深低温环境下控制氮液滴作为示踪粒子的可视化实验装置

摘要

本发明公开了一种深低温环境下控制氮液滴作为示踪粒子的可视化实验装置，属于流场测量技术领域，包括：高温高压氮气源、低温液氮源、换热器、Laval喷管、真空罐、第一接管、第二接管及控制模块；高温高压氮气源及低温液氮源分别与所述换热器连接；第一接管的一端连接换热器，另一端穿过真空罐的一端连接Laval喷管的进气端，Laval喷管的出气端通过第二接管穿过真空罐的另一端；控制模块用于通过调整高温高压氮气与低温液氮的流量改变所述Laval喷管进气端以及内部低温高压氮气的温度及压力，控制自发凝结时氮液滴的粒径和浓度在设定的范围内。本发明的装置实现了氮液滴自发凝结的可视化以及在深低温环境中将氮液滴作为低温风洞实验中的示踪粒子的控制方法研究。

说明书

技术领域

本发明属于流场测量技术领域，更具体地，涉及一种深低温环境下控制氮液滴作为示踪粒子的可视化实验装置。

背景技术

非接触式流场测量技术，是利用示踪粒子反映流场表面流动速度的测量技术，通过捕捉外加的示踪粒子来间接反映流场速度，常用于风洞实验中。深低温条件下需要考虑示踪粒子的积聚成团效应，因此目前低温风洞流场示踪研究中最常用的示踪粒子仅有油基粒子和冰粒子。

然而，油滴会附着并渗入绝热材料，难以彻底清除，将对风洞的内绝热材料和部件产生影响，造成永久性损害，因此油基粒子并不完全适合连续式内绝热低温风洞。冰粒子在深低温下积聚现象明显增强，导致粒径过大，粒子分布不均，与流场的跟随性变差，此外，残存在洞内的冰粒子在复温过程中形成的大量水气被内绝热材料吸收后，待再次降温时释放，将给测试模型表面带来严重的霜污染问题，进而影响到测试数据的准确性。

同时，在跨声速低温风洞相关实验中，深低温环境的构建是难点之一，如何构建深低温环境并在此环境中实现流动可视化，以及如何在深低温环境中研究除油基粒子和冰粒子外的其它示踪粒子具有重要的研究意义。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种深低温环境下控制氮液滴作为示踪粒子的可视化实验装置，其目的在于在深低温环境中实现氮液滴作为低温风洞实验中的示踪粒子，厘清氮液滴非平衡凝结过程中的成核与生长特性，推动非接触式流场测量技术在跨声速低温风洞中的应用。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种深低温环境下控制氮液滴作为示踪粒子的可视化实验装置，包括：

高温高压氮气源、低温液氮源、换热器、Laval喷管、真空罐、第一接管、第二接管及控制模块；

所述高温高压氮气源及所述低温液氮源分别与所述换热器连接，以产生低温高压氮气；所述Laval喷管的进气端通过所述第一接管穿过所述真空罐的一端，出气端通过所述第二接管穿过所述真空罐的另一端，以使所述Laval喷管设置在所述真空罐内，且与所述真空罐的内壁无接触；所述换热器与穿过真空罐一端的第一接管连接，所述Laval喷管用于实现所述低温高压氮气的自发凝结；

控制模块用于通过调整高温高压氮气与低温液氮的流量改变所述Laval喷管进气端以及内部低温高压氮气的温度及压力，控制自发凝结时氮液滴的粒径和浓度在设定的范围内。

进一步地，在所述换热器的入口端设有质量流量计；

在所述Laval喷管的进气端以及下壁面沿程等距分布有温度及压力传感器；

通过光学测量器件捕捉所述Laval喷管内的自发凝结过程。

进一步地，还包括氮液滴流速测量控制模块，用于在所述第一接管处通入油基粒子或冰粒子，通过粒子图像测速法测量所述Laval喷管内低温高压氮气的流速；并控制高温高压氮气与低温液氮的流量使所述Laval喷管内氮液滴的流速与所述低温高压氮气的流速在设定的误差范围内。

进一步地，通过光学测量器件捕捉所述低温高压氮气在所述Laval喷管内的自发凝结过程，并采用粒子图像测速法得到所述Laval喷管内氮液滴的流速。

进一步地，还包括液滴分离机构及液滴收集罐；

所述液滴分离机构设置在所述Laval喷管的出气端与所述第二接管之间，用于从所述Laval喷管内流出的气液两相流中分离出氮液滴；

所述液滴收集罐用于收集所述氮液滴。

进一步地，所述液滴分离机构呈三通结构，包括两相流进口管、液体出口管及气体出口管；

所述两相流进口管的一端与所述Laval喷管出气端连接，且沿所述Laval喷管沿程方向有向下的第一夹角θ

所述气体出口管的一端与所述第二接管连接，且沿所述Laval喷管沿程方向有向上的第二夹角θ

所述液体出口管分别与所述两相流进口管的另一端及所述气体出口管的另一端连接，且沿所述Laval喷管沿程方向有向下的第三夹角。

进一步地，第一夹角θ

5°≤θ

进一步地，在所述液体出口管及所述气体出口管的交汇处，设有圆台状孔隙板。

进一步地，在所述液滴分离机构与所述第二接管之间，还设有波纹管。

进一步地，还包括与所述第二接管出口端相连的缓冲罐，所述缓冲罐出口处安装有压力传感器与电磁阀。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明的装置，通过高温高压氮气以及低温液氮产生低温高压氮气的同时，还能够通过低温液氮为整个装置进行预冷，结合Laval喷管与真空罐壁面无接触设计，构建深低温环境；利用在深低温环境中，氮气会出现凝结现象，通过调整高温高压氮气和低温液氮的流量，改变低温高压氮气在Laval喷管内进行非平衡凝结过程中的气相参数，进而控制控制氮液滴在Laval喷管内的浓度分布与生长速度，使得氮液滴能够作为低温风洞实验中示踪粒子。

(2)通过设置在Laval喷管下壁面的温度及压力传感器测量冷凝过程中工质的温度及压力变化，进而计算凝结的起始点及凝结时间，得到氮液滴的凝结规律，以确定氮液滴作为示踪粒子的合适温度和压力，并结合光学测量器件捕捉自发凝结过程实现氮液滴自发凝结的可视化，并确定自发凝结时氮液滴的粒径和浓度，判断氮液滴的生长速度。

(3)作为优选，通过设计的氮液滴流速测量控制模块，基于现有低温风洞实验中常用的油基粒子或冰粒子，测量Laval喷管内氮液滴的流速，并通过改变高温高压氮气和低温液氮的流量，控制氮液滴的粒径，调整氮液滴的随流特性，使氮液滴能够准确反映气体真实流速，进一步促进氮液滴作为风洞实验中的示踪粒子。

(4)通过光学测量器件捕捉低温高压氮气在Laval喷管内的自发凝结过程，在实现氮液滴自发凝结过程可视化的同时，通过粒子图像测速法测量Laval喷管内氮液滴的流速。

(5)作为优选，通过设计的液滴分离机构及液滴收集罐从Laval喷管内部流出的气液两相流中分离出氮液滴，便于液相参数的测量，控制氮液滴的保持时间，满足氮液滴作为示踪粒子的存在时间要求。

(6)本发明设计的液滴分离机构，两相流进口管和气体出口管的位置和角度设计，可以避免两相流在进入液滴分离机构时因液体流动过于激烈而分裂成小液滴，进而影响分离效果，以及避免压降过大引起流体温度降低，使得两相流进一步液化导致的液相参数的测量精度降低的问题，同时可以保证真空罐进口与出口之间各部件在轴线上保持刚性连接，避免各部件与真空罐壁面接触而破坏构建的深低温环境。

(7)作为优选，第一夹角θ

(8)作为优选，在液体出口管及气体出口管的交汇处设置圆台状孔隙板，可以增加液滴被两相流冲击的概率，提升液滴分离的效率。

(9)作为优选，在液滴分离机构与第二接管之间设置波纹管，可以平衡在深低温环境中实验管道发生的轴向收缩，以及平衡安装误差。

(10)作为优选，在第二接管的出口端连接有缓冲罐，通过压力传感器监测压力，配合电磁阀控制释放气体的流量，从而保持缓冲罐内的压力相对稳定，也即保持Laval喷管出口压力稳定，并可通过释放气体流量孔，控制Laval喷管的背压。

附图说明

图1为本发明实施例中的深低温环境下控制氮液滴作为示踪粒子的装置示意图。

图2为本发明实施例中的真空罐三维爆炸图。

图3为本发明实施例中的Laval喷管三维示意图。

图4为本发明实施例中的液相参数测量模块在装置中的示意图。

图5为本发明实施例中的液相参数测量模块结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1-氮气瓶组；2-压力调节阀；3-质量流量计；4-真空罐；5-换热器；6-液氮罐；7-Laval喷管；8-缓冲罐；9-电磁阀；10-光学测量器件；11-激光发生器；12-同步控制器；13-数据采集仪；14-计算机；15-真空泵；16-补光仪器；17-上侧观察窗；18-前侧观察窗；20-真空泵连接管道；21-航空插头；23-后侧观察窗；24-Laval喷管通道；25-支架；26-传感器连接孔；27-石英玻璃；28-第一接管；29-第二接管；30-低温插头；31-Laval喷管前转接段；32-Laval喷管后转接段；33-液滴分离机构；31-液滴收集罐；35-波纹管；36-温度及压力传感器；37-两相流进口管；38-圆台状孔隙板；39-液体出口管；40-气体出口管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

如图1所示，本发明的深低温环境下控制氮液滴作为示踪粒子的装置，主要包括：氮气瓶组1、液氮罐6、压力调节阀2、质量流量计3、换热器5、Laval喷管7、真空罐4、第一接管28、第二接管29、温度及压力传感器36、数据采集模块以及控制模块；

高温高压氮气源通过压力调节阀2连接至换热器5，低温液氮源通过压力调节阀2连接至换热器5，质量流量计3设置在换热器5的入口端，用于测量流经换热器5内的高温高压氮气的流量。

Laval喷管7的进气端通过第一接管28穿过真空罐4的一端，Laval喷管7的出气端通过第二接管29穿过真空罐4的另一端，使得Laval喷管7设置在真空罐4内，且与真空罐4的内壁无接触；第一接管28连接换热器5；Laval喷管7的进气端以及Laval喷管下壁面沿程等距分布有温度及压力传感器36。

工作时，首先，低温液氮源提供的低温液氮经过压力调节阀2调节压力后通过换热器5输入至Laval喷管7，对Laval喷管7进行预冷；其次，高温高压氮气源提供的高温高压氮气经过压力调节阀2调节压力后输入至换热器5，在换热器5中，低温液氮与高温氮气进行热交换后转变为低温高压氮气；

从换热器5输出的低温高压氮气通过第一接管28输入至Laval喷管7内，并在Laval喷管7内发生自发凝结过程。

数据采集模块用于采集相应的温度和压力传感器的数据，并传递至控制模块。

控制模块用于通过调整高温高压氮气和低温液氮的流量改变Laval喷管7进气端低温高压氮气的温度和压力，以及改变Laval喷管内部低温高压氮气的沿程压力和温度分布，通过Laval喷管下壁面沿程等距分布的温度及压力传感器36测量冷凝过程中工质的温度及压力变化，进而计算凝结的起始点及凝结时间，得到氮液滴的凝结规律，可以确定氮液滴作为示踪粒子的合适温度和压力；

基于该凝结规律，控制控制氮液滴的生长速度，使得低温高压氮气在Laval喷管7内自发凝结时氮液滴的粒径和浓度在设定的范围内，在该设定的范围内，氮液滴可见并保持良好的随流能力，以便氮液滴能够作为低温风洞实验中示踪粒子。

具体地，在氮液滴凝结过程中，通过Laval喷管下壁面的压力变化判断凝结的起始点，通过温度变化计算内部气体的过冷度，进而判断凝结时间；最终的剩余气体通过第二接管29排放出去。本发明实施例中，通过光学测量器件10(比如相机)捕捉低温高压氮气在Laval喷管内的自发凝结过程，采用消光法液滴在线可视化测量冷凝液滴参数，包括液滴粒径、浓度以及分布特性。

通过高温高压氮气以及低温液氮产生低温高压氮气的同时，还能够通过低温液氮为整个装置进行遇冷，结合Laval喷管7与真空罐4壁面无接触，构建深低温环境；在该环境内，通过调整高温高压氮气和低温液氮的流量，改变低温高压氮气在Laval喷管内进行非平衡凝结过程中的气相参数(低温高压氮气的温度和压力)，计算凝结的起始点及凝结时间，得到氮液滴的凝结规律；基于该凝结规律，控制控制氮液滴的生长速度，使得氮液滴的粒径和浓度在设定的范围内，以便氮液滴能够作为低温风洞实验中示踪粒子。作为优选，本发明的装置还包括缓冲罐8，缓冲罐8与第二接管29的出口端连接，从Laval喷管7排出的剩余气体通过第二接管29传输至缓冲罐8稳压后，排放至环境中。在缓冲罐8出口处安装有压力传感器与电磁阀9，通过压力传感器监测压力，配合电磁阀9控制释放气体的流量，从而保持缓冲罐8内的压力相对稳定，也即保持Laval喷管7出口压力稳定；还可通过控制电磁阀9控制释放气体流量，调整Laval喷管7的背压。

本发明实施例中，压力调节阀2为自力式压力调节阀。高温高压氮气源为高压高纯氮气瓶组1，氮气瓶之间通过钢瓶接头连接；氮气瓶组1优选为16MPa四气高纯氮气瓶组合。低温液氮源为液氮罐6。

具体地，如图2所示，真空罐4上设有真空泵连接管道20，用于连接真空泵15。通过真空泵15在真空罐4内建立真空环境，达到绝热效果。在真空罐4上设有真空观察窗，真空观察窗通过法兰与真空罐主体连接。作为优选，真空罐4上设有上侧观察窗17、前侧观察窗18及后侧观察窗23，相对设置的前侧观察窗18及后侧观察窗23分别用于通过光学测量器件10(比如相机)捕捉低温高压氮气在Laval喷管内的自发凝结过程，以及用于补光仪器16为Laval喷管7内补光。上侧观察窗17用于激光发生器11发射光幕至Laval喷管内，便于通过粒子图像测速法PIV测量Laval喷管内氮液滴或低温高压氮气的流速。其中，激光发生器11发射光幕的方向与Laval喷管沿程方向垂直。

如图3所示，Laval喷管具有可视效果，便于能够捕捉低温高压氮气在Laval喷管内的自发凝结过程以及PIV实验。在Laval喷管内部有Laval喷管通道24。在本发明实施例中，Laval喷管的底部采用不锈钢支架25进行支撑，其它几面采用石英玻璃27，石英玻璃27与不锈钢支架25之间通过不锈钢玻璃夹板连接。在支架25的底部设有传感器连接孔26，用于安装温度及压力传感器36。

其中，温度传感器通过低温导热热脂粘连在可视Laval喷管内壁，压力传感器通过304不锈钢冷凝管段连接到Laval喷管外。之后通过设置在真空罐外壁的航空插头21将测得的压力数据和温度数据传递至真空罐外的数据采集模块进行数据采集及处理，通过数据处理后传递至控制模块进行相应的控制。其中，在本发明实施例中，控制模块为同步控制器12和计算机14；数据采集模块采用多通道数据采集仪13。温度传感器优选铂电阻温度传感器，压力传感器选用高性能型压力变送器。

作为本发明进一步的设计，还包括氮液滴流速测量控制模块，用于在真空罐的进气端(也即第一接管处)通入油基粒子或冰粒子，通过粒子图像测速PIV法测量Laval喷管内低温高压氮气的流速；将该流速与Laval喷管内氮液滴的流速进行比对，在同一时刻，控制高温高压氮气和低温液氮的流量，使得该流速与Laval喷管内氮液滴的流速在设定的误差范围内，进一步促进氮液滴作为风洞实验中的示踪粒子。其中，Laval喷管内氮液滴的流速通过光学测量器件10(比如相机)捕捉低温高压氮气在Laval喷管内的自发凝结过程，并采用粒子图像测速PIV法测量得到。

作为本发明进一步的设计，还包括液相参数测量模块，用于测量从Laval喷管内部流出的气液两相流中液体的质量分数以及表面张力，具体包括：液滴分离机构33及液滴收集罐31；其中，液滴分离机构33设置在Laval喷管7的出气端与第二接管29之间，用于通过控制从Laval喷管内部流出的气液两相流的大小和方向，分离出液滴。

如图4、图5所示，液滴分离机构33呈三通结构，包括两相流进口管37、液体出口管39及气体出口管40；

两相流进口管37的一端与Laval喷管7出气端连接，且与Laval喷管7沿程方向之间有呈向下的第一夹角θ

气体出口管40的一端与第二接管29连接，且与Laval喷管7沿程方向之间有呈向上的第二夹角θ

液体出口管39与两相流进口管37的另一端及气体出口管40的另一端连接，并整体形成三通结构，液体出口管39与Laval喷管7沿程方向有呈向下的第三夹角，第三夹角优选为45°。作为优选，液体出口管39的管径小于两相流进口管37及气体出口管40的管径，可以提升液体的流速，以降低分离液滴的相互作用力，提高分离效率。

液滴收集罐31用于收集从液体出口管39流出的液滴，用于液体的质量分数以及表面张力测量。

在液体出口管39及气体出口管40的交汇处，设有圆台状孔隙板38，孔隙板紧密交错排布，用于增加液滴被两相流冲击的概率，提升液滴分离的效率。

通过对液相参数的测量，使控制模块控制通过调整高温高压氮气和低温液氮的流量，控制氮液滴保持的时间，以控制氮液滴作为示踪粒子的时间。

作为优选，在第一接管28和第二接管29与真空罐4内部相接的位置，设有低温插头30，用于减小第一接管28和第二接管29与真空罐4主体之间的导热；真空罐内金属非可视部分包裹多层绝热材料；换热器外壳包裹有绝热材料，减少液氮与氮气换热过程中的热损失。

作为优选，在第一接管28和Laval喷管7的进气端之间还设有Laval喷管前转接段31，在Laval喷管7出气端与液滴分离机构33之间还设有Laval喷管后转接段32，用于实现接口的转接。

作为优选，在液滴分离机构33与第二接管29之间，还设有波纹管35，用于平衡在深低温环境中实验管道发生的轴向收缩，以及平衡安装误差。

本发明通过高精度、非接触式流场测量，巧妙的利用在深低温环境中，氮气会出现凝结现象，研究氮液滴的凝结规律，通过控制氮液滴的液滴生长速度，改变氮液滴的粒径和浓度，实现了氮液滴作为低温风洞示踪粒子的液滴粒径与浓度分布控制规律研究。

同时，在这个过程中，还实现了对深低温氮液滴自发凝结过程的可视化观察与示踪特性研究。并且，通过本发明的装置，无需额外的冷源，直接在Laval喷管内实现了深低温跨音速低温氮液滴的自发凝结，揭示了高速低温气流中氮液滴的形成规律，控制自发凝结氮液滴的粒径、浓度、可示踪时间和流场跟随性等，实现将氮液滴作为低温风洞实验中的示踪粒子。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。