一种测量多孔介质流量特性参数的装置及方法

技术领域

本发明涉及多孔介质流量特性参数测量，具体涉及一种测量多孔介质流量特性参数的装置及方法。

背景技术

多孔介质(例如金属铝泡沫材料、钛合金多孔材料、不锈钢多孔材料、镍合金多孔材料等)具有大量微小孔隙，在气动领域常被用作节流元件。节流元件能够使管路产生压降，因此掌握多孔介质的流量特性极为重要。多孔介质内部气体流动的压降与流速关系，在低流速下由Darcy-Forchheimer定律表示，当流速变大后，则由Forchheimer定律表示。渗透系数和惯性系数分别为内部流动过程中两个定律的重要参数，需通过一定的流量测量方法获得。现有的测量装置及方法多是针对多孔介质渗透系数进行测量，例如CN212228680U、CN106932327A等，不涉及惯性系数的测量；并且，渗透系数测量方法是基于稳态测量，耗时较长，耗气量较大。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提出一种能够实现同时快速测量多孔介质渗透系数和惯性系数的装置及方法。

技术方案：一种测量多孔介质流量特性参数的装置，包括多孔介质固定装置、小容器罐和大容器罐，多孔介质固定装置具有两头贯通的密封容置腔，多孔介质设置在密封容置腔中，密封容置腔两端分别通过开关阀连接小容器罐和大容器罐；小容器罐上设有测压的第一压力传感器，大容器罐上设有测压的第二压力传感器；小容器罐和大容器罐上还分别连接有不同的气源和/或不同的真空发生器，以便两个容器罐之间产生压差，使小容器罐内气体向大容器罐流动。

进一步地，大容器罐容积为小容器罐容积的10～15倍。

进一步地，多孔介质固定装置包括空心橡胶和两个端盖，空心橡胶内腔和两个端盖上预留的孔洞共同形成密封容置腔；多孔介质包裹在空心橡胶中，两端盖挤压空心橡胶实现密封。

一种测量多孔介质流量特性参数的方法，采用上述的测量多孔介质流量特性参数的装置；

所述方法包括：

(1)计算小容器罐和大容器罐连通后，气体停止流动时，两个容器罐内部压力的平衡点；

其中P,表示两个容器罐平衡时的压力，P

(2)利用小容器罐上连接的气源进行供气，利用大容器罐上连接的气源或真空发生器进行供气/抽气，使得两个容器罐达到设定压力，且小容器罐初始压力远高于大容器罐初始压力；

操作开关阀，使小容器罐内气体向大容器罐流动；第一压力传感器压力测量值为P

根据气体状态方程和两个容器罐的压力变化曲线，在忽略温度影响的情况下，分别求解小容器罐流出的气体质量流量G

其中G

其中G

(3)当多孔介质两端压差为0～2kpa时，计算渗透系数K；

根据压力平衡点计算0～2kpa压差范围内各点的压差，渗透系数K计算公式为：

其中K表示渗透系数，μ表示空气粘度，L表示多孔介质长度，R表示气体常数；

(4)当多孔介质两端压差为10～300kpa时，计算惯性系数β；

综合考虑两个容器罐温度和压力变化影响，在压差范围10kpa＜P

其中ΔP为多孔介质两端压差；a,b,z为比值曲线拟合系数；

再对f(ΔP)做平滑处理，得到曲线f’(ΔP)作为G

最后利用G

惯性系数β计算公式：

进一步地，当满足

一种测量多孔介质流量特性参数的方法，采用上述的测量多孔介质流量特性参数的装置；

所述方法包括：

(1)计算小容器罐和大容器罐连通后，气体停止流动时，两个容器罐内部压力的平衡点；

其中P,表示两个容器罐平衡时的压力，P

(2)利用小容器罐上连接的真空发生器进行抽气，利用大容器罐上连接的真空发生器进行抽气，使得两个容器罐达到设定压力，且小容器罐初始压力远高于大容器罐初始压力；

操作开关阀，使小容器罐内气体向大容器罐流动；第一压力传感器压力测量值为P

根据气体状态方程和两个容器罐的压力变化曲线，在忽略温度影响的情况下，分别求解小容器罐流出的气体质量流量G

其中G

其中G

(3)当多孔介质两端压差为0～2kpa时，计算渗透系数K；

根据压力平衡点计算0～2kpa压差范围内各点的压差，渗透系数K计算公式为：

其中K表示渗透系数，μ表示空气粘度，L表示多孔介质长度，R表示气体常数，

(4)当多孔介质两端压差为10～100kpa时，计算惯性系数β；

综合考虑两个容器罐温度和压力变化影响，在压差范围10kpa＜P

其中ΔP为多孔介质两端压差；a,b,z为比值曲线拟合系数；

再对f(ΔP)做平滑处理，得到曲线f’(ΔP)作为G

最后利用G

惯性系数β计算公式：

进一步地，当满足

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：

(1)测量操作简单方便，耗时短，通过一次实验即可同时测量多孔介质渗透系数和惯性系数；

(2)利用两个容器罐进行充气/抽气，可以实现多孔介质两端不同压力测试条件的调节；

(3)利用一大一小两个容器罐组合，对小容器罐和大容器罐流出流入气体的质量流量进行处理后，获得通过多孔介质气体的质量流量更为准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对本发明实施例中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例一中多孔介质流量特性参数测量装置的结构示意图；

图2是本申请实施例中多孔介质固定装置的结构示意图

图3是图2的A-A向剖视图；

图4是本申请实施例一中两个容器罐压力随时间的变化曲线图；

图5是本申请实施例二中多孔介质流量特性参数测量装置的结构示意图；

图6是本申请实施例二中两个容器罐压力随时间的变化曲线图；

图7是本申请实施例三中多孔介质流量特性参数测量装置的结构示意图；

图8是本申请实施例三中两个容器罐压力随时间的变化曲线图；

图9是本申请实施例中两个容器罐流量和压差关系示意图；

图10是计算渗透系数和惯性系数的压差区域划分示意图；

图11是本申请实施例中多孔介质流量特性参数测量方法流程框图；

附图标记：1，多孔介质固定装置；1-1，端盖；1-2，空心橡胶；1-3，多孔介质；2，第一开关阀；3，小容器罐；4，第二开关阀；5，第一气源；6，PC机；7，第一压力传感器；8，16位A/D采集板卡；9，第二压力传感器；10，第三开关阀；11，第二气源；12，大容器罐；13，第四开关阀；14，第一消声器；15，第一真空发生器；16，第一减压阀；17，第二减压阀；18，第二真空发生器；19，第二消声器。

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，所描述的实施例不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一

图1所示为本申请实施例一提供的多孔介质流量特性参数测量装置的结构示意图，该测量装置包括多孔介质固定装置1、小容器罐3、大容器罐12、PC机6和16位A/D采集板卡8。

如图2和图3所示，多孔介质固定装置1包括空心橡胶1-2和两个端盖1-1，空心橡胶1-2内腔和两个端盖1-1上预留的孔洞共同形成两头贯通的密封容置腔。多孔介质1-3包裹在空心橡胶1-2中，两端盖1-1通过螺栓连接，挤压空心橡胶1-2实现密封。

小容器罐3和大容器罐12为两个已知容积的容器罐，大容器罐12容积为小容器罐3容积的10～15倍。密封容置腔一端通过第一开关阀2连接小容器罐3，另一端通过第四开关阀13连接大容器罐12。小容器罐3上设有测压的量程较大的第一压力传感器7，大容器罐12上设有测压的量程较小的第二压力传感器9。第一压力传感器7和第二压力传感器9分别通过16位A/D采集板卡8连接PC机6。

小容器罐3通过第二开关阀4连接第一气源5，大容器罐12通过第三开关阀10连接第二气源11。

本实施例一中，第一压力传感器7量程为0～300kpa，第二压力传感器9量程为0～100kpa。

以下介绍利用实施例一中所述的测量装置进行多孔介质流量特性参数测量的方法，如图11所示，该方法具体包括如下步骤：

(1)计算图4中的压力平衡点。

压力平衡点可根据气体状态方程推导得到，小容器罐3内气体的初始理想状态方程为：

P

其中P

大容器罐12内气体的初始理想状态方程为：

P

其中P

两个容器罐平衡时气体的理想状态方程为：

P,(V

其中P,表示两个容器罐平衡时的压力，T,表示两个容器罐平衡时的温度。

忽略温度影响，可得平衡压力值：

(2)打开第二开关阀4和第三开关阀10，利用第一气源5和第二气源11分别对小容器罐3和大容器罐12进行供气，使得两个容器罐达到设定压力，要求小容器罐3初始压力远高于大容器罐12，且大、小容器罐压力要求不超过对应压力传感器的量程。

两个气源停止供气，打开多孔介质固定装置1两端的第一开关阀2和第四开关阀13，小容器罐3内气体向大容器罐12流动，第一压力传感器7和第二压力传感器9分别通过16位A/D采集板卡8将小容器罐3和大容器罐12的压力变化情况记录在PC机6上，第一压力传感器7检测压力为P

根据气体状态方程和两个容器罐的压力变化曲线，在假设忽略温度影响的情况下，分别求解小容器罐3流出的气体质量流量和大容器罐12流入的气体质量流量，求解结果如图9所示。

小容器罐3流出气体的质量流量

其中G

大容器罐12流入气体的质量流量

其中G

(3)在图10所示小压差ΔPa(0～2kpa)区域范围内，通过多孔介质气体的质量流量计算渗透系数K。

由于第一压力传感器7精度低(量程大，精度低)，G

当满足

根据压力平衡点计算小压差范围内各点的压差，渗透系数K计算公式为：

其中K表示渗透系数，μ表示空气粘度，R表示气体常数，L表示多孔介质长度，

(4)在图10所示ΔPb(10～300kpa)大压差范围内，通过多孔介质气体的质量流量计算惯性系数β。

由于大容器罐12体积较大，在气体流动时，温度变化小，压力变化小。压力变化小使得第二压力传感器9测量的压力曲线较为平滑，但该压力曲线变化范围小，会导致计算的G

其中ΔP为多孔介质两端压差；a,b,z为比值曲线拟合系数；

再对f(ΔP)做平滑处理，得到曲线f’(ΔP)作为G

最后利用G

惯性系数β根据下式进行计算：

实施例二

图5所示为本申请实施例二提供的多孔介质流量特性参数测量装置的结构示意图，其在实施例一基础上，在第三开关阀10和第二气源11之间增设了第一真空发生器15和第一减压阀16，在第一真空发生器15上连接有第一消声器14。第一真空发生器15用于在大容器罐12内产生负压。

本实施例二中，第一压力传感器7量程为0～300kpa，第二压力传感器9量程为-100～0kpa。

图6所示为实施例二中两个容器罐压力变化曲线。

在进行测量时，在实施例一的步骤(2)中，使小容器罐3内部产生正压，大容器罐12内部产生负压后，再进行实施例一中后续步骤的操作，后续步骤与实施例一相同。

实施例三

图7所示为本申请实施例三提供的多孔介质流量特性参数测量装置的结构示意图，其在实施例二的基础上，在第二开关阀4和第一气源5之间增设了第二减压阀17和第二真空发生器18，在第二真空发生器18上连接有第二消声器19。第二真空发生器18用于在小容器罐3中产生负压。

本实施例三中，第一压力传感器7量程为-100～0kpa压力传感器，第二压力传感器9量程为-100～-50kpa。

图8所示为实施例三中两个容器罐压力变化曲线。

在进行测量时，在实施例一的步骤(2)中，使得两个容器罐两端的真空发生器产生负压后，再进行实施例一中后续步骤的操作。此外，本实施例三确定的大压差区域范围与实施例不同，本实施例三中，计算惯性系数β时，大压差范围确定为10kpa＜P

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。