本發(fā)明涉及的是一種實驗裝置，具體地說是汽泡動力學(xué)實驗裝置。

背景技術(shù)：

沸騰換熱廣泛存在于熱能、化工及核反應(yīng)堆領(lǐng)域，汽泡的行為特征與流體的沸騰換熱特性密切相關(guān)，因此，汽泡動力學(xué)研究是各國學(xué)者重點關(guān)注的課題之一。汽泡形成脫離等運動行為會受到流道結(jié)構(gòu)、流動方式及流動穩(wěn)定性等多因素的影響，目前研究主要集中在大容器、強(qiáng)迫循環(huán)、穩(wěn)定條件下，而對于細(xì)微通道、自然循環(huán)以及動載運動等特殊條件下較少。實際上，海洋和航空航天條件下的熱工動力裝置存在搖擺非穩(wěn)態(tài)、自然循環(huán)、窄通道等特殊條件。研究表明這些條件會對流動和傳熱特性必然會有很大的改變，與之相應(yīng)的汽泡核化過程、生長、脫離等行為均會受到影響，而產(chǎn)生不同程度的變化。原有常規(guī)條件下汽泡行為的研究已不能滿足現(xiàn)實的需求，因此開展細(xì)微通道、自然循環(huán)以及動載運動條件下汽泡動力學(xué)研究是必要的。

采用高速攝影儀拍攝實研究裝置內(nèi)汽泡圖像，并對汽泡圖像后處理得到一些參數(shù)(汽泡核化密度、生長速度、脫離頻率、汽泡直徑等)是目前汽泡動力學(xué)可視化研究的主要手段。而研究裝置可分為池式和回路式兩種。池式裝置主要研究工質(zhì)發(fā)生大容積沸騰時汽泡動力學(xué)特征。回路式裝置主要研究工質(zhì)流動沸騰汽泡動力學(xué)特征。這些裝置只能研究穩(wěn)定狀態(tài)常規(guī)條件下汽泡動力學(xué)特征，無法開展非穩(wěn)定以及與自然循環(huán)、窄通道等復(fù)合條件下汽泡動力學(xué)的研究。如：重慶大學(xué)潘良明的汽泡動力學(xué)研究裝置(潘良明.垂直矩形窄縫流動過冷沸騰時的汽泡行為和換熱[D].重慶大學(xué)，2002.)僅能完成豎直狀態(tài)下強(qiáng)迫循環(huán)汽泡動力學(xué)研究；而大阪大學(xué)的Tomio Okawad的可視化汽泡動力學(xué)研究裝置(Tomio Okawa,Tatsuhiro,Isao Kataoka,et al.Bubble rise characteristics after the departure from a nucleation site in vertical upflow boiling of subcooled water[J].Nuclear Engineering and Design,2005,235:1149-1161.)實驗件較短，只能觀察一個特定區(qū)域內(nèi)的汽泡特性，不能開展跟蹤汽泡在通道內(nèi)演變過程的研究。尤其是在動態(tài)條件下，如何準(zhǔn)確有效地獲取汽泡的運動行為特征，對于研究非穩(wěn)定條件下的汽泡行為至關(guān)重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供可實現(xiàn)窄通道、自然循環(huán)、動態(tài)運動條件下汽泡行為研究的一種適用于動態(tài)運動條件下的汽泡動力學(xué)可視化研究裝置。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

本發(fā)明一種適用于動態(tài)運動條件下的汽泡動力學(xué)可視化研究裝置，其特征是：包括窄通道實驗件、預(yù)熱器、冷凝器、空冷塔、蓄水箱、搖擺平臺，冷凝器的管程進(jìn)口連通窄通道實驗件出口，冷凝器的管程出口通過第一管路連通預(yù)熱器，預(yù)熱器連通窄通道實驗件進(jìn)口，冷凝器的殼程進(jìn)口通過第二管路連通蓄水箱，冷凝器的殼程出口通過第三管路連通空冷塔進(jìn)口，空冷塔出口連通蓄水箱，窄通道實驗件垂直固定在搖擺平臺上，預(yù)熱器、冷凝器平行布置于搖擺平臺上，搖擺平臺下方設(shè)置可使其六自由度搖擺運動的液壓驅(qū)動機(jī)構(gòu)，窄通道實驗件旁設(shè)置高速攝影儀，高速攝影儀通過數(shù)據(jù)采集板連接進(jìn)行數(shù)據(jù)整理的計算機(jī)。

本發(fā)明還可以包括：

1、所述窄通道實驗件包括加熱平板、耐溫玻璃，加熱平板和耐溫玻璃通過不銹鋼固定板固定支撐，加熱平板和耐溫玻璃之間形成窄矩形通道，固定板上設(shè)置凹形槽道，凹形槽道里放置實現(xiàn)與耐溫玻璃密封的O型硅膠密封圈，固定板背面設(shè)置有熱電偶孔，熱電偶孔里布置N型鎧裝熱電偶，加熱平板連接直流電源。

2、第一管路上安裝穩(wěn)壓器，穩(wěn)壓器里充有氮氣，穩(wěn)壓器的上方設(shè)置泄壓閥和安全閥。

3、高速攝影儀位于可水平前后移動和垂直上下移動的導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)上，高速攝影儀面向窄通道實驗件的耐溫玻璃設(shè)置，窄通道實驗件的耐溫玻璃前方設(shè)置光纖燈。

本發(fā)明的優(yōu)勢在于：

1.本發(fā)明實現(xiàn)了非豎直靜止條件下汽泡動力學(xué)的可視化研究，為運載動態(tài)條件下兩相流動的換熱特性機(jī)理研究提供了支持。

2.本發(fā)明多變量可控，如系統(tǒng)壓力、流量、入口過冷度、加熱功率、搖擺周期和角度?？扇嫜芯坎煌r條件下，汽泡的特性變化。

3.本發(fā)明可以分別進(jìn)行自然循環(huán)和強(qiáng)迫循環(huán)兩相流實驗。通過兩種工況下汽泡行為對比，可深入認(rèn)識自然循環(huán)條件下汽泡行為特點。

4.本發(fā)明高速攝影儀可變換拍攝位置，有助于認(rèn)識汽泡在通道內(nèi)的演變過程，還可以跟蹤過冷沸騰ONB點。搖擺平臺工作時可通過控制平臺移動高速攝影拍攝位置，操作安全，且節(jié)約實驗時間。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的實驗回路三維示意圖；

圖3為本發(fā)明實驗件的橫界面示意圖；

圖4為本發(fā)明可視化系統(tǒng)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述：

結(jié)合圖1-4，本發(fā)明一種適用于動態(tài)運動條件下汽泡動力學(xué)可視化研究裝置結(jié)構(gòu)如下：包括實驗回路Ⅰ、冷卻回路Ⅱ、搖擺平臺Ⅲ、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Ⅳ四部分，實驗工質(zhì)為去離子水。實驗回路Ⅰ由窄通道實驗件1、法蘭2、壓差傳感器3、冷凝器4、排氣閥5、離心泵6、閥門7、閥門8、流量計9、穩(wěn)壓器10、泄壓閥11、安全閥12、壓力變送器13、預(yù)熱器14、過濾器15組成。搖擺平臺Ⅲ由可傾斜、搖擺模擬海洋、航空等運載動態(tài)條件。冷凝回路Ⅱ由離心泵19、過濾器20、流量計21、連接軟管22、空冷塔23、蓄水箱24等組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Ⅳ主要包括電腦25、數(shù)據(jù)采集板26、高速攝影儀27。

主實驗回路Ⅰ中各部分通過不銹鋼管路連接為立體封閉回路，垂直對稱布置在搖擺平臺16上。垂直布置可使得搖擺產(chǎn)生的附加慣性力引入到流動回路中；對稱布置可使得搖擺時搖擺平臺兩邊受力均衡，有利于實驗回路的穩(wěn)定。工質(zhì)水在回路中的流程為：首先流出預(yù)熱器14，且溫度達(dá)到目標(biāo)值，流經(jīng)實驗件1加熱至過冷沸騰，流出實驗件1后進(jìn)入到冷凝器4，被冷卻返回到預(yù)熱器14。主實驗回路上布置有多根K型熱電偶，測量回路中溫度的變化。由于實驗件流道小，實驗件前安裝有Y型過濾器15，防止雜質(zhì)堵塞。

流動驅(qū)動力在強(qiáng)迫循環(huán)條件下為離心泵6，自然循環(huán)條件下為冷熱段的密度差。電動閥門7和電動閥門8與控制平臺相連，控制閥門關(guān)閉可以實現(xiàn)自然循環(huán)和強(qiáng)迫循環(huán)的切換。自然循環(huán)實驗前啟動強(qiáng)迫循環(huán)，使通道內(nèi)的流體循環(huán)起來，再切換到自然循環(huán)進(jìn)行實驗，可縮短自然循環(huán)實驗流量穩(wěn)定的時間。

主實驗回路Ⅰ最高位置留有排氣孔。為避免不凝氣體對核化汽泡的影響，實驗前需要對實驗回路內(nèi)工質(zhì)排氣，通過預(yù)熱器將實驗回路內(nèi)水加熱至飽和，通過閥門5將不凝氣體排出。

單面加熱可視化窄矩形通道實驗件1垂直固定在搖擺平臺16上。實驗件與實驗回路通過法蘭2連接，方便拆卸和更換不同流道尺寸實驗件，可展開流道尺寸結(jié)構(gòu)對汽泡行為影響的研究。如圖3所示，實驗件1中窄矩形通道由加熱平板1-1和耐溫玻璃1-2組成。加熱板材質(zhì)為316不銹鋼，石英玻璃上刻有矩形流道。加熱板1-1和玻璃1-2由不銹鋼固定板1-3固定支撐，并用螺栓上緊。固定板1-3上刻有凹型槽道1-4，放置有O型硅膠密封圈1-5。硅膠墊可以起到密封作用，并且可以承受高溫。固定板背面留有熱電偶孔1-6，布置N型鎧裝熱電偶1-7，測量實驗件背面溫度。如圖4所示，加熱平板連接直流電源1-8。實驗件外部除可視化面外，其余部分包裹硅酸鹽保溫棉1-9，防止熱量向環(huán)境的散失，確保實驗測量的準(zhǔn)確

為控制自然循環(huán)流動系統(tǒng)內(nèi)的壓力穩(wěn)定，實驗回路與穩(wěn)壓器相連。穩(wěn)壓器10內(nèi)充氮氣，可減緩系統(tǒng)內(nèi)壓力波動對實驗回路的損壞，并維持系統(tǒng)壓力到預(yù)定值。當(dāng)壓力過高時，可通過穩(wěn)壓器10上泄壓閥門11泄壓或安全閥12泄壓。泄壓閥門上留有接口可與高壓氮氣瓶連接，當(dāng)系統(tǒng)壓力低時，可向系統(tǒng)內(nèi)加壓。

由圖1和圖2可知，冷凝器4平行布置在搖擺臺中心軸17正上方。平行布置可減弱搖擺時冷凝器腔內(nèi)流體攪動對回路循環(huán)的影響。實驗回路Ⅰ中工質(zhì)流經(jīng)冷凝器管程，回路內(nèi)流動阻力小，有利于自然循環(huán)實驗。

預(yù)熱器14平行布置在搖擺平臺中心軸17上，這樣布置可減弱搖擺時預(yù)熱器腔體內(nèi)流體攪動對回路循環(huán)的影響。同時預(yù)熱器連有PID控制器，可以使出口溫度保持在預(yù)設(shè)值±0.5℃以內(nèi)。

主實驗回路Ⅰ流量測量選用電磁流量計9。動態(tài)自然循環(huán)條件下，實驗回路中會產(chǎn)生反向流動，電磁流量計可測量小流量和負(fù)流量，并且精度高。動態(tài)不穩(wěn)定性對電磁流量計的測量精度影響較小，而對質(zhì)量流量計和渦輪流量計測量精度有較大的影響。

冷卻回路Ⅱ通過軟管22與主實驗回路冷凝器4相連。冷卻水被泵19驅(qū)動，流經(jīng)冷凝器4殼層帶走熱量，然后進(jìn)入到空冷器23中，將熱量最終散失到環(huán)境中，冷卻水最終流回到水箱24。渦輪流量計21測量冷卻水的流量?；芈飞喜贾糜袃筛鵎型鎧裝熱電偶，測量冷凝器殼層進(jìn)出口水溫。

搖擺平臺16由液壓驅(qū)動機(jī)構(gòu)18驅(qū)動，可六自由度搖擺運動。通過操作平臺，可設(shè)置傾斜角度、搖擺角度和搖擺周期。

如圖4所示，高速攝影儀27正對實驗件1可視化面，布置在可二維移動的導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)27-1上。導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)由導(dǎo)桿和滑塊組成，通過電機(jī)27-3驅(qū)動可垂直上下和水平前后移動，并與控制平臺連接。高速攝影儀前后移動可改變拍攝區(qū)域的大小，實現(xiàn)局部區(qū)域與全通道汽泡的行為特征研究；上下移動可拍攝通道內(nèi)不同位置的汽泡行為，實現(xiàn)汽泡在通道內(nèi)演變過程的研究。搖擺平臺工作時可通過控制平臺自動移動高速攝影拍攝位置，操作安全，且節(jié)約實驗時間。采用光纖燈27-2在實驗件正面打光，光纖燈的位置和亮度均可調(diào)，可為高速攝影提供最佳亮度光源。