低温输送系统间歇泉现象实验研究

    间歇泉现象主要发生在低温液体垂直输送管路中,该现象的产生将对管路系统产生结构性损坏.随着低温推进剂在现代空间技术中应用的越来越广泛[1～4],低温液体在贮运中有可能产生的间歇泉现象越来越受到重视,因此,研究低温输送系统中间歇泉现象产生的机理具有重要的意义.

    间歇泉现象指液体在长的低温垂直输送管路中,由于液体汽化产生汽泡,汽泡不断增多并聚集堵塞管路,最终将液柱挤出管路产生喷发的现象.这现象导致低温液体将产生类似水锤的压力波动,会对供应管道、阀门和管路造成结构性损害,同时也使液氧的蒸发量显著上升.这种现象在火箭工业中经常存在,尤其是在连接推进剂贮箱与火箭引擎的垂直管路中.在液化天然气(LNG)的贮运的垂直输送管路中也有该现象的产生[5].

    Murphy[6]使用LH、LN、水和F113等工质对不同长径比、不同流体的低温垂直输送管路进行了测试,得出了长径比、管路漏热及工质物性等相关因素之间的关系,并总结出了一条能够判定是否产生间歇泉现象的Mulyhy曲线.Burkhalter等[7]以水为工质,Kuncoro等[8]以氟利昂为工质进行了间歇泉实验研究,他们认为用Murphy曲线在判断间歇泉是否产生时有一定的局限性.

    本文实验以液氮为工质,研究了低温垂直输送管路中绝热结构、管路长径比对间歇泉现象产生的影响.

    1　实验装置

    间歇泉实验装置使用一个贮罐连接一根输送管路,管路端部密封,如图1所示.为了考察管路长径比、漏热量等因素对产生间歇泉现象的影响,模拟实验拟采用不同长径比及不同绝热结构的管路.输送管路有两种:单层输送管路(包覆PEF绝热);双层输送管路(抽真空绝热).管路的结构数据如表1所示,D为输送管路内径,L为管路长度.图1中测点T1、T2、T3测量的是单层输送管路壁面温度,T4测量的是绝热层外表面温度.在双层输送管路系统中,只测量管路外部温度.测量系统包括:测温、测压及测量振动信号系统.

　　间歇泉现象对系统的最大危害在于其可能形成液击,造成瞬间压力急剧升高.为此,在单层输送管路底部安装动态压力传感器以捕捉这一可能出现的压力峰值.由于管内流体为液氮,温度很低,因此在测压点处焊接了一段毛细管,防止压力传感器直接与低温液体接触而产生损坏.同时液击产生的剧烈压力波动在管路上必然形成振动,因此,实验中在管路上安装振动传感器,以记录可能出现的振动.振动传感器安装在管路底部,紧贴输送管管壁.

    2　实验步骤

    整个模拟实验由单层低温输送管路和双层低温输送管路间歇泉模拟实验组成.实验主要步骤如下: