一种可拆装式低温液体空化流动观测试验段的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种可拆装式低温液体空化试验段，属于流体机械工程、低温工程和航天工程技术领域。温度传感器和压力传感器通过安装孔安装在流道下面板上；流道下面板通过基础流道下方的槽口与基础流道内部管道接触连接，然后通过压紧垫片固定连接在基础流道上；可视化观察窗置于基础流道上方的槽口处，两个缓冲垫片分别安装在可视化观察窗两侧；连接卡口固定连接在基础流道的上方；基础流道两侧安装有法兰盘；本发明采用多个部件装配而成，结构简单，构件少，相比完全由玻璃材质制成的一体式可视化试验段，大大降低了成本，并且拆装方便，拆装过程不易造成试验段的损坏。
【专利说明】
一种可拆装式低温液体空化流动观测试验段
技术领域
[0001]本发明涉及一种空化试验装置，尤其涉及一种可拆装式低温液体空化试验段，属于流体机械工程、低温工程和航天工程技术领域。
【背景技术】
[0002]当一定温度的液体内部局部压力降低到液体饱和蒸汽压时，会产生汽化现象，同时溶解于液体中的气体也会析出，形成汽泡(又称空泡、空穴)，当汽泡随液流运动到压力较高的地方后，泡内的蒸汽重新凝结，汽泡溃灭。这种液流内的空泡产生、发展、溃灭的过程，以及由此产生的一系列物理和化学变化过程称为空化。空化的发生往往会导致机器效率下降并引起振动、噪声和材料表面破坏等问题，严重时会使机器不能正常工作。
[0003]通常情况下，标准大气压下沸点低于120K的元素或化合物以及它们的混合物可以称之为低温工质，常见的低温液体有液氦、液氢、液氧、液氮、液化天然气等。由于低温液体特殊的物质属性，其空化及空化流动这种复杂的物理化学过程一直是相关领域的研究热点。常温常压下，低温液体与空气接触后极易吸热相变并使容器周围空气中的水蒸汽结冰，覆盖在容器表面，这给低温液体的空化流动观察和测量带来了诸多难题。
[0004]实验人员在进行低温液体空化流动的观测试验时，通常采用结构简单，成本低廉，操作方便的压力暂冲式试验装置使低温液体在特定的试验段内流动。通过对试验段进行合理设计，就能使流经试验段的低温液体发生空化现象，并对空化流动现象进行观测，进而研究低温液体的空化流动特性。
[0005]经文献检索发现，中国专利公开号:CN104535292A，专利名称:一种低温液体空化实验装置，公开了一种低温液体空化实验装置并采用石英玻璃加工而成的收缩扩张方形管道试验段，在试验条件下，试验段喉口处会发生空化现象且空穴会在试验段下壁面附着发展，则石英玻璃下壁面的温度、压力传感器，连同高速相机及PIV等设备就能够同步获取空化的温度、压力、图像和速度等流场数据。然而，该石英玻璃方管为一体加工成型，抗弯抗扭强度较差，且玻璃法兰盘需要与前后装置的不锈钢法兰盘连接，在试验段拆装及试验过程中极易损坏，不仅容易导致试验无法进行，同时存在着极大的安全隐患。石英玻璃或有机玻璃制成的文丘里管也通常被作为低温液体空化流动的可视化试验段，如:1、文氏管中低温流体汽蚀过程可视化实验研究，《低温工程，2015，(06):56-61》;2、一种自密封低温流体可视化装置，《中国专利公开号:CN104879583A))。用文丘里玻璃管作为可视化试验段的优点在于其结构简单易加工，抗弯抗扭强度高，在拆装及试验过程中不宜损坏。而其突出的缺点是，很难在圆管壁面上打孔布置压力及温度传感器，即便传感器成功布置到壁面上，由于文丘里管的流动特点，试验段内产生的空穴只会在管道中心流动而不会在管壁附着，则传感器也无法测量到空穴内部的压力和温度。另一突出缺点是，对于圆形玻璃管，高速相机拍摄到的图片需要进行透射光路换算才能得到准确的数据，增加了试验数据后处理的难度。
[0006]同时，上述试验段均存在着拆装易损和更换不方便的问题。首先，每次拆装过程都必须十分小心，很有可能造成玻璃试验段的损坏。然后，若想要采用不同几何尺寸的试验段进行试验时，则只能重新加工整个试验段，需要花费较大的财力和人力。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种可拆装式低温液体空化流动观测试验段。该试验段能更好地实现低温液体空化流动的观察和测量，拆装和试验过程便捷可靠，试验段更换成本低。
[0008]本发明是通过下述技术方案实现的。
[0009]—种可拆装式低温液体空化流动观测试验段，由基础流道、流道下面板、可视化观察窗、缓冲垫片、压紧垫片、法兰盘、温度传感器和压力传感器组成。
[0010]连接关系:温度传感器和压力传感器通过安装孔安装在流道下面板上;流道下面板通过基础流道下方的槽口与基础流道内部管道接触连接，然后通过压紧垫片固定连接在基础流道上；可视化观察窗置于基础流道上方的槽口处，两个缓冲垫片分别安装在可视化观察窗两侧;连接卡口固定连接在基础流道的上方;基础流道两侧安装有法兰盘；
[0011]基础流道为具有宽度的方形管道，基础流道的下方和上方均开有槽口，以便与其他部件装配;流道下面板是由流道下面板凸台、流道下面板密封台与流道下面板底座一体成型得到的；所述流道下面板凸台分为前端、中间段、后端，位于流道下面板底座上的前端和后端的高度与基础流道的下方的壁厚相同；中间段带有梯度变化，进而形成一个最高点；流道下面板凸台加上流道下面板密封台形成的最大高度需小于基础流道内部管道的高度加上基础流道的下方的壁厚的总高度;所述流道下面板凸台的宽度与基础流道内部管道的宽度相同；流道下面板底座的宽度和长度大于流道下面板密封台的宽度和长度，流道下面板密封台的宽度和长度大于流道下面板凸台的宽度和长度;流道下面板凸台的前端处开设通孔，用于安装温度传感器和压力传感器;流道下面板凸台的中间段与可视化观察窗形成喉口，在喉口的扩张段对应的流道下面板凸台上开设通孔，用于安装温度传感器和压力传感器；
[0012]可视化观察窗与缓冲垫片的横截面均为凹字形结构且形状与尺寸相同，横截面对应的尺寸与基础流道上方的槽口的横截面尺寸相同；可视化观察窗与缓冲垫片的长度之和与基础流道上方的槽口的长度相同；用于填充低温胶，达到良好的密封效果；
[0013]还包括连接卡口，连接卡口固定连接在基础流道的上方，一端与基础流道接触连接，另一端与可视化观察窗与缓冲垫片接触连接；以防止试验过程中可视化观察窗或缓冲垫片在压力作用下飞出造成危险；
[0014]所述流道下面板是由流道下面板凸台、流道下面板密封台与流道下面板底座一体成型得到的；流道下面板密封台位于流道下面板凸台与流道下面板底座之间；流道下面板凸台的长度和宽度与基础流道下方的内侧槽口的长度和宽度相同；流道下面板密封台的长度、宽度和高度与基础流道下方的外侧槽口的长度、宽度和高度相同；进而配合低温胶达到密封的效果。
[0015]所述的可视化观察窗与缓冲垫片的侧壁上开设凹槽，用于填充低温胶，达到良好的密封效果；
[0016]所述基础流道、法兰盘和压紧垫片均采用不锈钢材质；
[0017]所述可视化观察窗采用透明高硼硅玻璃材质；
[0018]所述流道下面板、缓冲垫片和连接卡口均采用聚四氟乙烯材质；
[0019]作为优选，所述流道下面板采用暖色的聚四氟乙烯材料，如红色、橘黄色等；
[0020]作为优选，所述试验段内部管道喉口高度H2是出(入)口高度Hl的0.01-0.1。
[0021]作为优选，可视化观察窗长度LI根据试验观察需要确定，缓冲垫片长度L2根据试验段内低温液体温度和材料的热膨胀系数进行变形协调设计后计算得到。
[0022]作为优选，为保证可视化观察窗高度方向上与基础流道的变形协调，所述可视化观察窗高度H3小于25mm。
[0023]作为优选，为保证试验段宽度方向上的变形协调，所述试验段外围宽度Wl小于25mm ο
[0024]作为优选，为保证流道下面板上传感器的安装，所述试验段内部管道的宽度W2大于 5mm ο
[0025]安装过程:将压力和温度传感器的探头从流道下面板底座的下表面插入，探头与流道下面板凸台的上表面平齐，在流道下面板底座的下表面传感器安装孔处通过低温胶将传感器安装孔密封;流道下面板凸台的前端为来流方向的一侧，流道下面板密封台与基础流道下方的外侧槽口装配连接处首先通过低温胶进行密封粘接，粘接步骤严格按照低温胶的粘接工艺进行，然后将压紧垫片压在流道下面板底座的下表面，通过螺栓将流道下面板底座与基础流道连接固定;可视化观察窗两侧通过低温胶各粘接一块缓冲垫片，然后再通过低温胶将可视化观察窗、缓冲垫片与基础流道上方槽口进行密封粘接;流道下面板凸台的宽度，可视化观察窗与缓冲垫片内槽道的宽度与基础流道内部管道的宽度保持一致，由此，形成一段完全封闭的方形管道；
[0026]可视化观察窗的长度LI根据试验工况观察需要来确定，覆盖流道扩张段空化发生和发展的区域;缓冲垫片长度L2根据试验段内低温液体温度与室温的温差，材料的热膨胀系数进行温度变形协调设计后计算得到，如低温液体的温度与室温的温差为A T，可视化观察窗材质的热膨胀系数为al，缓冲垫片材质的热膨胀系数为a2，基础流道材质的热膨胀系数为a3，则基础流道上方槽口处的长度方向在低温液体流过时存在变形协调问题，可由公式(I)计算得到:
[0027](alXLl+2Xa2XL2)X Δ T = a3X (Ll+2XL2) X ΔΤ(I)
[0028]连接卡口通过螺母轻压在可视化观察窗和缓冲垫片上方，防止可视化观察窗和缓冲垫片在高压作用下脱离飞出造成危险；基础流道两端与法兰盘装配连接后通过焊接固定，以便所述试验段与试验装置前后管道连接。
[0029]工作过程:所述试验段按照上述步骤安装完毕后通过法兰盘安装在低温液体空化实验装置上(中国专利公开号:CN104535292A)，低温液体以一定的速度和压力流过试验段，在试验段内部管道喉口处由于流速增加压力降低而发生空化现象，配合实验装置的采集系统，就能在所述试验段处同步采集压力、温度、速度以及图像等空化流动数据，以实现对低温液体空化流动特性开展深入研究。
[0030]阶段性试验完毕后，若想对试验段传感器进行更换或者想要更换不同的几何模型进行试验，则只需要将流道下面板拆下更换传感器或者再加工一个不同几何尺寸的流道下面板按照上述安装步骤重新安装完毕后即可开展新一组试验，整个更换过程方便快捷，并且不易对试验段造成损坏，节约了大量的财力和人力。
[0031]有益效果
[0032]1、本发明的一种可拆装式低温液体空化流动观测试验段，采用多个部件装配而成，结构简单，构件少，相比完全由玻璃材质制成的一体式可视化试验段，大大降低了成本，并且拆装方便，拆装过程不易造成试验段的损坏。
[0033]2、本发明的一种可拆装式低温液体空化流动观测试验段，能够快速便捷地更换测量所用传感器和流道的几何结构，同时大大降低了更换流道几何结构的成本。
[0034]3、本发明的一种可拆装式低温液体空化流动观测试验段，不同于传统的文丘里管试验段，能够实现低温液体空化流动区域的压力、温度、速度以及空化图像等空化流动数据的同步测量。
【附图说明】
[0035]图1为一种可拆装式低温液体空化流动观测试验段内部示意图；
[0036]图2为一种可拆装式低温液体空化流动观测试验段三维示意图1;
[0037]图3为一种可拆装式低温液体空化流动观测试验段三维示意图2;
[0038]图4为基础流道三维示意图；
[0039]图5为基础流道内部示意图；
[0040]图6为流道下面板三维示意图；
[0041 ]图7为可视化观察窗三维示意图；
[0042]图8为缓冲垫片三维示意图。
[0043]其中，I一基础流道、2—缓冲垫片、3—可视化观察窗、4一连接卡口、5—法兰盘、6—流道下面板、7—压紧垫片、601—流道下面板凸台、602—流道下面板密封台、603—流道下面板底座。
【具体实施方式】
[0044]下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0045]实施例1
[0046]如图1-3所示，一种可拆装式低温液体空化流动观测试验段，由基础流道1、流道下面板6、可视化观察窗3、缓冲垫片2、压紧垫片7、法兰盘5、温度传感器和压力传感器组成。
[0047]连接关系:温度传感器和压力传感器通过安装孔安装在流道下面板6上;流道下面板6通过基础流道I下方的槽口与基础流道I内部管道接触连接;然后通过压紧垫片7固定连接在基础流道I上；可视化观察窗3置于基础流道I上方的槽口处，两个缓冲垫片2分别安装在可视化观察窗3两侧;连接卡口 4固定连接在基础流道I的上方;基础流道I两侧安装有法兰盘5;
[0048]如图4、图5所示，基础流道I为具有宽度的方形管道，基础流道I的下方和上方均开有槽口，以便与其他部件装配；
[0049]如图6所示，流道下面板6是由流道下面板凸台601、流道下面板密封台602与流道下面板底座603—体成型得到的；所述流道下面板凸台601分为前端、中间段、后端，位于流道下面板底座603上的前端和后端的高度与基础流道I的下方的壁厚相同；中间段带有梯度变化，进而形成一个最高点；流道下面板凸台601加上流道下面板密封台602形成的最大高度需小于基础流道I内部管道的高度加上基础流道I的下方的壁厚的总高度;所述流道下面板凸台601的宽度与基础流道I内部管道的宽度相同；流道下面板底座603的宽度和长度大于流道下面板密封台602的宽度和长度，流道下面板密封台602的宽度和长度大于流道下面板凸台601的宽度和长度;流道下面板凸台601的前端处开设通孔，用于安装温度传感器和压力传感器;流道下面板凸台601的中间段与可视化观察窗3形成喉口，在喉口的扩张段对应的流道下面板凸台601上开设通孔，用于安装温度传感器和压力传感器；
[0050]如图7、图8所示，可视化观察窗3与缓冲垫片2的横截面均为凹字形结构且形状与尺寸相同，横截面对应的尺寸与基础流道I上方的槽口的横截面尺寸相同；可视化观察窗3与缓冲垫片2的长度之和与基础流道I上方的槽口的长度相同；
[0051 ]如图1-3所示，还包括连接卡口 4，连接卡口 4固定连接在基础流道I的上方，一端与基础流道I接触连接，另一端与可视化观察窗3与缓冲垫片2接触连接；以防止试验过程中可视化观察窗3或缓冲垫片2在压力作用下飞出造成危险；
[0052]如图6所示，所述流道下面板6是由流道下面板凸台601、流道下面板密封台602与流道下面板底座603—体成型得到的；流道下面板密封台602位于流道下面板凸台601与流道下面板底座603之间；流道下面板凸台601的长度和宽度与基础流道I下方的内侧槽口的长度和宽度相同；流道下面板密封台602的长度、宽度和高度与基础流道I下方的外侧槽口的长度、宽度和高度相同；进而配合低温胶达到密封的效果。
[0053]如图7、图8所示，所述的可视化观察窗3与缓冲垫片2的侧壁上开设凹槽，用于填充低温胶，达到良好的密封效果；
[0054]所述基础流道1、法兰盘5和压紧垫片7均采用不锈钢材质；所述可视化观察窗3采用透明高硼硅玻璃材质;所述流道下面板6采用红色的聚四氟乙烯材料以便空化图像拍摄；所述缓冲垫片2和连接卡口 4均采用普通白色聚四氟乙烯材料;所述试验段内部管道喉口高度H2为2mm;所述试验段内部管道出(入)口高度Hl为20mm;所述可视化观察窗3的高度H3为10mm，长度LI为60_;所述缓冲垫片2的高度H3为10_，长度L2根据试验段内低温液体温度和材料的热膨胀系数进行变形协调设计后计算得到;所述基础流道I外围宽度Wl为20_，内部管道宽度为5mm。
[0055]所述试验段内部管道流动的低温液体为温度为77K的液氮，液氮在试验装置形成的压差作用下，从所述试验段入口流入，出口流出。
[0056]具体安装过程如下:
[0057]首先，将压力和温度传感器的探头从流道下面板底座603的下表面插入，探头与流道下面板凸台601的上表面平齐，在流道下面板底座603的下表面传感器安装孔处通过上海合成树脂研究所生产的低温胶DW-3将传感器安装孔密封;流道下面板凸台601的前端为来流方向的一侧，流道下面板密封台602与基础流道I下方的外侧槽口装配连接处首先通过低温胶DW-3进行密封粘接，粘接步骤包括:(I)先用“O”号砂纸打磨再经硫酸-重铬酸钾溶液处理粘接表面，冲洗干净后烘干。(2)将低温胶用涂胶棒均匀涂于基础流道I下方的外侧槽口与流道下面板密封台602的装配连接处。(3)将压紧垫片7压在流道下面板底座603的下表面，通过螺栓将流道下面板底座603与基础流道I连接固定，在100 °C的烘箱内固化2小时。
[0058]可视化观察窗3的两侧通过低温胶DW-3各粘接一块缓冲垫片2，然后再通过低温胶将可视化观察窗3、缓冲垫片2与基础流道I的上方槽口进行密封粘接，粘接步骤同样严格遵循低温胶的粘接工艺，可视化观察窗3和缓冲垫片2在结构上均挖有一条凹槽，在凹槽内填充低温胶以实现良好的密封效果;流道下面板凸台601的宽度，可视化观察窗3和缓冲垫片2的内槽道的宽度与基础流道I的内部管道的宽度一致，由此，形成一段完全封闭的方形管道；
[0059]液氮的温度77K与室温298K的温差ΔΤ为221K;通过材料手册可以查到，可视化观察窗3高硼硅玻璃的热膨胀系数al为3.3X10~—6(K—0，缓冲垫片2聚四氟乙烯的热膨胀系数a2为100 X 10~—6(K—O，基础流道I不锈钢的热膨胀系数a3为16 X 10~—6(K—O，则基础流道I上方槽口处的长度方向在液氮流过时存在变形协调问题，可由公式(I)计算得到:
[0060](alXLl+2Xa2XL2)X Δ T = a3 X (Ll+2 X L2) X ΔΤ (I)
[0061]根据试验工况观察需要确定可视化观察窗3的长度LI为60mm，则缓冲垫片2的长度L2为4.5mm，基础流道I的上方槽口的长度为69mm，可视化观察窗3、缓冲垫片2和基础流道I之间的配合公差可通过低温胶DW-3进行补偿。
[0062]连接卡口 4通过螺母轻压在可视化观察窗3和缓冲垫片2的上方，防止可视化观察窗3和缓冲垫片2在高压作用下脱离飞出造成危险;基础流道I的两端与法兰盘5装配连接后通过焊接固定，以便所述试验段与试验装置前后管道连接。
[0063]具体工作过程如下:
[0064]所述试验段按照上述步骤安装完毕后通过法兰盘5安装在低温液体空化实验装置上(中国专利公开号:CN104535292A)，77K的液氮在试验装置形成的压差作用下，以一定的温度、速度和压力流过试验段，在试验段内部管道的喉口处由于流速增加压力降低而发生空化现象，配合实验装置的采集系统，就能在所述试验段处同步采集压力、温度、速度以及图像等空化流动数据，以实现对液氮空化流动特性开展深入研究。
[0065]阶段性试验完毕后，若想对试验段传感器进行更换或者想要更换不同的几何模型进行试验，则只需要将流道下面板6拆下更换传感器或者再加工一个不同几何尺寸的流道下面板6按照上述安装步骤重新安装完毕后即可开展新一组试验，整个更换过程方便快捷，并且不易对试验段造成损坏，节约了大量的财力和人力。
【主权项】
1.一种可拆装式低温液体空化流动观测试验段，其特征在于:由基础流道(I)、流道下面板(6)、可视化观察窗(3)、缓冲垫片(2)、压紧垫片(7)、法兰盘(5)、温度传感器和压力传感器组成； 温度传感器和压力传感器通过安装孔安装在流道下面板(6)上;流道下面板(6)通过基础流道(I)下方的槽口与基础流道(I)内部管道接触连接，然后通过压紧垫片(7)固定连接在基础流道(I)上；可视化观察窗(3)置于基础流道(I)上方的槽口处，两个缓冲垫片(2)分别安装在可视化观察窗(3)两侧;连接卡口(4)固定连接在基础流道(I)的上方;基础流道(I)两侧安装有法兰盘(5); 基础流道(I)为具有宽度的方形管道，基础流道(I)的下方和上方均开有槽口，以便与其他部件装配;流道下面板(6)是由流道下面板凸台(601)、流道下面板密封台(602)与流道下面板底座(603)—体成型得到的；所述流道下面板凸台(601)分为前端、中间段、后端，位于流道下面板底座(603)上的前端和后端的高度与基础流道(I)的下方的壁厚相同；中间段带有梯度变化，进而形成一个最高点；流道下面板凸台(601)加上流道下面板密封台(602)形成的最大高度需小于基础流道(I)内部管道的高度加上基础流道(I)的下方的壁厚的总高度;所述流道下面板凸台(601)的宽度与基础流道(I)内部管道的宽度相同；流道下面板底座(603)的宽度和长度大于流道下面板密封台(602)的宽度和长度，流道下面板密封台(602)的宽度和长度大于流道下面板凸台(601)的宽度和长度;流道下面板凸台(601)的前端处开设通孔，用于安装温度传感器和压力传感器;流道下面板凸台(601)的中间段与可视化观察窗(3)形成喉口，在喉口的扩张段对应的流道下面板凸台(601)上开设通孔，用于安装温度传感器和压力传感器。2.如权利要求1所述的一种可拆装式低温液体空化流动观测试验段，其特征在于:所述的可视化观察窗(3)与缓冲垫片(2)的横截面均为凹字形结构且形状与尺寸相同，横截面对应的尺寸与基础流道(I)上方的槽口的横截面尺寸相同；可视化观察窗(3)与缓冲垫片(2)的长度之和与基础流道(I)上方的槽口的长度相同。3.如权利要求1或2所述的一种可拆装式低温液体空化流动观测试验段，其特征在于:还包括连接卡口(4)，连接卡口(4)固定连接在基础流道(I)的上方，一端与基础流道(I)接触连接，另一端与可视化观察窗(3)与缓冲垫片(2)接触连接。4.如权利要求1所述的一种可拆装式低温液体空化流动观测试验段，其特征在于:所述流道下面板(6)是由流道下面板凸台(601)、流道下面板密封台(602)与流道下面板底座(603)—体成型得到的；流道下面板密封台(602)位于流道下面板凸台(601)与流道下面板底座(603)之间；流道下面板凸台(601)的长度和宽度与基础流道(I)下方的内侧槽口的长度和宽度相同；流道下面板密封台(602)的长度、宽度和高度与基础流道(I)下方的外侧槽口的长度、宽度和高度相同。5.如权利要求1或2所述的一种可拆装式低温液体空化流动观测试验段，其特征在于:所述的可视化观察窗(3)与缓冲垫片(2)的侧壁上开设凹槽。6.如权利要求1或2或4所述的一种可拆装式低温液体空化流动观测试验段，其特征在于:所述基础流道(1)、法兰盘(5)和压紧垫片(7)均采用不锈钢材质;所述可视化观察窗(3)采用透明高硼硅玻璃材质;所述流道下面板(6)、缓冲垫片(2)和连接卡口(4)均采用聚四氟乙烯材质;所述流道下面板(6)采用暖色的聚四氟乙烯材料，如红色、橘黄色。7.如权利要求1或2或4所述的一种可拆装式低温液体空化流动观测试验段，其特征在于:所述试验段内部管道喉口高度H2是出入口高度Hl的0.01-0.1。8.如权利要求1或2或4所述的一种可拆装式低温液体空化流动观测试验段，其特征在于:所述可视化观察窗(3)高度H3小于25mm;所述试验段外围宽度Wl小于25mm;所述试验段内部管道的宽度W2大于5mm。
【文档编号】G01M10/00GK106053015SQ201610382316
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】王国玉, 陈泰然, 黄彪, 张敏弟, 刘影, 高德明
【申请人】北京理工大学