一种水下排气防倒灌及排气多相流测试装置及方法

本发明属于水下动力装置领域，更具体地，涉及一种水下排气防倒灌及排气多相流测试装置及方法。

背景技术：

1、对于水下航行器，排气口经常处于水下一定的深度。需要依靠排气压力克服海水的背压，从而完成水下排气。如果排气压力低于所处深度的海水压力，就会发生海水倒灌现象。在水下动力装置启动、停机及空载运行过程中，因排气压力及排气流量降低，海水沿着排气管倒灌入动力装置而造成动力装置严重损坏的风险显著增大，这就需要研究克服海水压头的最低转速问题。

2、专利cn 106194372 a公开了一种防倒灌的水下排气管，在排气管中设置一个倾斜的凸起斜板来堵截倒灌海水，但是这只是减小了防倒灌的极限排气量，并没有实质效果。为了防止倒灌现象发生，必须研究不同排气背压、不同工况下的最低防倒灌转速，制定倒灌准则，从而为防倒灌措施的实施指导方向。专利cn 110567724 a公开了一种发动机防倒灌水试验装置，该专利通过逻辑控制的储水箱来模拟发动机水下排气状况，但仅限于做试验得到最低防倒灌转速的数值，当大于此转速时便使用停机的方式避免倒灌，这种方式显然是不能满足实际航行需求的。专利cn 104514609 a公开了一种结合增压装置的防倒灌排气装置，利用辅助压气机为排气增压，从而阻止倒灌现象，但是这种方式使得排气系统更加复杂，并且压气机排出的高压气体极有可能影响发动机排气，甚至造成发动机排气倒流。

3、同时，废气在进入海水后将破裂成大小不一的气泡，以不同体积气泡的形式排出，气泡与海水、沸腾水之间混合形成具有复杂结构的气液多相流，并且不同的排气压力下存在着不同的多相流流型。专利cn 105181027 a公开了一种管内气液两相逆向流动检测装置，该装置主要通过观察透明玻璃管，测量滞留水的长度来判断倒灌程度，还可以测量倒流排气量；但是此装置只能粗略的观察气液两相流的形态，做简易的定性分析，并没有深入研究排气的气液两相流规律以及流型。而不同的多相流形态所产生的噪音、热特征以及排气流阻都会不同，准确的测量出气液多相流的流型、气泡分布对水下动力装置的热负荷和可靠性都具有重要意义。此外，水下排气时排出的高温废气使水下航行器上方的海水温度显著升高，使得航行器上部区域的红外特征与正常海面产生明显差异，不利于水下航行器的隐蔽。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种水下排气防倒灌及排气多相流测试装置及方法，其目的在于，准确模拟各种水下排气工况，可以进行多种防倒灌试验，并且可以精准测量排气多相流的流型和气泡分布。

2、为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种水下排气防倒灌及排气多相流测试装置，包括依次连接的发动机、气压调节系统、排气管观测系统和背压控制系统，其中：

3、所述发动机工作排出的气体经由气压调节系统进入排气管观测系统，所述气压调节系统用于调整排气管观测系统前端的排气压力；所述背压控制系统用于通过水位高度调整排气管观测系统后端的排气背压；

4、所述排气管观测系统包括光学测量管、示踪粒子投放器、激光光源、高速相机、光学探针组和压力温度表，其中，透明的光学测量管两端分别与所述气压调节系统、背压控制系统连通；所述示踪粒子投放器安装在所述光学测量管前端，用于将示踪粒子投放至光学测量管内的排气中，所述激光光源用于对光学测量管内排气产生的流场施加激光；所述高速相机用于捕集光学测量管内的流场图像；所述光学探针组和压力温度表安装在光学测量管内，光学探针组用于进行气泡检测，以获取流场内气相的分布规律，压力温度表用于测量排气温度和压力。

5、作为进一步优选的，所述背压控制系统包括依次连接的集水柜、背压控制水箱和排水箱，所述背压控制水箱上沿轴向均匀安装有数个溢流阀，通过调节溢流阀调节背压控制水箱下部水压；所述背压控制水箱下部与所述光学测量管连接，且背压控制水箱下部透明。

6、作为进一步优选的，所述气压调节系统包括数个压力罐，每个压力罐上均安装有控制阀、减压阀和气体检测仪，所述控制阀用于控制进气量，所述减压阀用于控制排气压力，所述气体检测仪用于检测压力罐内的气体压力和温度。

7、作为进一步优选的，所述压力罐底部为半球型储液腔，且该储液腔内安装有液位计。

8、作为进一步优选的，所述气压调节系统和排气管观测系统之间安装有喷淋降温系统，该喷淋降温系统包括喷淋降温箱和安装在喷淋降温箱内的喷嘴，所述喷嘴用于对经过喷淋降温箱的排气进行喷淋降温，所述喷淋降温箱前后均安装有温度压力表。

9、作为进一步优选的，所述喷淋降温箱外包裹有保温材料，且喷淋降温箱底部设有泄水阀。

10、作为进一步优选的，所述光学测量管前侧安装有舌阀，该舌阀开启时开向光学测量管一侧。

11、按照本发明的另一方面，提供了一种基于上述装置的水下排气防倒灌及排气多相流测试方法，包括：

12、进行排气防倒灌测试时，气压调节系统不工作，通过背压控制系统调整到预设排气背压；发动机排出的气体直接进入光学测量管，示踪粒子投放器、激光光源分别向光学测量管内投放示踪粒子和施加激光；调节发动机的转速，通过高速相机实时观测光学测量管内流场情况，当发生倒灌临界情况时，得到预设排气背压下发动机的最低不倒灌转速，并通过压力温度表测得最小排气压力；

13、进行排气多相流测试时，发动机排出的气体通过气压调节系统进入光学测量管，示踪粒子投放器、激光光源分别向光学测量管内投放示踪粒子和施加激光；通过气压调节系统调整排气压力，通过背压控制系统调整排气背压，光学测量管中排气与倒灌水形成多相流；通过高速相机观测光学测量管内多相流流场情况，同时通过光学探针组进行气泡检测，得到流场内气相的分布规律，从而获取多相流的流场分布规律。

14、作为进一步优选的，在进行排气防倒灌测试时，打开喷淋降温系统，对进入光学测量管前的排气进行降温，从而测试喷淋降温对排气防倒灌的影响。

15、作为进一步优选的，在进行排气防倒灌测试时，调整舌阀开度，从而测试舌阀不同开度时对排气防倒灌的影响。

16、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

17、1.本发明装置可以准确模拟各种水下排气工况，从而进行多种防倒灌试验，包括测量最低防倒灌转速，不同深度的临界排气速度、排气压力等，有效防止倒灌现象发生。同时，基于示踪粒子和光学探针组，可以精准测量排气多相流的流型和气泡分布，研究排气多相流对发动机性能的影响。

18、2.背压控制系统中，背压控制水箱下部透明，有利于直接观测排气进入环境水中后形成的气泡形态变化，同时高位水箱设有溢流阀和集水柜，可以保证尾气排气管背压的可调节性和可控性。

19、3.压力罐的底部设计为半球型储液腔，当试验出现意外时，发生倒灌现象，倒灌水只会倒灌进入压力罐，被存放在底部，而不会倒灌进入发动机影响其正常工作；同时储液腔带有连通液位计，该液位计可以显示倒灌水的存储量，便于计算倒灌水量。

20、4.本发明通过喷淋降温系统可以进一步分析喷淋降温对发动机防倒灌的影响，一定程度上解决红外辐射和噪音问题，达到水下航行器安全、可靠、隐蔽的工作，且设备安装、拆卸简单。

21、5.通过控制舌阀的开启角度，即可有效的阻止倒灌水且不需要关闭阀门，本发明能研究舌阀的控制策略，有效的防止倒灌现象的发生，保证了水下航行器的正常工作。