[发明专利]一种可视化小型流体汽蚀测试装置

说明书

技术领域

本发明涉及航空航天与制冷低温工程技术领域，尤其涉及一种可视化的小型低温汽蚀测试装置。

背景技术

在航空航天领域，液氧和液氢被认为是火箭发射的理想燃料，但其在机械部件中流动时，在某些区域由于压力降低到接近或低于温度对应的饱和压力而发生汽化，称为汽蚀现象。

文氏管具有出口压力在一定范围内变化，流体流量几乎不变的特点，因而在大推力火箭发动机系统上，用于精确控制液氢/液氧流量。在文氏管喉部，流体由于静压低于温度对应的饱和压力而产生汽蚀现象。与水的汽蚀过程不同，低温流体的液体/蒸汽密度比相对于水的液体/蒸汽密度比小约两个数量级，使得相变潜热引起的“热效应”不能忽略。因此，低温流体的汽蚀特性具有更加复杂的机理，使得原来用于室温流体文氏管流量计算的伯努利（Bernoulli）方程在计算低温流体（如液氢/液氧）文氏管流量计算时产生较大误差。因此，为了减少火箭发动机飞行过程中实际流量与计算流量的误差，必须了解文氏管中低温流体的汽蚀特性及其对流量的影响。另外，低温汽蚀现象的存在不仅与火箭发动机的运行性能和安全性相关，还伴随着如噪声、振动及表面破坏等显著的负面效应。

因此，对低温液体汽蚀的深入理解和准确预测有利于航天器推进系统的优化设计。然而，由于低温液体（如液氮/液氢）温度往往低于120K,其相应的汽蚀测试装置应具有良好的绝热设计，以避免漏热对汽蚀的影响，常温液体（如水）的汽蚀测试装置显然已不能满足这方面的要求。

公开号为CN102425540A的中国专利文献公开了一种适用于水泵试验台进行水泵测试用的汽蚀罐，该装置重点在于水汽蚀的测试，没有有效的绝热措施，不适用于低温液体汽蚀测试。

公开号为CN102116723A的中国专利文献公开了一种研究涂层抗汽蚀性能的实验装置，在密闭的箱体里，具有高温高压性质的液滴与高速旋转的试样撞击，模拟叶片汽蚀现象。但该装置并不涉及低温液体汽蚀的测试。

美国NASA对低温液体的汽蚀现象开展了大量的研究，结果显示低温流体的空泡长度比水减少20%-40%。其实验装置使用了大管径的流道和低温泵，组成闭合环路，结构复杂，并需要大量的低温流体，不适用于普通实验室的小型化实验研究。

发明内容

本发明提供一种可视化小型流体汽蚀测试装置，结构简单，便于在普通实验室使用，使用过程稳定，测试数据准确。

一种可视化小型流体汽蚀测试装置，包括可视化测试单元以及向该可视化测试单元提供测试介质的供液单元；

所述可视化测试单元包括：

真空箱；

位于真空箱内的汽蚀部件；

位于真空箱内用于采集汽蚀部件实时图像的摄像机；

位于真空箱内用于采集测试介质流量的流量计；

所述供液单元包括：

测试介质储罐；

压力源；

连通在测试介质储罐和压力源之间的导气管；

连通在测试介质储罐和汽蚀部件之间的输液管。

为了避免测试介质的浪费降低实验成本，本发明可视化小型流体汽蚀测试装置还包括回收单元，所述回收单元包括回收罐，所述回收罐通过一个设有阀门的管路与所述流量计的出口连通。

为了达到良好的绝热效果，使测试介质的温度保持恒定，避免测试介质流经输液管所述测试介质储罐为双层真空绝热储罐。

所述输液管带有外层套管，输液管与外层套管之间有一与真空箱内部连通的空间。另外，输液管产生的汽蚀会对汽蚀部件内的汽蚀产生干扰，为了避免这种干扰，优选的，输液管上不设置阀门。

所述汽蚀部件的材料为透明有机玻璃，且汽蚀部件的内部设有供测试介质流通的通道，摄像机能拍到汽蚀部件内发生的汽蚀现象。由于汽蚀现象的产生和消失时间非常短暂，优选的，所述摄像机为高速摄像机。

所述流量计通过管道连接在汽蚀部件的流体出口端，为了保证流量计测试结果更接近汽蚀部件内的流量值，流量计和的测试介质通道处在同一水平面上。

所述真空箱的箱壁设有带控制阀的抽真空接口，真空箱的箱壁嵌装有接线端口，所述摄像机以及流量计的电路引线分别连接至该接线端口。真空箱由两部分扣合而成，两部分之间采用法兰密封连接。

低温流体流经管道时，使管道温度急剧降低，热胀冷缩产生的应力对装置的气密性具有一定影响，因此，处在真空箱外的管道至少有一段为波纹段。

所述汽蚀部件和摄像机及流量计设置在真空箱内，能清晰地观察到汽蚀部件处的汽蚀现象，结合流量计采集的流量值，方便研究低温流体的汽蚀现象特点。