一种超临界航空煤油粘性测量的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种超临界航空煤油粘性测量的装置及方法。其中，该粘性测定方法基于经典毛细管粘性测量法并进行拓展，可有效解决经典毛细管粘性测量法在高温高压下所存在的待测流体质量流量难以精确测量的难题。主要通过引入环形截面柱形管的测量结构，不仅使得待测流体在粘性测量中具有较高的压差测量精度，而且可以显著提高满足层流状态要求的最大流量限，从而达到流体质量流量精确测量的目的。应用该方法的粘性测量装置，从削弱测量管热传导、热对流和热辐射三个方面入手，设计了相应的保温结构来保持测量段温度恒定，从而获得较为准确的粘性测量数据。本发明原理简单，操作方便，可以很好地满足超临界航空煤油粘性精确测量的要求。
【专利说明】一种超临界航空煤油粘性测量的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于未来高性能航空航天动力系统中超临界燃烧的研究领域，主要涉及一种适用于超临界航空煤油粘性测量的装置及方法。
【背景技术】
[0002]为了获得更为优异的发动机性能，未来的飞行器发动机需要达到更高的压气机压缩比以及涡轮前燃气温度。因此，空气流经压气机后温度将会显著升高，导致涡轮部件的冷却效率急剧降低。针对于这种情况，可以利用发动机燃油对冷却气进行冷却，以提升涡轮部件的冷却效率，降低高速旋转涡轮部件的热负载。
[0003]可以看出，随着未来高性能发动机燃烧室内环境温度和压力逐步提高，喷射燃油的温度和压力将超过其临界点的温度和压力，高性能发动机燃烧室的液态燃油都将工作于超临界状态，如图1所示。已有的研究表明，当煤油处于超临界状态，它既不属于液相也不属于气相，相的分界面消失了。在临界点附近，航空煤油的热力学输运性质对压力和温度的变化很敏感，这时的加热、蒸发和燃烧特性完全不同于亚临界状态。超临界燃油的独特性质，使其相当于跨越了亚临界煤油燃烧时的雾化和蒸发过程直接燃烧，恰好可以满足未来高速飞行器动力装置燃烧室在高超声速来流条件下的急速燃烧要求。只有了解超临界航空煤油不同温度和压力下的物性参数，才能充分研究超临界态航空煤油的喷射、雾化和燃烧特性，才能设计出适用于未来高性能航空航天发动机的超临界燃烧室。因此对超临界燃油物性参数的测定将是未来发动机研究中不可或缺的。
[0004]现在有关超临界方面的研究大多是化工上针对小分子纯净物的，对于一些单组份的液态碳氢燃料也有较为明确的描述。然而，绝大多数混合物，特别是对典型的液态高碳大分子碳氢燃料来说，它们的超临界物性参数没有任何系统的数据，也没有建立公认的混合规则，尚未建立完整的典型液态碳氢燃料的超临界物性参数数据库。目前的研究中，常采用替代燃料法(用分子式和临界参数相近的纯净物来替代混合物进行物性参数计算)来进行研究，如:可采用物性参数相近的CltlH22(正癸烷)作为航空煤油的替代燃料。但超临界航空煤油的物性参数与替代燃料的物性参数仍然存在很大的差别，这将对研究的准确度带来很大的影响。鉴于超临界航空煤油物性参数的重要性，所以很有必要通过实验方法来建立航空煤油的物性参数数据库，为后续研究提供数据储备。
[0005]结合国内外研究现状和可用的实验条件，本装置拟对超临界航空煤油不同温度和压力下的动力粘度进行测量。我国目前常用航空煤油的临界点压力为2.2?2.4MPa，临界点温度640?660K。超临界态航空煤油的粘度在加热过程中变化剧烈，图2是2.33MPa压力下常作为航空煤油替代燃料的CltlH22的粘度随温度的变化曲线。由上图可以明显发现，随温度地升高，其粘度逐渐减小，在临界点附近，粘度值急剧下降，超临界状态下的粘度值可小于常温状态下的五分之一。
[0006]由于常规的液体粘度测量方法如滚球法和沉子法等很难应用于高温高压下的液体粘度测量，故需要尝试新的测量方案。目前，多采用经典毛细管测量流体粘性的方法对超临界航空煤油的粘性进行测量，但是由于受限于层流流动雷诺数的要求以及压降测量的精度，质量流量必须进行限定，而当下的工艺技术水平很难满足高压系统下小流量的测定。鉴于这种情况，要准确测量超临界航空煤油的粘度，必须采用其他的方法，以解决待测流体流量精确测定的难题。
【发明内容】
[0007]本发明的主要创新是解决了上述流量难以精确测量的问题，主要目的是进行超临界航空煤油的粘性测量。针对航空煤油在超临界状态下粘性急剧降低的特点，基于经典毛细管粘性测量的原理并对其进一步扩展，提出了一种环形截面柱形管粘性测量法，解决了层流状态下由于流体质量流量太小而导致的难以进行精确测量的难题，并设计了测量装置，为超临界航空煤油的科学研究以及粘性数据库的扩展提供了有力的帮助。
[0008]本发明所描述的粘度测量装置不仅充分考虑了高温高压环境下测量仪器的耐压、耐热强度以及密封问题，而且主要针对测量管内流体的保温性进行了相关设计，以保持测量管中流体的温度恒定。其包括:环形截面测量管、测量腔左端盖、测量腔右端盖、真空泵接口、环形套筒、导压管、石棉垫片、差压变送器、过滤网、压力表、热电偶、密封圈、金属遮热板、四通接头和三通接头。
[0009]环形套筒两端分别与测量腔左端盖和测量腔右端盖进行连接，形成封闭容腔，容腔内沿径向均匀分布双层金属遮热板；环形截面测量管水平穿过测量腔端盖的中心孔，其进出口稳定段开有沉孔，用于同差压变送器两端的导压管进行连接；环形截面测量管左端连接有四通接头，右端与一个三通接头进行连接；四通接头入口处放置有过滤网，另外两口分别与热电偶以及压力表进行连接；三通接头另外两口分别为热电偶接口和待测流体出口 ；环形套筒和环形截面测量管上均设有真空泵接口。
[0010]测量时当高温高压燃油流经测量管后，由于流体的粘性将会在测量管两端产生压力降，可以通过测量管两端连接的差压变送器进行测量，从而根据环形截面管流摩擦定律，利用该压差即可反算出粘度数据。差压变送器通过毛细导压管连接到测量管的两端，导压管内填充耐高温导压硅油。为了保证测量管内煤油的粘度测量精度，于测量管入口前设有过滤网，对航空煤油内的杂质进行一定的过滤，既可以降低由于杂质产生的额外压力降，同时又保证了航空煤油的纯洁度。
[0011]测量管中流体压力值以及温度值的保持是一定状态下粘度测量的关键。由于管内流体的温度很高，故主要从降低热辐射的方面来减少热量的损失，采取的措施是:一方面，对测量管表面进行高度磨光处理，可以显著降低表面的发射率，从而降低管壁向外的热辐射。另一方面，在测量管外部的封闭容腔内，沿径向嵌入双层金属遮热板，选取具有高反射性的金属lCr-18N1-9Ti为遮热板材料，这也是减少测量管内流体通过热辐射向外进行热量散失的一种措施。同时，本发明还通过真空泵在封闭容腔内营造出高度真空的环境，以降低热对流与热传导。以上采取的保温措施，分别从降低热辐射，热对流，热传导三个方面入手，可以很好地保持测量管内流体的温度值。
[0012]为了在超临界状态下测量较宽广温度范围(1.0〈T/2.0，其中I；表示煤油的温度与煤油临界点温度比值的无量纲参数)内航空煤油的粘度值，要求所选热电偶测量范围为O?1000K，耐压极限不低于6MPa，所以热电偶的测量端要做耐压处理。
[0013]为了测量宽广的超临界压力范围(1.0〈Ρ/2.0，其中Pr表示煤油的压力与煤油临界点压力比值的无量纲参数)内航空煤油的粘度值，要求压力表的量程为O~6MPa，耐温极限不低于1000K，所以适合于该物性测量装置的高温压力表需加装隔热膜和散热系统。
[0014]环形套筒内部与测量腔端盖间以及环形截面测量管与端盖中心孔之间的间隙均采用可以耐高温高压的橡胶圈来密封，以保证封闭容腔内部真空环境的营造。
[0015]鉴于经典毛细管粘性测量法无法准确测量超临界航空煤油的动力粘度，故提出环形截面柱形管粘性测量法，以实现层流状态下小流量待测流体粘性的精确测量。同时，需根据所述的新型粘性测量法，推导准确的粘性计算公式。如图3所示，环形截面柱形管的内环半径为R1，外环半径为R2，流体在管内沿轴向(X轴为正方向)流动会产生水平切应力τ。
[0016]
[0017]理想绝热等温水平环形截面柱形管的粘性计算公式推导:
[0018]环形截面柱形管中定常流动的微分方程:
【权利要求】
1.一种超临界航空煤油粘性测量的装置，其特征在于:包括环形截面测量管、测量腔左端盖、测量腔右端盖、真空泵接口、环形套筒、导压管、石棉垫片、差压变送器、过滤网、压力表、热电偶、密封圈、金属遮热板、四通接头和三通接头； 环形套筒两端分别与测量腔左端盖和测量腔右端盖进行连接，形成封闭容腔，容腔内沿径向均匀分布双层金属遮热板；环形截面测量管水平穿过测量腔端盖的中心孔，其进出口稳定段分别开有沉孔，用于同差压变送器两端的导压管进行连接；环形截面测量管左端连接有四通接头，右端与一个三通接头进行连接；四通接头入口处放置有过滤网，另外两口分别与热电偶以及压力表进行连接；三通接头另外两口分别为热电偶接口和待测流体出口 ；环形套筒和环形截面测量管上均设有真空泵接口。
2.根据权利要求1所述的一种超临界航空煤油粘性测量的装置，其特征在于:所述的环形截面测量管内芯外径外环内径12mm〈D2〈16mm,以保证在满足压差测量精度的同时符合层流流动状态的要求。
3.根据权利要求1所述的一种超临界航空煤油粘性测量的装置，其特征在于:所述的环形截面测量管长度300mm〈L〈500mm，以避免测量中产生过大的压力损失。
4.根据权利要求1所述的一种超临界航空煤油粘性测量的装置，其特征在于:环形套筒与测量腔端盖之间以及环形截面测量管与测量腔端盖中心孔的间隙均采用可以耐高温高压的硅橡胶圈来进行密封。
5.根据权利要求1所述的一种超临界航空煤油粘性测量的装置，其特征在于:采用热电偶温度测量范围为O~1000K，耐压极限不低于6MPa ;压力表的测量范围为O~6MPa，耐温极限不小于1000K。
6.一种超临界航空煤油粘性测量的方法，其特征在于，包括以下几个步骤: 步骤一:选取环形截面柱形管为粘性测量段，准确测量并记录测量段长度L ； 步骤二:准确测量并记录测量段内芯外径D1以及外环内径D2，对超临界航空煤油的粘
性进行预估，根据
确定固定的质量流量A，以保证测量段内流体的流动状态为层流； 步骤三:对测量段以及压力变送器进行排气处理，以提高测量的精度； 步骤四:检查压力变送器、热电偶以及压力传感器是否工作正常； 步骤五:对超临界航空煤油的粘性进行测量: 首先固定待测流体压力，控制待测流体的质量流量为满足层流流动要求的合适值，将待测流体加热至测定温度，进行粘性测量。待压力、流量、温度均稳定后，对其进行记录，可得测量段的总流量A，测量段进出口压差△ P，根据环形截面柱形管粘性测量公式:
可以得到该温度工况下待测流体的动力粘度； 步骤六:改变测量段进口温度，重复步骤五，进行下一温度工况粘性的测量，直至待测流体温度达到所需测量的上限； 步骤七:调节压力，重复步骤五、六，进行下一个压力工况的粘性测量，直至待测流体压力达到所需测量的上限，由此得到不同压力下流体粘性随温度的变化关系。
7.根据权利要求6所述的一种超临界航空煤油粘性测量的方法，其特征在于:粘性测量中，待测流体温度上限为1000K，待测流体压力上限为6MPa。
【文档编号】G01N11/04GK104198332SQ201410226648
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年5月22日 优先权日:2014年5月22日
【发明者】范玮, 周舟, 靳乐 申请人:西北工业大学