一种利用磁补偿方法模拟流体微重力环境的装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种利用磁补偿方法模拟流体微重力环境的装置，包括一对外线圈、一对内线圈、无磁不锈钢L型折板、主体支架、x‑y‑z三轴位移台、测力计、定位同心圆板、第一激励电源、第二激励电源、恒温水槽、方形截面空心紫铜线、冷却水汇流排和冷却水管接头。该装置利用内外两对电磁线圈分别产生的均匀磁场和均匀梯度磁场的合成磁场为线圈中心位置处的磁流体施加与重力反向的磁场力，其中均匀磁场使磁流体达到饱和磁化状态，均匀梯度磁场使磁流体内部任意一点受到与重力方向相反的磁场力而使磁流体达到微重力状态。该装置实验成本较低、维持时间长且稳定受控。

A device for simulating microgravity environment of fluid by magnetic compensation

【技术实现步骤摘要】
一种利用磁补偿方法模拟流体微重力环境的装置
本专利技术涉及利用磁补偿方法模拟流体微重力环境的装置，尤其涉及一种在地面上利用磁流体模拟微重力环境和进行微重力实验的方法，主要是利用磁流体的铁磁性质，通过电磁线圈产生一定强度的均匀梯度磁场，使磁流体受到均匀磁场力抵消重力从而实现微重力条件。
技术介绍
在地面的重力环境中，许多传热和流动现象都与重力及浮升力有关。而在微重力环境下，由于缺少重力和浮升力的组合作用，自然对流现象基本消失，表面张力成为主要作用力，进而对流体的传热、流动及相变特性造成了不同影响。开展流体微重力状态特性试验研究，首要条件是获得时间长、稳定性高、成本低、便于可视化观察和测量的实验环境保障。以往对微重力环境下流体热力状态的实验研究基本上都是通过落塔、飞机抛物线飞行、探空火箭、航天飞机以及国际空间站等途径实现，这些技术微重力实现水平高，但也存在成本高、微重力持续时间短等问题，难以满足地面大批量低成本实验要求。经过现有技术的检索发现，李强等人在论文“磁场作用下磁流体对流换热的实验研究”中利用磁流体研究了对流换热的实验性质，但所采用的磁体为永磁体，无法改变内部的磁场强度，且无法在一定区域内提供均匀的磁场力，难以适于对微重力的研究，具有一定的局限性。在关于实现微重力的专利方面，如中国专利CN201611038888.3的“产生微重力环境的装置”中介绍了一种利用光导产生微重力环境的方法，该方法不利用磁场，且仅适用于固体物质，对流体的微重力环境模拟没有效果；中国专利CN201521001389.8专利技术的“磁流体装置”是一种利用永磁体实现磁流体外加磁场力的装置，由于永磁体提供的磁场力十分不均匀，因此不适合微重力研究；中国专利CN201210484568.6的“空间微重力模拟实验系统”阐述了一种利用自由落体原理模拟微重力环境的系统，但该方法受限于装置的下落高度，仅能提供几秒的微重力实验环境，难以满足微重力实验需求。因此，本领域的技术人员致力于专利技术一种磁补偿微重力实现装置：以磁性流体作为实验介质，两对通电线圈作为磁场发生装置，来实现磁流体重力的补偿，获得与空间轨道相似的真实微重力环境。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是提供易实现、低成本、可重复、并且可在地面进行长时间微重力环境的流体微重力实验装置。为实现上述目的，本专利技术提供了一种利用磁补偿方法模拟流体微重力环境的装置，包括磁体系统、主体支架、冷却循环系统、电源控制系统和磁场力测量系统，磁体系统通过无磁不锈钢L型折板固定在主体支架上，电源控制系统与磁体系统相连接，磁场力测量系统可拆卸地设置在主体支架的中心开孔通道内，冷却循环系统被设置为向磁体系统内提供冷却水，磁体系统包括外线圈和内线圈，外线圈与内线圈呈同心同轴水平平行布置，内线圈位于外线圈的内侧，内线圈的直径小于外线圈的直径，内线圈和外线圈均由尺寸相同的方形空心紫铜线绕制而成，主体支架包括四根支柱、上平台板及下平台板，上平台板和下平台板中心均有开孔，上平台和下平台保持同轴，冷却循环系统包括了冷却水管道、冷却水控制阀门和恒温水槽，冷却水管道的一端与恒温水槽相连通，冷却水管道的另一端通过冷却水汇流排与磁体系统相连通，冷却水汇流排设置在磁体系统的上下方，冷却水控制阀门设置在冷却水汇流排的出入口处，电源控制系统包括第一激励电源和第二激励电源，第一激励电源通过第一电缆线与内线圈连接，第二激励电源通过第二电缆线与外线圈连接，磁场力测量系统包括x-y-z三轴位移台、测力计、定位同心圆板，测力计的下方设有测力杆，测力杆被设置为穿过定位同心圆板的中心孔，测力计安装于x-y-z三轴位移台的预留扩展安装面上，x-y-z三轴位移台位于主体支架的上方，x-y-z三轴位移台被设置为调节测力计在磁场力测量系统中的高度和左右前后位置。进一步的，内线圈包括大小相同、匝数相等、绕制方法镜像对称的第一上线圈和第一下线圈，第一上线圈和第一下线圈同轴水平平行布置，第一上线圈和第一下线圈均通过无磁不锈钢L型折板悬空螺接固定在主体支架上，第一上线圈位于上平台板的底面下方，第一下线圈位于下平台板的顶面上方，第一上线圈和第一下线圈内通入的电流方向相反，进一步的，外线圈包括大小相同、匝数相等、饶制方法镜像对称的第二上线圈和第二下线圈，第二上线圈和第二下线圈同轴水平平行布置，第二上线圈和第二下线圈均通过无磁不锈钢L型折板被设置为螺接固定在主体支架上，第二上线圈贴在上平台板的底面，第二下线圈贴在下平台板的顶面，第二上线圈和第二下线圈内通入的电流方向相同。进一步的，外线圈的中心直径为第一上线圈和第一下线圈的中心距离的1.9倍，内线圈的中心直径为第二上线圈和第二下线圈的中心距离的1.09倍。进一步的，方形截面空心紫铜线的外表面镀有聚酰亚胺绝缘层，方形截面空心紫铜线的内部空心通道供水流动。进一步的，方形截面空心紫铜绕线包括六个接线头，六个接线头平行设置，六个接线头通过压板固定于主体支架上，第一上线圈和第二上线圈的绕线接头固定于上平台板，第一下线圈和第二下线圈的绕线接头固定于下平台板，绕线接头通过电缆线分别与第一激励电源和第二激励电源连接，以实现向线圈的供电。进一步的，第一激励电源和第二激励电源均为可调直流电源，电流值和调节精度根据磁场强度及梯度的调节范围和分辨率确定。进一步的，冷却水管道包括了进水管道和出水管道，冷却水控制阀门包括两个总阀和两个上部控制阀门，两个总阀分别位于进水管道和出水管道上，两个上部控制阀分别位于第一上线圈和第二上线圈上的空心通道入口处。进一步的，测力杆的下方设有挂钩，挂钩被设置为悬挂装在瓶内的磁流体。进一步的，x-y-z三轴位移台固定于上平台板的顶面上，x-y-z三轴位移台的材质为无磁材料。进一步的，定位同心圆板的材质为聚四氟乙烯。技术效果本专利技术利用磁流体的铁磁性质和流动性实现了低成本、长时间的流体微重力环境，能够有效解决利用其它方法在地面进行流体微重力实验时成本高、微重力持续时间短的问题；通过设置上下两对磁体线圈结构，由外线圈提供饱和均匀磁场，而内线圈提供梯度磁场，不仅有利于单参数调节，而且也可以提供较大空间、较高均匀度的磁补偿力；系统中内嵌了一套三轴定位和磁场力测量装置，能够保证磁流体被精确定位至磁补偿区域中心，更加提高磁补偿微重力环境的均匀性。以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。附图说明图1是本专利技术的一个较佳实施例的原理性结构示意图；图2是本专利技术的一个较佳实施例的立体结构示意图；图3是本专利技术的一个较佳实施例的冷却水汇流排局部示意图；图4是本专利技术的一个较佳实施例的侧视结构示意图。1为内线圈、2为外线圈、3为不锈钢L型折板、4为主体支架、5为x-y-z三轴位移台、6为测力计、7为定位同心圆板、8为第一激励电源、9为第二激励电源、10为恒温水槽、11为方形截面空心紫铜管、12为电缆线接口、13为冷却水汇流排、14为冷却水管接头、15为冷却水入口通道、16为冷却水出口通道、17为冷却水总阀门、18为上部线圈冷却水供水阀门。具体实施方式以下参考说明书附图介绍本专利技术的多个优选实施例，使其
技术实现思路
更加清楚和便于理解。本专利技术可以通过许多不同形式的实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用磁补偿方法模拟流体微重力环境的装置，其特征在于，包括磁体系统、主体支架、冷却循环系统、电源控制系统和磁场力测量系统，所述磁体系统通过无磁不锈钢L型折板固定在所述主体支架上，所述电源控制系统与所述磁体系统相连接，所述磁场力测量系统可拆卸地设置在所述主体支架的中心开孔通道内，所述冷却循环系统被设置为向所述磁体系统内提供冷却水，所述磁体系统包括外线圈和内线圈，所述外线圈与所述内线圈呈同心同轴水平平行布置，所述内线圈位于所述外线圈的内侧，所述内线圈的直径小于所述外线圈的直径，所述内线圈和所述外线圈均由尺寸相同的方形空心紫铜线绕制而成，所述主体支架包括四根支柱、上平台板及下平台板，所述上平台板和所述下平台板中心均有开孔通道，所述上平台和所述下平台保持同轴，所述的冷却循环系统包括了冷却水管道、冷却水控制阀门和恒温水槽，所述冷却水管道的一端与所述恒温水槽相连通，所述冷却水管道的另一端通过冷却水汇流排与所述磁体系统相连通，所述冷却水汇流排设置在所述磁体系统的上下方，所述冷却水控制阀门设置在所述冷却水汇流排的出入口处，所述电源控制系统包括第一激励电源和第二激励电源，所述第一激励电源通过第一电缆线与所述内线圈连接，所述第二激励电源通过第二电缆线与所述外线圈连接，所述磁场力测量系统包括x‑y‑z三轴位移台、测力计、定位同心圆板，所述测力计的下方设有测力杆，所述测力杆被设置为穿过所述定位同心圆板的中心孔，所述测力计安装于所述x‑y‑z三轴位移台的预留扩展安装面上，所述x‑y‑z三轴位移台位于所述主体支架的上方，所述x‑y‑z三轴位移台被设置为调节所述测力计在所述磁场力测量系统中的高度和左右前后位置。...

【技术特征摘要】
1.一种利用磁补偿方法模拟流体微重力环境的装置，其特征在于，包括磁体系统、主体支架、冷却循环系统、电源控制系统和磁场力测量系统，所述磁体系统通过无磁不锈钢L型折板固定在所述主体支架上，所述电源控制系统与所述磁体系统相连接，所述磁场力测量系统可拆卸地设置在所述主体支架的中心开孔通道内，所述冷却循环系统被设置为向所述磁体系统内提供冷却水，所述磁体系统包括外线圈和内线圈，所述外线圈与所述内线圈呈同心同轴水平平行布置，所述内线圈位于所述外线圈的内侧，所述内线圈的直径小于所述外线圈的直径，所述内线圈和所述外线圈均由尺寸相同的方形空心紫铜线绕制而成，所述主体支架包括四根支柱、上平台板及下平台板，所述上平台板和所述下平台板中心均有开孔通道，所述上平台和所述下平台保持同轴，所述的冷却循环系统包括了冷却水管道、冷却水控制阀门和恒温水槽，所述冷却水管道的一端与所述恒温水槽相连通，所述冷却水管道的另一端通过冷却水汇流排与所述磁体系统相连通，所述冷却水汇流排设置在所述磁体系统的上下方，所述冷却水控制阀门设置在所述冷却水汇流排的出入口处，所述电源控制系统包括第一激励电源和第二激励电源，所述第一激励电源通过第一电缆线与所述内线圈连接，所述第二激励电源通过第二电缆线与所述外线圈连接，所述磁场力测量系统包括x-y-z三轴位移台、测力计、定位同心圆板，所述测力计的下方设有测力杆，所述测力杆被设置为穿过所述定位同心圆板的中心孔，所述测力计安装于所述x-y-z三轴位移台的预留扩展安装面上，所述x-y-z三轴位移台位于所述主体支架的上方，所述x-y-z三轴位移台被设置为调节所述测力计在所述磁场力测量系统中的高度和左右前后位置。2.如权利要求1所述的利用磁补偿方法模拟流体微重力环境的装置，其中，所述内线圈包括大小相同、匝数相等、绕制方法镜像对称的第一上线圈和第一下线圈，所述第一上线圈和所述第一下线圈同轴水平平行布置，所述第一上线圈和所述第一下线圈均通过所述无磁不锈钢L型折板悬空螺接固定在所述主体支架上，所述第一上线圈位于所述上平台板的底面下方，所述第一下线圈位于所述下平台板的顶面上方，所述第一上线圈和所述第一下线圈内通入的电流方向相反，所述外线圈包括大小相同、匝数相等、饶制方法镜像对称的第二上线圈和第二下...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄永华，张泽宇，梁益涛，耑锐，汪彬，李江道，张亮，
申请(专利权)人：上海交通大学，上海宇航系统工程研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31