发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种研究可视化环形通道内流动沸腾的系统及其工作方法，能够模拟不同实验工况下的沸腾现象，并得到局部沸腾汽泡动力学特征，能够提升对沸腾机理的认识并建立沸腾传热的机理模型。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种研究可视化环形通道内流动沸腾的系统，包括储水装置、稳压装置、主泵、预热装置、可视化环形通道沸腾装置、分离装置、冷凝装置和高速摄像机；

储水装置内部设有温控设备，储水装置的出口与主泵连接，储水装置的出口与主泵之间设有稳压装置，主泵与预热装置连接，预热装置与可视化环形通道沸腾装置的入口连接，预热装置出口与分离装置的入口连接，分离装置的汽相出口与冷凝装置连接，分离装置的液相出口与冷凝装置的出口均与储水装置的入口连接；高速摄像机正对可视化环形通道沸腾装置设置；

可视化环形通道沸腾装置包括加热棒和透明圆管，加热棒同轴设置在透明圆管内部，加热棒与透明圆管之间形成均匀的环形通道；可视化环形通道沸腾装置的入口和出口分别设有入口参数检测装置和出口参数检测装置。

优选地，储水装置内部的温控设备包括加热丝和冷却盘管，加热丝连接有温控器，冷却盘管连接有冷却水循环系统；储水装置出口处设有温度检测装置。

优选地，稳压装置包括稳压罐，稳压罐出口设有稳压罐出口阀门，稳压罐上设有压缩空气管、压力计和安全阀，压缩空气管与压缩系统连接。

优选地，主泵采用离心泵，主泵与预热装置之间设有流量计。

优选地，储水装置的入口管路上设有总阀。

优选地，预热装置包括换热器，换热器的冷侧入口与主泵连接，冷侧出口与可视化环形通道沸腾装置的入口连接，热侧入口与分离装置的汽相出口连接，热侧出口与冷凝装置连接。

优选地，加热棒内部设有加热丝和若干热电偶；加热丝在加热棒内部螺旋分布且不与加热棒内壁接触；若干热电偶均匀分布。

优选地，入口参数检测装置和出口参数检测装置均包括压力检测装置和温度检测装置。

优选地，高速摄像机设在高度可调的支架上，高速摄像机镜头前设有能够矫正圆管曲率的透镜。

本发明公开的上述研究可视化环形通道内流动沸腾的系统的工作方法，包括：

储水装置内部的水通过温控设备维持在预设温度，流经主泵后经预热装置加热进行升温，随后进入可视化环形通道沸腾装置，进入可视化环形通道沸腾装置后被加热至沸腾产生汽泡，通过入口参数检测装置和出口参数检测装置检测相关参数，可视化环形通道沸腾装置的出口为汽液两相流，通过分离装置进行分离，蒸汽通过冷凝装置被凝结，重新变成液态水，与分离装置分离的水汇合后重新回到储水装置中；系统内的压力通过稳压装置实时调节；可视化环形通道沸腾装置的入口温度和出口温度达到稳定时，采用高速摄像机拍摄汽泡的图片，通过图像处理得到活化核心密度、汽泡脱离直径和汽泡脱离频率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的一种研究可视化环形通道内流动沸腾的系统，工质水经预热后进入可视化环形通道沸腾装置，沿着加热棒的长度，工质水被加热棒逐渐加热至沸腾产生蒸汽，形成沸腾两相流动，出口处的蒸汽和水在分离装置中分离，蒸汽首先通过冷凝装置凝结，重新变成液态水，和分离后的水汇合后重新回到储水装置中。通过高速摄像机，能够观察到可视化环形通道沸腾装置内的流动情况和不同的流型，通过后续的图像分析，能够得到包括活化核心密度、汽泡脱离直径和汽泡脱离频率在内的表征汽泡特性的参数。稳压装置能够调节系统内部的压力，主泵能够调节系统内的流量和流速，带有温控设备的储水装置和预热装置能够共同调节系统内的水温，分离装置能够对可视化环形通道出口的蒸汽和水进行分离，并采用冷凝器对产生的蒸汽进行凝结，从而提高整个系统的循环效率。本发明能够模拟不同实验工况下的沸腾现象，并得到局部沸腾汽泡动力学特征，能够提升对沸腾机理的认识并建立沸腾传热的机理模型。

进一步地，储水装置内部的加热丝和冷却盘管，能够高效调节水温，以保持系统稳态工况下的温度平衡。

进一步地，稳压罐通过调节压缩空气的流量控制稳压器内部压力变化，可通过压力表进行实时读数，且通过安全阀保证安全。

进一步地，主泵采用离心泵，为进入可视化环形通道沸腾装置的工质水提供了扬程，且能够调节水的流速大小，并通过流量计实时读取水的流量参数。

进一步地，水装置的入口管路上设有总阀，能够控制整个系统的速度，并能应急关闭。

进一步地，预热装置的换热器能够利用分离装置水蒸汽的热量对工质水进行预热，充分利用了系统内的能量。

进一步地，加热棒内的加热丝螺旋分布，加热均匀；加热丝不与加热棒内壁接触，避免局部温度过高；若干热电偶均匀分布，能够测量加热棒各处的温度数值。

进一步地，高速摄像机设在高度可调的支架上，能够调节观测高度；由于环管外部的透明圆管存在一定曲率，会影响拍摄的汽泡形状及尺寸，高速摄像机镜头前设有能够矫正圆管曲率的透镜，有效地解决了透过透明圆管拍摄汽泡形状及尺寸引起畸变的问题。

本发明公开的上述研究可视化环形通道内流动沸腾的系统的工作方法，自动化程度高，能够模拟不同实验工况下的沸腾现象，并得到局部沸腾汽泡动力学特征，能够提升对沸腾机理的认识并建立沸腾传热的机理模型。