地面模拟空中运动载荷下蒸汽冷凝测试装置及方法

摘要

一种利用旋转平台模拟空中运动载荷下冷凝蒸汽的测试方法及装置，属于两相流实验技术领域。运动载荷通过地面旋转平台模拟得到，调节平台旋转速度从而获得不同大小的空中机动载荷。本方法由四个主要部分组成：旋转平台、蒸汽回路、冷却剂回路和实验测试、数据采集保存设备。本方法及装置可以在地面条件下模拟研究空中运动载荷下的蒸汽冷凝。

说明书

技术领域

地面模拟空中运动载荷下蒸汽冷凝测试装置及方法，属于两相流实验测量技术领域，涉及到空中运动载荷地面模拟平台、蒸汽生成及冷凝方法、蒸汽冷凝过程拍摄和流体参数测量方法的新技术。

背景技术

航空航天技术是一个国家技术发展水平的重要标志。航空航天领域中，大功率高集成电子电气设备的装机，虽然提高了飞行器的总体性能和作战能力，但却带来了几十千瓦的发热载荷，其发热量是原先的几十倍，致使空气循环系统难以达到其设备的冷却要求，需要更好的能量管理和制冷系统。蒸发制冷循环中两相流介质利用潜热传递可以满足这一要求。早在上个世纪的七八十年代西方先进国家就酝酿用液冷和蒸发循环制冷系统的想法。作战飞机的高机动性使得蒸发循环系统管道中的两相流流动规律、传热特性及传质性能较地面固定设备，都发生了很大的变化。如同微重力下两相流具有明显特色一样，动载作用下的气液两相流的沸腾和凝结有其独特性能。凝结换热影响因素较多，换热机理复杂，受过载作用力的影响，表面张力及界面切应力将发生明显变化，其两相流凝结过程中的环状流、间隙流、波状流、弹状流、分层柱塞、珠状凝结等流动变化特性及其流阻特性将凸显出来。流型、流动稳定性、液膜剥离、凝珠汇流将发生打的变化。结果使其流动和传热传质特性更趋复杂。流动和传热的不稳定性，对蒸发器和冷凝器烧毁、震动，压缩机震动、液击等不利影响起到推波助澜之作用。动载作用下两相流的复杂性成了其设备发展瓶颈，进而影响到其在航空航天技术上的应用。由于其复杂性，蒸发循环环控系统排在五种环控系统的末尾。但它难以替代的大制冷能力及低能耗又极其诱人。经过多年的努力，蒸发制冷系统已应用在F-15A、F-22、Grumman E-2C等有限的几种作战飞机上。机载蒸发循环制冷子系统目前仍是西方先进国家飞行器环境控制系统研究的重点。由于保密缘故，很难获得该体统具体的研究数据。我国高性能战斗机及大型运输机的发展，迫切需要为机载电子设备提供一个合适的工作环境，提高其可靠性和使用寿命。机载蒸发循环系统的研发，势在必行。

飞行器的加速和机动飞行中，过载可以达到9个G或更高。这些动载荷必然作用于飞行器中的每个系统、每个部件、每个成员。机载蒸发循环系统及其主要部件一一压缩机、蒸发器、冷凝器毫不例外要受到过载的作用。制冷剂的蒸发、凝结及流动和传热过程都会受到动载作用的影响，进而影响部件和系统的性能。所以，蒸发制冷循环系统的设计和运行的可靠性，将在很大程度上依赖于动载作用下制冷剂的冷凝机理的充分认识。因此，动载作用下蒸汽的冷凝研究就显得尤为重要。

现阶段蒸汽冷凝实验研究大多停留在地面静止状态，这样得到的实验结果不能满足飞机机动飞行时产生动载状态的要求。动载的出现，使得地面上的很多研究成果在飞机上并不一定仍然成立，静止方式的实验方法的缺陷是无法实现动载对于蒸汽冷凝性能的影响，因此我们要得到在飞机上仍然适合的实验结果，实验环境必须要有动载作用。对于飞行动载作用下的蒸汽冷凝研究方面，鲜见相关的研究报道。这主要是因为飞行动载状态的实现有一定的困难。

为了实现动载状态，现今许多包含飞行载荷状态的实验往往需要把整套设备和测量仪器都安装到飞机上进行跟机实验。因为飞行载荷是由飞机高速机动飞行时转弯所产生的向心力造成的，所以在进行飞行载荷状态下的实验时，飞机只有长时间地做加速、减速、高速转弯、横滚、快速俯冲拉起等危险动作才会获得持续的过载。这种情况下进行实验的安全性比较差，容易发生飞行事故和损坏实验设备。此外由于只有适合飞行条件的天气出现时飞机才能上天飞行，导致跟机实验受天气的影响较大；还有就是跟机实验次数越多，飞行次数也就越多，实验成本就会相应很高。

虽然现在已经有入设想在地面利用长直轨道加速以模拟飞行动载状态，可以不必进行跟机实验，但是由于这种方法需要上千米长的加速轨道，占用了很大的实验空间，实现起来很不容易，而且动载的大小也很难依据实验的要求进行实时调节。动载作用下两相流的地面模拟方法还没有实现，能够在动载条件下有效地进行两相流数据采集和实时检测的方法仍在探索中。

申请号为200810018737.0的发明专利申请公开了一种飞行载荷作用下两相流地面模拟测试方法及装置，该方法利用飞行动载模拟平台模拟飞机动载状态，通过调整转盘的旋转速度获得不同的向心加速度，以模拟飞行载荷状态。该装置由飞行动载模拟平台及两相流测试系统组成。其中两相流测试系统由流动水循环系统、流体参数测量系统及数据采集保存系统组成。该装置能够实现本方法及装置仅能实现沸腾水两相流，或掺杂空气的沸腾水三相流的实验研究，但是不能实现蒸汽冷凝实验研究。而蒸汽冷凝实验研究能够获得运动动载下管内气液两相流凝结过程中的环状流、间隙流、波状流、分层柱塞、珠状凝结、相间参杂特征及流阻特性；获得运动动载下流动凝结过程中液膜形成、增长、变化及其凝结液滴形成、凝珠汇流变化的运动规律；获取运动动载下两相流的传热传质特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在地面上建立并可以实现飞行载荷作用下蒸气冷凝地面模拟测试装置及方法。

一种地面模拟空中运动载荷下蒸汽冷凝测试装置，由飞行动载模拟平台以及安装于平台上的多相流实验系统组成，其中飞行动载模拟平台由转盘、电动机、调速装置、机架组成；其特征在于：上述两相流蒸汽冷凝测试系统，它包括蒸汽回路、低温冷却剂回路、测试设备、实验数据采集保存设备；上述蒸汽回路包括高压水箱；其中高压水箱包括设有高压腔进气口和高压腔出水口的高压腔，及设有低压腔进气口和低压腔进水口的低压腔；上述高压水箱通过高压腔出水口依此连接一次加热器、二次加热器、透明试验管，再流回低压腔进水口；上述高压腔进气口还与第一气瓶相连，上述低压腔进气口还与第三气瓶相连；上述低温冷却剂回路包括低压水箱；其中低压水箱也包括设有高压腔进气口和高压腔出水口的高压腔，及设有低压腔进气口和低压腔进水口的低压腔；上述低压水箱通过高压腔出水口依此连接冷却套管、制冷机组流回上述低压腔进水口；上述高压腔进气口还与第二气瓶相连，上述低压腔进气口还与第三气瓶相连；上述冷却套管套于上述透明试验管外部组成试验管段；上述测试设备包括电磁流量计、压力传感器、压差传感器、温度传感器、空隙率测试仪、即时转速测试仪；上述实验数据采集保存设备包括数据采集模块、高速相机、笔记本电脑。

利用上述地面模拟空中运动载荷下蒸汽冷凝测试装置的拟测试方法，其特征包括以下过程：(1)、利用飞行动载模拟平台模拟飞行器机动状态，通过调节平台转速获得不同大小的动载荷，从而模拟飞行器机动时的动载状态；(2)利用多相流实验系统进行蒸汽冷凝测试实验研究。

工作原理：高压气瓶将蒸汽回路水箱的水挤压出后流经一次加热器加热，接着流入二次加热器，再流入试验管段，由于一次加热器的加热量不足以把水加热到沸腾状态并产生许多蒸汽，因此设置二次加热器，水在二次加热器内被全部转换成蒸汽，从而流入透明试验管，然后通过管路流回水箱，形成一个循环水系统。透明试验管前后安装压力传感器、压差传感器、电磁流量计、空隙率测试仪和温度传感器。所有测量流体参数的传感器通过数据采集模块和笔记本电脑连接，这样实验数据就可以实时的保存下来。实验过程中通过调整旋转台的转动速度，获得不同的水平向心加速度，以模拟不同的飞行过载。蒸汽凝结及其测试系统均固定在旋转平台上，进而实现动载作用蒸汽的凝结、流动和换热性能实验。本实验平台的输运动力未采用水泵而是用的性能更加稳定的气瓶，这样做的目的是减少平台的震动，从而减少震动对各精密传感器的机械影响和电磁影响，使得实验数据可靠性更高。

上述蒸汽回路中在一次加热器前可以安装一个气液混合器，气液混合器的一个入口与高压水箱出水口相连，另一入口与第一气瓶相连，其出口与所描述的一次加热器连接。这样组成一条进气支路。它的作用在于可以在蒸汽中混入一定量的空气，用以进行空气、蒸汽、水三相流实验研究。研究更加复杂的流动、凝结和换热情况。

上述飞行动载模拟平台上还可以装有即时转速测试装置。调节平台转速可以获得不同的动载荷，同时安装在平台上的即时转速测试装置能够感知平台的即时转速，并通过数据采集系统随时记录下来。

上述空中运动载荷作用下蒸汽冷凝地面模拟测试装置，透明实验管段可径向或周向布置或垂直布置，并可调节其倾斜的角度，从而模拟不同方向上的动载荷。径向时流体流动方向与转台直径方向一致，与过载方向相同或相反，可模拟飞行器直线加速或减速时的情形。周向时实验测试管段沿圆周方向布置，流体流动方向沿管段与转台的圆周切线方向一致，与过载方向垂直，可模拟飞行器快速转弯、俯冲或拉起时的情形。垂直时实验管段与平台面垂直布置，流体流动方向与平台垂直，可模拟飞行器做翻滚动作。

上述空中机动载荷作用下蒸汽冷凝地面模拟测试装置，在透明测试管附近设置有高速数码摄像机，可以拍摄和记录透明试验管中蒸汽的凝结和流动状态。

利用旋转平台可以在地面模拟空中机动载荷。将其与蒸汽冷凝实验系统相结合，实现了飞行动载下的蒸汽凝结、流动和传热性能的地面实验研究。

利用旋转平台可以在地面模拟空中机动载荷，解决了机动载荷实验必须上飞机做的问题，与通过飞机长时间地做高机动的危险动作来产生动载状态的方法相比，安全性要好，不容易损坏实验设备，不会发生飞行事故。相对于飞行实验的很高的实验费用，节约了很大的成本，动载大小可以根据实验要求改变转速而进行调节，动载大小可以控制，动载方向可以通过改变透明测试管段的摆放位置而调节，同时实验设备安装在室内，因此实验时间不受天气状况的影响。

利用旋转平台模拟运动载荷状态相对于用直轨道加速运动的动载模拟方法有很大的优点。转动平台的动载模拟可以在普通实验室进行，不需要很长的加速轨道，相对于直线加速上千米长的轨道，旋转平台节省了空间和费用，比较容易实现且受环境影响较小。

运动载荷下的蒸汽冷凝测试装置可以在动载变化过程中很好地实现、控制与测量，进行实时的数据采集与保存，通过实验结果和静止状态对比可以得到动载状态对于蒸汽冷凝的影响，解决了动载状态条件下难以实现的电力传递、循环流动、加热和实时监控测试问题。该系统具有蒸汽生成和凝结测试功能。可以实时测量流动空隙率并将测试的数据实时保存在笔记本电脑中。实验测试管采用透明耐高温玻璃管，可以看到内部流体的流动情况，通过高速数码摄像机可以拍摄记录透明管中蒸汽冷凝和流动状态。

综上所述，与直轨道加速和飞行实验相比，该项发明使得动载作用下蒸汽冷凝、流动和传热特性实验更容易控制、更经济、更安全。蒸汽冷凝测试装置可控性强，实时性好。

通过地面模拟空中运动载荷下蒸汽冷凝测试装置，我们能够获得运动动载下管内气液两相流凝结过程中的环状流、间隙流、波状流、分层柱塞、珠状凝结、相间参杂特征及流阻特性；获得运动动载下流动凝结过程中液膜形成、增长、变化及其凝结液滴形成、凝珠汇流变化的运动规律；获取运动动载下两相流的传热传质特性。

气瓶动力的使用使得地面模拟空中运动载荷下蒸汽冷凝测试装置工作时震动更小，性能更加稳定，从而减少震动对各精密传感器的机械影响和电磁影响，使得实验数据可靠性更高；气液混合器的加入拓宽了地面模拟空中运动载荷下蒸汽冷凝测试装置的使用范围，提升了平台的使用价值；同时本平台还能获得即时动载荷的大小，更加有利于实验数据的分析；对于模块化的试验段布置，更可以按照实验的要求任意角度安装，便于研究不同方向动载荷下的蒸汽冷凝实验数据。

附图说明

图1是空中运动载荷模拟装置示意图。其中图1(a)为主视图，图1(b)为俯视图。其图中标号名称：1、机架；2、防护网；3、转盘；4、电刷装置；5、电动机；9、护栏。

图2是蒸汽冷凝实验系统示意图。其中图2中粗实线代表管路，虚线代表信号或信号采集线路。其图中标号名称：11、低压水箱；12、高压水箱；13、第二气瓶；14、第一气瓶；15、第三气瓶；16、电磁流量计；17、电磁阀；18、气液混合器；19、一次加热器；20、二次加热器；21、透明试验管；22、冷却套管；23、高速摄像机；24、空隙率测试仪；25、数据采集模块；26、笔记本电脑；27、配电箱；28、即时转速测试仪；29、制冷机组；30、泄压阀。

图3是透明测试管段示意图。图中箭头所示分别为蒸汽入口和冷却水入口；图中T代表温度测点位置分布；P代表压力测点位置分布；代表空隙率测点位置分布。

具体实施方案

结合图1进一步介绍空中运动载荷模拟实验平台的组成。实验平台的高速旋转要求实验装置要有很牢固的水泥地基。电动机5和转盘3都固定在机架1上，这样才可以保证整个平台在运行的时候牢固、平稳。转盘3通过轴承与机架1连接，转盘3的中轴通过皮带和电动机5连接起来，电动机5通过皮带带动平台高速旋转，转台的转速通过即时测速装置获得其转速，从而得知其动载大小。电动机5的转速由变频器来控制和调节，变频器安装在平台的外面。由于电动机5用的是三相动力线，所以整个平台的电线要有接地保护。由于转盘3高速旋转，实验不可避免的带有一定的危险性。为保障实验过程的安全，在建有防护墙的情况下，安装了不锈钢制的防护网。

结合图2进一步介绍蒸汽冷凝地面模拟测试装置的组成。第一气瓶14将蒸汽回路的水挤压进回路，流经电磁流量计16、电磁阀17进入一次加热器19加热至沸腾，再流入二次加热器20再次加热将水转变为蒸汽，蒸汽再流入透明试验管21对其冷凝，然后冷凝过的水流回高压水箱12，这样形成一个循环回路系统。透明测试管前后安装压力传感器、压差传感器、电磁流量计、空隙率测试仪和温度传感器。冷却回路的第二气瓶13将低压冷却水回路的水压进冷却回路，进入冷却套管22冷却蒸汽，再经过制冷机组29将水温降至正常，之后又流回低压冷却水箱11。所有测量流体参数的传感器通过数个数据采集模块25和笔记本电脑26相连接，这样实验数据就可以保存下来。实验过程中可以调节转盘的速度获得不同的机动载荷，通过即时转速测试仪28可以测得转盘的即时转速，从而获得即时的动载大小。透明实验管段可径向或周向布置或垂直布置，并可调节其倾斜的角度。径向时流体流动方向与转台直径方向一致，与过载方向相同或相反，可模拟飞行器直线加速或减速时的情形。周向时实验测试管段沿圆周方向布置，流体流动方向沿管段与转台的圆周切线方向一致，与过载方向垂直，可模拟飞行器快速转弯、俯冲或拉起时的情形。垂直时实验管段与平台面垂直布置，流体流动方向与平台垂直，可模拟飞行器做翻滚动作。

蒸汽冷凝管路系统及其测试系统均固定在空中运动载荷模拟实验平台上，进而实现动载作用下蒸汽冷凝、流动和换热性能的实验。

上述蒸汽回路中在一次加热器19前可以安装一个气液混合器18，气液混合器的一个入口与电磁阀17出水口相连，另一入口与第一气瓶14相连，其出口与所描述的一次加热器19连接。这样组成一条进气支路。它的作用在于可以在蒸汽中混入一定量的空气，用以研究更加复杂的具有三相的流动、凝结和换热情况。

平台上所有设备用电都由配电箱17供给。

结合图2及3所示，进一步介绍透明试验管21内传感器位置。如图所示在透透明试验管21的内壁分别设有5个测温面，温度传感器的探头伸入透明试验管21内壁。5个测温面第一个用来测量蒸汽冷凝前的流体温度，第2、3、4个用来测量冷凝中的流体温度，最后一个用来测量冷凝后的流体温度。