一种超重力驱动的湍流对流系统实验平台的制作方法

本发明涉及热对流研究领域，特别是涉及一种超重力驱动的湍流对流系统实验平台。

背景技术：

在轮船的燃气轮机和飞机的航空发动机中，都涉及到了旋转叶片的冷却问题。在地球物理的研究中，外地核和地幔对流都是在重力与旋转条件下的热对流，因此，热驱动的湍流对流，无论对于工程应用还是自然科学都是一项非常重要的基础研究。实际上，地球上的流动都是在旋转坐标系下发生的，虽然地球转速相对较慢，但是地球的尺度较大，所以反应旋转的科氏力效应相对较强。在工业中的一些旋转机械中，转速很高，叶片的受热与冷却也是发生在旋转叶片上，因此，旋转与热对流的结合成为了研究的一个前沿。

驱动湍流对流的是热浮力，前人的理论研究表明，热驱动作用可以用无量纲数ra反映，ra是工作流体的热膨胀系数、运动粘性系数和热扩散系数，是等效重力加速度，是热板与冷板的温差，是流动的特征长度尺度的函数。不断地提高ra以达到更大的热驱动强度，从而使得传热进入“终极区间”，这时传热与热驱动的函数关系会有指数级的增强。然而，相关技术人员多实验研究重力与旋转矢量平行的情况，而且他们使用的转速较低，最大只达到了60rpm，这种实验仅可以有效地解释地球南北两极的海冰运动。目前，实验上尚未有让人信服的传热达到终极区间的报道，且前人通过增大温差、增大装置尺寸、改变流体性质等方法提高ra，也尚未通过增加等效重力加速度而使得热驱动强度达到“终极区间”。

此外，在目前的热对流研究中，曲率效应的影响尚未清晰，有一些球形腔体研究曲率更为复杂，比如其中的温度分布不再是主体区流动温度等于上下板温度的一半，而是偏高，这是著名的non-oberbeck-boussinesq效应，这样流体力学控制方程将会更加复杂。并且，现有用于研究高速旋转条件下热对流的装置，最高转速虽然可达9990rpm，能够用来研究可压缩条件下的气体湍流对流，但是装置最大尺寸只有50mm左右，由于腔体内是气体，整个装置采用耐压的金属结构，将导致实验的相对误差较大，且无法进行流动显示。

综上所述，如何提出一种可通过实现等效重力的实验条件使热驱动强度达到“终极区间”，适用于旋转轴矢量与温差驱动的流动方向不平行的情况，且能够更好地研究曲率对流动影响的实验平台，是一个亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种超重力驱动的湍流对流系统实验平台，可通过实现等效重力的实验条件使热驱动强度达到“终极区间”，适用于旋转轴矢量与温差驱动的流动方向不平行的情况，且能够更好地研究曲率对流动的影响。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种超重力驱动的湍流对流系统实验平台，包括圆环对流系统、测量系统、机械旋转系统、机电控制系统和光学平台；所述圆环对流系统包括透明玻璃上盖、冷却通道、内圆柱环以及同轴套设于所述内圆柱环外侧的外圆柱环，所述外圆柱环的外侧由内至外依次设置有若干加热片、用于紧固所述加热片的卡环以及保温圆柱环，所述保温圆柱环的外壁贴设有若干保温加热片，所述透明玻璃上盖安装于内、外圆柱环的上端面，所述冷却通道包括首尾依次串联的循环水浴设备、冷却水分流模块和分布于所述内圆柱环侧壁内的冷却水管道；所述机械旋转系统包括旋转主轴和安装于所述旋转主轴顶端的转盘，所述旋转主轴通过轴承的支撑安装于所述光学平台上，所述内、外圆柱环固定于所述转盘上；所述机电控制系统包括用于与所述旋转主轴的底端连接的驱动伺服电机、罩设于所述圆环对流系统外部的恒温箱、用于与各所述加热片电连接的第一直流电源、用于与各所述保温加热片电连接的第二直流电源以及用于控制所述恒温箱温度的第三直流电源。

可选的，还设置有测量系统，所述测量系统包括热力学参数测量系统和光学测量系统；所述热力学参数测量系统包括液电滑环、用于插入流体的细温度探头、用于分别插入内、外圆柱环的温度传感器、用于所述加热片两端的电压测量和电阻测量的万用表以及用于测量所述保温圆柱环温度的保温层温控器；所述光学测量系统包括用于粒子跟踪的ccd相机和用于测量流体速度信号的激光多普勒仪。

可选的，所述恒温箱上设置有恒温箱温控器和若干半导体加热/冷却片，所述半导体加热/冷却片、所述恒温箱温控器和所述第三直流电源依次串联，所述恒温箱温控器用于使箱内温度与内、外圆柱环的平均温度保持一致；所述半导体加热/冷却片上设置有风扇。

可选的，还设置有安全保护系统，所述安全保护系统包括罩设于整个实验平台外部的防爆玻璃墙。

可选的，所述内圆柱环的上底面还安装有补水桶，所述补水桶上开设有侧向补水口和底部补水口，所述透明玻璃上盖上设置有两个注水嘴，两个注水嘴呈180°对称分布，所述侧向补水口和所述底部补水口分别与一所述注水嘴通过硅胶管连接。

可选的，所述内、外圆柱环与所述转盘之间设置有四氟隔热底板，且所述内圆柱环和所述外圆柱环的上下端面均安装有o型密封圈。

可选的，所述卡环与所述保温圆柱环之间以及所述保温圆柱环的外侧均设有橡塑保温棉。

可选的，所述内圆柱环和所述外圆柱环均为紫铜圆柱环；所述冷却水通道为铜管管道。

可选的，所述冷却通道内设置有两台循环水浴设备，且两台所述循环水浴设备串联。

可选的，所述旋转主轴的底部套设有皮带轮，所述皮带轮通过皮带与所述驱动电机的输出端传动连接。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的超重力驱动的湍流对流系统实验平台，整体对称性很高，可以同时实现较大尺寸腔体和较高转速，可有效减小实验测量的相对误差，同时也可利用机械旋转系统的转动稳定性和圆环对流系统的大尺寸结构产生较大的离心力，实现最高1500rpm(30g)的等效重力实验条件，使得热驱动强度ra提高了两个数量级，提供了一种达到“终极区间”的新的手段；由于内(冷)外(热)圆柱环面法线方向与旋转主轴方向垂直，实现了旋转轴矢量与温差驱动的流动方向近似垂直关系，且圆柱表面的受热冷却相对于球形壁面可以更好地研究曲率对流动的影响。

此外，本发明的装置与工作流体均有别于现有技术，其能够研究液体介质的热对流，具备转速、冷却温度、加热功率的精确调控能力，并可以利用透明玻璃上盖、良好密封防漏措施以及测量系统的合理线路布置实现流场、温度等信号的高精度高频率测量，实用性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明超重力驱动的湍流对流系统实验平台中各系统的连接关系示意图；

图2为本发明安全保护系统的连接关系示意图；

图3为本发明超重力驱动的湍流对流系统实验平台的轴测图；

图4为本发明超重力驱动的湍流对流系统实验平台的主视图；

图5为本发明圆环对流系统与机械旋转系统的安装示意图；

图6为本发明圆环对流系统的整体放大结构示意图；

图7为本发明圆环对流系统的剖视图；

图8为本发明圆环对流系统中内圆柱环的剖视图；

图9为本发明机械旋转系统的结构示意图；

图10为高频弱信号温度脉动测量系统中的电桥连接示意图；

其中，附图标记为：内圆柱环-1、外圆柱环-2、保温圆柱环-3、加热片-4、透明玻璃上盖-5、四氟隔热底板-6、补水桶-7、转盘-8、旋转主轴-9、轴承-10、轴承座-11、光学平台-12、皮带轮-13、耳片-14、卡环-15、冷却水管道-16、冷却水分流模块-17、o型密封圈-18、滑环-19。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

如图1-10所示，本实施例提供一种可控的超重力驱动的湍流对流系统实验平台。该实验平台分为五个模块，分别是圆环对流系统、测量系统、机械旋转系统、机电控制系统和安全保护系统。其中圆环对流系统是实验平台的核心，其它四个系统作为辅助。各系统各部分的连接、控制和采集的关系如图1和2所示。具体来说，圆环对流系统包括内圆柱环1、外圆柱环2、保温圆柱环3、加热片4、冷却通道、透明玻璃上盖5、四氟隔热底板6、补水桶7。测量系统包括热力学参数测量和光学测量。热力学测量即通过温度传感器测量流动的温度及内、外环壁面温度；光学测量主要是粒子跟踪技术和激光多普勒测速技术，粒子跟踪可以显示整个流场随时间的变化，激光多普勒技术可以高频测量流场某点速度的时间序列。所有的冷却、加热、温度测量均需要通过液电滑环，液电滑环分为转子端和定子端，实现实验室静止坐标系下的设备对圆环对流系统中的旋转工作流体的有效控制和数据采集。机械旋转系统包括转盘8、旋转主轴9、轴承10、轴承座11、光学平台12、皮带轮13和皮带等，作用是将机电控制系统旋转运动传递给圆环对流系统，并保证轴系在高速旋转下的稳定性和安全性。安全保护系统分为高速旋转机械(圆环对流系统1500rpm旋转)和电器设备(2000w加热/冷却)防护两方面，具体包括两道防爆玻璃墙、多处紧急停止按钮、24小时实时监控、熔断开关、安全培训等。

下面对各系统的结构组成以及部件之间的连接关系作具体阐述：

(一)圆环对流系统：如图3-8所示，包括内圆柱环1、外圆柱环2、保温圆柱环3、加热片4、冷却通道、透明玻璃上盖5、四氟隔热底板6、补水桶7。圆环对流系统的内外圆柱环的下底面、四氟隔热底板6、机械旋转系统的转盘8通过螺丝紧固在一起，以保证旋转运动的传递与系统的稳定性，内外圆柱环的上底面、透明玻璃上盖5也通过螺丝紧固在一起。内外圆柱环的上下底面挖有凹槽，在其中设置硅胶材质的o型密封圈18，螺丝连接压紧后，可以防止内外圆柱环之间的旋转流体泄漏。紧贴外圆柱环2外侧优选贴有4片加热片4，并通过不锈钢的卡环15和螺丝固定，卡环15带有4个耳片14，加热片4被夹紧于卡环15内侧和外圆柱环2外侧之间，加热片4通过图1所示的第一直流电源(即外环加热直流电源，图1所示直流电源1)——液电滑环——加热片4实现外圆柱环2的恒定热通量加热，其中加热片4伸出两根导线，依次经过透明玻璃上盖5中间孔、内圆柱环1中间孔、“加热和信号线定子端出线口”穿出后，第一直流电源的输出口。

在卡环15外面设置有尺寸比外圆柱环2稍大的保温圆柱环3(即保温加热层)，保温圆柱环3上也贴有保温加热片16，保温加热片16通过液电滑环与第二直流电源连接，并通过一保温层温控器(优选保温层pid温控器)控温，使保温圆柱环3温度与外圆柱环2温度保持一致。具体的，保温加热片16伸出两根导线，依次经过透明玻璃上盖5的中间孔、内圆柱环1中间孔、“加热和信号线定子端出线口”穿出后，连接第二直流电源(图1所示直流电源2)的输出口。保温层温控器的探头粘在保温加热片16上，探头的三根引线依次经过透明玻璃上盖5的中间孔、内圆柱环1中间孔、“加热和信号线定子端出线口”穿出后，连接在保温层温控器的接线口上，对第二直流电源实现反馈控制。

在卡环15和保温圆柱环3之间、保温圆柱环15外侧都紧密地塞有橡塑保温棉，以减少热量沿径向向外传递。整个圆环对流系统通过机械旋转系统的两个轴承卡在光学平台12上，并置于1m*1m*1m的恒温箱中，该恒温箱为图2所示安全保护系统中两道防爆玻璃墙的第一道防护，通过第三直流电源(半导体片温控电源，即图1所示直流电源3)与恒温箱温控器电连接实现控温，使箱内温度与内外圆柱环的平均温度保持一致。恒温箱是静止的，所以直接通过导线从外部连接，第三直流电源可直接控制位于恒温箱顶部的4个半导体加热/冷却片，并通过贴在半导体片上的风扇将热量传给恒温箱，风扇还可使箱中热量均匀。上述保温圆柱环3、橡塑保温棉、恒温箱控温系统的作用都是使热对流的热量传递仅通过内外圆柱环之间，减少热量通过几个表面向外耗散，以保证内外圆柱环传热测量的可靠性。

本实施例中，冷却通道包括冷却水分流模块17、内圆柱环1的侧壁内呈蛇形均匀分布的冷却水管道16和连接铜管，从循环水浴设备中流出的冷水经出水管道从下方流入冷却水分流模块17的下圆环中，通过s形铜弯管流入冷却水管道16，在内圆柱环1带走热量后，再从另一个s形铜弯管返回冷却水分流模块17的上圆环中，从侧面的出水口流出，沿进水管道返回循环水浴设备，即冷却水循环方式为：循环水浴——液电滑环——内环冷却——液电滑环——循环水浴。冷却通道的作用是使得内圆柱环1温度保持恒温，带走从外圆柱环2受热并通过热对流传递过来的热量，以维持内外圆柱环之间的温差，维持对流腔体中稳定的热对流。

本实施例中，内圆柱环1和外圆柱环2均优选为导热性高的紫铜圆柱环。透明玻璃上盖5优选采用丙烯酸制作而成，导热性低，可以减少热量在流体与恒温箱之间的传递，还可以为光学测量提供视窗。四氟隔热底板6表面光滑，作为对流腔体的下底面。补水桶7优选为虹吸补水桶，通过一个“几”字形的不锈钢框架用螺丝连接在内圆柱环1的上底面上，并用硅胶管连接补水桶7下部和侧面的两个口与透明玻璃上盖5上的两个水嘴。补水桶7是根据透明玻璃上盖5上注水嘴连接处的离心力产生的侧向压强与补水桶液面高度在注水嘴处产生的纵向压强相等设计的，这样可以保证液体始终充满整个对流腔体，另外还可以通过硅胶管插入细温度探头，监测流动的温度脉动。

(二)测量系统：用于采集并传输数据，包括热力学参数测量和光学测量。热力学测量即通过温度传感器测量流动的温度及内外环壁面温度：流动的温度通过插入流体的细温度探头(最大直径0.38mm)测量，细温度探头的引线(导线)穿入内径1mm的中空不锈钢管中，用ab胶固定在钢管内，后依次经过补水桶7上端、透明玻璃上盖5中间孔、内圆柱环1中间孔、“加热和信号线定子端出线口”穿出，通过图1所示的电桥——锁相放大器——ni高频率弱信号采集仪采集到电脑，电桥和锁相放大器如图10所示，作用是对流动中较微弱的温度脉动进行高频率采集，具体来说，设定电位器电阻稍低于细温度计电阻，在图10所示位置施加激励电压us，则a、b两端就会有一个较小幅值的电压差，这样有利于测得温度很微弱的变化，微弱的电压差输入到锁相放大器中，放大输出并通过ni采集仪采集到电脑。内外环壁面温度通过插入内外圆柱环直径3mm孔的温度传感器(最大直径2.2mm)测量，后依次经过透明玻璃上盖5中间孔、内圆柱环1中间孔、“加热和信号线定子端出线口”穿出，通过图1所示的keithley采集仪采集到电脑。上述两种温度探头直接测量的都是电信号，通过温度-电压、温度-电阻函数关系式，算出温度。

对贴在外圆柱环2上的加热片4两端的电压测量(图1“加热电阻片”、“测电压”)，即在加热片4两端并联两根导线，依次经过透明玻璃上盖5中间孔、内圆柱环1中间孔、“加热和信号线定子端出线口”穿出，通过图1所示的keithley采集仪采集到电脑。上述keithley采集仪可以视为一个可以测电阻、电压的万用表，只不过有很多个测量通道，可以同时测量、采集。此外，旋转装置上的所有冷却、加热、温度测量均需要通过液电滑环，液电滑环分为转子端和定子端，为一种现有的装置，具体结构和工作原理在此不再赘述，本实施例中用于实现实验室静止坐标系下的设备对圆环对流系统中的旋转工作流体的有效控制和数据采集。

光学测量则主要是粒子跟踪技术和激光多普勒测速技术，粒子跟踪可以显示整个流场随时间的变化，利用颗粒和ccd相机，用罗丹明染液对长度为6～10mm、直径1mm的尼龙颗粒染色，配制与所选尼龙颗粒密度相等的(1.4g/ml)甘油水溶液，通过与转速频率相同帧率的相机俯视(通过三脚架架在恒温箱顶部)拍摄流场，可以通过互相关函数得到在旋转坐标系下的流动结构特性，但由于光源的限制，目前还较难得到定量的速度数据，可采用激光多普勒技术作为其补偿，可以得到系统高精度的速度信号。上述激光多普勒技术为一种现有技术体系，在此不再赘述。

(三)机械旋转系统：如图9所示，包括转盘8、旋转主轴9、轴承10、轴承座11、皮带轮13和滑环19等，光学平台12上安装轴承座11，旋转主轴9通过轴承10支撑，安装于轴承座11内，机械旋转系统的作用是将机电控制系统旋转运动传递给圆环对流系统，并保证轴系在高速旋转下的稳定性和安全性。通过皮带轮13和皮带与机电控制系统的伺服电机的旋转轴相连，通过螺丝将304不锈钢的转盘8和圆环对流系统的内外圆柱环下底面、四氟隔热底板6栓接。旋转主轴9采用304不锈钢车制而成，搭配高精密角接触球轴承、不锈钢轴承座、定制精密光学平台，安装过程中用同心度仪表调节轴系的动平衡，保证了轴系在高速旋转下的稳定性和安全性。如图9所示，光学平台12的底部支撑有平台支架，平台支架的各支撑腿底部均安装有吸盘，平台支架的四边均匀安装有用于移动的万向滚轮。

(四)机电控制系统：包括电控系统和与所述电控系统电连接的驱动电机，驱动电机作为直接的转动动力源，可优选采用安川电机旗下的sigma7g系列伺服电机，最高转速为1500rpm，额定功率为11kw，额定转矩70n·m。该系统可以通过电控系统对其进行精密的转向、转速、转矩控制，满足实验的需求。其中，电控系统可为各用电设备提供电源，还包括可编程的逻辑控制器。

(五)安全保护系统：高速旋转装置(安装了圆环对流系统的机械旋转系统)的安全防护工作十分重要，图2展示了安全保护系统的布置情况(该系统内所能实现的各个功能均是以现有手段实现的，具体不再赘述)，机械旋转系统在强度设计时，提高了安全系数，并且为了保证实验的安全进行，设置了防爆玻璃墙，恒温箱除了起到上述提供恒温环境的作用，还具有安全防护作用，与防爆玻璃墙共同形成内外两道防爆保护玻璃门；同时本实施例还以现有的技术手段在实验室安装了多处紧急停止按钮，用于意外情况下的紧急停车，并对该实验室进行24小时实时监控。由于使用了很多大功率的电源和制冷机，需要足够的电器设备安全保护，因此还以现有技术手段对超过安全电压的电源配置了熔断开关，并张贴警示标识防止其他人员误操作，对此还编撰了相应操作指南，只有经过培训，并通过考核的专业人员才能操作，每隔一个月进行安全隐患排查，每隔三个月要进行一次全面检修，从而保证实验的安全进行。

综上所述，本实施例具有如下有益效果：

(1)利用机械旋转系统的稳定性和圆环对流系统的大尺寸产生较大的离心力，使该平台最高可实现130倍(相当于1500rpm)等效重力(离心力)实验条件，进而使得热驱动强度ra提高了两个数量级，提供了一种达到“终极区间”的新的手段；

(2)内(冷)、外(热)圆柱环面法线方向与旋转主轴方向垂直的位置关系，可使旋转轴矢量与温差驱动的流动方向不平行并近似垂直，且圆柱表面的受热冷却相对于球形壁面可以更好地研究曲率对流动的影响；

(3)具备转速、冷却温度、加热功率的精确调控能力，通过圆环对流系统的透明玻璃上盖和很好的密封防漏措施(硅胶o形密封圈18和螺丝紧固)、以及测量系统的合理线路布置，可以实现流场、温度等信号的高精度高频率测量；

(4)流场采用罗丹明染色的尼龙颗粒和与之密度相近的甘油水溶液实现流动显示，这得益于装置的上表面采用隔热(导热系数0.21w/(m*k))且透明的丙烯酸材料，采用与转速频率一致的拍摄帧率拍摄，以便通过互相关函数得到速度场；

(5)采用激光多普勒测速仪高频率采集某点的速度脉动信号，流场中的温度测量采用直径0.38mm(对流场影响可忽略不计)的热敏电阻，采集频率高达128hz；

(6)相较于现有技术，本实施例整个系统的对称性很高，所以可以同时实现较大尺寸腔体和较高转速，使装置腔体更大，内径240mm，外径480mm，能够有效减小实验测量的相对误差；

(7)通过透明玻璃上盖的设置，相对于目前研究pr＝1的气体热对流，本实施例可研究平均温度40℃的水的热对流，相当于pr＝4.3，研究的装置与工作流体和现有相比具有本质上的区别。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。