一種超臨界航空煤油粘性測(cè)量的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超臨界航空煤油粘性測(cè)量的裝置及方法。其中，該粘性測(cè)定方法基于經(jīng)典毛細(xì)管粘性測(cè)量法并進(jìn)行拓展，可有效解決經(jīng)典毛細(xì)管粘性測(cè)量法在高溫高壓下所存在的待測(cè)流體質(zhì)量流量難以精確測(cè)量的難題。主要通過引入環(huán)形截面柱形管的測(cè)量結(jié)構(gòu)，不僅使得待測(cè)流體在粘性測(cè)量中具有較高的壓差測(cè)量精度，而且可以顯著提高滿足層流狀態(tài)要求的最大流量限，從而達(dá)到流體質(zhì)量流量精確測(cè)量的目的。應(yīng)用該方法的粘性測(cè)量裝置，從削弱測(cè)量管熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三個(gè)方面入手，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的保溫結(jié)構(gòu)來保持測(cè)量段溫度恒定，從而獲得較為準(zhǔn)確的粘性測(cè)量數(shù)據(jù)。本發(fā)明原理簡(jiǎn)單，操作方便，可以很好地滿足超臨界航空煤油粘性精確測(cè)量的要求。
【專利說明】一種超臨界航空煤油粘性測(cè)量的裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于未來高性能航空航天動(dòng)力系統(tǒng)中超臨界燃燒的研究領(lǐng)域，主要涉及一種適用于超臨界航空煤油粘性測(cè)量的裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]為了獲得更為優(yōu)異的發(fā)動(dòng)機(jī)性能，未來的飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)需要達(dá)到更高的壓氣機(jī)壓縮比以及渦輪前燃?xì)鉁囟?。因此，空氣流?jīng)壓氣機(jī)后溫度將會(huì)顯著升高，導(dǎo)致渦輪部件的冷卻效率急劇降低。針對(duì)于這種情況，可以利用發(fā)動(dòng)機(jī)燃油對(duì)冷卻氣進(jìn)行冷卻，以提升渦輪部件的冷卻效率，降低高速旋轉(zhuǎn)渦輪部件的熱負(fù)載。
[0003]可以看出，隨著未來高性能發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)環(huán)境溫度和壓力逐步提高，噴射燃油的溫度和壓力將超過其臨界點(diǎn)的溫度和壓力，高性能發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的液態(tài)燃油都將工作于超臨界狀態(tài)，如圖1所示。已有的研究表明，當(dāng)煤油處于超臨界狀態(tài)，它既不屬于液相也不屬于氣相，相的分界面消失了。在臨界點(diǎn)附近，航空煤油的熱力學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)對(duì)壓力和溫度的變化很敏感，這時(shí)的加熱、蒸發(fā)和燃燒特性完全不同于亞臨界狀態(tài)。超臨界燃油的獨(dú)特性質(zhì)，使其相當(dāng)于跨越了亞臨界煤油燃燒時(shí)的霧化和蒸發(fā)過程直接燃燒，恰好可以滿足未來高速飛行器動(dòng)力裝置燃燒室在高超聲速來流條件下的急速燃燒要求。只有了解超臨界航空煤油不同溫度和壓力下的物性參數(shù)，才能充分研究超臨界態(tài)航空煤油的噴射、霧化和燃燒特性，才能設(shè)計(jì)出適用于未來高性能航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的超臨界燃燒室。因此對(duì)超臨界燃油物性參數(shù)的測(cè)定將是未來發(fā)動(dòng)機(jī)研究中不可或缺的。
[0004]現(xiàn)在有關(guān)超臨界方面的研究大多是化工上針對(duì)小分子純凈物的，對(duì)于一些單組份的液態(tài)碳?xì)淙剂弦灿休^為明確的描述。然而，絕大多數(shù)混合物，特別是對(duì)典型的液態(tài)高碳大分子碳?xì)淙剂蟻碚f，它們的超臨界物性參數(shù)沒有任何系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，也沒有建立公認(rèn)的混合規(guī)則，尚未建立完整的典型液態(tài)碳?xì)淙剂系某R界物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。目前的研究中，常采用替代燃料法(用分子式和臨界參數(shù)相近的純凈物來替代混合物進(jìn)行物性參數(shù)計(jì)算)來進(jìn)行研究，如:可采用物性參數(shù)相近的CltlH22(正癸烷)作為航空煤油的替代燃料。但超臨界航空煤油的物性參數(shù)與替代燃料的物性參數(shù)仍然存在很大的差別，這將對(duì)研究的準(zhǔn)確度帶來很大的影響。鑒于超臨界航空煤油物性參數(shù)的重要性，所以很有必要通過實(shí)驗(yàn)方法來建立航空煤油的物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，為后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)儲(chǔ)備。
[0005]結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和可用的實(shí)驗(yàn)條件，本裝置擬對(duì)超臨界航空煤油不同溫度和壓力下的動(dòng)力粘度進(jìn)行測(cè)量。我國(guó)目前常用航空煤油的臨界點(diǎn)壓力為2.2?2.4MPa，臨界點(diǎn)溫度640?660K。超臨界態(tài)航空煤油的粘度在加熱過程中變化劇烈，圖2是2.33MPa壓力下常作為航空煤油替代燃料的CltlH22的粘度隨溫度的變化曲線。由上圖可以明顯發(fā)現(xiàn)，隨溫度地升高，其粘度逐漸減小，在臨界點(diǎn)附近，粘度值急劇下降，超臨界狀態(tài)下的粘度值可小于常溫狀態(tài)下的五分之一。
[0006]由于常規(guī)的液體粘度測(cè)量方法如滾球法和沉子法等很難應(yīng)用于高溫高壓下的液體粘度測(cè)量，故需要嘗試新的測(cè)量方案。目前，多采用經(jīng)典毛細(xì)管測(cè)量流體粘性的方法對(duì)超臨界航空煤油的粘性進(jìn)行測(cè)量，但是由于受限于層流流動(dòng)雷諾數(shù)的要求以及壓降測(cè)量的精度，質(zhì)量流量必須進(jìn)行限定，而當(dāng)下的工藝技術(shù)水平很難滿足高壓系統(tǒng)下小流量的測(cè)定。鑒于這種情況，要準(zhǔn)確測(cè)量超臨界航空煤油的粘度，必須采用其他的方法，以解決待測(cè)流體流量精確測(cè)定的難題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的主要?jiǎng)?chuàng)新是解決了上述流量難以精確測(cè)量的問題，主要目的是進(jìn)行超臨界航空煤油的粘性測(cè)量。針對(duì)航空煤油在超臨界狀態(tài)下粘性急劇降低的特點(diǎn)，基于經(jīng)典毛細(xì)管粘性測(cè)量的原理并對(duì)其進(jìn)一步擴(kuò)展，提出了一種環(huán)形截面柱形管粘性測(cè)量法，解決了層流狀態(tài)下由于流體質(zhì)量流量太小而導(dǎo)致的難以進(jìn)行精確測(cè)量的難題，并設(shè)計(jì)了測(cè)量裝置，為超臨界航空煤油的科學(xué)研究以及粘性數(shù)據(jù)庫(kù)的擴(kuò)展提供了有力的幫助。
[0008]本發(fā)明所描述的粘度測(cè)量裝置不僅充分考慮了高溫高壓環(huán)境下測(cè)量?jī)x器的耐壓、耐熱強(qiáng)度以及密封問題，而且主要針對(duì)測(cè)量管內(nèi)流體的保溫性進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)，以保持測(cè)量管中流體的溫度恒定。其包括:環(huán)形截面測(cè)量管、測(cè)量腔左端蓋、測(cè)量腔右端蓋、真空泵接口、環(huán)形套筒、導(dǎo)壓管、石棉墊片、差壓變送器、過濾網(wǎng)、壓力表、熱電偶、密封圈、金屬遮熱板、四通接頭和三通接頭。
[0009]環(huán)形套筒兩端分別與測(cè)量腔左端蓋和測(cè)量腔右端蓋進(jìn)行連接，形成封閉容腔，容腔內(nèi)沿徑向均勻分布雙層金屬遮熱板；環(huán)形截面測(cè)量管水平穿過測(cè)量腔端蓋的中心孔，其進(jìn)出口穩(wěn)定段開有沉孔，用于同差壓變送器兩端的導(dǎo)壓管進(jìn)行連接；環(huán)形截面測(cè)量管左端連接有四通接頭，右端與一個(gè)三通接頭進(jìn)行連接；四通接頭入口處放置有過濾網(wǎng)，另外兩口分別與熱電偶以及壓力表進(jìn)行連接；三通接頭另外兩口分別為熱電偶接口和待測(cè)流體出口 ；環(huán)形套筒和環(huán)形截面測(cè)量管上均設(shè)有真空泵接口。
[0010]測(cè)量時(shí)當(dāng)高溫高壓燃油流經(jīng)測(cè)量管后，由于流體的粘性將會(huì)在測(cè)量管兩端產(chǎn)生壓力降，可以通過測(cè)量管兩端連接的差壓變送器進(jìn)行測(cè)量，從而根據(jù)環(huán)形截面管流摩擦定律，利用該壓差即可反算出粘度數(shù)據(jù)。差壓變送器通過毛細(xì)導(dǎo)壓管連接到測(cè)量管的兩端，導(dǎo)壓管內(nèi)填充耐高溫導(dǎo)壓硅油。為了保證測(cè)量管內(nèi)煤油的粘度測(cè)量精度，于測(cè)量管入口前設(shè)有過濾網(wǎng)，對(duì)航空煤油內(nèi)的雜質(zhì)進(jìn)行一定的過濾，既可以降低由于雜質(zhì)產(chǎn)生的額外壓力降，同時(shí)又保證了航空煤油的純潔度。
[0011]測(cè)量管中流體壓力值以及溫度值的保持是一定狀態(tài)下粘度測(cè)量的關(guān)鍵。由于管內(nèi)流體的溫度很高，故主要從降低熱輻射的方面來減少熱量的損失，采取的措施是:一方面，對(duì)測(cè)量管表面進(jìn)行高度磨光處理，可以顯著降低表面的發(fā)射率，從而降低管壁向外的熱輻射。另一方面，在測(cè)量管外部的封閉容腔內(nèi)，沿徑向嵌入雙層金屬遮熱板，選取具有高反射性的金屬lCr-18N1-9Ti為遮熱板材料，這也是減少測(cè)量管內(nèi)流體通過熱輻射向外進(jìn)行熱量散失的一種措施。同時(shí)，本發(fā)明還通過真空泵在封閉容腔內(nèi)營(yíng)造出高度真空的環(huán)境，以降低熱對(duì)流與熱傳導(dǎo)。以上采取的保溫措施，分別從降低熱輻射，熱對(duì)流，熱傳導(dǎo)三個(gè)方面入手，可以很好地保持測(cè)量管內(nèi)流體的溫度值。
[0012]為了在超臨界狀態(tài)下測(cè)量較寬廣溫度范圍(1.0〈T/2.0，其中I；表示煤油的溫度與煤油臨界點(diǎn)溫度比值的無量綱參數(shù))內(nèi)航空煤油的粘度值，要求所選熱電偶測(cè)量范圍為O?1000K，耐壓極限不低于6MPa，所以熱電偶的測(cè)量端要做耐壓處理。
[0013]為了測(cè)量寬廣的超臨界壓力范圍(1.0〈Ρ/2.0，其中Pr表示煤油的壓力與煤油臨界點(diǎn)壓力比值的無量綱參數(shù))內(nèi)航空煤油的粘度值，要求壓力表的量程為O~6MPa，耐溫極限不低于1000K，所以適合于該物性測(cè)量裝置的高溫壓力表需加裝隔熱膜和散熱系統(tǒng)。
[0014]環(huán)形套筒內(nèi)部與測(cè)量腔端蓋間以及環(huán)形截面測(cè)量管與端蓋中心孔之間的間隙均采用可以耐高溫高壓的橡膠圈來密封，以保證封閉容腔內(nèi)部真空環(huán)境的營(yíng)造。
[0015]鑒于經(jīng)典毛細(xì)管粘性測(cè)量法無法準(zhǔn)確測(cè)量超臨界航空煤油的動(dòng)力粘度，故提出環(huán)形截面柱形管粘性測(cè)量法，以實(shí)現(xiàn)層流狀態(tài)下小流量待測(cè)流體粘性的精確測(cè)量。同時(shí)，需根據(jù)所述的新型粘性測(cè)量法，推導(dǎo)準(zhǔn)確的粘性計(jì)算公式。如圖3所示，環(huán)形截面柱形管的內(nèi)環(huán)半徑為R1，外環(huán)半徑為R2，流體在管內(nèi)沿軸向(X軸為正方向)流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生水平切應(yīng)力τ。
[0016]
[0017]理想絕熱等溫水平環(huán)形截面柱形管的粘性計(jì)算公式推導(dǎo):
[0018]環(huán)形截面柱形管中定常流動(dòng)的微分方程:

【權(quán)利要求】
1.一種超臨界航空煤油粘性測(cè)量的裝置，其特征在于:包括環(huán)形截面測(cè)量管、測(cè)量腔左端蓋、測(cè)量腔右端蓋、真空泵接口、環(huán)形套筒、導(dǎo)壓管、石棉墊片、差壓變送器、過濾網(wǎng)、壓力表、熱電偶、密封圈、金屬遮熱板、四通接頭和三通接頭； 環(huán)形套筒兩端分別與測(cè)量腔左端蓋和測(cè)量腔右端蓋進(jìn)行連接，形成封閉容腔，容腔內(nèi)沿徑向均勻分布雙層金屬遮熱板；環(huán)形截面測(cè)量管水平穿過測(cè)量腔端蓋的中心孔，其進(jìn)出口穩(wěn)定段分別開有沉孔，用于同差壓變送器兩端的導(dǎo)壓管進(jìn)行連接；環(huán)形截面測(cè)量管左端連接有四通接頭，右端與一個(gè)三通接頭進(jìn)行連接；四通接頭入口處放置有過濾網(wǎng)，另外兩口分別與熱電偶以及壓力表進(jìn)行連接；三通接頭另外兩口分別為熱電偶接口和待測(cè)流體出口 ；環(huán)形套筒和環(huán)形截面測(cè)量管上均設(shè)有真空泵接口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超臨界航空煤油粘性測(cè)量的裝置，其特征在于:所述的環(huán)形截面測(cè)量管內(nèi)芯外徑外環(huán)內(nèi)徑12mm〈D2〈16mm,以保證在滿足壓差測(cè)量精度的同時(shí)符合層流流動(dòng)狀態(tài)的要求。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超臨界航空煤油粘性測(cè)量的裝置，其特征在于:所述的環(huán)形截面測(cè)量管長(zhǎng)度300mm〈L〈500mm，以避免測(cè)量中產(chǎn)生過大的壓力損失。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超臨界航空煤油粘性測(cè)量的裝置，其特征在于:環(huán)形套筒與測(cè)量腔端蓋之間以及環(huán)形截面測(cè)量管與測(cè)量腔端蓋中心孔的間隙均采用可以耐高溫高壓的硅橡膠圈來進(jìn)行密封。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超臨界航空煤油粘性測(cè)量的裝置，其特征在于:采用熱電偶溫度測(cè)量范圍為O~1000K，耐壓極限不低于6MPa ;壓力表的測(cè)量范圍為O~6MPa，耐溫極限不小于1000K。
6.一種超臨界航空煤油粘性測(cè)量的方法，其特征在于，包括以下幾個(gè)步驟: 步驟一:選取環(huán)形截面柱形管為粘性測(cè)量段，準(zhǔn)確測(cè)量并記錄測(cè)量段長(zhǎng)度L ； 步驟二:準(zhǔn)確測(cè)量并記錄測(cè)量段內(nèi)芯外徑D1以及外環(huán)內(nèi)徑D2，對(duì)超臨界航空煤油的粘

性進(jìn)行預(yù)估，根據(jù)
確定固定的質(zhì)量流量A，以保證測(cè)量段內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)為層流； 步驟三:對(duì)測(cè)量段以及壓力變送器進(jìn)行排氣處理，以提高測(cè)量的精度； 步驟四:檢查壓力變送器、熱電偶以及壓力傳感器是否工作正常； 步驟五:對(duì)超臨界航空煤油的粘性進(jìn)行測(cè)量: 首先固定待測(cè)流體壓力，控制待測(cè)流體的質(zhì)量流量為滿足層流流動(dòng)要求的合適值，將待測(cè)流體加熱至測(cè)定溫度，進(jìn)行粘性測(cè)量。待壓力、流量、溫度均穩(wěn)定后，對(duì)其進(jìn)行記錄，可得測(cè)量段的總流量A，測(cè)量段進(jìn)出口壓差△ P，根據(jù)環(huán)形截面柱形管粘性測(cè)量公式:
可以得到該溫度工況下待測(cè)流體的動(dòng)力粘度； 步驟六:改變測(cè)量段進(jìn)口溫度，重復(fù)步驟五，進(jìn)行下一溫度工況粘性的測(cè)量，直至待測(cè)流體溫度達(dá)到所需測(cè)量的上限； 步驟七:調(diào)節(jié)壓力，重復(fù)步驟五、六，進(jìn)行下一個(gè)壓力工況的粘性測(cè)量，直至待測(cè)流體壓力達(dá)到所需測(cè)量的上限，由此得到不同壓力下流體粘性隨溫度的變化關(guān)系。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種超臨界航空煤油粘性測(cè)量的方法，其特征在于:粘性測(cè)量中，待測(cè)流體溫度上限為1000K，待測(cè)流體壓力上限為6MPa。
【文檔編號(hào)】G01N11/04GK104198332SQ201410226648
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月22日
【發(fā)明者】范瑋, 周舟, 靳樂 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)