一种海洋条件下枝型通道内流体可视化实验装置及方法

1.本发明涉及海洋核动力及枝型通道内流体流动混合特性实验研究领域，具体涉及一种海洋条件下枝型通道内流体流动混合可视化实验装置及方法。


背景技术：

2.海洋核动力平台作为海洋工程和核动力工程的有机结合和创新应用，可以为建设强大海上力量提供可靠的能源保障，可满足海洋油气开采和偏远小岛的能源补给。枝型通道作为海洋核动力平台中一种常见的管路结构，其不同支管输送不同温度液体时，冷热流体在枝型通道内发生混合，流场和温度场发生波动。受海洋条件影响，海洋核动力平台发生摇摆、起伏等运动，枝型通道内流体流动混合产生附加惯性力，进一步增强内部流场和温度场波动，进而传递到管壁，使管壁承受热应力、冲击应力、压应力的作用，长期的应力作用会使枝型通道管壁发生疲劳损伤事故，威胁海洋核动力平台的安全运行。因此，有必要进行海洋条件下枝型通道内流体流动混合特性的实验研究。
3.目前国内外已开展关于枝型通道内流体流动混合的实验研究。一般由一根主管和一根支管组成的枝型通道，利用光学仪器测量枝型通道内的流动。但都没有考虑海洋条件对枝型通道内流体流动混合的影响作用，无法获得海洋条件下枝型通道内流场和温度场时空演化特性。
4.现有专利cn106248673、cn109696295和cn112881386提供了一种适用于动态运动条件下的气泡动力学可视化实验装置和方法，实验装置主体为可视化窄通道实验件，利用单台或两台高速摄像机拍摄动态运动条件下的气泡动力学行为。涉及动态运动条件下气泡动力学研究技术领域，仅能对气泡的生成、脱离等现象进行研究，难以对气泡的速度、温度、空间结构等特性参数进行研究。同时采用单台或两台高速摄像机进行拍摄，仅能研究气泡在二维空间内的动力学行为。
5.现有专利cn109473187b提供了一种海洋条件下两层流体搅混过程及传热特性可视化实验系统及方法，实验装置主体为可视化半椭球状的二维切片结构，采用互不相溶的两种流体作为熔融物模拟物，利用固定在地面上的高速摄像仪拍摄了海洋条件下两种流体的搅混过程，并利用热电偶获得了海洋条件下两层液体的传热特性。该发明涉及海洋条件下核电厂严重事故后压力容器下封头分层熔融池的搅浑特性研究技术领域，实验装置主体为半椭球状二维切片结构，两种互不相溶流体在封闭半椭球空腔内搅混，高速摄像机固定在地面上，不能实时监测海洋条件下两种流体的搅混过程同时利用热电偶对温度进行采样，不能获得温度场的空间分布。
6.综上所述，现有文献和专利受限于一维流场和温度场测量方法，不能够获得枝型通道内流体混合后流场及温度场的二维和三维的有效信息，受限于光学测量设备与实验装置的位置关系，不能实时准确地获得海洋条件对枝型通道内流动混合特性的影响规律。同时，现有枝型通道可视化实验装置管路优化不合理，不能保证实验的高效性和安全性。
7.与以上现有发明专利不同的是，本发明涉及海洋核动力及枝型通道内流体流动混
合特性实验研究领域，具体涉及一种海洋条件下枝型通道内流体流动混合可视化实验装置及方法。通过海洋条件模拟平台实现多种复杂海洋运动的模拟。设计三维定位台架，满足ccd相机在三维方向上的移动及圆周方向上的转动需求，实现测量区域在可视化实验段全局内的位置和尺寸的调整，保证测量的实时性和准确性。四台ccd相机成十字形布置，两两对称布置在可视化实验段两侧，利用光学测量技术实时准确地获得海洋条件下枝型通道内流体混合后二维和三维流场、温度场信息。同时，通过协同给液系统和温控系统作用，可实现冷态实验和热态实验的切换，简化实验流程，提高实验效率，保障实验安全。


技术实现要素：

8.本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种海洋条件下枝型通道内流体流动混合可视化实验装置及方法，能够实时可视化地研究海洋条件下枝型通道内流动混合特性。
9.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
10.一种海洋条件下枝型通道内流体流动混合可视化实验装置，其特征在于所述实验装置包括：海洋条件模拟平台、可视化实验段、光学测量系统、三维定位台架、给液系统、温控系统、实验参数在线监测系统；光学测量系统包括激光发生器、ccd相机、镜片组件及远程计算机；给液系统用于实现工质的循环，配合温控系统与实验参数在线监测系统实现所需的实验工况；光学测量系统的关键部件通过三维定位台架与可视化实验段平行固定在海洋条件模拟平台上，与海洋条件模拟平台同步运动，实时同步拍摄海洋条件下枝型通道内示踪粒子图像，获得海洋条件下枝型通道内流场和温度场在时间和空间上的演变特性。
11.所述海洋条件模拟平台由平台台面，伺服控制系统，驱动轴组成；平台台面上预留方形贯通区域以便于激光照亮可视化实验段，贯通区域尺寸大于可视化实验段尺寸；驱动轴与平台台面转动连接，伺服控制系统可控制驱动轴移动进而带动平台台面在三维方向上的移动及转动，实现对海洋条件的模拟；海洋条件模拟平台可实现六自由度单独运动及各自由度复合运动，还能在规定角度处于长时间静止状态。
12.所述可视化实验段包含至少一个由两根管道连接而成的枝型结构，通过管道固定架安装在海洋模拟平台的贯通区域上方，平行于海洋模拟平台中心线，且平行于三维定位台架；管道截面可为矩形、圆形或椭圆形，管道由透光和可塑的材料制成。
13.所述光学测量系统所带有的示踪粒子用于显示枝型通道内流体流动混合的流场及温度场信息；激光发生器固定于地面不随海洋条件模拟平台运动，用于产生片光源；镜片组件之间通过管道联接并固定于地面上不随海洋条件模拟平台运动，镜片组件进口平行于激光发生器出口布置，镜片组件出口垂直于可视化实验段测量区域布置，以保证从镜片组件出口发射出的片光源与可视化实验段测量区域重合，进而照亮测量区域内的示踪粒子；四台ccd相机成十字形布置，两两对称固定在可视化实验段两侧的三维定位台架上，实时同步拍摄海洋条件下枝型通道内示踪粒子图像，获得海洋条件下枝型通道内流场和温度场在时间和空间上的演变特性。
14.所述三维定位台架共有两台，平行安装在海洋模拟平台上可视化实验段两侧。每台三维定位台架包含一个主伺服电机，一个主导轨，两个主滑台以及两个相机固定台。主导轨长度大于可视化实验段长度小于海洋条件模拟平台台面长度，平行于可视化实验段布
置；主滑台与主导轨转动连接，与相机固定台固定连接，用于主导轨和相机固定台的串联。每个相机固定台包含三个副伺服电机，三个副导轨，三个副滑台，一个l型板及一个圆盘。副导轨在三维方向上相互垂直布置，其长度小于主导轨长度；三个副滑台分别用于副导轨与副导轨之间、副导轨与l型板之间的连接；l型板与圆盘之间转动连接，ccd相机固定安装在圆盘上。主伺服电机通过带动主导轨旋转带动主滑台在水平方向上同步移动，进而带动四台ccd相机两两同步移动，实现测量区域在水平方向上的位置调整；不同副伺服电机通过带动对应的副导轨旋转带动副滑台在三维方向上的移动，进而带动对应的ccd相机在三维方向上的滑动，通过圆盘转动带动对应的ccd相机在平面上的360
°
转动，进而实现测量区域在三维方向上位置和尺寸的调整。
15.所述给液系统包括主储液箱、副储液箱、循环工质、给液泵、给液管道、阀门及管道连接件；两个储液箱内都装有加热装置与内循环泵，可提供从室温到100℃的循环工质；主储液箱与副储液箱内分装不同温度的工质，以满足不同温度工质混合的热态实验的需求；循环工质为透光性好的液体；给液泵提供工质循环的动力，为无极调节的泵；阀门为实现控制调节循环工质的流向和参数的调节阀或截止阀；管道连接件用于连接各部分给液管道；给液泵将循环工质从储液箱内抽出，通过给液管道输送到可视化实验段内进行混合后流回储液箱内，可实现工质的循环；通过控制相应阀门的开启和关闭，可控制不同储液箱的使用，进而实现冷态实验或热态实验需求，冷态实验的循环工质温度相同，热态实验的循环工质存在温差，温差为0℃～75℃。
16.所述温控系统包括加热装置、冷却装置、控制系统；加热装置安装在储液箱内，配合内循环泵，均匀加热循环工质，实现循环工质从室温到100℃的无极调节；冷却装置通过给液管道，阀门和管道连接件安装在可视化实验段后，将循环工质冷却至实验温度后返回副储液箱内；温控系统优先在进行不同温度工质混合热态实验时使用，通过控制系统协同加热装置和冷却装置作用，将循环工质调节至所需实验温度。
17.所述实验参数在线监测系统包括温度、压力、流量参数的监测设备及数据采集器，可实时在线监测和采集实验参数。
18.本发明还提供一种海洋条件下枝型通道内流体流动混合可视化实验方法：
19.根据实验工况开启和关闭相关阀门，使得从主储液箱和/或副储液箱向枝型通道的不同管路供液，确定冷态实验或热态实验所需实验设备；
20.开启实验参数在线监测系统，监测实验装置内温度、压力、流量参数；
21.开启给液系统，加入示踪粒子，充分循环工质，排出管内气体，调节流量至实验工况；
22.开启温控系统，调节工质温度至实验工况；
23.打开激光发生器，调整片光源厚度，镜片组件位置，使得片光源照亮整个测量区域；
24.打开ccd相机，调整相机位置、光圈、焦距等参数，对测量区域进行标定；
25.开启海洋条件模拟平台，设置运动参数，确保在运动范围内测量区域一直保持被激光照亮；
26.运行平稳后，设置采样参数对测量区域示踪粒子图像进行采样处理；
27.拍摄结束后依次关闭光学测量系统、温控系统、给液系统以及实验参数在线监测
系统。
28.所述方法通过优化阀门及相关给液管道布置可实现冷态热态实验切换；在进行相同温度工质混合冷态实验时，开启关闭相关阀门，使得枝型通道不同管路从副储液箱内供液，混合后工质全部流回副储液箱，温控系统和另一储液箱不参与冷态实验过程；在进行不同温度工质混合热态实验时，开启关闭相关阀门，枝型通道不同管路分别从主储液箱和副储液箱供液，混合后工质一部分流回主储液箱，一部分进入冷却装置进行冷却后流回副储液箱，完成实验循环过程。
29.本发明与现有技术相比具有以下优点：
30.本发明实验装置可实现海洋条件的模拟，开展海洋条件下六个单自由度运动及各自由度复合运动时的枝型通道内流体流动混合特性实验研究；
31.光学测量系统关键部件ccd相机通过三维定位台架实现与海洋条件模拟平台的同步运动，可实时可视化地获得海洋条件下枝型通道内流体流动混合特性；
32.四台ccd相机通过三维定位台架可实现三维方向上的滑动及圆盘所在平面上的360
°
转动，两两对称分布在可视化实验段两侧，为获得海洋条件下枝型通道内三维流场与温度场提供实验基础；
33.本发明实验装置优化了给液系统中的管路布置和温度控制，可实现海洋条件下枝型通道内流体流动混合热态实验和冷态实验的快捷转换，简化实验步骤，提高实验安全性。
附图说明
34.图1为本发明实施例的整体结构图；
35.图2为三维定位台架示意图；
36.图3为海洋条件下周期内不同时刻的枝型通道粒子图像；
37.图4为海洋条件下周期内不同时刻的枝型通道流场分布图。
具体实施方式
38.下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围：
39.下面结合实施例对本发明提供的实验装置进行详细说明：
40.图1为本发明提供的一种海洋条件下枝型通道内流体流动混合可视化实验装置示意图，所述实验装置包括可视化实验段1，用于实现海洋条件的海洋条件模拟平台2，由示踪粒子、激光发生器3、ccd相机4、镜片组件5及远程计算机6组成的光学测量系统，三维定位台架7，由主储液箱8、副储液箱9、变频泵10、截止阀11、调节阀12及相关管路组成的给液系统，由电加热棒13、冷却机14、控制系统组成的温控系统，由质量流量计15、压力表16、温度表17及数据采集器18组成的实验参数在线监测系统。给液系统用于实现工质的循环，配合温控系统与实验参数在线监测系统实现所需的实验工况；光学测量系统关键部件通过三维定位台架与可视化实验段平行固定在海洋条件模拟平台上，与海洋条件模拟平台同步运动。
41.作为本发明的优选实施方式，所述可视化实验段1为角度为90
°
的枝型通道，主管和支管的直径比为3，由有机玻璃材料制成。两股流体从不同管道进口流入，在枝型通道内混合后由主管下游出口流出。
42.作为本发明的优选实施方式，所述海洋条件模拟平台2为stewart平台，可实现横移、纵移、垂荡、横摇、纵摇、回转六自由度运动及各自由度复合运动。
43.作为本发明的优选实施方式，所述光学测量系统中示踪粒子为荧光粒子可有效减少壁面折射造成的影响；镜片组件5为导光臂，将激光发生器3发出的激光发射至可视化实验段1；四台ccd相机4-1～4-4(示意图1中仅标出一台三维定位台架上的两台ccd相机4-1、4-2)放置在可视化实验段1两侧的三维定位台架7上，用于拍摄测量区域的粒子图像并传输到远程计算机6进行显示、存储和后处理。
44.作为本发明的优选实施方式，所述三维定位台架7共两台，平行安装在可视化实验段1两侧。图2为单台三维定位台架示意图，其包含主伺服电机7-1，主导轨7-2，主滑台7-3，副伺服电机7-4，副导轨7-5，副滑台7-6，l型板7-7及圆盘7-8组成。主伺服电机7-1通过带动主导轨7-2旋转带动主滑台7-3在水平方向上同步移动，进而带动ccd相机4同步移动，实现测量区域在水平方向上的位置调整；副伺服电机7-4通过带动副导轨7-5旋转带动副滑台7-6在三维方向上的移动，进而带动ccd相机4在三维方向上的滑动。l型板7-7与圆盘7-8转动连接，通过转动圆盘7-8带动ccd相机4在平面上的360
°
转动，进而实现测量区域在三维方向上位置和尺寸的调整。
45.作为本发明的优选实施方式，所述给液系统中循环工质为水，通过优化截止阀11、调节阀12及相关管路布置可实现冷态热态实验切换，简化实验流程，保证实验安全。在进行冷态实验时，枝型通道不同管路入口流入温度相同的常温(25℃)常压流体，为简化实验流程，开启截止阀11-2、11-5，关闭截止阀11-4、11-6，使得枝型通道不同管路从主储液箱8中供液，同时关闭调节阀12-10，使得混合后流体经调节阀12-11全部流入主储液箱8中，副储液箱9、电加热棒13-2和冷却机14不参与冷态实验过程；在进行热态实验时，枝型通道不同管路入口流入不同温度的流体，温差范围为0℃～75℃，此时，截止阀11-2、11-5关闭，截止阀11-4、11-6开启，枝型通道主管和支管分别由主储液箱8和副储液箱9供液，同时调节阀12-10、12-11同时开启，混合后流体一部分经调节阀12-11流入主储液箱8中，一部分经调节阀12-10流入冷却机14进行冷却后流入副储液箱9中，完成实验循环过程。
46.作为本发明的优选实施方式，所述温控系统中电加热棒13-1和13-2分别均匀布置在主储液箱8和副储液箱9中，通过温度表17-4和17-5分监测主储液箱和副储液箱中温度，并将温度信号传递到控制系统中调控电加热棒13及冷却机14的功率实现流体温度的调控。
47.作为本发明的优选实施方式，所述实验参数在线监测系统主要包括流量计15、压力表16、温度表17及数据采集器18。流量计15、压力表16和温度计17将物理参数转化为电信号传输到数据采集器18上对实验参数进行监测、显示和保存，以确保各实验参数满足实验所需工况。
48.下面结合实施例对本发明提供的实验方法进行详细说明：
49.本发明提供的一种海洋条件下枝型通道内流体流动混合可视化实验的具体方法如下：
50.实验前，可根据所需实验工况对实验装置中的相关阀门调整以实现冷态和热态实验的转换。本实施例中，枝型通道内流体温度相同，都为常温(25℃)常压下的水。因此，实验前开启截止阀11-2、11-5，关闭截止阀11-4、11-6，使得枝型通道由不同管路从主储液箱8供液，同时关闭调节阀12-10，使得混合后流体经调节阀12-11全部流入主储液箱8中。
51.开启调节阀12-2、12-6，开启截止阀11-3，关闭调节阀12-1、12-5，打开变频泵10-1、10-2运行一段时间，检查变频泵10-1、10-2运行是否正常，管路是否漏液。向主储液箱8中添加适量示踪粒子，并搅拌均匀。
52.随后开启枝型通道进口调节阀12-1、12-5，缓慢关闭调节阀12-2、12-6，流体进入可视化实验段1内，待流体充满管路后打开压力表16-1、16-2上排气阀排出管内空气，并检查管路是否有泄露。
53.开启数据采集器18监测流量计15、压力表16、温度表17的参数，调整变频泵10-1、10-2使各实验参数满足所需实验工况，并充分循环实验工质，使各实验参数达到稳定状态。
54.开启光学测量系统中激光发生器3，调整镜片组件5，将光路调整至可视化实验段1内的测量区域，打开ccd相机4，移动三维定位台架7，进行光学标定，使相机拍摄区域与测量区域重合。
55.标定完成后，开启海洋条件模拟平台2，设置其以θ＝θ
max
*sin(2π/t*t)的形式进行摇摆运动，其中θ为摇摆角度，θ
max
为摇摆最大角度，t为摇摆周期。进入稳定运行状态后，利用ccd相机4对运动过程中测量区域的瞬时时刻t＝0与t＝t/2原始粒子图像拍摄采样，并保存至计算机6内。图3为拍摄得到的海洋条件下周期内不同时刻t＝0与t＝t/2的原始粒子图像。
56.采样完成后依次关闭激光发生器3、ccd相机4、数据采集器18，停止运行海洋条件模拟平台2，关闭变频泵10-1、10-2及相关阀门，结束实验。
57.对原始粒子图像进行处理得到不同时刻t＝0与t＝t/2的流场分布如图4所示。上述实施例说明，本发明可实现海洋条件下枝型通道内流体流动混合特性的可视化研究。