[实用新型]一种超重力驱动的湍流对流系统实验平台

说明书

本实用新型公开一种超重力驱动的湍流对流系统实验平台，包括圆环对流系统、测量系统、机械旋转系统、机电控制系统和光学平台；平台整体对称性很高，可同时实现较大尺寸腔体和较高转速，有效减小实验测量的相对误差，同时可实现最高1500rpm(130g)的等效重力实验条件，使反映热驱动强度的瑞利数Ra提高两个数量级，提供达到“终极区间”的手段；本实用新型中旋转轴矢量与温差驱动的流动方向近似垂直关系，内外圆柱环中圆柱表面的受热冷却相对于球形壁面可以更好地研究曲率对流动的影响。此外，本实用新型与工作流体均有别于现有技术，还具备转速、冷却温度、加热功率的精确调控能力，实现流场、温度等信号的高精度高频率测量，实用性强。

技术领域

本实用新型涉及热对流研究领域，特别是涉及一种超重力驱动的湍流对流系统实验平台。

背景技术

在轮船的燃气轮机和飞机的航空发动机中，都涉及到了旋转叶片的冷却问题。在地球物理的研究中，外地核和地幔对流都是在重力与旋转条件下的热对流，因此，热驱动的湍流对流，无论对于工程应用还是自然科学都是一项非常重要的基础研究。实际上，地球上的流动都是在旋转坐标系下发生的，虽然地球转速相对较慢，但是地球的尺度较大，所以反应旋转的科氏力效应相对较强。在工业中的一些旋转机械中，转速很高，叶片的受热与冷却也是发生在旋转叶片上，因此，旋转与热对流的结合成为了研究的一个前沿。

驱动湍流对流的是热浮力，前人的理论研究表明，热驱动作用可以用无量纲数Ra反映，Ra是工作流体的热膨胀系数、运动粘性系数和热扩散系数，是等效重力加速度，是热板与冷板的温差，是流动的特征长度尺度的函数。不断地提高Ra以达到更大的热驱动强度，从而使得传热进入“终极区间”，这时传热与热驱动的函数关系会有指数级的增强。然而，相关技术人员多实验研究重力与旋转矢量平行的情况，而且他们使用的转速较低，最大只达到了60rpm，这种实验仅可以有效地解释地球南北两极的海冰运动。目前，实验上尚未有让人信服的传热达到终极区间的报道，且前人通过增大温差、增大装置尺寸、改变流体性质等方法提高Ra，也尚未通过增加等效重力加速度而使得热驱动强度达到“终极区间”。

此外，在目前的热对流研究中，曲率效应的影响尚未清晰，有一些球形腔体研究曲率更为复杂，比如其中的温度分布不再是主体区流动温度等于上下板温度的一半，而是偏高，这是著名的non-Oberbeck-Boussinesq效应，这样流体力学控制方程将会更加复杂。并且，现有用于研究高速旋转条件下热对流的装置，最高转速虽然可达9990rpm，能够用来研究可压缩条件下的气体湍流对流，但是装置最大尺寸只有50mm左右，由于腔体内是气体，整个装置采用耐压的金属结构，将导致实验的相对误差较大，且无法进行流动显示。

综上所述，如何提出一种可通过实现等效重力的实验条件使热驱动强度达到“终极区间”，适用于旋转轴矢量与温差驱动的流动方向不平行的情况，且能够更好地研究曲率对流动影响的实验平台，是一个亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种超重力驱动的湍流对流系统实验平台，可通过实现等效重力的实验条件使热驱动强度达到“终极区间”，适用于旋转轴矢量与温差驱动的流动方向不平行的情况，且能够更好地研究曲率对流动的影响。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：