[发明专利]等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置和方法

说明书

本发明公开了一种等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置和方法，该实验装置包括：实验主体腔、放置于实验主体腔内的测试几何结构对象、两个流体输送装置、低温流体高压储存罐和低温流体常压收集罐；实验主体腔包括：分别与两个流体输送装置连接的下部流体注入口和上部流体注入口、操作口和实验主体腔壁面；实验主体腔壁面包括：内层壁、外层壁和环形通道；操作口位于实验主体腔的顶部，操作口的下端凸形法兰结构上设有流体排出口。本发明的结构简单，能够维持低温环境，通过有效减弱浮力作用并降低两相界面张力，实现了地面上比拟研究微重力及低温条件下典型结构内气液界面分布与流体管理的目的。

技术领域

本发明属于航天总体技术领域，尤其涉及一种等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置和方法。

背景技术

微重力流体物理是微重力科学的重要领域，具有气-液和液-液界面的两相流体体系普遍存在于航天工程中，涉及空间热控、流体管理和生态系统等内容。然而，在空间微重力环境下，由于重力缺失，表面张力等次级力成了流体运动和界面演化的主要驱动力，两相系统中的流体过程也呈现了许多与地面上不同的情况。了解微重力条件下航天器典型部件内的气液相分布特征，尤其考虑空间的低温环境，对空间航天器的参数设计、安全运行和优化管理均有重要价值。

空间微重力实验本身成本较高，实验过程所能控制的流体参数变得苛刻，所能观测到的数据有限，这对微重力流体科学的发展和界面张力的应用带来各种不便。若能够提出一种地面上能够等效实施微重力低温环境下气液分布及流体管理的装置及方法，将界面力作用下的气液分布关键过程得以可视化呈现，那么将直接解决热控过程中储液器和燃料贮箱内结构设计上的缺陷和瓶颈问题。

针对以上问题，业界一直在探讨，但目前尚没有针对流体过程提出的可靠等效方法。要成功实现比拟过程，一方面要降低重力效应对界面形态的影响，凸显表面张力的作用，另一方面可调节表面张力大小，在低温环境下又能反应低表面张力流体的性质。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置和方法，以通过两种不溶流体组合，消除或减弱界面处浮升力的影响，降低两相界面处的界面张力，以真实反应低温流体在航天器典型部件结构内的工作特征。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置，包括：实验主体腔、测试几何结构对象、第一流体输送装置、第二流体输送装置、低温流体高压储存罐和低温流体常压收集罐；其中，实验主体腔，包括：下部流体注入口、上部流体注入口、操作口和实验主体腔壁面；

实验主体腔壁面为双层结构实体壁面，包括：内层壁、外层壁、以及由内层壁和外层壁构成的低温环境保护流体的环形通道；其中，环形通道上设有低温保护流体的注入口和排出口，注入口和排出口焊接于外层壁上，并与环形通道相连通；注入口通过管道与低温流体高压储存罐相连接，排出口通过管道与低温流体常压收集罐相连接；

下部流体注入口位于实验主体腔的下半部分，穿过环形通道与内层壁相连通；第一流体输送装置通过管道与下部流体注入口相连接；

上部流体注入口位于实验主体腔的上半部分，穿过环形通道与内层壁相连通；第二流体输送装置通过管道与上部流体注入口相连接；

操作口位于实验主体腔的顶部，下端为凸形法兰结构，穿过环形通道与内层壁相连通，并通过螺栓与实验主体腔密封；其中，操作口的下端凸形法兰结构上设有流体排出口，贯通下端凸形法兰结构与实验主体腔相连通；

测试几何结构对象放置于实验主体腔内。

在上述等效实施微重力低温环境下气液分布的实验装置中，实验主体腔，还包括：透明观察窗和透明疏水材料层；

透明观察窗设置于实验主体腔的前后两侧，透明观察窗为双层结构，分别与内层壁和外层壁通过高压法兰连接；