一种模拟气液混合物流动及溶解析出过程的实验装置

技术领域

本发明涉及一种模拟气液混合物流动及溶解析出过程的实验装置，属于模拟实验装置领域。

背景技术

实现推进剂在轨补加，可以最大限度的延长卫星寿命，提高卫星的在轨机动能力，充分发挥卫星的价值。在轨加注系统中的推进剂与增压气体在贮箱中共存，推进剂中溶解的气体处于饱和状态。当在轨加注系统工作时，由于管路细长且阀门通径小，下游压力降低导致氦气的溶解度降低而析出产生气泡，当局部压力增高，气体的溶解度提高，因此产生的部分气泡又再次溶解到推进剂中。气体的析出和溶解对在轨加注系统运行稳定性的影响机理不清楚，导致推进剂加注量难以准确计算，卫星寿命预测误差较大，已成为制约航天器技术水平提升的瓶颈之一。本实验装置可以研究动态的气液传质包括气体溶解于液体以及气体从液体析出两种现象。气液混合物在经过管路之间的小直径孔板会产生剧烈压降，受到压降而析出的气体造成流量不稳定特性加剧，随着压力的恢复，析出的气体重新溶于液体，溶解现象与析出现象共存，气液之间处于动态平衡关系；在溶解现象的讨论中，通过对水溶液预处理使其处于未饱和的程度，在气体的持续注入下，气体不断溶于液体，溶解气体的浓度不断增加，实现不同气液行为下气液动态行为和溶解析出现象分析。通过对于分析动态气液行为和流动溶解析出现象的影响，给出普适性的气液动态溶解析出方程，对于在轨加注系统气液行为进行流动控制，实现卫星在轨推进剂以及增压气体加注量的准确预测，提升提高卫星的寿命预估精度至关重要。因此，实验测量应该在各种流量、气体注入量以及初始液体浓度下进行，以满足足够多实验数据间的比对，探寻最佳的控制条件。现有的诱导气体析出和溶解的实验台彼此独立，结构简单，基于静态测试，导致不稳定气液动态溶解析出和流动缺乏实验观测和理论依据。

发明内容

本发明为解决无法兼顾模拟气液混合物流动及溶解析出过程及数据采集，测量溶解实验和析出实验气液混合物动态溶解氧浓度问题，进而提出一种模拟气液混合物流动及溶解析出过程的实验装置

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括稳压水罐、环路管道、抽取组件、回路循环组件和水箱，稳压水罐与抽取组件通过环路管道连接，抽取组件与回路循环组件之间通过环路管道连接，水箱设置在抽取组件与回路循环组件之间，水箱与环路管道连通，其特征在于：还包括亚克力透明管A、孔板、亚克力透明管B、亚克力透明管C、空气压缩机和亚克力透明管D，亚克力透明管A通过环路管道固定并连通在抽取组件上，亚克力透明管B的两端分别与亚克力透明管A和亚克力透明管C可拆卸连接，亚克力透明管D与亚克力透明管B相互替换，所述孔板设置有两个，两个孔板分别设置在亚克力透明管B的两端上，且每个孔板与亚克力透明管B固定并连通，空气压缩机通过环路管道与亚克力透明管A连接。

进一步的，抽取组件包括开关阀A、电磁流量计、不锈钢泵A和调频电机A，不锈钢泵A的入口通过环路管道连接在稳压水罐上，不锈钢泵A设置在稳压水罐的一侧，开关阀A设置在稳压水罐与不锈钢泵A之间靠近稳压水罐处，且开关阀A固定并连通在环路管道上，电磁流量计设置在开关阀A与不锈钢泵A之间，且电磁流量计固定并连通在环路管道上，调频电机A连接在不锈钢泵A上，且调频电机A的输出轴与不锈钢泵A连接，不锈钢泵A的出口与亚克力透明管A通过环路管道连接。

进一步的，还包括溶解氧检测组件、溶解氧传感器A、压力传感器A、进气口、压力传感器B、压力传感器C和溶解氧传感器B，溶解氧组件设置在不锈钢泵A与亚克力透明管A之间，且溶氧组件连接在环路管道上，溶解氧传感器A固定并连通在亚克力透明管A上，且溶解氧传感器A靠近亚克力透明管A的入口处，压力传感器A固定并连通在亚克力透明管A上，进气口设置在空气压缩机与亚克力透明管A之间的环路管道上，且进气口靠近亚克力透明管A，压力传感器B固定并连通在亚克力透明管A上，且压力传感器B靠近亚克力透明管A的出口处，压力传感器C固定并连通在亚克力透明管C上，且压力传感器C靠近亚克力透明管C的出口处，溶解氧传感器B固定并连通在亚克力透明管C上，且溶解氧传感器B靠近亚克力透明管C的出口处。

进一步的，所述溶解氧检测组件包括玻璃量筒、环路软管和开关阀B，玻璃量筒设置在不锈钢泵A和亚克力透明管A之间，玻璃量筒内插接有环路软管，环路软管上连接有开关阀B，开关阀B固定并连接在环路管道上。进一步的，所述回路循环组件包括不锈钢泵B、调频电机B、开关阀C和氧清除组件，不锈钢泵B与水箱通过环路管道连接，不锈钢泵B与稳压水罐通过环路管道连接，调频电机B的输出轴与不锈钢泵B连接，开关阀C固定并连通在环路管道上，且开关阀C的入口与不锈钢泵B的出口连接。

进一步的，所述回路循环组件包括不锈钢泵B、调频电机B、开关阀C、单向阀B和氧清除组件，不锈钢泵B与水箱通过环路管道连接，不锈钢泵B与稳压水罐通过环路管道连接，调频电机B的输出轴与不锈钢泵B连接，开关阀C固定并连通在环路管道上，且开关阀C的入口与不锈钢泵B的出口连接，单向阀B固定并连通在环路管道上，单向阀B靠近稳压水罐。

进一步的，所述氧清除组件包括氮气开关阀、泄压阀C、减压阀A和氮气瓶，氮气瓶通过环路管道连接在水箱上，氮气开关阀设置在水箱与氮气瓶之间靠近水箱处，且氮气开关阀固定并连通在环路管道上，减压阀A设置在水箱与氮气瓶之间靠近氮气瓶处，且减压阀A固定并连通在环路管道上，泄压阀C设置在氮气开关阀与减压阀A之间，且泄压阀C固定并连通在环路管道上。

进一步的，还包括空气瓶、减压阀、泄压阀D、开关阀D、气体流量计A、单向阀A和运输管道，空气瓶与稳压水罐通过运输管道连接，减压阀固定并连通在运输管道上，且减压阀靠近空气瓶，泄压阀D固定并连通在运输管道上，且泄压阀D的入口与减压阀的出口连接，开关阀D固定并连通在运输管道上，且开关阀D的入口与泄压阀D的出口连接，气体流量计A固定并连通在运输管道上，且气体流量计A靠近稳压水罐，单向阀A设置在稳压水罐和气体流量计A之间，且单向阀A固定并连通在运输管道上。

进一步的，还包括压力表，压力表固定在稳压水罐上。

进一步的，还包括空气开关阀、气体流量计B和单向阀C，空气开关阀设置在亚克力透明管A与空气压缩机之间，且空气开关阀固定并连通在环路管道上，气体流量计B固定并连通在环路管道上，且气体流量计B的一端与空气开关阀的出口连接，单向阀C设置在进气口和气体流量计B之间，且单向阀C固定并连通在环路管道上。

进一步的，还包括泄气阀，泄气阀固定并连通在稳压水罐上。

本发明的有益效果是：模拟气液混合物流动及溶解析出过程及数据采集系统通过溶解实验和析出实验气液混合物动态溶解氧浓度，实现了对于在轨加注系统的气液分布状态的模拟。其中析出实验通过制造局部压降诱导气体的析出探究双向的气液传质研究，溶解实验则为水溶液注入气体研究单向的气对液的溶解析出，故可以在透明管路模拟出气液动态分布和气体析出位置，且可以通过管道环路中离心泵调整实验段中的流量，稳压罐调整实验系统中的压力以调整初始溶解浓度，最终实现气体析出与溶解气液分布状态观测和溶解氧传质监测。通过改变不同入口流量、入口压力、气体体积分数、初始溶解氧浓度，模拟在轨加注系统气液混合物流动和传质现象，研究气体溶解与析出行为对溶解氧浓度影响，有助于理解流动中发生的传质现象。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；；

图2是本发明的气体析出现象实验透明段装置的示意图；

图3是本发明的气体溶解现象实验透明段装置的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式包括稳压水罐1、环路管道2、抽取组件、回路循环组件和水箱20，稳压水罐1与抽取组件通过环路管道2连接，抽取组件与回路循环组件之间通过环路管道2连接，水箱20设置在抽取组件与回路循环组件之间，水箱20与环路管道2连通，还包括亚克力透明管A10、孔板15、亚克力透明管B16、亚克力透明管C17、空气压缩机38和亚克力透明管D42，亚克力透明管A10通过环路管道2固定并连通在抽取组件上，亚克力透明管B16的两端分别与亚克力透明管A10和亚克力透明管C17利用法兰盘可拆卸固定，亚克力透明管B16与亚克力透明管D42互为置换关系，根据所需要进行的试验不同，将亚克力透明管B16或亚克力透明管D42连接在亚克力透明管A10和亚克力透明管C17之间，当进行气体析出现象实验的时候，将亚克力透明管B16连接在亚克力透明管A10和亚克力透明管C17之间，当进行气体溶解现象实验的时候，将亚克力透明管D42连接在亚克力透明管A10和亚克力透明管C17之间。所述孔板15设置有两个，两个孔板15分别设置在亚克力透明管B16的两端上，且每个孔板15与亚克力透明管B16固定并连通，空气压缩机38通过环路管道2与亚克力透明管A10连接。抽取组件通过环路管道2将稳压水罐1内存储的水进行抽出，并运输到亚克力透明管A10内，亚克力透明管A10、亚克力透明管B16、亚克力透明管C17与亚克力透明管D42通过螺栓固定连通，流动的水穿过亚克力透明管A10、亚克力透明管B16或亚克力透明管D42、亚克力透明管C17流入水箱20内，利用回路循环组件将水箱20内的水通过环路管道2注入稳压水罐1内，形成闭环回路，同时利用空气压缩机38将空气注入连接的亚克力透明管A10内，通过观察两个孔板15附近的流场信息采集气体析出的数据，亚克力透明管B16与亚克力透明管D42相互置换分别完成析出与溶解实验。通过注入空气，不同饱和度氧水溶液在不同的压差损失下溶解氧浓度的测定，模拟在轨加注气液溶解与析出的流动状态。测量系统还包括溶解氧检测组件、溶解氧传感器A11、压力传感器A12、进气口13、压力传感器B14、压力传感器C18和溶解氧传感器B19，溶解氧组件设置在不锈钢泵A5与亚克力透明管A10之间，且溶氧组件连接在环路管道2上，溶解氧传感器A11固定并连通在亚克力透明管A10上，且溶解氧传感器A11靠近亚克力透明管A10的入口处，压力传感器A12固定并连通在亚克力透明管A10上，且压力传感器A12的入口与溶解氧传感器A11的出口连接，进气口13设置在空气压缩机38与亚克力透明管A10之间的环路管道2上，且进气口13靠近亚克力透明管A10，压力传感器B14固定并连通在亚克力透明管A10上，且压力传感器B14靠近亚克力透明管A10的出口处，压力传感器C18固定并连通在亚克力透明管C17上，且压力传感器C18靠近亚克力透明管C17的入口处，溶解氧传感器B19固定并连通在亚克力透明管C17上，且溶解氧传感器B19靠近亚克力透明管C17的出口处。通过进气口13将空气压缩机38抽取的空气注入亚克力透明管A10内，利用溶解氧传感器A11、压力传感器A12对注入亚克力透明管A10内的液体参数进行测量，并利用压力传感器B14对亚克力透明管A10内注入空气的气液混合物进行测量，并利用压力传感器C18和溶解氧传感器B19对流入到亚克力透明管C17内的气液混合物进行参数测量。

具体实施方式二：结合图1至图3说明本实施方式，所述抽取组件包括开关阀A3、电磁流量计4、不锈钢泵A5和调频电机6A，不锈钢泵A5的入口通过环路管道2连接在稳压水罐1上，不锈钢泵A5设置在稳压水罐1的一侧，开关阀A3设置在稳压水罐1与不锈钢泵A5之间靠近稳压水罐1处，且开关阀A3固定并连通在环路管道2上，电磁流量计4设置在开关阀A3与不锈钢泵A5之间，且电磁流量计4固定并连通在环路管道2上，调频电机6A连接在不锈钢泵A5上，且调频电机6A的输出轴与不锈钢泵A5连接，不锈钢泵A5的出口与亚克力透明管A10通过环路管道2连接。通过调频电机6A驱动不锈钢泵A5旋转来将稳压水罐1内的液体进行抽取，并注入到亚克力透明管A10内，通过开关阀A3对稳压水罐1进行封堵，控制液体是否通过环路管道2流入不锈钢泵A5内，并利用电磁流量计4对稳压水罐1中流出的液体进行测量。通过改变调频电机6A的转速来改变不锈钢泵A5的转速，改变环路管道2内的压力。

其他组成与连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1至图3说明本实施方式，所述溶解氧检测组件包括玻璃量筒7、环路软管8和开关阀B9，且玻璃量筒7设置在不锈钢泵A5和亚克力透明管A10之间，玻璃量筒7内插接有环路软管8，环路软管8上连接有开关阀B9，开关阀B9固定并连接在环路管道2上。稳压水罐1内调制合适浓度的氧的水溶液，通过玻璃量筒7测量流入亚克力透明管A10入口的溶解氧浓度，通过开关阀B9控制液体通过环路软管8流入玻璃量筒7内进行检测。

其他组成与连接方式与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1至图3说明本实施方式，所述回路循环组件包括不锈钢泵B25、调频电机B26、开关阀C27和氧清除组件，不锈钢泵B25与水箱20通过环路管道2连接，不锈钢泵B25与稳压水罐1通过环路管道2连接，调频电机B26的输出轴与不锈钢泵B25连接，开关阀C27固定并连通在环路管道2上，且开关阀C27的入口与不锈钢泵B25的出口连接。通过调频电机B26驱动连接的不锈钢泵B25旋转，将水箱20内的液体抽出利用环路管道2注入稳压水罐1内，开关阀C27用于控制液体是否通过环路管道2流入稳压水罐1内，利用氧清除组件将水箱20内水溶液溶解氧去除。

其他组成与连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图1至图3说明本实施方式，所述氧清除组件包括氮气开关阀21、泄压阀C22、减压阀A23和氮气瓶24，氮气瓶24通过环路管道2连接在水箱20上，氮气开关阀21设置在水箱20与氮气瓶24之间靠近水箱20处，且氮气开关阀21固定并连通在环路管道2上，减压阀A23设置在水箱20与氮气瓶24之间靠近氮气瓶24处，且减压阀A23固定并连通在环路管道2上，泄压阀C22设置在氮气开关阀21与减压阀A23之间，且泄压阀C22固定并连通在环路管道2上。氮气瓶24内的氮气通过减压阀A23与泄压阀C22的配合稳定安全的流入水箱20内，通过氮气开关阀21控制氮气是否流入水箱20内。

其他组成与连接方式与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1至图3说明本实施方式，还包括空气瓶28、减压阀29、泄压阀D30、开关阀D31、气体流量计A32和运输管道34，空气瓶28与稳压水罐1通过运输管道34连接，减压阀29固定并连通在运输管道34上，且减压阀29靠近空气瓶28，泄压阀D30固定并连通在运输管道34上，且泄压阀D30的入口与减压阀29的出口连接，开关阀D31固定并连通在运输管道34上，且开关阀D31的入口与泄压阀D30的出口连接，气体流量计A32固定并连通在运输管道34上，且气体流量计A32靠近稳压水罐1，单向阀A33设置在稳压水罐1和气体流量计A32之间，且单向阀A33固定并连通在运输管道34上。通过减压阀29与泄压阀D30的配合将空气瓶28内的空气稳定安全的通过运输管道34注入稳压水罐1内，逐渐调节实验系统内压力大小，并利用气体流量计A32对空气的流动进行检测。

其他组成与连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：结合图1至图3说明本实施方式，还包括压力表36，压力表36固定在稳压水罐1上。压力表36用于观察稳压水罐1内的压力。

其他组成与连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：结合图1至图3说明本实施方式，还包括空气开关阀39和气体流量计B40，空气开关阀39设置在亚克力透明管A10与空气压缩机38之间，且空气开关阀39固定并连通在环路管道2上，气体流量计B40固定并连通在环路管道2上，且气体流量计B40的一端与空气开关阀39的出口以及单向阀C41连接。通过空气开关阀39控制空气压缩机38压缩的空气是否流入环路管道2内，并利用气体流量计B40对流入亚克力透明管A10内的气体进行测量。

其他组成与连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：结合图1至图3说明本实施方式，还包括泄气阀37，泄气阀37固定并连通在稳压水罐1上，通过泄气阀37保持稳压水罐1内的压强稳定。

实施例

当确定了本次实验所需的流量工况以及稳压罐内压力时，可以通过初始溶解氧浓度以及气体的注射流量来控制流动传质的速率，也能在保证流量的情况下，通过调节实验台的压强，控制流动传质发生的方向，以实现该实验条件下的数据收集和探究。当要开启气液混合物流动及溶解析出过程的实验装置，开始进行实验时，分别调整调频电机6A与调频电机B26来控制连接的不锈钢泵A5与不锈钢泵B25的旋转，使实验台逐渐运行在稳定状态，同时观察压力表36示数，防止试验系统内产生较大的压力或压力脉动，发生危险，在此过程中还应仔细观察亚克力透明管A10、亚克力透明管B16、亚克力透明管C17或亚克力透明管D42的漏水或漏气情况。当实验台运行较为平稳后，通过空气瓶28逐渐调节实验系统内压力大小。观察透明溶解析出实验管路内的气体析出导致的气泡行为。如气体析出不理想则可继续调整调频电机6A与调频电机B26，控制流量，来调整气体析出现象。如果气体析出现象较为理想，则可通过频闪相机来采集孔板15附近的流场信息。

模拟在轨加注系统气体析出的原理：发生在孔板15的流域受流动通道的突缩影响，流速迅速增加，而气液混合物压力迅速降低，在局部迅速压降的影响下，当压强低于局部气体的分离压时，就会在孔板15流域下游处出现气体析出现象。又由于在压力恢复的过程中，溶液的氧饱和度增加，析出的气体部分又重新溶入液体，所以形成双向的析出与溶解气液传质过程。

模拟在轨加注系统气体溶解的原理，在稳压水罐1内调制合适浓度的氧的水溶液，通过玻璃量筒6测量亚克力透明管A10入口的溶解氧浓度，节流的亚克力透明管D42增强溶解的速率，易于观察溶解的动态变化趋势。通过溶解氧传感器B19测量经过亚克力透明管A10、亚克力透明管B16与亚克力透明管C17后溶解氧浓度的增量，以此来模拟气体向在轨加注系统中注入高压气体以及气体不断溶入溶液中的现象。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。