排液管和补液腔排气管；其中，所述高纯气体储罐与所述实验腔连通，用于向所述实验腔内进气加压，所述液氮增压杜瓦通过所述进液管与所述补液腔相连，用于向所述补液腔内充注所述液氮，所述低温调节阀连通所述补液腔和所述实验腔，所述低温调节阀用于向所述实验腔内充注所述液氮，并在实验过程中持续补液以维持充注率恒定，所述网幕通道与所述可视管段相连，所述网幕通道与所述可视管段共同连接在所述排液管上。

更进一步地，所述网幕通道包括不锈钢侧壁面、金属多孔网幕侧壁面、不锈钢底面、毛细管出口顶面，所述网幕通道采用出口在上的形式竖直布置于所述实验腔中，所述网幕通道为空心通道。

更进一步地，所述数据采集系统包括温度传感器、压差变送器、流量传感器和数据采集仪；其中，两组所述温度传感器分别布置于所述实验腔和所述补液腔中，两个所述压差变送器分别布置在所述网幕通道的顶部和底部，用于测量所述网幕通道内外压差，所述流量传感器布置于所述真空腔外的换热器之后，用于测量所述液氮的获取流量。

在本发明的较佳实施方式中，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用实验腔法兰倒置、补液腔外置于实验腔的布置形式，能够有效控制实验腔内低温流体的蒸发，降低实验腔体内的气液两相温差，保证实验腔体内的温度均匀性，避免经网幕通道获取的纯液工质流出到可视段过程受到热影响；

2、本发明将可视模块利用可伐合金将玻璃管焊接在金属管上，提供液输运过程或气液两相分离失效过程的可视界面；

3、本发明提供一种可实现网幕通道等形式的低温流体毛细管理装置的系统相分离性能和液体输运性能研究的可视化实验装置，具有拆装方便、充注率可控、控制精度高、输运效果可视等优点。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明可视化实验装置系统示意图。

其中，1-真空腔，2-补液腔，3-实验腔，4-高纯气体储罐，5-液氮增压杜瓦，6-进气加压管，7-进液管，8-低温调节阀，9-上压差变送器，10-下压差变送器，11-网幕通道，12-实验腔温度计测杆，13-排空安全阀，14-可视视察窗，15-可视管段，16-排液管，17-换热器，18-流量计，19-补液腔温度计测杆，20-补液腔排气管。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，一种低温流体毛细输运性能的可视化实验装置，包括真空腔1、补液腔2、实验腔3、低温可视化模块、数据采集系统、充注排放模块。其中，真空腔1包括腔体、真空腔法兰端盖和抽真空口组成，真空腔法兰端盖设置在真空腔的底部，真空腔外接真空泵，用以维持所述真空腔内部的真空环境。补液腔2与实验腔3通过低温管路连通，低温管路上布置低温调节阀8，低温调节阀8用于控制实验腔3内部液氮的充注率。实验腔3包括不锈钢筒体和实验腔法兰端盖，实验腔3呈倒置型，实验腔法兰端盖布置在实验腔3底部，实验腔法兰端盖内侧与充注排放模块的网幕通道11通过可拆卸的方式相连，实验腔法兰端盖外侧与充注排放模块相连，控制所述实验腔3内部的压力环境和液氮充注率。低温可视模块包含可视管段15和可视观察窗14，可视管段15布置于真空腔3内部，可视管段15与网幕通道11出口相连通，可视视察窗14固定在真空腔1的侧壁面，用于观测可视管段15内的液氮流动情况。可视模块15利用可伐合金将玻璃管焊接在金属管上，可视管段15上设置有连接波纹管，避免玻璃管部分直接受力。充注排放模块包含高纯气体储罐4、液氮增压杜瓦5、进气加压管6、进液管7、低温调节阀8、网幕通道11、排空安全阀13、排液管16和补液腔排气管20。低温可视化模块包括可视视察窗14和可视管段15。数据采集系统包括上压差变送器9、下压差变送器10、实验腔温度计测杆12、换热器17、流量计18、补液腔温度计测杆19。

如图1所示，实验腔3采用倒置法兰、补液腔2外置于实验腔3的布置形式，用于维持实验腔3内的温度均匀性。

如图1所示，高纯气体储罐4与实验腔3经进气管6相连，保障实验腔内的压力条件；液氮增压杜瓦5与补液腔2经进液管7相连，用于向补液腔2内充注液氮；低温调节阀8连通补液腔2和真空腔1，用于向实验腔3内充注液氮，并在实验过程中持续补液以维持充注率恒定。

如图1所示，网幕通道11与可视管段15相连，二者共同连接在排液管16上。实验过程中，液体将沿网幕通道11流出，随后经过可视管段15，由可视视察窗14观测流出液体为纯液工质或气液两相工质，由此判断网幕通道式液体获取装置的临界相分离状态。

如图1所示，上压差变送器9和下压差变送器10布置在网幕通道11的顶部和底部，用于测量网幕通道11不同位置处的压降；实验腔温度计测杆12和补液腔温度计测杆19用于测量实验腔3和补液腔2内的温度和液位高度；换热器17与流量计18串联，液氮在换热器17复温至室温后，经流量计18测量氮气流量，进而换算获得液氮的获取流量。数据采集系统用于目标参数的采集、信号转换和处理，所有测量元件均接入同一台数据采集仪，所得数据导入数据处理计算机进行分析。

在一些优选实施例中，可视管段15的玻璃管可优选为石英玻璃管，其中的金属管优选为不锈钢管。

在一些优选实施例中，网幕通道11包括不锈钢侧壁面、金属多孔网幕侧壁面、不锈钢底面、毛细管出口顶面，网幕通道11采用出口在上的形式竖直布置于实验腔3中，网幕通道11为空心通道。

在本实施例的实验装置运行过程中，液氮经充注排放模块，从液氮增压杜瓦5注入到补液腔2和实验腔3内部，随后再将高纯气体由高纯气体储罐4注入实验腔3内，实验腔3内的液体在高纯气体的压力驱动下，穿过多孔网幕进入网幕通道11，并沿网幕通道11从下向上输运至网幕通道11出口，最后穿过实验腔3，流经可视管段15后从真空腔1排出。

本实施例的用于研究网幕通道式低温流体反重力输运性能的可视化实验装置，采用进气加压的方法对网幕通道内的压降、纯液获取流量以及系统整体的相分离性能进行研究，同时结合可视化模块设计直观记录相分离失效的临界状态。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种低温流体毛细输运性能的可视化实验装置，其特征在于，包括真空腔、补液腔、实验腔、低温可视化模块、充注排放模块和数据采集系统；其中，所述真空腔内部设置有所述补液腔和所述实验腔，所述真空腔用以降低所述可视化实验装置漏热；所述补液腔外置于所述实验腔，所述补液腔设置为保证所述实验腔内气液两相的温度均匀性；所述实验腔和所述充注排放模块连接，所述实验腔内部充有液氮和高压气体；所述低温可视化模块实现捕捉和记录图像，所述图像为所述实验腔内部纯液输运过程或气液两相分离失效过程中的图像；所述充注排放模块用于向所述实验腔内充注所述液氮和所述高压气体，并驱动所述液氮流出；所述数据采集系统用于监测和记录实验数据；

所述低温可视化模块包含可视管段和可视观察窗；

所述实验腔包括不锈钢筒体和实验腔法兰端盖，所述实验腔法兰端盖布置在所述实验腔底部，所述实验腔法兰端盖内侧与所述充注排放模块的网幕通道通过可拆卸的方式相连，所述实验腔法兰端盖外侧与所述充注排放模块相连，控制所述实验腔内部的压力环境和液氮充注率；

所述充注排放模块包含高纯气体储罐、液氮增压杜瓦、进气加压管、进液管、低温调节阀、所述网幕通道、排空安全阀、排液管和补液腔排气管；其中，所述高纯气体储罐与所述实验腔连通，用于向所述实验腔内进气加压，所述液氮增压杜瓦通过所述进液管与所述补液腔相连，用于向所述补液腔内充注所述液氮，所述低温调节阀连通所述补液腔和所述实验腔，所述低温调节阀用于向所述实验腔内充注所述液氮，并在实验过程中持续补液以维持充注率恒定，所述网幕通道与所述可视管段相连，所述网幕通道与所述可视管段共同连接在所述排液管上。

2.如权利要求1所述的可视化实验装置，其特征在于，所述真空腔包括腔体、真空腔法兰端盖和抽真空口组成，所述真空腔法兰端盖设置在所述真空腔的底部，所述真空腔设置为外接真空泵，所述真空泵用以维持所述真空腔内部的真空环境。

3.如权利要求1所述的可视化实验装置，其特征在于，所述补液腔与所述实验腔通过低温管路连通，所述低温管路上布置低温调节阀，所述低温调节阀用于控制所述实验腔内所述液氮的充注率。

4.如权利要求1所述的可视化实验装置，其特征在于，所述可视管段布置于所述真空腔内部，所述可视管段与所述网幕通道出口相连通；所述可视观察窗固定于所述真空腔侧壁面，用于观测所述可视管段内的所述液氮流动情况。

5.如权利要求4所述的可视化实验装置，其特征在于，所述可视管段利用可伐合金将玻璃管焊接在金属管上，所述可视管段上设置有连接波纹管。

6.如权利要求5所述的可视化实验装置，其特征在于，所述可视管段的所述玻璃管为石英玻璃管，所述金属管为不锈钢管。

7.如权利要求6所述的可视化实验装置，其特征在于，所述网幕通道包括不锈钢侧壁面、金属多孔网幕侧壁面、不锈钢底面、毛细管出口顶面，所述网幕通道采用出口在上的形式竖直布置于所述实验腔中，所述网幕通道为空心通道。

8.如权利要求1所述的可视化实验装置，其特征在于，所述数据采集系统包括温度传感器、压差变送器、流量传感器和数据采集仪；其中，两组所述温度传感器分别布置于所述实验腔和所述补液腔中，两个所述压差变送器分别布置在所述网幕通道的顶部和底部，用于测量所述网幕通道内外压差，所述流量传感器布置于所述真空腔外的换热器之后，用于测量所述液氮的获取流量。

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