一种适用于多相态环境的压力波传播特性实验系统及方法

技术领域

本发明属于推进剂系统管路非定常流动领域，具体涉及一种适用于多相态环境的压力波传播特性实验系统及方法。

背景技术

为持续提升空间的进出、探索和利用能力，高比冲、大推力、无毒无污染的低温液体火箭已成为航天发展的重要目标。推进系统作为液体火箭的动力来源，将直接影响火箭性能和飞行可靠性。

由于火箭发动机工作状态改变、燃烧室压力波动、涡轮泵气蚀振荡以及推进剂泄漏、堵塞、两相流动等，推进系统内经常会出现推进剂的非定常流动，导致管路内压力急剧变化并以压力波的形式传播，瞬间压力可达到系统正常压力的数倍甚至数十倍，不仅造成结构振动、恶化部件工作环境、导致推力降低甚至完全丧失，而且会诱发纵向耦合振动(POGO)危及系统安全。相比于燃烧剂，液氧管路内的压力振荡造成的影响更为严重，特别是液氧煤油补燃循环，由于富氧燃气射流进入液氧管路中冷凝，低温两相流动及相间热质输运使得压力波传播更为错综复杂。开展低温两相流动冷凝换热及压力波传播耦合特性研究，深入了解低温推进剂系统流动不稳定机理，对于保障火箭发动机正常工作、预防和抑制火箭POGO振动具有重要意义。

当前，能够开展压力波传播及射流冷凝两相流态时空演变耦合特性的实验系统匮乏，因此有必要进行压力波传播及射流冷凝两相流态时空演变耦合特性实验系统的构建。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明提供一种适用于多相态环境的压力波传播特性实验系统及方法，采用本系统和方法，能够解决因推进系统流动不稳定，导致现有技术无法针对两相流动冷凝换热及压力波传播耦合特性进行有效实验研究的技术问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术内容：

一种适用于多相态环境的压力波传播特性实验系统，包括：

用于输送气相工质的气相输出装置；

用于输送液相工质的液相输出装置；

用于掺混气相工质和液相工质的混合实验装置；所述混合实验装置为可视化装置；

与所述混合实验装置连通并提供压力波的压力扰动装置；

用于采集并分析实验数据的数据采集分析装置；

所述气相输出装置和所述液相输出装置分别与所述混合实验装置连通。

进一步地，所述混合实验装置中的观测管路的工质流向采用沿所述观测管路自上而下的方向，所述压力扰动装置的压力波传播方向采用沿所述观测管路自下而上的方向。

进一步地，所述压力扰动装置包括连接于所述观测管路底部的压力波输入室，所述压力波输入室输入端依次连接有隔膜、往复式活塞泵和电动机；所述电动机上设置有变频器；所述电动机能够带动所述往复式活塞泵配合所述隔膜产生压力波，所述压力波通过所述压力波输入室由所述观测管路的底部传播至顶部。

进一步地，所述气相输出装置与所述液相输出装置并联至液相工质贮罐；

所述液相输出装置包括与所述液相工质贮罐连通的离心泵，所述离心泵输出端与所述混合实验装置连通；

所述气相输出装置包括与所述液相工质贮罐依次连通的液体泵、和加热容器，所述加热容器输出端与所述混合实验装置连通；所述加热容器连通有预留进气阀。

进一步地，所述液相工质贮罐的输液端通过过滤器与所述离心泵相连，所述离心泵与所述混合实验装置之间设置有第一球阀；所述第一球阀的输入端连通所述离心泵，第一输出端连通所述混合实验装置，第二输出端通过蜗轮球阀与所述液相工质贮罐相连；

所述加热容器通过第二球阀分别与所述液体泵和预留进气阀连通；所述预留进气阀与所述第二球阀的第一输入端连通；所述液相工质贮罐的第一输气端通过气路回流阀与第二球阀的第二输入端相通，所述液相工质贮罐的第二输气端通过离心泵与所述第二球阀的第二输入端相通。

进一步地，所述加热容器与所述混合实验装置之间依次设置有缓冲罐和减压阀；所述第一球阀与所述混合实验装置之间设置有脉冲阻尼器。

进一步地，所述混合实验装置的回流端通过背压阀与所述液相工质贮罐连通；所述液相工质贮罐上设置有液位计、第一防爆安全阀和第一压力表以及加注阀和排空阀；所述液相工质贮罐内部设置有冷却水盘管；所述缓冲罐上设置有第二压力表和第二防爆安全阀。

进一步地，所述混合实验装置包括气液混合室和与其相连的观测管路，所述观测管路呈自上而下设置并与所述压力扰动装置相连；所述气液混合室的气相输入端通过气相喷嘴与所述气相输出装置连通，液相输入端与所述液相输出装置连通；所述气相喷嘴位于气液混合室内且喷射方向朝向所述观测管路入口；所述观测管路上设置有可视化窗口。

进一步地，所述数据采集分析装置包括数据采集单元和数据分析单元；

所述数据采集单元包括设置于所述气液混合室的气相输入端处的热式气体质量流量计、气相压力传感器和温度传感器，设置于所述气液混合室的液相输入端处的液相压力传感器、液相热电偶和液体流量计，设置于所述观测管路上的压力传感器组，以及与所述可视化窗口相配合的高速相机；

所述数据分析单元包括数据采集设备，所述数据采集设备分别与所述气体质量流量计、所述气相压力传感器、所述温度传感器、所述液相压力传感器、所述液相热电偶、所述液体流量计和所述压力传感器组以及所述高速相机电性相连。

一种适用于多相态环境的压力波传播特性实验方法，基于上述压力波传播及射流冷凝耦合特性实验系统，包括：

气相工质经气相输出装置进入混合实验装置，液相工质经液相输出装置进入混合实验装置，压力扰动装置持续向混合实验装置输出压力波，数据采集分析装置采集混合实验装置的实验数据并对实验数据进行分析。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明提供一种适用于多相态环境的压力波传播特性实验系统，本系统采用气相输出装置、液相输出装置，用于掺混气相工质和液相工质并提供观测环境的混合实验装置，提供压力波的压力扰动装置以及用于采集并分析实验数据的数据采集分析装置，通过上述装置的配合，本系统可分别形成单气相、单液相、均匀两相流和射流冷凝气液两相流多种相态，从而可针对推进系统管路中多种相态环境下压力波传播及工质流态耦合特性进行实验研究，进一步为掌握推进系统流动不稳定机理提供充足的实验数据支撑，具有良好的推广应用价值。

优选地，本发明提供的实验系统采用将混合实验装置中的观测管路内的流体在观测管路内自上而下流动，压力扰动装置的压力波传播方向采用沿所述观测管路自下而上的方向设置，这样，在射流冷凝两相流压力波传播特性实验中，观测管路的上端至下端，气相逐渐被冷凝，截面含气率逐渐减小至0，因此，压力波在观测管路内传播过程中，会连续经过单液相区、射流冷凝气液两相区，可得到压力波在变含气率工质内传播特性的变化规律，采用上述结构设计，有利于射流冷凝两相流压力波传播特性的实验研究。

优选地，本发明的气相输出装置与液相输出装置共用一液相工质贮罐，并分别采用离心泵和液体泵提供工质输出动力，气相输出装置还包括了油浴加热槽，能够通过油浴加热使液体蒸发为气体，并通过调节油浴温度有效控制气体温度，采用在油浴加热槽连接预留进气阀，通过预留进气阀从外界通入不同气体，从而方便均匀两相流实验研究的开展。

进一步优选地，液相工质贮罐的输液端连接了过滤器，液相工质自液相工质贮罐流入离心泵之前，经过滤器将工质内混入的颗粒物杂质滤除，减小对实验结果的干扰。

进一步优选地，本发明的气相输出装置与液相输出装置均设置了用于缓冲压力扰动的缓冲罐和脉冲阻尼器，能够减小压力扰动对工质压力和流量的影响。

进一步优选地，本发明采用混合实验装置的回流端通过背压阀与液相工质贮罐连通，有利于工质的循环利用；本系统还设置了安全组件，包括液相工质贮罐上设置有液位计、第一防爆安全阀和第一压力表以及加注阀；以及缓冲罐上设置有第二压力表和第二防爆安全阀，可对压力进行实时监控，以提升实验的安全系数；在液相工质贮罐内部设置了冷却水盘管，盘管内通冷却水对液相工质进行冷却，防止液相工质蒸发。

进一步优选地，本发明在观测管路上设置了可视化窗口，当进行射流冷凝两相流压力波传播实验时，便于对压力扰动作用下气羽振荡动态特性进行可视化研究。

优选地，本发明的压力扰动装置采用隔膜、往复式活塞泵和电动机，变频器控制电动机输出频率，电动机为往复式活塞泵提供动力，往复式活塞泵反复冲击隔膜产生压力波，通过压力波输入室由观测管路的底部传播至顶部，这样，当进行射流冷凝两相流压力波传播特性实验时，观测管路内自管路上端至下端，气相逐渐被冷凝，截面含气率逐渐减小至0，因此压力波在观测管路内传播过程中，会连续经过单液相区、射流冷凝气液两相区，可得到压力波在变含气率工质内传播特性的变化规律。

本发明还提供一种适用于多相态环境的压力波传播特性实验方法，基于上述一种适用于多相态环境的压力波传播特性实验系统，采用本方法能够完成单气相压力波传播实验、单液相压力波传播实验、均匀气液两相流压力波传播实验和射流冷凝两相流压力波传播实验，从而为掌握推进系统流动不稳定机理提供充足的实验数据支撑。

附图说明

图1为本发明提供的一种适用于多相态环境的压力波传播特性实验系统的结构示意图；

图2为本发明提供的一种适用于多相态环境的压力波传播特性实验系统的观测管路的结构示意图。

附图标记：

液相工质贮罐-1；冷却水盘管-2；过滤器-3；离心泵-4；排空阀-5；第一三通蜗轮球阀-6；蜗轮球阀-7；加注阀-8；液位计-9；第一防爆安全阀-10；第一压力表-11；背压阀-12；气路回流阀-13；液体泵-14；第二三通蜗轮球阀-15；预留进气阀-16；油浴加热槽-17；缓冲罐-18；第二压力表-19；第二防爆安全阀-20；减压阀-21；热式气体质量流量计-22；气相压力传感器-23；气相热电偶-24；液相压力传感器-25；液相热电偶-26；液体流量计-27；脉冲阻尼器-28；瞬态数据采集设备-29；气液混合室-30；气相喷嘴-31；第一瞬态压力传感器-32；第二瞬态压力传感器-33；第三瞬态压力传感器-34；第四瞬态压力传感器-35；第五瞬态压力传感器-36；压力波输入室-37；隔膜-38；往复式活塞泵-39；电动机-40；变频器-41；观测管路-42；高速相机-43；排气阀-44；第一压力测点-P1；第二压力测点-P2；第三压力测点-P3；第四压力测点-P4；第五压力测点-P5。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种适用于多相态环境的压力波传播特性实验系统，包括用于输送气相工质的气相输出装置和用于输送液相工质的液相输出装置；上述气相输出装置与液相输出装置并联至液相工质贮罐1；用于掺混气相工质和液相工质并提供观测环境的混合实验装置；与混合实验装置连通并提供压力波的压力扰动装置，以及用于采集并分析实验数据的数据采集分析装置；气相输出装置和液相输出装置分别与混合实验装置连通。

其中，混合实验装置中的观测管路42的工质流向采用沿观测管路42自上而下的方向，压力扰动装置的压力波传播方向采用沿观测管路42自下而上的方向，这样，在实验过程中，观测管路的上端至下端，气相逐渐被冷凝，截面含气率逐渐减小至0，因此，压力波在观测管路内传播过程中，会连续经过单液相区、射流冷凝气液两相区，可得到压力波在变含气率工质内传播特性的变化规律，采用上述结构设计，有利于射流冷凝两相流压力波传播特性的实验研究。

具体结构如下：

上述液相输出装置包括与液相工质贮罐1连通的离心泵4，离心泵4输出端与混合实验装置连通；上述气相输出装置包括与液相工质贮罐1依次连通的液体泵14、和加热容器，优选为油浴加热槽17，油浴加热槽17输出端与混合实验装置连通；油浴加热槽17连通有预留进气阀16。液相工质贮罐1的输液端通过过滤器2与离心泵4相连，离心泵4与混合实验装置之间设置有第一三通蜗轮球阀6；第一三通蜗轮球阀6的输入端连通离心泵4，第一输出端连通混合实验装置，第二输出端通过蜗轮球阀7与液相工质贮罐1相连；油浴加热槽17通过第二三通蜗轮球阀15分别与液体泵14和预留进气阀16连通；预留进气阀16与第二三通蜗轮球阀15的第一输入端连通；液相工质贮罐1的第一输气端通过气路回流阀13与第二三通蜗轮球阀15的第二输入端相通，液相工质贮罐1的第二输气端通过离心泵4与第二三通蜗轮球阀15的第二输入端相通。油浴加热槽17与混合实验装置之间依次设置有缓冲罐18和减压阀21；第一三通蜗轮球阀6与混合实验装置之间设置有脉冲阻尼器28。混合实验装置的回流端通过背压阀12与液相工质贮罐1连通；液相工质贮罐1上设置有液位计9、第一防爆安全阀10和第一压力表11以及加注阀8和排空阀5；液相工质贮罐1内部设置有冷却水盘管2；缓冲罐18上设置有第二压力表19和第二防爆安全阀20。

上述混合实验装置包括气液混合室30和与其相连的观测管路42，观测管路42呈自上而下设置并与压力扰动装置相连；气液混合室30的气相输入端通过气相喷嘴31与气相输出装置连通，液相输入端与液相输出装置连通；气相喷嘴31位于气液混合室30内且喷射方向朝向观测管路42入口；观测管路42上设置有可视化窗口。

上述数据采集分析装置包括数据采集单元和数据分析单元；数据采集单元包括设置于气液混合室30的气相输入端处的热式气体质量流量计22、气相压力传感器23和气相热电偶24，设置于气液混合室30的液相输入端处的液相压力传感器25、液相热电偶26和液体流量计27，设置于观测管路42上的压力传感器组以及与可视化窗口相配合的高速相机43；其中，压力传感器组具体包括第一瞬态压力传感器31、第一瞬态压力传感器32、第一瞬态压力传感器33、第一瞬态压力传感器34和第一瞬态压力传感器35；数据分析单元包括数据采集设备(由于此处需要对动态数据进行采集，优选采用瞬态数据采集设备29)，瞬态数据采集设备29分别与气体质量流量计22、气相压力传感器23、气相热电偶24、液相压力传感器25、液相热电偶26、液体流量计27和压力传感器组以及高速相机43电性相连。

上述压力扰动装置包括连接于观测管路42底部的压力波输入室37，压力波输入室37输入端依次连接有隔膜38、往复式活塞泵39和电动机40；电动机40上设置有变频器41；电动机40能够带动往复式活塞泵39配合隔膜38产生压力波，压力波通过压力波输入室37由观测管路42的底部传播至顶部。

本发明还提供一种适用于多相态环境的压力波传播特性实验方法，基于上述压力波传播及射流冷凝耦合特性实验系统，包括：气相工质经气相输出装置进入混合实验装置，液相工质经液相输出装置进入混合实验装置，压力扰动装置持续向混合实验装置输出压力波，数据采集分析装置采集混合实验装置的实验数据并对实验数据进行分析。

采用本方法能够完成单气相压力波传播实验、单液相压力波传播实验、均匀气液两相流压力波传播实验和射流冷凝两相流压力波传播实验

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例1

由于现有技术中，能够开展压力波传播及射流冷凝两相流态时空演变耦合特性的实验系统匮乏，有必要进行压力波传播及射流冷凝两相流态时空演变耦合特性实验系统的构建，因此本实施例提供了一种适用于多相态环境的压力波传播特性实验系统，能够解决因推进系统流动不稳定，导致现有技术无法针对低温两相流动冷凝换热及压力波传播耦合特性进行有效实验研究的技术问题；具体结构如图1所示，包括：

液相工质贮罐1；用于储存液态实验工质冷却水盘管2；盘管布置在液相工质储罐内，盘管内通冷却水对液态工质进行冷却，防止液态工质蒸发。过滤器3；液态工质自储罐流入离心泵之前，经过滤器将工质内混入的颗粒物杂质滤除离心泵4；采用卧式离心泵，提供液相循环回路工质循环动力排空阀5；通过排空阀可将液相工质贮罐1内的工质排出。第一三通蜗轮球阀6；控制主液路工质流量。蜗轮球阀7；控制旁通液路回流液相流量。加注阀8；通过加注阀8可将工质注入液相工质贮罐1内。液位计9；显示液相工质贮罐1内工质液位高度。第一防爆安全阀10；当液相工质贮罐1内压力高于安全范围时，第一防爆安全阀10爆开排气以保证实验系统安全。第一压力表11；显示液相工质贮罐1内压力大小。背压阀12；与主液路上的第一三通蜗轮球阀6、旁通液路的蜗轮球阀7相互配合，控制实验段内工质的流量和系统操作压力气路回流阀13；控制气相工质的回流流量。液体泵14；提供气相循环回路工质循环动力。第二三通蜗轮球阀15；控制主气路工质流量。预留进气阀16；可通过该接口从外界通入不同气体。油浴加热槽17；通过油浴加热使液体蒸发为气体，并通过调节油浴温度控制气体温度。缓冲罐18；有效缓冲气相循环中压力和流量扰动。第二压力表19；显示气路上缓冲罐18内压力大小。第二防爆安全阀20；当缓冲罐18压力高于安全范围时防爆安全阀爆开排气以保证实验系统安全。减压阀21；与气路回流阀13、主气路的第二三通蜗轮球阀15相互配合，控制气相循环的流量和压力。热式气体质量流量计22；测量实验段入口处气相流量。气相压力传感器23；测量实验段入口处气相压力。气相热电偶24；测量实验段入口处气相温度。液相压力传感器25；测量实验段入口处液相压力。液相热电偶26；测量实验段入口处液相温度。液体流量计27；测量验段入口处液相流量。脉冲阻尼器28；有效缓冲液相循环中压力和流量扰动。瞬态数据采集设备29；通过采集实验过程中实验段瞬态压力变化，以及实验段入口气、液相温度和压力进行数据分析。气液混合室30；在射流冷凝气液两相流实验中，气液两相在该区域发生掺混。气相喷嘴31；气相通过气相喷嘴射流进入观测管路42。

如图2所示，第一瞬态压力传感器32、第二瞬态压力传感器33、第三瞬态压力传感器34、第四瞬态压力传感器35、第五瞬态压力传感器36，对应了5个压力测点；可均匀分布在观测管路42上，用于测量实验段内瞬态压力变化。压力波输入室37；压力波在该处引入实验段内。隔膜38；隔膜38振荡产生压力波。往复式活塞泵39；通过活塞往复运动将能量传递给隔膜38。电动机40；为往复式活塞泵39提供动力。变频器41；控制电动机40的运动频率。观测管路42，也是本实验系统中的实验段；在实验段上布置5个压力测点(第一压力测点P1、第二压力测点P2、第三压力测点P3、第四压力测点P4和第五压力测点P5)，测点沿实验段分布的压力变化情况。同时通过石英可视化窗口，可观测实验段内工质流动情况以及压力波扰动下气羽羽流振荡情况。高速相机43；用于拍摄可视化实验段(观测管路42)内工质流动及掺混冷凝流态。

结合实际的实验研究模式，实验研究共分为单气相压力波传播实验、单液相压力波传播实验、均匀气液两相流压力波传播实验和射流冷凝两相流压力波传播实验，通过以下实施例对本发明进行进一步解释说明：

实施例2

单气相压力波传播实验：

①获取气相工质

当气相工质为由液相工质贮罐1中液相工质蒸发所得时，打开液体泵14，将液相工质贮罐1中液相工质泵入油浴加热槽17中蒸发得到高温气体；

当气相工质为其他气体时，可由高压气瓶、空压机等设备提供，例如氮气、空气等。

②形成气相循环

当气相工质为液相工质贮罐1中液相工质蒸发所得时，液体泵14提供气相循环动力，在油浴加热槽17中蒸发得到高温气体后，高温气体流经观测管路42(也就是观测管路)，最终回到液相工质贮罐1中完成气相循环，当实验全部结束后，气相工质冷凝成液相工质，由排空阀5排出实验系统。通过第二三通蜗轮球阀15、气路回流阀13、背压阀12、减压阀21的相互配合，调节控制气相管路的流量和压力，通过调节油浴温度控制气相温度；

当气相工质为氮气、空气等其他气体时，高压气瓶、空压机等设备提供气相循环动力，打开预留进气阀16，高压气瓶或空压机与预留进气阀16相连，将氮气或空气通入实验系统的管路内，气体流经观测管路42，最终回到液相工质贮罐1并由排气阀44排出实验系统完成气相循环。通过气瓶减压阀及第二三通蜗轮球阀15、气路回流阀13、背压阀12、减压阀21相互配合，调节控制气相工质流量和压力，通过调节油浴温度控制气相温度。

③产生压力扰动

待形成稳定的气相循环工况后，打开变频器41、电动机40和往复式活塞泵39，往复运动下的活塞通过隔膜38将压力扰动传递给实验工质，经压力波输入室37进入实验段(观测管路42)内并由实验段底端向上传播。

④测量

待气相循环流动及压力波传播实验工况形成并达到相对稳定后，由热式气体质量流量计22测量气相标况下质量流量；由气相压力传感器23、气相热电偶24分别测量气相工质的压力和温度，同时可换算求得实际工况下气相流量；由5个瞬态压力传感器(第一瞬态压力传感器32、第二瞬态压力传感器33、第三瞬态压力传感器34、第四瞬态压力传感器35、第五瞬态压力传感器36)测量观测管路42内压力波自实验段(观测管路42)底端向上传播过程中压力变化情况；由瞬态数据采集设备29采集并分析以上所有测量参数。

⑤数据后处理

通过快速傅里叶变换对由瞬态压力传感器测量得到的实验段压力信号进行谱分析；通过带通滤波滤除原始信号中的噪声；通过相关性分析得到5个瞬态压力传感器所采集到的压力波信号峰值对应时刻之间的相位差，从而可求得压力波在单气相内传播过程中的波速；通过瞬态压力传感器所采集到的压力波信号峰值压力可求得压力波在单气相内传播过程中的衰减率。

⑥变工况实验

通过改变不同的气相工质，调节气相温度、压力、流量等参数，形成不同的单气相压力波传播实验工况，开展变工况实验，从而得到不同参数影响规律。

实施例3

单液相压力波传播实验：

①获取液相工质

打开加注阀8，将实验所采用的液相工质注入液相工质贮罐1内，从而得到液相工质。

②形成液相循环

离心泵4提供液相循环动力，打开离心泵4，液相工质流经观测管路42，最终回到液相工质贮罐1形成液相循环，当实验全部结束后，液相工质由排空阀5排出实验系统。

③产生压力扰动

待形成稳定的液相循环工况后，打开变频器41、电动机40和往复式活塞泵39，往复运动下的活塞通过隔膜38将压力扰动传递给实验工质，经压力波输入室37进入实验段内并由实验段底端向上传播。

④测量

待液相循环流动及压力波传播实验工况形成并达到相对稳定后，由液体流量计27测量液相体积流量；由液相热电偶25、液相热电偶26分别测量液相工质的压力和温度；由5个瞬态压力传感器测量观测管路42内压力波自实验段(观测管路42)底端向上传播过程中压力变化情况；由瞬态数据采集设备采集并分析以上所有测量参数。

⑤数据后处理

通过快速傅里叶变换对由瞬态压力传感器测量得到的实验段压力信号进行谱分析；通过带通滤波滤除原始信号中的噪声；通过相关性分析得到5个瞬态压力传感器所采集到的压力波信号峰值对应时刻之间的相位差，从而可求得压力波在单液相内传播过程中的波速；通过瞬态压力传感器所采集到的压力波信号峰值压力可求得压力波在单液相内传播过程中的衰减率。

⑥变工况实验

通过改变不同的液相工质，调节液相温度、压力、流量等参数，形成不同的单液相压力波传播实验工况，开展变工况实验，从而得到不同参数影响规律。

实施例4

均匀气液两相流压力波传播实验：

①获取气相、液相工质

打开加注阀8，将实验所采用的液相工质注入液相工质贮罐1内，从而得到液相工质。

均匀两相流决定了气相工质非由液相工质贮罐1中液相工质蒸发所得，因此可由高压气瓶、空压机等设备提供，例如氮气、空气等。

②形成均匀气液两相流态

离心泵4提供液相循环动力，高压气瓶、空压机等设备提供气相循环动力。打开离心泵4，液相工质流经观测管路42，最终回到液相工质贮罐1形成液相循环；打开预留进气阀16，高压气瓶或空压机与预留进气阀16相连，将氮气或空气通入实验系统管路内，气体流经观测管路42，最终回到液相工质贮罐1并由排气阀44排出实验系统完成气相循环；气相与液相在气液混合室30处发生掺混，从而在观测管路42形成均匀气液两相流。

③产生压力扰动

待形成稳定的均匀两相流态工况后，打开变频器41、电动机40和往复式活塞泵39，往复运动下的活塞通过隔膜38将压力扰动传递给实验工质，经压力波输入室37进入实验段(观测管路42)内并由实验段(观测管路42)底端向上传播。

④测量

待均匀两相流态及压力波传播实验工况形成并达到相对稳定后，由液体流量计27测量液相体积流量；由液相热电偶25、液相热电偶26分别测量液相工质的压力和温度；由热式气体质量流量计22测量气相标况下质量流量；由气相压力传感器23、气相热电偶24分别测量气相工质的压力和温度，同时可换算求得实际工况下气相流量；由瞬态压力传感器测量观测管路内压力波自实验段(观测管路42)底端向上传播过程中压力变化情况；由瞬态数据采集设备采集并分析以上所有测量参数；由高速相机采集观测管路内均匀两相流态。

⑤数据后处理

通过快速傅里叶变换对由瞬态压力传感器测量得到的实验段压力信号进行谱分析；通过带通滤波滤除原始信号中的噪声；通过相关性分析得到5个瞬态压力传感器所采集到的压力波信号峰值所对应时刻间的相位差，从而可求得压力波在均匀气液两相流内传播过程中的波速；通过瞬态压力传感器所采集到的压力波信号峰值压力可求得压力波在均匀气液两相流内传播过程中的衰减率。

⑥变工况实验

通过改变不同的气相、液相工质，调节气相和液相的温度、压力、流量等参数，形成不同的均匀气液两相流压力波传播实验工况，开展变工况实验，从而得到不同参数影响规律。

实施例5

射流冷凝两相流压力波传播实验：

①获取气相、液相工质

打开加注阀8，将实验所采用的液相工质注入液相工质贮罐1内，从而得到液相工质。

射流冷凝两相流决定了气相工质由液相工质贮罐1中液相工质蒸发所得，打开液体泵14，将液相工质贮罐1中液相工质泵入油浴加热槽17中蒸发得到高温气体。

②形成射流冷凝两相流态

离心泵4提供液相循环动力，液体泵14提供气相循环动力。打开离心泵4，液相工质流经观测管路42，最终回到液相工质贮罐1形成液相循环；打开液体泵14，将液相工质泵入油浴加热槽17中蒸发得到高温气体，高温气体流经观测管路42，最终回到液相工质贮罐1中完成气相循环，当实验全部结束后，气相工质冷凝成液相工质，由排空阀5排出实验系统；气相与液相在气液混合室30处发生掺混，气相射流在流动过程中逐渐被冷凝，从而在观测管路42形成射流冷凝两相流。

③产生压力扰动

待形成稳定的射流冷凝两相流态工况后，打开变频器41、电动机40和往复式活塞泵39，往复运动下的活塞通过隔膜38将压力扰动传递给实验工质，经压力波输入室37进入实验段内并由实验段底端向上传播。

④测量

待射流冷凝两相流态及压力波传播实验工况形成并达到相对稳定后，由液体流量计27测量液相体积流量；由液相热电偶25、液相热电偶26分别测量液相工质的压力和温度；由热式气体质量流量计22测量气相标况下质量流量；由气相压力传感器23、气相热电偶24分别测量气相工质的压力和温度，同时可换算求得实际工况下气相流量；由5个瞬态压力传感器(第一瞬态压力传感器32、第二瞬态压力传感器33、第三瞬态压力传感器34、第四瞬态压力传感器35、第五瞬态压力传感器36)测量观测管路42内压力波自实验段(观测管路42)底端向上传播过程中压力变化情况；由瞬态数据采集设备采集以上所有测量参数；由高速相机采集观测管路内射流冷凝两相流态在压力波扰动作用下的振荡动态特性。

⑤数据后处理

通过快速傅里叶变换对由瞬态压力传感器测量得到的实验段压力信号进行谱分析；通过带通滤波滤除原始信号中的噪声；通过相关性分析得到5个瞬态压力传感器所采集到的压力波信号峰值所对应时刻间的相位差，从而可求得压力波在射流冷凝两相流内传播过程中的波速；通过瞬态压力传感器所采集到的压力波信号峰值压力可求得压力波在射流冷凝两相流内传播过程中的衰减率。

⑥变工况实验

通过改变不同的气相、液相工质，调节气相和液相的温度、压力、流量等参数，形成不同的射流冷凝两相流压力波传播实验工况，开展变工况实验，从而得到不同参数影响规律。

结合上述实施例1-5，可以看出，本发明的技术关键点在于：

本实验系统可同时开展多种相态下压力波传播特性实验，其中包括单气相压力波传播实验、单液相压力波传播实验、均匀气液两相流压力波传播实验和射流冷凝两相流压力波传播实验。特别是关于射流冷凝两相流压力波传播特性实验，射流冷凝两相流压力波传播特性实验中，实验段内自管路上端至下端，气相逐渐被冷凝，截面含气率逐渐减小至0，因此压力波在实验段内传播过程中，会连续经过单液相区、射流冷凝气液两相区，可得到压力波在变含气率工质内传播特性的变化规律，这一点是以往均匀气液两相流实验中无法得到的。

此外，除了本实验系统可得到压力波传播特性规律以外，在射流冷凝两相流压力波传播实验中，也可对压力扰动作用下气羽振荡动态特性进行可视化研究。

相比现有的实验方案，本系统具备如下优势：

本系统可分别形成单气相、单液相、均匀两相流和射流冷凝气液两相流多种相态，从而可针对推进系统管路中多种相态环境下压力波传播及工质流态耦合特性进行实验研究，进一步为掌握推进系统流动不稳定机理提供充足的实验数据支撑，具有良好的推广应用价值。

上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。