本发明涉及低温介质的输流管道流固耦合力学，尤其涉及一种低温液体管路系统流固耦合试验平台及其试验方法。
背景技术：
1、流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支，是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位移形变对流场影响这二者相互作用的一门科学。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用，变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动，而变形或运动又反过来影响流体运动，从而改变流体载荷的分布和大小。
2、流固耦合的众多应用领域中最具代表性的是输流管道中的流固耦合研究，例如，在航空宇航推进工程中，低温液体燃料需通过输流管道充注到火箭或航天器的燃烧室中，而该过程中的流固耦合机理和影响是一个复杂而关键的工程问题：一方面由于液体燃料的极低温度，固体结构更易受到温度变化引起应力和变形，这既导致管道的疲劳、裂纹的产生，影响系统的寿命和安全性，又反过来影响液体燃料的流动过程。另一方面由于液体的高速流动可能引起流体的不稳定性，如涡流、湍流等导致流体压力脉动，液体振动通过管道壁传递到结构，进而引起结构的振动。因此充注过程中的流固耦合作用既会导致固体结构疲劳，降低系统的耐久性，又会影响燃料充注的精确性和控制性。
3、输流管道流固耦合不仅在生活和工程中广泛存在，而且相对其他系统来说结构简单，便于进行试验研究分析和建立起数学物理模型；输流多管道系统中还涵盖了流固耦合领域中的绝大多数的问题，以该系统为研究对象更加便于重点研究系统中的某个参数对整体系统所造成的影响。
4、目前进行输流管道流固耦合研究主要采用数值模拟和实验室试验两类方法。数值模拟基于计算流体力学和有限元分析，能够模拟复杂的流动和结构变形，但需要大量计算资源，并且由于模型的简化和假设，模拟结果可能与实际情况存在一定的差异；实验测量可以直接观察流体和结构的相互作用，提供真实的物理数据，但受限于试验条件和成本。
5、因此，亟需解决上述问题。
技术实现思路
1、发明目的：本发明的第一目的是提供一种低温液体管路系统流固耦合试验平台，可以便捷的研究低温液体管路系统运行工况下的流固耦合特性。本发明的第二目的是提供一种低温液体管路系统流固耦合试验平台的试验方法。
2、技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种低温液体管路系统流固耦合试验平台，包括立式低温储罐、卧式低温储罐、用于连通立式低温储罐和卧式低温储罐并进行传感测量的感测输配系统，所述感测输配系统包括依次连接的第一截止阀、低温泵、并联设置的第一支管道和第二支管道、与第一支管道相连且并联设置的第三支管道、第一盲支管道和第四支管道以及与第二支管道相连且并联设置的第五支管道、第二盲支管道和第六支管道，所述第一支管道和第二支管道上均设置有流量计、调节阀和振动传感器，第三支管道、第四支管道、第五支管道和第六支管道上均依次设置有第二截止阀、位于第二截止阀出口处的振动传感器、位于管道中间位置处的振动传感器、压力传感器、温度传感器、位于第三截止阀入口处的振动传感器、第三截止阀和位于第三截止阀出口处的振动传感器，第一盲支管道上设置有电动阀、压力传感器、温度传感器、间隔一定间距的两个盲板、位于第一个盲板前侧的振动传感器和位于第二个盲板后侧的振动传感器，第二盲支管道上设置有电动阀、压力传感器、温度传感器、位于盲板前侧的振动传感器、盲板和位于盲板后侧的振动传感器。
3、其中，第一截止阀和第三截止阀均为带振动传感器的截止阀。
4、优选的，盲板为八字形盲板。
5、再者，两个盲板之间的管道长度为第一盲支管的管道长度的一半。
6、进一步，第三支管道、第四支管道、第五支管道和第六支管道的管路直径不同。
7、优选的，第一盲支管和第二盲支管的管路直径不同。
8、再者，流量计为低温平衡孔板流量计、液体质量流量计或螺杆流量计。
9、本发明一种低温液体管路系统流固耦合试验平台的试验方法，以管道水击现象进行试验，以管道水击现象进行试验，选取第三支管道、第四支管道、第五支管道和第六支管道中任一为研究对象，包括如下步骤：
10、第一截止阀关闭，调节阀全部打开，打开第三支管道、第四支管道、第五支管道和第六支管道中任一支管道上第二截止阀和第三截止阀，其余支管道、第一盲支管和第二盲支管上的阀门全部关闭；
11、打开低温泵并设置初始扬程；打开此路径上的流量计、压力传感器、温度传感器和振动传感器；低温液氮从立式低温储罐出发，流经路径通畅的支管道，到达卧式低温储罐，并保持路径畅通；
12、打开第一截止阀，待路径上流量计、压力传感器、温度传感器和振动传感器的示数保持稳定，记录流量计数据和相应位置点的压力、温度、振幅和振频数据，保存为初始数据集；
13、关闭路径通畅的支管道上的第三截止阀，关闭一定时间；记录该时间内流量计数据和相应位置点的压力、温度、振幅和振频数据随时间变化情况，保存为实验数据集。
14、其中还包括如下步骤：
15、根据试验工况和材料性质确定液体介质参数和固体管道参数，液体介质参数包括液体密度和可压缩系数，固体管道参数包括内径、厚度、倾斜度、固体弹性系数和达西摩擦系数
16、液体介质的流态分析参数、流体场参数和固体管道振动参数的初始情况可由试验所得的初始数据集得到，流态分析参数包括雷诺数re，流体场参数包括速度、压力和温度，固体管道振动参数包括振幅和振频；
17、低温液体管路系统流固耦合试验平台模型化处理，以质量守恒方程为基础，取低温液体管路系统流固耦合试验平台中管段微元为控制体，代入管道阀门运动或者泵阀启停的水击流固耦合特性理论中进行计算，连续性方程和运动方程理论公式如下：
18、
19、
20、式中h为测压管水头，单位为m；t为时间，单位为s；v为液体速度，单位为m/s；s为管道的长度坐标，单位为m；θ为管道的倾斜度；g为重力加速度，单位为m/s2；f为达西摩擦系数；d为管道内径，单位为m；
21、式中c为压力传播速度，单位为m/s，压力传播速度c的计算公式为：
22、
23、式中e为液体的可压缩系数，e0为管道材料弹性系数，e为管道厚度，单位为m；ρ为液体密度，单位为kg/m3；d为管道内径，单位为m；
24、建立起可压缩流体速度场与压力场和固体结构形变的水击模型，通过水击模型的建模和对实验管道器件边界进行模型化处理，综合求解低温管路的关阀水击特性，阀门管道边界可做模型化处理：
25、
26、
27、式中q0为0时刻阀门流量，单位为m3/s；qt为t时刻阀门流量，单位为m3/s；h0为0时刻阀门压力水头，单位为m；ht为t时刻阀门压力水头，单位为m；tvavle为阀门关闭时长，单位为s；τ为阀门开度系数；n为代表关阀特性的某一常数，n＝1时代表关阀过程开度系数随时间为一线性曲线；
28、对液氢管路阀门启闭时的水击特性进行计算，得到理论数据集；最终理论数据集和实验数据集相结合，共同分析得到整个系统的流固耦合振动规律。
29、本发明一种低温液体管路系统流固耦合试验平台的试验方法，包括如下步骤：
30、打开立式低温储罐与低温泵之间的第一截止阀，设置好低温泵的扬程；低温液氮从立式低温储罐出发，经过低温泵加压之后向左右的第一支管道和第二支管道第一次分流，后又向第三支管道、第四支管道、第五支管道和第六支管道第二次分流道不同直径的管道，最后汇集至一个管道流入卧式低温储罐，经第一次分流后的另一部分低温液氮进入第一盲支管道和第二盲支管道变为滞止状态；
31、在回路畅通的第三支管道、第四支管道、第五支管道和第六支管道上考察流动液氮与固体管道之间的流固耦合现象；在液体介质滞止的第一盲支管道和第二盲支管道上测量出滞止压力，温度及管道振动情况；
32、低温液氮流动一段时间过后，压力传感器、温度传感器和振动传感器显示数据达到稳定，确保管道未出现泄漏，记录下各位置上压力传感器、温度传感器和振动传感器的数据；
33、改变低温泵的启停状态或扬程，或者改变调节阀和电动阀的开度，以进行多次实验，观测对比改变某一参数前后的各位置上压力传感器、温度传感器和振动传感器的数据变化；
34、实验结束后，关闭立式液氮储罐与低温泵之间的第一截止阀，待管道中的低温液氮全部流入卧式低温储罐之后再关闭低温泵。
35、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：首先本发明通过低温泵和不同位置的阀门来调节管道内液氮介质的速度场和压力场，液体介质的载荷变化通过流固耦合影响管道各位置的振动情况；本试验平台相对结构简单，易于设计制造，便于建立输流管道的流固耦合数学模型并进行实验研究分析；本发明感测输配系统的多管支路的设计可以涵盖流固耦合中大多数问题，改变输送泵和阀门条件设置即可使得该管路系统转化为其他不同的实验情况，满足实验者的多种实验情况需求并且具有相当程度的自主性；同时盲支管道的设计使得在该试验平台上就能进行介质滞止情况下和介质流动情况下的相关参数对比而无需额外的实验平台；还有本发明借助该试验平台，以该管路系统为研究对象便于研究系统中的某个部件的参数改变对整个系统所造成的影响。
1.一种低温液体管路系统流固耦合试验平台，其特征在于：包括立式低温储罐(1)、卧式低温储罐(2)、用于连通立式低温储罐和卧式低温储罐并进行传感测量的感测输配系统，所述感测输配系统包括依次连接的第一截止阀(3)、低温泵(4)、并联设置的第一支管道(5)和第二支管道(6)、与第一支管道相连且并联设置的第三支管道(7)、第一盲支管道(8)和第四支管道(9)以及与第二支管道(6)相连且并联设置的第五支管道(10)、第二盲支管道(11)和第六支管道(12)，所述第一支管道(5)和第二支管道(6)上均设置有流量计(13)、调节阀(14)和振动传感器(15)，第三支管道(7)、第四支管道(9)、第五支管道(10)和第六支管道(12)上均依次设置有第二截止阀(16)、位于第二截止阀出口处的振动传感器(15)、位于管道中间位置处的振动传感器(15)、压力传感器(17)、温度传感器(18)、位于第三截止阀入口处的振动传感器(15)、第三截止阀(19)和位于第三截止阀出口处的振动传感器(15)，第一盲支管道(8)上设置有电动阀(20)、压力传感器(16)、温度传感器(17)、间隔一定间距的两个盲板(21)、位于第一个盲板前侧的振动传感器(15)和位于第二个盲板后侧的振动传感器(15)，第二盲支管道(11)上设置有电动阀(20)、压力传感器(16)、温度传感器(17)、位于盲板前侧的振动传感器(15)、盲板(21)和位于盲板后侧的振动传感器(15)。
2.根据权利要求1所述的一种低温液体管路系统流固耦合试验平台，其特征在于：所述第一截止阀(3)和第三截止阀(19)均为带振动传感器的截止阀。
3.根据权利要求1所述的一种低温液体管路系统流固耦合试验平台，其特征在于：所述盲板(21)为八字形盲板。
4.根据权利要求1所述的一种低温液体管路系统流固耦合试验平台，其特征在于：所述两个盲板(21)之间的管道长度为第一盲支管(8)的管道长度的一半。
5.根据权利要求1所述的一种低温液体管路系统流固耦合试验平台，其特征在于：第三支管道(7)、第四支管道(9)、第五支管道(10)和第六支管道(12)的管路直径不同。
6.根据权利要求1所述的一种低温液体管路系统流固耦合试验平台，其特征在于：所述第一盲支管(8)和第二盲支管(11)的管路直径不同。
7.根据权利要求1所述的一种低温液体管路系统流固耦合试验平台，其特征在于：所述流量计(13)为低温平衡孔板流量计、液体质量流量计或螺杆流量计。
8.一种根据权利要求1至7任一所述的低温液体管路系统流固耦合试验平台的试验方法，其特征在于，以管道水击现象进行试验，选取第三支管道、第四支管道、第五支管道和第六支管道中任一为研究对象，包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述的一种低温液体管路系统流固耦合试验平台的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
10.一种根据权利要求1至7任一所述的低温液体管路系统流固耦合试验平台的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
