一种超重力驱动的湍流对流系统实验平台技术方案

本发明专利技术公开一种超重力驱动的湍流对流系统实验平台，包括圆环对流系统、测量系统、机械旋转系统、机电控制系统和光学平台；平台整体对称性很高，可同时实现较大尺寸腔体和较高转速，有效减小实验测量的相对误差，同时可实现最高1500rpm(130g)的等效重力实验条件，使反映热驱动强度的瑞利数Ra提高两个数量级，提供达到“终极区间”的手段；同时，本发明专利技术中旋转轴矢量与温差驱动的流动方向近似垂直关系，内外圆柱环中圆柱表面的受热冷却相对于球形壁面可以更好地研究曲率对流动的影响。此外，本发明专利技术的装置与工作流体均有别于现有技术，还具备转速、冷却温度、加热功率的精确调控能力，实现流场、温度等信号的高精度高频率测量，实用性强。

【技术实现步骤摘要】
一种超重力驱动的湍流对流系统实验平台
本专利技术涉及热对流研究领域，特别是涉及一种超重力驱动的湍流对流系统实验平台。
技术介绍
在轮船的燃气轮机和飞机的航空发动机中，都涉及到了旋转叶片的冷却问题。在地球物理的研究中，外地核和地幔对流都是在重力与旋转条件下的热对流，因此，热驱动的湍流对流，无论对于工程应用还是自然科学都是一项非常重要的基础研究。实际上，地球上的流动都是在旋转坐标系下发生的，虽然地球转速相对较慢，但是地球的尺度较大，所以反应旋转的科氏力效应相对较强。在工业中的一些旋转机械中，转速很高，叶片的受热与冷却也是发生在旋转叶片上，因此，旋转与热对流的结合成为了研究的一个前沿。驱动湍流对流的是热浮力，前人的理论研究表明，热驱动作用可以用无量纲数Ra反映，Ra是工作流体的热膨胀系数、运动粘性系数和热扩散系数，是等效重力加速度，是热板与冷板的温差，是流动的特征长度尺度的函数。不断地提高Ra以达到更大的热驱动强度，从而使得传热进入“终极区间”，这时传热与热驱动的函数关系会有指数级的增强。然而，相关技术人员多实验研究重力与旋转矢量平行的情况，而且他们使用的转速较低，最大只达到了60rpm，这种实验仅可以有效地解释地球南北两极的海冰运动。目前，实验上尚未有让人信服的传热达到终极区间的报道，且前人通过增大温差、增大装置尺寸、改变流体性质等方法提高Ra，也尚未通过增加等效重力加速度而使得热驱动强度达到“终极区间”。此外，在目前的热对流研究中，曲率效应的影响尚未清晰，有一些球形腔体研究曲率更为复杂，比如其中的温度分布不再是主体区流动温度等于上下板温度的一半，而是偏高，这是著名的non-Oberbeck-Boussinesq效应，这样流体力学控制方程将会更加复杂。并且，现有用于研究高速旋转条件下热对流的装置，最高转速虽然可达9990rpm，能够用来研究可压缩条件下的气体湍流对流，但是装置最大尺寸只有50mm左右，由于腔体内是气体，整个装置采用耐压的金属结构，将导致实验的相对误差较大，且无法进行流动显示。综上所述，如何提出一种可通过实现等效重力的实验条件使热驱动强度达到“终极区间”，适用于旋转轴矢量与温差驱动的流动方向不平行的情况，且能够更好地研究曲率对流动影响的实验平台，是一个亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种超重力驱动的湍流对流系统实验平台，可通过实现等效重力的实验条件使热驱动强度达到“终极区间”，适用于旋转轴矢量与温差驱动的流动方向不平行的情况，且能够更好地研究曲率对流动的影响。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：本专利技术提供一种超重力驱动的湍流对流系统实验平台，包括圆环对流系统、测量系统、机械旋转系统、机电控制系统和光学平台；所述圆环对流系统包括透明玻璃上盖、冷却通道、内圆柱环以及同轴套设于所述内圆柱环外侧的外圆柱环，所述外圆柱环的外侧由内至外依次设置有若干加热片、用于紧固所述加热片的卡环以及保温圆柱环，所述保温圆柱环的外壁贴设有若干保温加热片，所述透明玻璃上盖安装于内、外圆柱环的上端面，所述冷却通道包括首尾依次串联的循环水浴设备、冷却水分流模块和分布于所述内圆柱环侧壁内的冷却水管道；所述机械旋转系统包括旋转主轴和安装于所述旋转主轴顶端的转盘，所述旋转主轴通过轴承的支撑安装于所述光学平台上，所述内、外圆柱环固定于所述转盘上；所述机电控制系统包括用于与所述旋转主轴的底端连接的驱动伺服电机、罩设于所述圆环对流系统外部的恒温箱、用于与各所述加热片电连接的第一直流电源、用于与各所述保温加热片电连接的第二直流电源以及用于控制所述恒温箱温度的第三直流电源。可选的，还设置有测量系统，所述测量系统包括热力学参数测量系统和光学测量系统；所述热力学参数测量系统包括液电滑环、用于插入流体的细温度探头、用于分别插入内、外圆柱环的温度传感器、用于所述加热片两端的电压测量和电阻测量的万用表以及用于测量所述保温圆柱环温度的保温层温控器；所述光学测量系统包括用于粒子跟踪的CCD相机和用于测量流体速度信号的激光多普勒仪。可选的，所述恒温箱上设置有恒温箱温控器和若干半导体加热/冷却片，所述半导体加热/冷却片、所述恒温箱温控器和所述第三直流电源依次串联，所述恒温箱温控器用于使箱内温度与内、外圆柱环的平均温度保持一致；所述半导体加热/冷却片上设置有风扇。可选的，还设置有安全保护系统，所述安全保护系统包括罩设于整个实验平台外部的防爆玻璃墙。可选的，所述内圆柱环的上底面还安装有补水桶，所述补水桶上开设有侧向补水口和底部补水口，所述透明玻璃上盖上设置有两个注水嘴，两个注水嘴呈180°对称分布，所述侧向补水口和所述底部补水口分别与一所述注水嘴通过硅胶管连接。可选的，所述内、外圆柱环与所述转盘之间设置有四氟隔热底板，且所述内圆柱环和所述外圆柱环的上下端面均安装有O型密封圈。可选的，所述卡环与所述保温圆柱环之间以及所述保温圆柱环的外侧均设有橡塑保温棉。可选的，所述内圆柱环和所述外圆柱环均为紫铜圆柱环；所述冷却水通道为铜管管道。可选的，所述冷却通道内设置有两台循环水浴设备，且两台所述循环水浴设备串联。可选的，所述旋转主轴的底部套设有皮带轮，所述皮带轮通过皮带与所述驱动电机的输出端传动连接。本专利技术相对于现有技术取得了以下技术效果：本专利技术提供的超重力驱动的湍流对流系统实验平台，整体对称性很高，可以同时实现较大尺寸腔体和较高转速，可有效减小实验测量的相对误差，同时也可利用机械旋转系统的转动稳定性和圆环对流系统的大尺寸结构产生较大的离心力，实现最高1500rpm(30g)的等效重力实验条件，使得热驱动强度Ra提高了两个数量级，提供了一种达到“终极区间”的新的手段；由于内(冷)外(热)圆柱环面法线方向与旋转主轴方向垂直，实现了旋转轴矢量与温差驱动的流动方向近似垂直关系，且圆柱表面的受热冷却相对于球形壁面可以更好地研究曲率对流动的影响。此外，本专利技术的装置与工作流体均有别于现有技术，其能够研究液体介质的热对流，具备转速、冷却温度、加热功率的精确调控能力，并可以利用透明玻璃上盖、良好密封防漏措施以及测量系统的合理线路布置实现流场、温度等信号的高精度高频率测量，实用性强。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术超重力驱动的湍流对流系统实验平台中各系统的连接关系示意图；图2为本专利技术安全保护系统的连接关系示意图；图3为本专利技术超重力驱动的湍流对流系统实验平台的轴测图；图4为本专利技术超重力驱动的湍流对流系统实验平台的主视图；图5为本专利技术圆环对流系统与机械旋转系统的安装示意图；图6为本专利技术圆环对流系统的整体放大结构示意图；图7为本专利技术圆环对流系统的剖视图；图8为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超重力驱动的湍流对流系统实验平台，其特征在于：包括圆环对流系统、测量系统、机械旋转系统、机电控制系统和光学平台；所述圆环对流系统包括透明玻璃上盖、冷却通道、内圆柱环以及同轴套设于所述内圆柱环外侧的外圆柱环，所述外圆柱环的外侧由内至外依次设置有若干加热片、用于紧固所述加热片的卡环以及保温圆柱环，所述保温圆柱环的外壁贴设有若干保温加热片，所述透明玻璃上盖安装于内、外圆柱环的上端面，所述冷却通道包括首尾依次串联的循环水浴设备、冷却水分流模块和分布于所述内圆柱环侧壁内的冷却水管道；所述机械旋转系统包括旋转主轴和安装于所述旋转主轴顶端的转盘，所述旋转主轴通过轴承的支撑安装于所述光学平台上，所述内、外圆柱环固定于所述转盘上；所述机电控制系统包括用于与所述旋转主轴的底端连接的驱动伺服电机、罩设于所述圆环对流系统外部的恒温箱、用于与各所述加热片电连接的第一直流电源、用于与各所述保温加热片电连接的第二直流电源以及用于控制所述恒温箱温度的第三直流电源。/n

【技术特征摘要】
1.一种超重力驱动的湍流对流系统实验平台，其特征在于：包括圆环对流系统、测量系统、机械旋转系统、机电控制系统和光学平台；所述圆环对流系统包括透明玻璃上盖、冷却通道、内圆柱环以及同轴套设于所述内圆柱环外侧的外圆柱环，所述外圆柱环的外侧由内至外依次设置有若干加热片、用于紧固所述加热片的卡环以及保温圆柱环，所述保温圆柱环的外壁贴设有若干保温加热片，所述透明玻璃上盖安装于内、外圆柱环的上端面，所述冷却通道包括首尾依次串联的循环水浴设备、冷却水分流模块和分布于所述内圆柱环侧壁内的冷却水管道；所述机械旋转系统包括旋转主轴和安装于所述旋转主轴顶端的转盘，所述旋转主轴通过轴承的支撑安装于所述光学平台上，所述内、外圆柱环固定于所述转盘上；所述机电控制系统包括用于与所述旋转主轴的底端连接的驱动伺服电机、罩设于所述圆环对流系统外部的恒温箱、用于与各所述加热片电连接的第一直流电源、用于与各所述保温加热片电连接的第二直流电源以及用于控制所述恒温箱温度的第三直流电源。


2.根据权利要求1所述的超重力驱动的湍流对流系统实验平台，其特征在于：还设置有测量系统，所述测量系统包括热力学参数测量系统和光学测量系统；所述热力学参数测量系统包括液电滑环、用于插入流体的细温度探头、用于分别插入内、外圆柱环的温度传感器、用于所述加热片两端的电压测量和电阻测量的万用表以及用于测量所述保温圆柱环温度的保温层温控器；所述光学测量系统包括用于粒子跟踪的CCD相机和用于测量流体速度信号的激光多普勒仪。


3.根据权利要求1所述的超重力驱动的湍流对流系统实验平台，其特征在于：所述恒温箱上设置有恒温箱温控器和若干半导体加热/冷却片，所述半导体加热/冷却...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋河川，王东璞，孙超，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11