本申请涉及对流换热系数和流动阻力测定技术领域，特别是涉及一种高温高压流体管内流动换热振动测试实验台。
背景技术：
自可控飞行发明120年来，飞行器的速度和飞行高度不断提升，航空航天领域的动力系统性能不断增强，而与性能增强相适应的是，飞行器的热负荷问题不断凸显出来，而且随着推进技术的发展日益严重，这也对飞行器的热管理提出了新的挑战。这其中，飞机综合热管理、航空发动机综合热管理和高超声速飞行器发动机热管理这三个领域的工作任务最为繁重。综合分析各技术的共同点可以看出，不管具体的实现方式如何，各个技术方案中热管理的本质都是利用工质冷却热端部件或高温空气，最终目标都是把能量从不需要的地方输运到热沉中去。虽然三个热管理问题中应用场景和技术背景各不相同的，但是他们在技术原理上有共同点，即均是利用管内流动的工质作为媒介进行热能的输运。这其中，工质工作的状态一般均为高温高压状态，并且在各类换热器的管内流动，因此深入了解其对流换热特性和流动阻力特性十分重要。更进一步的，各类飞行器发动机一般都带有转子，在工程实际中，转子转动时中无法做到绝对动平衡，并且带有燃烧室的发动机中燃烧室燃烧也会产生周期性的压力变化，传导到燃烧室壁上，由此可见发动机中的振动无法避免。强烈的振动会对换热管内工质的流动换热特性产生影响，造成对流换热系数和流动阻力的变化，进而影响到换热器的流动换热性能。
根据目前的研究资料来看，发动机中的振动有可能影响换热管内流体的浮升力的作用，或促使流体中产生二次流，进而强化换热，也有可能在特定的情况下使换热恶化，或者不影响换热。目前的研究仍缺乏对振动影响高温高压工质流动换热的认识，振动是如何作用于这种传热变化的机理暂不明确，也没有形成一个广泛接受的理论。由于实验数据的缺乏，目前尚未能对流动换热和流动阻力的经验关系式进行考虑振动影响的修正，阻碍了相关研究在工程领域的应用。
因此，为推进对振动影响流动换热和流动阻力的规律认识，积累相关实验数据，并总结换热和阻力经验关系式，需要一套能够研究振动状态下高温高压流体工质对流换热和阻力的实验台。
技术实现要素：
本申请的目的在于克服上述问题或者至少部分地解决或缓减解决上述问题。
本申请提供了一种高温高压流体管内流动换热振动测试实验台，包括：通过实验管路顺序连接的
带除氧功能的工质储箱组件，配置成储存工质，对工质进行除氧操作，以及测量工质内溶解氧浓度；
精密计量泵，用于为流体提供压力并控制流量；
至少一级预热段，具有加热电路，用于将流体加热到所需温度；
振动实验段，用于进行振动条件下流动换热和阻力测试实验，振动实验段安装有：振动台，安装在振动台上的安装平台，以及安装在所述安装平台上的固定工装、实验管路、测温三通接头及测量仪器，所述振动台为电动励磁振动系统，所述固定工装用于将对应的实验管路固定在所述安装平台上，所述测温三通接头用于连接对应的实验管路的进口、出口管路及测量仪器，所述测量仪器包括压力传感器、铠装热电偶、壁温热电偶及加速度传感器，所述铠装热电偶用于测量实验管内工质进出口温度，所述壁温热电偶直接焊接在对应的实验管路壁上，用于测量壁温，所述压力传感器包括绝对压力传感器和相对压力传感器，所述绝对压力传感器用于测量进口工质的绝对压力，所述相对压力传感器用于测量进出口工质的压力损失，每一压力传感器的取压管均连接在测温三通接头上，所述加速度传感器有两个，以所述振动台的台面中心为对称点对称安装在所述振动台的台面上，用于测量振动加速度及控制振动台输出功率和频率；
冷却回路，用于冷却实验后的高温工质；及
回收储箱，用于回收实验工质；
还包括：
控制台，配置成开/关及调节所述实验台的各设备，所述控制台内嵌有带数据采集系统的计算机，以接受外部数据信号并转换为内部处理信号。
可选地，所述带除氧功能的工质储箱组件还包括：
工质储箱，为存储工质的容器，具有进液阀和出液阀；
氮气瓶，通过管路伸入所述工质储箱，氮气瓶处设有减压阀，用以控制氮气开关与流量；
氧浓度仪，安装在所述工质储箱处，具有探头，探头伸入所述工质储箱，用以测量工质内溶解氧浓度。
可选地，每级预热段安装在对应的实验管路处，包括：
电极，紧固在对应的实验管路上，以充当加热电源和实验管路的连接媒介；
加热电源，通过连接线连接所述电极的两端，以构成加热电路；和
绝缘法兰，对应安装在实验管路的两端位置处，用于为不同段的实验管路进行相互绝缘。
可选地，所述的实验台还包括：
交流互感器，所述交流互感器套在所述加热电源的连接线上，用于测量加热电流；和
精密电流表、精密电压表，安装在所述加热电路中，用于测量所述加热电路系统的电流和电压。
可选地，所述固定工装包括隔热垫块、绝缘垫块及绝缘压块，所述绝缘垫块和绝缘压块的材料为二氧化锆陶瓷。
可选地，所述冷却回路包括套管式水冷器、冷却塔、冷却水箱及水泵，所述套管式水冷器具有热测进口、热测出口、冷侧出口及冷侧入口，所述套管式水冷器的热测进口经绝缘法兰与所述振动实验段相连，所述套管式水冷器的热测出口经背压阀连接所述回收储箱，所述套管式水冷器的冷侧出口经冷却塔、冷却水箱、阀门、过滤器及水泵连接至所述套管式水冷器的冷侧入口。
可选地，所述数据采集系统包括模数转换模块和计算机端采集程序，所述模数转换模块用于采集所述压力传感器、所述铠装热电偶、所述壁温热电偶及所述加速度传感器的数据信号并进行转换，并传输转换后数据至计算机记录和处理。
可选地，所述的实验台包括多级预热段，相邻的两级预热段串联。
本申请的高温高压流体管内流动换热振动测试实验台，包括：控制台和通过实验管路顺序连接的带除氧功能的工质储箱组件、精密计量泵、至少一级预热段、振动实验段、冷却回路、回收储箱。本申请的实验在振动台处进行，可用于对振动状态下管内流体对流换热及流动阻力进行研究，得出特定工作状态下的对流换热系数和阻力系数，也可以通过大量实验后采集的数据拟合得出对流换热系数及阻力系数的无量纲经验关系式，对于航空航天背景下的热管理系统组件如换热器等的设计有重要意义。
根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本申请一个实施例的高温高压流体管内流动换热振动测试实验台的示意性结构图；
图2是图1所示实验台的振动实验段的示意性结构图；
图3是图2振动实验段中a的示意性局部放大视图，其中示出了测温三通接头部分及固定工装的细节图；
图4是图3中b的示意性局部放大图，其中示出了测温三通接头部分的细节图；
图5是图3中c的示意性局部放大图，其中示出了振动实验段中加热段部分细节图；
图6是图5中d的示意性局部放大图，其中示出了振动实验段中加热段隔热/绝缘/传力部件细节部分细节图。
图中各符号标识含义如下：
1氮气瓶，10铜电极，
2氧浓度仪，11第一加热电源，
3工质储箱，512一级预热段，
4进液阀，13第二绝缘法兰，
5排液阀，14第二加热电源，
6过滤器，15二级预热段，
7精密计量泵，16第三绝缘法兰，
8科氏力流量计，017第二加热电源，
9第一绝缘法兰，18振动台，
19铠装热电偶，32测温三通接头，
20压力传感器，533铠装热电偶固定件，
21壁温热电偶，34测压接头，
22第四绝缘法兰，35实验管路，
23套管式水冷器，36隔热垫块，
24背压阀，37绝缘垫块，
25回收储箱，038绝缘压块，
26冷却塔，39绝热材料垫块，
27冷却水箱，40绝热材料压块，
28阀门，41安装平台，
29过滤器，e振动实验段，
30水泵，5f冷却回路，
31进水阀，g带除氧功能的工质储箱组件。
具体实施方式
图1是根据本申请一个实施例的高温高压流体管内流动换热振动测试实验台的示意性结构图。图2是图1所示实验台的振动实验段的示意性结构图。图3是图2振动实验段中a的示意性局部放大视图，其中示出了测温三通接头部分及固定工装的细节图。图4是图3中b的示意性局部放大图，其中示出了测温三通接头部分的细节图。图5是图3中c的示意性局部放大图，其中示出了振动实验段中加热段部分细节图。图6是图5中d的示意性局部放大图，其中示出了振动实验段中加热段隔热/绝缘/传力部件细节部分细节图。
如图1所示，还可参见图2-图6，本实施例提供了一种高温高压流体管内流动换热振动测试实验台，包括控制台(图中未绘出)和通过实验管路顺序连接的带除氧功能的工质储箱组件g、精密计量泵7、至少一级预热段12、振动实验段e、冷却回路f、回收储箱25。
如图1所示，带除氧功能的工质储箱组件g包括氮气瓶1、氧浓度仪2、工质储箱3、进液阀4和排液阀5。进液阀4和排液阀5分别位于工质储箱3的上部和下部，用于工质进入和排出。进一步地，所述进液阀4及所述排油阀5均为球阀。所述工质储箱3为半密闭不锈钢桶，里面盛满工质。所述氮气瓶1具有减压阀门，通过减压阀门控制氮气开关与流量。所述氮气瓶1通过氮气管路连接在工质储箱3上。氮气管路的出口伸入工质储箱3的底部，以保证充气时氮气能与工质充分混合。氧浓度仪2固定在工质储箱3的上盖上，用于测量工质内溶解氧浓度。氧浓度仪2的探头伸入液面，以下保证测得的氧浓度准确。
需要说明的是：本实施例中的带氮气置换除氧功能的工质储箱3，主要是为了排除工质中的溶解氧，避免高温下结焦。若使用其他工质，亦可根据工质类型或实验要求简化为常规储箱。
所述工质储箱3经过滤器6连接在精密计量泵7上，精密计量泵7既能为工质提供压力，也能控制流量，以实现压力与流量的联调联控，具体型号根据工质种类和实验工况选定。
如图1所示，本例中，预热段包括两级预热段，分别为一级预热段12和二级预热段15。每级预热段安装在对应的实验管路处，包括对应的电极、加热电源和绝缘法兰。电极紧固在对应的实验管路上，以充当加热电源和实验管路的连接媒介。加热电源通过连接线连接所述电极的两端，以构成加热电路。绝缘法兰对应安装在实验管路的两端位置处，用于为不同段的实验管路进行相互绝缘。
更具体地，本实施例中，所述精密计量泵7连接在科氏力流量计8上，并通过第一绝缘法兰9依次连接一级预热段12和二级预热段15。所述一级预热段13和二级预热段15分别由第一加热电源11和第二加热电源14通过铜电极10直接连接在实验管管壁上通过管电阻热效应加热，且两个预热段之后分别有第二绝缘法兰13和第三绝缘法兰16进行绝缘，以免加热段电流泄漏到其他部件上造成危险。更具体地，所述一级预热段13由第一加热电源11、铜电极10、管路、第一绝缘法兰9和第二绝缘法兰11组成。所述第一加热电源11最大功率由实验室条件及实验工况决定，典型的功率值为50kw。所述电极为铜电极10，能够紧固密接在实验管路上充当电源和实验管路的连接媒介。每一绝缘法兰用于为管路不同段进行相互绝缘。所述二级预热段15结构与一级预热段12相似，在单级预热段无法满足加热需求时开启，将流体加热到所需温度。本实施例中，两级预热段能够满足较高温度工况的需求。具体实施时，该两级预热段可根据工质种类和实验工况减少为一级预热段或增加为更多级预热段以满足实验段进口温度要求。多级预热段为不同数量的预热段串联。
所述的实验台还包括：交流互感器(图中未绘出)、精密电流表(图中未绘出)和精密电压表(图中未绘出)。所述交流互感器套在所述加热电源的连接线上，用于测量加热电流。精密电流表和精密电压表，安装在所述加热电路中，用于测量所述加热电路系统的电流和电压。
振动实验段e用于进行振动条件下流动换热和阻力测试实验。振动实验段f包括振动台18，安装在振动台上的安装平台41，安装在所述安装平台41上的固定工装、实验管路、测温三通接头32及测量仪器。实验段连接在振动台18上，能够为流动换热特性实验测量创造可控的振动环境，以研究振动对流动阻力和对流换热的影响。且振动实验段固定在振动台18上的固定方式稳固，配合振动的模拟分析和理论计算，能够保证实验管各部分以相同相位振动，且管整体与振动台体以相同相位振动。所述振动台18为电动励磁振动系统，其参数根据实验工况选定。所述固定工装用于将对应的实验管路固定在所述安装平台上，并保证二者间无相对位移。所述测温三通接头32用于连接对应的实验管路的进口、出口管路及测量仪器。所述测量仪器包括压力传感器20、铠装热电偶19、壁温热电偶21及加速度传感器。更具体地，二级预热段15通过第三绝缘法兰16连接在所述测温三通接头32上，并依次连接测压接头34、实验管路35、另一个测压接头34、另一个测温三通接头32和第四绝缘法兰22。所述振动台18与安装平台41通过带弹簧垫片的螺栓紧固，根据螺栓尺寸和实验中最大振动加速度确定预紧力，用力矩扳手拧紧，保证振动过程中不会松动。所述测温三通接头32连接铠装热电偶19，此处使工质先测温再测压是为了避免伸入流道的铠装热电偶对测压产生影响。所述铠装热电偶固定件33通过螺栓连接在安装平台41上，能够压住铠装热电偶19，避免实验台振动时产生垂直方向的位移，同时给予其一定的水平方向自由度，方便安装。所述测压接头34上有一特定直径的小台阶孔，可以与相应直径的管子通过氩弧焊焊接在一起。该管子与压力传感器20连接，用来测量实验管路35的压力损失。所述实验管路35通过铜电极(未画出)与加热电源17连接，并且在实验管路3的管壁上焊有若干壁温热电偶21用于采集实验管外壁面温度。所述固定工装包括隔热垫块36、绝缘垫块37及绝缘压块38。实验管路35通过隔热垫块36、绝缘垫块37、绝缘压块38上的螺栓固定在安装平台41上。所述隔热垫块36由不锈钢制成，本身导热系数较低，两个与其他部件接触面通过线切割加工为锯齿状，能够有效减少从夹持块传导到基板的热量。由上述内容可知，实验管在与实验台体固接的同时，能够利用绝缘材料保证实验段加热电极与振动台体的电绝缘安全，并且能够利用绝热材料和特殊设计的隔热块保证高温实验段热损失较低。
更进一步地，所述绝缘垫块37和绝缘压块38材料为二氧化锆陶瓷，能耐温1000℃以上，硬度高，不导电，能够在夹紧实验管路35的同时与实验台其他部分之间进行有效电绝缘。此外二氧化锆陶瓷比刚玉陶瓷韧性好，高加速度振动下不易碎，而且导热系数低，具有一定绝热作用。绝缘垫块37和绝缘压块38夹紧实验管路35的接触面根据管直径确定形状以保证紧密接触，且两端各加工一个小倒角，防止高加速度振动时夹持块边缘产生过大的剪切力把实验管路35切断。所述绝热材料垫块39通过带弹簧垫片的螺栓紧固在安装平台41上。绝热材料压块40同样通过螺栓紧固在绝热材料垫块39上，二者之间留有空间，不与实验管路35接触，同时能够夹紧绝热材料(未画出)，防止绝热材料在振动过程中松脱影响绝热效果。
如图1所示，所述冷却回路f包括套管式水冷器23、冷却塔26、冷却水箱27及水泵30，所述套管式水冷器23具有热测进口、热测出口、冷侧出口及冷侧入口。所述第四绝缘法兰22一端连接实验段，另一端连接套管式水冷器23热测进口。所述套管式水冷器23热测出口连接背压阀24，背压阀24用于调节整个实验系统的压力，背压阀24连接回收储箱25。若实验工质为碳氢燃料之类的高温加热后容易发生成分改变的物质，则不可重复使用，回收储箱25的设置是必要的。若实验工质为水之类的稳定物质，则回收储箱25可以省略。背压阀24后的管路可以直接接入工质储箱3。所述套管式水冷器23冷却工质为水，循环使用，冷侧出口连接在冷却塔26上，水经冷却后流入冷却水箱27。冷却水箱27依次连接阀门28、过滤器29、水泵30、套管式水冷器23，形成冷却水回路。冷却水箱27处设有进水阀31，用于给冷却水箱27注水及排水。
实验数据采集系统一体化集成了数据采集、记录、处理、监控、紧急状况处理功能。所述数据采集系统包括模数转换模块和计算机端采集程序。更具体地，所述数据采集系统采集铠装热电偶19的温度值、压力传感器20的压力值、壁温热电偶21的温度值、电流表的电流值、电压表的电压值、流量计的流量值。上述数据均为4-20ma电流或2.5v以下电压模拟信号，这些模拟信号均输入adam-4018模数转换器模块转换为rs-485格式数字信号，随后经adam-4520模块转换为rs-232格式数字信号输入计算机数据采集板卡。振动频率、振动加速度数据由安装在实验台上的加速度传感器直接测得，经振动控制板卡负反馈控制确保实验振动频率和加速度为实验工况规定值，并通过振动台控制程序直接输出为可读格式。实验数据采集程序由vb6.0编写，集成数据记录、处理、监控功能，并具有一键停机功能，在发生紧急状况时能够一键断电，保证实验安全。
本申请的实验在振动台处进行，可用于对振动状态下管内流体对流换热及流动阻力进行研究，得出特定工作状态下的对流换热系数和阻力系数，也可以通过大量实验后采集的数据拟合得出对流换热系数及阻力系数的无量纲经验关系式。通过本申请能够获取精确的高温高压流体在特定振动状态下的管内对流换热系数及流动阻力系数。对于航空航天背景下的热管理系统组件如换热器等的设计有重要意义。
此外，本申请中实验台的各个部分独立性较强，大部分部件可以根据工质种类、实验工况参数范围等选用不同的方案。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域技术人员所理解的通常意义。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
1.一种高温高压流体管内流动换热振动测试实验台，其特征在于，包括：通过实验管路顺序连接的
带除氧功能的工质储箱组件，配置成储存工质，对工质进行除氧操作，以及测量工质内溶解氧浓度；
精密计量泵，用于为流体提供压力并控制流量；
至少一级预热段，具有加热电路，用于将流体加热到所需温度；
振动实验段，用于进行振动条件下流动换热和阻力测试实验，振动实验段安装有：振动台，安装在振动台上的安装平台，以及安装在所述安装平台上的固定工装、实验管路、测温三通接头及测量仪器，所述振动台为电动励磁振动系统，所述固定工装用于将对应的实验管路固定在所述安装平台上，所述测温三通接头用于连接对应的实验管路的进口、出口管路及测量仪器，所述测量仪器包括压力传感器、铠装热电偶、壁温热电偶及加速度传感器，所述铠装热电偶用于测量实验管内工质进出口温度，所述壁温热电偶直接焊接在对应的实验管路壁上，用于测量壁温，所述压力传感器包括绝对压力传感器和相对压力传感器，所述绝对压力传感器用于测量进口工质的绝对压力，所述相对压力传感器用于测量进出口工质的压力损失，每一压力传感器的取压管均连接在测温三通接头上，所述加速度传感器有两个，以所述振动台的台面中心为对称点对称安装在所述振动台的台面上，用于测量振动加速度及控制振动台输出功率和频率；
冷却回路，用于冷却实验后的高温工质；及
回收储箱，用于回收实验工质；
还包括：
控制台，配置成开/关及调节所述实验台的各设备，所述控制台内嵌有带数据采集系统的计算机，以接受外部数据信号并转换为内部处理信号。
2.根据权利要求1所述的实验台，其特征在于，所述带除氧功能的工质储箱组件还包括：
工质储箱，为存储工质的容器，具有进液阀和出液阀；
氮气瓶，通过管路伸入所述工质储箱，氮气瓶处设有减压阀，用以控制氮气开关与流量；
氧浓度仪，安装在所述工质储箱处，具有探头，探头伸入所述工质储箱，用以测量工质内溶解氧浓度。
3.根据权利要求1所述的实验台，其特征在于，每级预热段安装在对应的实验管路处，包括：
电极，紧固在对应的实验管路上，以充当加热电源和实验管路的连接媒介；
加热电源，通过连接线连接所述电极的两端，以构成加热电路；和
绝缘法兰，对应安装在实验管路的两端位置处，用于为不同段的实验管路进行相互绝缘。
4.根据权利要求3所述的实验台，其特征在于，还包括：
交流互感器，所述交流互感器套在所述加热电源的连接线上，用于测量加热电流；和
精密电流表、精密电压表，安装在所述加热电路中，用于测量所述加热电路系统的电流和电压。
5.根据权利要求1所述的实验台，其特征在于，所述固定工装包括隔热垫块、绝缘垫块及绝缘压块，所述绝缘垫块和绝缘压块的材料为二氧化锆陶瓷。
6.根据权利要求1所述的实验台，其特征在于，所述冷却回路包括套管式水冷器、冷却塔、冷却水箱及水泵，所述套管式水冷器具有热测进口、热测出口、冷侧出口及冷侧入口，所述套管式水冷器的热测进口经绝缘法兰与所述振动实验段相连，所述套管式水冷器的热测出口经背压阀连接所述回收储箱，所述套管式水冷器的冷侧出口经冷却塔、冷却水箱、阀门、过滤器及水泵连接至所述套管式水冷器的冷侧入口。
7.根据权利要求1所述的实验台，所述数据采集系统包括模数转换模块和计算机端采集程序，所述模数转换模块用于采集所述压力传感器、所述铠装热电偶、所述壁温热电偶及所述加速度传感器的数据信号并进行转换，并传输转换后数据至计算机记录和处理。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的实验台，其特征在于，包括多级预热段，相邻的两级预热段串联。
技术总结