[发明专利]一种六自由度运动条件下气泡动力学特性研究装置及方法

说明书

一种六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验装置及方法，该装置主要包括六自由度运动模拟平台、连续注气系统、透明试验段、高速摄像系统及远程计算机；连续注气系统包括高精度直线模组、流向控制管路、注射器及毛细管接头，该系统可实现气体连续、稳定注射，并可以精确测量气体注入流量，通过调节毛细管接头尺寸，可以控制注入气泡直径；高速摄像仪固定于试验段前侧伺服模组相机架上，可实现相机位置远程自动调节，在试验段后部放置LED面板光源，面板上贴有半透明坐标纸，可用于拍摄图像尺寸标定；连续注气系统、试验段及高速摄像系统均放置于六自由度运动模拟平台上，平台可实现沿三个坐标轴的平移及转动六个自由度的模拟运动。本发明为研究复杂海洋条件下气泡运动特性提供了有效途径。

技术领域

本发明属于多相流体动力学特性试验研究领域，具体涉及一种六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验装置及方法。

背景技术

海洋核动力平台是小型核反应堆与船舶工程的有机结合，可为偏远岛屿提供安全、高效的能源供给，也可用于海洋石油开采、大功率船舶及海水淡化领域的供能，对中国开发利用新能源和海洋能源开发具有重大意义。核态沸腾是海洋核动力系统中常见的物理现象，在沸腾过程中，气泡动力学特性会对流动、传热过程产生极大的影响。尤其是在海洋条件下，核动力平台受海洋中风浪作用，会发生升潜、倾斜、摇摆等六个自由度运动，受海洋附加作用力影响，核动力系统会受到强烈的非线性扰动，气泡动力学特性与静止条件相比会发生显著变化，导致系统流动传热特性发生变化，甚至会引发沸腾危机提前。因此，开展海洋条件下气泡动力学研究对海洋核动力平台的安全运行具有重要意义。

目前国内外已开展了很多气泡动力学特性研究，但研究多是针对于静止状态下开展的；并且少数在运动条件下开展的试验也存在着运动条件单一、试验控制精度较低的问题。

例如，中国专利申请号201810135432.1，公开了一种两相上升流体流动显示实验方法及实验装置。该方法采用双通道套管注射针在气泡内形成烟线显示流场，并采用高速摄像结合PIV的方法对气泡行为及流体流动行为进行研究。该实验是基于静止条件下开展的，并且实验采用蠕动泵进行气体注射，不可避免的会出现流量脉动。Liu等人开展了气泡运动特性的可视化研究，但也仅是针对于静止条件开展的，难以分析运动对气泡运动特性的影响。

也有学者开展了运动条件下气泡运动特性研究。例如，付学宽开展的横荡条件下气泡行为研究，但实验仅在单自由度下开展，并且实验采用气泵注射空气，在较小流量下，气体流量会存在波动，难以精确控制。中国专利申请号201610533661.X，公开了一种运动条件下气泡动力学可视化研究装置，该发明可开展运动条件下自然循环及强迫循环流动沸腾过程气泡行为研究，由于沸腾过程的复杂性，气泡间会发生复杂的相互作用，该方法难以对单气泡在大空间的运动机理进行深入分析。

发明说明

为了解决上述现有技术存在的缺点，本发明建立了一套六自由度运动条件下，气泡动力学特性研究的可视化实验装置及方法，该装置主要包括六自由度运动模拟平台、连续注气系统、透明试验段、高速摄像系统及信号处理采集系统，可用于研究试验段发生六自由度运动时内部气泡的行为特性及运动机理。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：