[发明专利]一种液氮空化试验验证系统及气泡产生过程观察方法

说明书

液氮空化试验验证系统包括介质供给系统、低温模拟贮箱、低温出流系统、高速摄像系统和测控系统；介质供给系统为试验系统提供气体、液体介质，本发明的试验用的介质为氮气和液氮。低温模拟贮箱为低温压力容器，可以通过与其相连的进气管路和排气管路，完成置换、升压和降压的操作。低温出流系统包括气泡发生器、不锈钢出流管、带透明观察窗的不锈钢真空出流管、低温球阀、液氮泵、低温球阀、流量计。高速摄像系统对透明视窗内的气泡产生过程进行拍摄并录像，并对气泡尺寸、数量、流体含气率等参数进行分析。测控系统控制高速摄像机开启和关闭，并进行数据采集。用于火箭低温贮箱和低温推进剂输送管路中介质空化过程的模拟、观察及机理研究。

技术领域

本发明涉及一种液氮空化试验验证系统及气泡产生过程观察方法。

背景技术

在以液氢、液氧为推进剂的火箭中，由于系统漏热或局部压力的变化，贮箱及输送管内的流体不可避免地会出现空化现象。空化的出现，对低温液体的流量和流速均会产生影响。严重时可能会导致发动机泵气蚀，甚至发射任务失利。因此，对空化现象进行研究则非常重要。

相对于水空化过程，低温空化蕴含更复杂的物理机理。这主要是由于它们特殊的工质物性所致。低温液体空化区温度降低导致饱和压力降低，降低的饱和压力反过来遏制空化的进一步发生，直至达到动态平衡，这种由于温降导致的独有的特性称为热效应。但低温环境下可视化实验观察难度极大，因此至今为止，相关实验数据较为匮乏，对低温空化非稳态特性和机理的理解尚未充分。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明的目的是提供一种液氮空化试验验证系统及气泡产生过程观察方法，用于火箭低温贮箱和低温推进剂输送管路中介质空化过程的模拟、观察及机理研究。

本发明所采用的技术方案是：一种液氮空化试验验证系统，包括介质供给系统、低温模拟贮箱、低温出流系统、高速摄像系统和测控系统；

介质供给系统包括氮气源、液氮源；氮气源通过第一气动球阀与低温模拟贮箱的进气口连接，低温模拟贮箱的出气口与第二气动球阀连接，液氮通过管路加注至低温模拟贮箱；液氮源通过第二低温球阀和第一低温球阀与液氮泵相连；

低温出流系统包括气泡发生器、不锈钢出流管、带透明观察窗的不锈钢真空出流管、低温球阀、液氮泵、低温球阀、流量计；

气泡发生器设置在低温模拟贮箱的底部，气泡发生器出口与不锈钢出流管及带透明视窗的不锈钢真空出流管相连后通过第一低温球阀与液氮泵相连，液氮泵通过第三低温球阀与流量计相连，透过透明观察窗观察出流管不同高度位置的流体气泡产生和发展的情况，管内的液氮通过液氮泵抽吸至泵后的管路，再经流量计，最终排放至空气中；

高速摄像系统包括高速摄像机与配套光源，高速摄像机对透明视窗内的气泡产生过程进行拍摄并录像；

测控系统控制高速摄像机开启和关闭，并进行数据采集。

低温出流系统用高密度橡塑隔热板绝热。

气泡发生器用于模拟低温模拟贮箱出口流道突变的形态，出流的液氮在此处发生空化，并向下游发展。

所述液氮空化试验验证系统配置两段带透明观察窗的不锈钢真空出流管。

带透明观察窗的不锈钢真空出流管包括不锈钢真空外管、内管、玻璃管、抽真空接头、玻璃观察窗、法兰，外管两端分别设置用于连接的法兰，外管侧面设置抽真空接头，内管设置一段玻璃管，外管侧面设置四个玻璃观察窗，作为光源口和观察口。

液氮泵采用变频离心式液氮泵，通过调节电机频率，改变液氮出流的流量，观察相同管路在不同流量、流速下流体的空化情况。

流量计采用真空绝热的科氏流量计。

使用所述液氮空化试验验证系统进行气泡产生过程观察的方法，包括步骤如下：