考虑壁面效应的非球形颗粒曳力系数的测量装置及方法
阅读：526发布：2020-05-08
专利汇可以提供考虑壁面效应的非球形颗粒曳力系数的测量装置及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 属于物理实验设备技术领域，尤其涉及一种考虑壁面效应的非球形颗粒曳 力 系数的测量装置及方法。该测量装置包括锥形底座、突扩的圆柱筒体、液体供给系统和 电解 池系统；锥形底座上端敞口，下端由下封头封闭，且锥形底座的内壁面上设置有多个不同直径的凹槽；突扩的圆柱筒体包括圆柱筒体和圆柱扩体，圆柱筒体为圆柱体结构，嵌入凹槽中；圆柱扩体的上端端口直径大于下端端口直径，圆柱扩体的下端端口与圆柱筒体的上端端口固定连接；液体供给系统通过 电解池 系统向锥形底座和突扩的圆柱筒体内提供 气液两相流 。该装置可测定广泛应用于 能源 、化工、 冶金 、建筑等领域的散体颗粒在液体中所受的曳力并推导出相应的曳力系数。，下面是考虑壁面效应的非球形颗粒曳力系数的测量装置及方法专利的具体信息内容。
1.一种考虑壁面效应的非球形颗粒曳力系数的测量装置，其特征在于，该测量装置包括锥形底座(15)、突扩的圆柱筒体(13)、液体供给系统和电解池系统；
所述锥形底座(15)上端敞口，下端由下封头(27)封闭，锥形底座(15)的上端端口直径大于下端端口直径，且锥形底座(15)的内壁面上设置有多个不同直径的凹槽，用于匹配不同尺寸的突扩的圆柱筒体(13)；
所述突扩的圆柱筒体(13)包括圆柱筒体和圆柱扩体，所述圆柱筒体为圆柱体结构，嵌入所述凹槽中；
所述圆柱扩体的上端端口直径大于下端端口直径，圆柱扩体的下端端口直径与圆柱筒体的端口直径相同，圆柱扩体的下端端口与圆柱筒体的上端端口固定连接；
所述液体供给系统通过所述电解池系统向所述锥形底座(15)和突扩的圆柱筒体(13)内提供用于检测非球形颗粒曳力系数的气液两相流。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括布风板(22)，所述布风板(22)嵌入到所述锥形底座(15)内壁面的凹槽中，且与所述圆柱筒体的下端面平行放置；
所述测量装置还包括底部支腿(24)，多条所述底部支腿(24)均匀分布在锥形底座(15)的下端四周。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述布风板(22)上设有多个等径圆孔。
4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，在所述圆柱筒体的内侧壁面贴有黑色薄板(10)。
5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述液体供给系统包括水箱(1)、水泵(2)和流量计(3)，水箱(1)的第一端通过第一管路与水泵(2)的第一端连接，水泵(2)的第二端通过第二管路与流量计(3)的第一端连接，流量计(3)的第二端通过第三管路与所述电解池系统连接，所述第三管路上设置有压力表(4)。
6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述电解池系统包括直流电源(6)、石墨碳棒A(23)和石墨碳棒B(26)，所述石墨碳棒A(23)与直流电源(6)的正极连接，所述石墨碳棒B(26)与直流电源(6)的负极连接。
7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述下封头(27)上设有导线引出口(19)、出水口(20)和进水口(21)。
8.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述锥形底座(15)和突扩的圆柱筒体(13)的材质为有机玻璃。
考虑壁面效应的非球形颗粒曳力系数的测量装置及方法
技术领域
[0001] 本发明属于物理实验设备技术领域，尤其涉及一种考虑壁面效应的非球形颗粒曳力系数的测量装置及方法。
背景技术
[0002] 气液固三相流动在自然界和工业应用中广泛存在，三相间的作用机理极其复杂，并常带有传质、传热和化学反应等行为。目前不存在能够全面描述这些复杂现象的单一理论，而且绝大部分情况下颗粒的形状都是非球形，将本就极为繁琐的系统增添了新的挑战。
[0003] 一方面，气泡的存在改变了单相液体的物性，使得原有的曳力表征模型不再适用；另一方面，液体中运动颗粒周边小气泡的运动特性也是工程师们最为关心的问题。两者尺度不同但相互影响，三相流动中的多尺度问题问题已成为实现物质转化、工艺过程定量设计、放大、优化和调控的瓶颈问题。
[0004] 现有的比较通用的曳力试验手段是采用静止液体内的颗粒自由沉降法。这是一种基于牛顿运动定律，使颗粒依靠自身重力在流体中做自由沉降的测试方式。当颗粒在流场中所受重力、浮力和曳力实现三力平衡，从而计算出曳力，再推导出曳力系数的方法。另一种有效的方法是基于流态化的测试方法，通过向上运动的流体将颗粒吹起来，同样当颗粒在流场中所受重力、浮力和曳力实现三力平衡，位置保持稳定后计算出曳力。
[0005] 现有的测量装置尺寸都较颗粒大得多，即忽略了壁面效应对颗粒的影响。然而，在实际生产工艺过程中，深入考虑壁面效应对准确计算曳力系数是必不可少的。
发明内容
[0006] (一)要解决的技术问题
[0007] 针对现有存在的技术问题，本发明提供一种考虑壁面效应的非球形颗粒在气液两相流中曳力系数的测量装置及方法，该装置可测定广泛应用于能源、化工、冶金、建筑等领域的散体颗粒在液体中所受的曳力并推导出相应的曳力系数。
[0008] (二)技术方案
[0009] 本发明提供一种考虑壁面效应的非球形颗粒曳力系数的测量装置，该测量装置包括锥形底座(15)、突扩的圆柱筒体(13)、液体供给系统和电解池系统；
[0010] 所述锥形底座(15)上端敞口，下端由下封头(27)封闭，锥形底座(15)的上端端口直径大于下端端口直径，且锥形底座(15)的内壁面上设置有多个不同直径的凹槽，用于匹配不同尺寸的突扩的圆柱筒体(13)；
[0011] 所述突扩的圆柱筒体(13)包括圆柱筒体和圆柱扩体，所述圆柱筒体为圆柱体结构，嵌入所述凹槽中；
[0012] 所述圆柱扩体的上端端口直径大于下端端口直径，圆柱扩体的下端端口直径与圆柱筒体的端口直径相同，圆柱扩体的下端端口与圆柱筒体的上端端口固定连接；
[0015] 进一步地，所述测量装置还包括底部支腿(24)，多条所述底部支腿(24)均匀分布在锥形底座(15)的下端四周。
[0016] 进一步地，所述布风板(22)上设有多个等径圆孔。
[0017] 进一步地，在所述圆柱筒体的内侧壁面贴有黑色薄板(10)。
[0018] 进一步地，所述液体供给系统包括水箱(1)、水泵(2)和流量计(3)，水箱(1)的第一端通过第一管路与水泵(2)的第一端连接，水泵(2)的第二端通过第二管路与流量计(3)的第一端连接，流量计(3)的第二端通过第三管路与所述电解池系统连接，所述第三管路上设置有压力表(4)。
[0020] 进一步地，所述测量装置还包括数字图像采集系统，所述数字图像采集系统包括激光红外光源(9)、高分辨率数码CDD(17)和数据采集终端(25)，激光红外光源(9)和高分辨率数码CDD(17)分别位于突扩的圆柱筒体(13)的两侧，高分辨率数码CDD(17)和数据采集终端(25)有线连接。
[0021] 进一步地，所述下封头(27)上设有导线引出口(19)、出水口(20)和进水口(21)。
[0022] 进一步地，所述锥形底座(15)和突扩的圆柱筒体(13)的材质为有机玻璃。
[0023] 本发明还提供一种利用上述测量装置的考虑壁面效应的非球形颗粒曳力系数的测量方法，该方法包括如下步骤：
[0024] S1、打开水泵(2)，使水箱(1)中的液体通过管道流经流量计(3)进入锥形底座(15)和突扩的圆柱筒体(13)，调节流量计(3)，控制突扩的圆柱筒体(13)内液体速度；
[0025] S2、打开激光红外光源(9)，高分辨率数码CCD(17)和数据采集终端(25)；
[0026] S3、释放待测非球颗粒(11)，待测非球颗粒(11)在突扩的圆柱筒体(13)内运动，同时高分辨率数码CCD(17)对其进行连续的拍照并获得图像，直至高分辨率数码CCD(17)观察不到待测非球颗粒(11)运动为止，读取流量计(3)的刻度尺，得出流体的速度，记作uf；
[0027] S4、利用数据采集终端(25)对获得的图像进行后处理操作，得出待测非球颗粒(11)在下降过程中的颗粒倾角θ的平均值；
[0028] S5、通过流体的速度uf和下降过程中的颗粒倾角θ的平均值获得颗粒曳力系数CD。
[0029] (三)有益效果
[0030] 本发明的有益效果是：
[0031] 1、本发明提供的测量装置结构简单、成本低、操作方便且易于维护。
[0032] 2、本发明提供的测量装置和方法可以测量不同墙壁因子下的曳力系数。
[0034] 图1为本发明的测量装置示意图；
[0035] 图2为本发明的锥形底座安装示意图；
[0036] 图3为本发明的电解池系统示意图。
[0037] 【附图标记说明】
[0038] 1：水箱；2：水泵；3：流量计；4：压力表；5：开关；6：直流电源；7：导线；8：电流表；9：激光红外光源；10：黑色薄板；11：待测非球颗粒；12：图像采集区布风板；13：突扩的圆柱桶体；14：水回收区；15：锥形底座；17：高分辨率数码CCD；18：流化床；19：导线引出口；20：出水口；21：进水口；22：布风板；23：石墨炭棒A；24：底部支腿；25：数据采集终端；26：石墨炭棒B；
27：下封头。
27：下封头。
具体实施方式
[0039] 为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
[0040] 本发明提供一种考虑壁面效应的非球形颗粒曳力系数的测量装置，该装置包括锥形底座15、突扩的圆柱筒体13、液体供给系统、电解池系统和数字图像采集系统。
[0041] 如图1所示，突扩的圆柱筒体13放置在所述锥形底座15的内部，两者之间形成水回收区14。锥形底座15为上端敞口，下端与下封头27焊接，其中锥形底座15的上端端口直径远大于下端端口直径，两条底部支腿24均匀分布在锥形底座15的两侧，用来支撑锥形底座15。下封头27开有三个小口，分别为进水口21、出水口20和导线引出口19。
[0042] 液体供给系统包括水箱1、水泵2和流量计3。水箱1水平放置，水箱1的第一端通过第一管路与水泵2的第一端连接，水泵2的第二端通过第二管路与流量计3的第一端连接，流量计3的第二端通过第三管路与电解池系统连接，第三管路上设置有压力表4。流量计3用于调节液体的流量。
[0043] 石墨碳棒A23和石墨碳棒B26置于下封头27上，与开关5、直流电源6、电流表8通过导线7相连，构成电解池，用于产生气泡。其中，直流电源6的正负极分别通过导线7与石墨碳棒A23和石墨碳棒B26连接。开关5用于控制电解池系统的断开和闭合，电流表8用于显示电解池系统的电流强度。开关5、直流电源6和电流表8置于锥形底座15的外部，与电解池中的电解液(即液体)隔离。导线7经过导线引出口19进入下封头27与石墨碳棒A23和石墨碳棒B26连接。
[0044] 突扩的圆柱筒体13包括圆柱筒体和圆柱扩体，圆柱筒体的上端面高于锥形底座15的上端面，圆柱筒体内还存在具有一定高度的测量区间(即，流化床18)，该测量区间的高度在圆柱筒体的高度范围内，并适当远离圆柱筒体的底端，避免了液体在进入圆柱筒体中时造成湍动进而对实验结果造成影响，且保证了进入到圆柱筒体内的液体可以充分发展。
[0045] 优选地，锥形底座15的内部壁面上设置有多个不同直径的凹槽，这个凹槽可以安装不同直径的圆柱筒体，具体安装方式如图2所示，根据实验需求，通过改变圆柱筒体的直径便能够满足不同的实验设计条件，圆柱筒体的直径越小，颗粒受壁面效应的影响越明显。圆柱筒体的上端连接有圆柱扩体，圆柱扩体与圆柱筒体固定连接，圆柱扩体的上下端面直径不同，上端端口直径远大于下端端口直径，圆柱扩体的下端面的直径与圆柱筒体的直径相同，圆柱扩体可以有效防止落入圆柱筒体内的单颗粒逃逸。锥形底座15还可用于收集从突扩的圆柱筒体13上端溢出的液体。
[0046] 锥形底座15和突扩的圆柱筒体13均由高光洁度耐磨损的有机玻璃制作而成。
[0047] 另外，在锥形底座15内还设置有布风板22，布风板22与圆柱筒体下端面平行放置。布风板22为圆板结构，可以嵌入到锥形底座15内部的不同直径的凹槽内，通过改变布风板
22的直径，可改变布风板22的嵌入位置，布风板22上具有多个等径圆孔，这些圆孔均匀分布在圆板上。由电解池系统产生的气泡在进入锥形底座15后经过布风板22，气泡的大小变得均匀，且气泡继续上移，进入流化床18。
22的直径，可改变布风板22的嵌入位置，布风板22上具有多个等径圆孔，这些圆孔均匀分布在圆板上。由电解池系统产生的气泡在进入锥形底座15后经过布风板22，气泡的大小变得均匀，且气泡继续上移，进入流化床18。
[0048] 在圆柱筒体的内侧壁面贴有黑色薄板10，黑色薄板10用于清晰地观测气泡在流化床18中的分布且不影响数字图像采集系统的正常工作。
[0049] 数字图像采集系统包括激光红外光源9、图像采集区布风板12、高分辨率数码CDD17和数据采集终端25。激光红外光源9和高分辨率数码CDD17分别置于突扩的圆柱筒体13的两侧，激光红外光源9对待测非球颗粒11提供激光照射，照射后所形成的激光面能够完全覆盖待测非球颗粒11从进入流场到最终保持静止稳定时的完整运动路径，该激光面覆盖图像采集区布风板12。高分辨率数码CDD17作为能够把光学影像转化为数字信号的半导体器件，它就像胶片一样，能够把图像像素转换成数字信号，在整个过程中，高分辨率数码CDD17将会完整的记录下待测非球颗粒11从进入圆柱筒体内到最终保持静止稳定的整个过程的运动轨迹，并将所拍摄的图像信息传输到数据采集终端25中进行处理，高分辨率数码CDD17所拍摄的图像由安装在数据采集终端13中的pylon2.2软件进行处理，本发明中的数据采集终端25为笔记本电脑。
[0050] 工作原理：
[0051] 液体从水箱1通过管路，由锥形底座15下端的进水口21经过电解池系统、布风板22进入流化床18，在流化床18内形成稳定的气液两相流场。其中，一部分液体通过突扩的圆柱筒体13的顶端流入水回收区14，另一部分液体经过布风板22和出水口20回流到水箱1。
[0052] 将不同形状和材质的待测非球颗粒11从突扩的圆柱筒体13的顶端中央位置处自由释放，与由锥形底部15下端进入的气液两相流接触。由激光红外光源9照射此流场，同时由高分辨率数码CDD17拍摄待测非球颗粒11的运动轨迹，并将图像传输至数据采集终端25，由数据采集终端25对图像进行处理。
[0053] 其中，通过流量计3来控制流化床18内的液体(电解液)流量，使得待测非球颗粒11在流化床18内可以基本保持静止状态做周期性上下运动，均可视为稳定状态。
[0054] 优选地，电解液具有一定的透明度，以确保高分辨率数码CCD17拍摄待测非球颗粒11清晰的运动轨迹。
[0055] 本发明中考虑壁面效应的非球形颗粒曳力系数的测量方法，包括如下步骤：
[0056] S1、打开水泵2，控制流量计3，使电解液(液体)在锥形底座15内均匀发展且速度控制在合理范围内。
[0057] S2、打开激光红外光源9，高分辨率数码CCD 17和数据采集终端25。高分辨率数码CCD 17用于拍摄待测非球颗粒11保持静止稳定的位于图像采集区布风板12内的整个过程的运动轨迹，并将所拍摄的图像信息传送到数据采集终端25中进行处理，高分辨率数码CCD 17所拍摄的图像由安装在数据采集终端25中的pylon2.2软件进行采集。优选地，数据采集终端25为笔记本电脑。
[0058] S3、在锥形底座15上端放入突扩的圆柱桶体13，在突扩的圆柱桶体13的上端面正中央释放待测非球颗粒11，同时高分辨率数码CCD 17对其进行连续的拍照，调节流量计3，控制突扩的圆柱桶体13内液体速度，直至在高分辨率数码CCD 17中观察不到颗粒运动为止。此时读取流量计3的刻度尺，得出流体的速度，记作uf。
[0059] S4、通过Matlab6.5软件对采集的图像进行后处理操作，得出待测非球颗粒11在下降过程中的颗粒倾角θ的平均值。
[0060] S5、利用公式，通过流体的速度uf和下降过程中的颗粒倾角θ的平均值获得颗粒曳力系数CD。
[0061] 其中，颗粒(即上述的待测非球颗粒11)在均匀流场中，主要受重力、浮力和曳力。根据牛顿第二定律：
[0062]
[0063] 式中， 为重力， 为浮力， 为曳力。
[0064] 颗粒所受的重力和浮力分别由如下物理公式得到：
[0065]
[0066]
[0067] 式中，VP为颗粒的体积，ρp为颗粒的密度，ρf为液体的密度。
[0068] 颗粒所受的曳力为：
[0069]
[0070] 式中，ur为液体和颗粒的相对速度，在本发明中ur＝uf，A为等体积球垂直于流场方向的横截面积，采用等体积球的办法确定非球颗粒的尺寸，即 其中dp为等体积球的直径，通过对颗粒下落过程的图像进行后处理操作，在测量区间内颗粒与水平方向的角度变化很小，在5°内。因此，认为垂直于流场方向的横截面积在测量区间内保持不变，[0071]
[0072] 通过计算，得出颗粒所受的曳力，并推导出曳力系数CD的计算式：
[0073]
[0074] 需要说明的是，uf随着颗粒下降过程中的颗粒倾角θ的平均值的变化而改变，变换不同的θ值就可以得到一系列相对应的CD值。若颗粒在某一区间做周期性的上下运动，则取以上颗粒信息在此运动期间的平均值。
[0075] 根据以上步骤，选取不同直径的突扩的圆柱桶体13，即可测得考虑壁面效应时，不同墙壁因子λ条件下的曳力系数。
[0076] 其中墙壁因子 Dt为突扩的圆柱桶体13的直径，d为非球形颗粒的轴向直径。
[0077] 把不同实验条件下的CD值进行整理，通过拟合得出CD关于θ和λ的关联式，即CD＝F(θ,λ)。
[0078] 特别说明的是，电解液的浓度(即电流表8的读数)不同，电解池系统产生的气泡量就不同，对待测非球颗粒11附近电解液的粘度影响就有差别，从而对曳力系数影响程度就不一样。上述阐述是电解液在某一浓度(电流强度)下测定的。记此时电流强度为I1，对应的电解液流动速度为 曳力系数为
[0079] 观察气泡含量对曳力系数的影响的方法包括如下步骤：
[0080] A1、向水箱1中加入水，稀释电解液，记录此时电流强度为I2，对应的电解液流动速度为uf2，曳力系数为CD2。
[0081] A2、在黑色薄板10上观测气泡的分布，与电流强度不同条件下的情形对比。
[0082] A3、多次重复步骤A1、A2。
[0083] 由于在一定范围内，电流强度越大，产生的气泡越多，所以通过比较 CD2……的数值，结合黑色薄板10上的观测情况，可以研究气泡含量对曳力系数的影响以及探索颗粒周边气泡的运动特性。
[0084] 以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
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