技术领域
[0001] 本
发明涉及一种测量任意角度下非球形颗粒曳力的设备和方法，属于物理实验设备技术领域。
背景技术
[0002] 稠密气固系统在
生物质、固体废弃物
流化床等
能源动力系统的物理和化学反应过程中有着十分广泛的应用，在这些系统中，绝大部分情况下颗粒的形状都是非球形。实现准确高效地获得非球形颗粒曳力，对于流场分布、颗粒堆积以及
传热的机理研究具有重要意义。目前，测量非球形颗粒曳力的方法主要是液体中进行颗粒的自由沉降，然而，该方法一般要求固液两相的
密度差较小，得到的曳力公式应用于气固系统时，会不可避免的带来误差，且适用的参数范围较小，
流体大都处于
层流状态，因此很难构造出较大范围内
雷诺数与曳力之间的关系。
[0003] 为了消除由于固液密度差而给实验装置带来的局限性问题，同时能够进一步构建出雷诺数与曳力之间的关系，本发明通过搭建气体冲击试验装置，来测量任意角度下非球形颗粒的曳力。
发明内容
[0004] (一)要解决的技术问题
[0005] 为了解决
现有技术的上述问题，本发明提供一种测量任意角度下非球形颗粒曳力的设备。该装置用于测量非球形颗粒在有机玻璃筒体内不同取向时的曳力，能够有效消除固液实验装置中密度差对于曳力测量的局限性，同时能够进一步构建出不同气速下引起的雷诺数变化与曳力之间的关系。
[0006] (二)技术方案
[0007] 为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
[0008] 一种测量任意角度下非球形颗粒曳力的设备，其用于测量非球形颗粒任意取向的曳力，其包括空气
压缩机、气体稳压储罐、气体干燥器、筒体、上封头、布
风板、气压
传感器、拉力传感器、灯光和高速摄像机；其中，所述空气压缩机与气体稳压储罐通过管道连接，所述气体稳压储罐与气体干燥器相连，所述气体干燥器与筒体连通，所述布风板通过
法兰固定于所述筒体内部，所述布风板固定连接设有
牵引丝，牵引丝用于悬挂被测量颗粒，所述牵引丝上设有拉力传感器，所述筒体的上端与上封头密封连接，所述上封头的顶部设有进气口，所述上封头一侧设有气压传感器，所述气体稳压储罐通过管道连接进气口；所述筒体的下端设有支腿，用于
支撑筒体，所述筒体的下底面设有多个可调节出气开孔；筒体外围的两侧设有灯光和高速摄像机。
[0009] 如上所述的设备，优选地，所述筒体为1cm厚有机玻璃制作，所述布风板可用8mm厚有机玻璃制作。
[0010] 如上所述的设备，优选地，所述布风板上设有多个密集等径开孔。
[0011] 如上所述的设备，优选地，所述布风板设有至少两个，多个所述布风板
叠加使用。
[0012] 如上所述的设备，优选地，所述空气压缩机为螺杆式空气压缩机，其气体流量大于1m3/min，所述筒体底部可调节出气开孔的孔径≥2mm，其底部开孔平板为双层设置，通过调节开孔开度来控制气体的排出流量，所述筒体的下底面设为可活动打开的底部。
[0013] 进一步地，所述筒体的下底面与筒体采用扣
锁件连接固定。
[0014] 如上所述的设备，优选地，所述气体干燥器用于干燥从气体稳压储罐内流出的气体，工作压力≤0.5Mpa，进气
温度≤50℃。
[0015] 如上所述的设备，优选地，所述上封头顶部设有气压传感器，所述气压传感器贴于筒体内壁，所述筒体的
侧壁还设有用于放置拉力传感器
信号数据线的气塞孔，以防止气体从引线孔处发生
泄漏。
[0016] 如上所述的设备，优选地，所述空气压缩机、气体稳压储罐以及气体干燥器之间的连接管道上设有旋转球
阀；所述气体干燥器与所述筒体的进气口之间的管道上设有
转子流量计，用以控制和调节进气流量，所述转子流量计的两侧均设有旋转
球阀。
[0017] 进一步地，所述高速摄像机用于拍摄记录颗粒运动情况，所述灯光用于拍照补光。
[0018] 如上所述的设备，优选地，所述上封头内部正对进气口的下方设有导流锥，所述导流锥通过固定连接的方式安装在上封头内部的导流锥
支架上，所述导流锥支架固定连接在上封头内部。
[0019] 该设备用于测量任意角度下非球形颗粒曳力时，悬挂于筒体内的粒子颗粒可以是任意形状，颗粒粒子的尺寸比也可以根据实验需求变化。更重要的是，空气压缩机用于提供冲击压力，冲击压力可以根据颗粒尺寸及形状通过旋转球阀和转子流量计进行调节，并可以通过拉力传感器实时反馈筒内颗粒所受拉力变化，便于获取非球形颗粒任意取向下的曳力值。
[0020] (三)有益效果
[0021] 本发明的有益效果是：
[0022] 本发明提供的一种测量任意角度下非球形颗粒曳力的测量设备，可以方便地研究在不同气体流量冲击压力下，粒子在容器内部的曳力值，能够有效消除由于固液密度差而给实验装置带来的局限性问题，同时能够进一步构建出雷诺数与曳力之间的关系。该装置适用性较强，可以广泛运用于各种非球形颗粒的曳力测量过程，甚至包括非球形单一尺寸及多元颗粒之间的流场扰动，为综合研究气体冲击过程以及有效构建雷诺数和曳力之间的关系提供了有效方法，对未来研究非球形颗粒在不同气速条件下的曳力机制能提供有效途径。
[0023] 本发明提供一种测量任意角度下非球形颗粒曳力的设备，可在实验室规模以及工业规模应用，以实现非球形颗粒曳力的测量，能够构建不同进气速度下雷诺数和曳力之间的关系。该装置结构简单易于维护，具有良好的工作效益。
附图说明
[0024] 图1为一优选
实施例的整体结构示意图；
[0025] 图2为布风板结构示意图；
[0026] 图3为实施例2中进气口内部放大的气体导流锥示意图；
[0027] 图4为筒体底部可调节出气开孔结构示意图；
[0028] 图5为不同颗粒形状模型，其中，(1)为椭球体颗粒，(2)为长方体颗粒，(3)为圆柱体颗粒。
[0029] 【附图标记说明】
[0030] 1：空气压缩机；
[0031] 2：气体稳压储罐；
[0032] 3：气体干燥器；
[0033] 4：气体流量计；
[0034] 5：进气口；
[0035] 6：上封头；
[0036] 7：布风板；
[0037] 8：法兰；
[0038] 9：拉力传感器；
[0039] 10：牵引丝；
[0041] 12：非球形颗粒；
[0042] 13：筒体；
[0043] 14：底部可调节出气开孔；
[0044] 15：支腿；
[0045] 16：气压传感器测量孔；
[0046] 17：引线气塞；
[0047] 18：AD信号转换器；
[0049] 20：高速摄像机；
[0050] 21：灯光；
[0051] 22：导流锥；
[0052] 23：导流锥支架；
[0053] L1-L4：旋转球阀。
具体实施方式
[0054] 为了有效消除固液系统中测量颗粒曳力时由于密度差而给实验装置带来的局限性问题，本发明通过气体冲击的方式来进一步优化曳力测量实验装置和方法，并进一步构建雷诺数与曳力之间的关系。该装置结构简单易于维护，具有良好的工作效益。
[0055] 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。
[0056] 实施例1
[0057] 一种测量任意角度下非球形颗粒曳力的测量设备，如图1所示，其主要包括空气压缩机1、气体稳压储罐2、气体干燥器3、筒体13、上封头6、布风板7、气压传感器、拉力传感器9、底部可调节出气开孔14、灯光21、导流锥22和高速摄像机20。空气压缩机1与气体稳压储罐2 通过管道连接，气体稳压储罐2与气体干燥器3通过管道连通，气体干燥器3与筒体13通过管道连通，筒体13内设有柔性的牵引丝10，柔性的牵引丝10悬挂被测量非球形颗粒12，牵引丝上设有拉力传感器9，牵引丝10固定于布风板7上，布风板7上设有多个等径气体开孔，筒体13 的上端通过法兰8与上封头6密封连接，上封头6的顶部中央设有进气口5，气体依次流经气体稳压储罐2和气体干燥器3通过管道连接进气口 5，在上封头6上设有顶部气压传感器测量孔16；筒体13的侧壁上设有引线气塞17；引线气塞17用于放置拉力传感器的信号数据线，筒体13 的下端设有支腿15，用于支撑筒体，使得筒体13的下底面与安置筒体 13的地面或安放面具有一定的距离，筒体13的下底面设有双层可调节开度的出气开孔14；筒体
13外围的两侧设有灯光21和高速摄像机20，用以拍摄记录不同取向角度的非球形颗粒旋转运动情况。高速摄像机20拍摄的区域对应图像采集区11，筒体为1cm厚有机玻璃制作，并满足一定的抗压抗冲击强度。
[0058] 在筒体13内部的牵引丝10的上部设置有拉力传感器9，牵引丝10 可固定连接于布风板7上，通过调节两根牵引丝10的悬挂高度来控制被测量的非球形颗粒12的任意角度，以确定颗粒在空间中的取向。非球形颗粒12的附近为图像采集区11，布风板可用8mm厚有机玻璃制作。布风板上设有多个密集等径开孔用于气体均匀分流并充满筒内内部。当颗粒受到高速气体向下冲击时，颗粒受到的冲击力会通过牵引丝传递到拉力传感器9，并通过信号数据线传递到AD信号转换器18，其筒体引线开孔处由引线气塞17进行密封，以防止气体发生泄漏。在上封头6上开设有气压传感器测量孔16，用于放置气压传感器，将气压传感器贴附于上封头内壁，气压传感器用于测量筒体内的压力变化。
[0059] 布风板7通过法兰
水平固定于筒体内，布风板上设有多个密集等径开孔，布风板为8mm厚有机玻璃制作，布风板设有至少两个，多个布风板叠加使用，同时也可用以调节进入筒体的流速。
[0060] 使用时，可按照实际要求将不同形状的颗粒悬挂于筒体13内，并连接好法兰8后，空气压缩机1与气体稳压储罐2之间设有旋转球阀L1，打开空气压缩机1给气体稳压储罐2内注入压缩气体，待气体稳压储罐2 内的气体压力达到所需值后打开管道上的旋转球阀L2，使气体流经气体干燥器3后进入进气口5，使压缩气体流经布风板7进行均匀分流后，作用于被测量非球形颗粒12，通过调节旋转球阀L4来控制进气流量，通过调节多层叠加的布风板7来控制进气流速，最后气体通过底部可调节出气开孔14排出。
[0061] 为了提供非球形颗粒冲击时所需的稳定压力，特将空气压缩机产生的气体存储于气体稳压储罐2中，待达到所需压力值时，开启旋转球阀L2，使气体经过气体干燥器干燥后再冲击颗粒。同时为了使从进气口5 引入的气体能够均匀分散的充满筒体并作用于颗粒，布风板采用耐冲击的8mm厚有机玻璃制作，并通过法兰水平固定于筒体和上封头之间，布风板7上开设有细密的气体流通孔，并采用双层或多层布置，用以调节不同开孔的开度来控制气体流速，且能够形成均匀的气体流场，其结构示意图如图2；进一步，通过不断调节牵引丝的
位置和高度来确定控制非球形颗粒12的取向，并通过高速摄像机20拍摄记录不同时刻不同取向角度的非球形颗粒旋转运动情况。
[0062] 筒体的下底面，可设为可调节出气开度的底部，也可设为可拆卸更换的底部，其作用是可以通过调节出气量来调节筒内气体泄压时长。为了方便操作，将筒体的下底面可设为活动打开的设置，可采用扣锁件，扣锁件为设置筒体侧壁上的活动
插件和对应设置在下底面上的插口，活动插件与插口互相咬合或脱离，可使下底面与筒体咬合固定在一起或脱离分开。
[0063] 进一步地，为了方便调节气体压力及气体流量，如图1所示，空气压缩机1、气体稳压储罐2、气体干燥器3以及筒体进气口5均由管道连接，在气体干燥器3与进气口5之间的管道中央设有转子流量计4，可用于测量气体的流量，在空气压缩机1与气体稳压储罐2之间安装有旋转球阀L1，用于控制注入稳压储罐的气体流量，在气体稳压储罐2与气体干燥器3之间安装有旋转球阀L2，用于控制注入气体干燥器的气体流量，在气体干燥器3与转子流量计4之间安装有旋转球阀L3，用于控制从气体干燥器输出的气体流量，在转子流量计与筒体进气口之间安装有旋转球阀L4，用于控制实际注入筒体13的气体流量。
[0064] 为了测量筒体13内部气压压力随注入气体的变化情况，将气压传感器测量孔16设置的气压传感器收集到的信号输出到AD信号转换器18，同时将颗粒受到的冲击力通过牵引丝传递到拉力传感器9，也将信号输出到AD信号转换器18，使其转换成
数字信号并输出到笔记本电脑19，进行数据的
可视化图像处理。
[0065] 实验开始前，应仔细检查整套装置各法兰接头、
橡胶垫片、阀
门、管件
接口等部位的
密封性。关闭旋转球阀L2-L4，打开旋转球阀L1并开启空气压缩机1，将气体稳压储罐充满至
指定压力。随后依次开启旋转球阀L1-L4，气体流经布风板7后形成均匀流场，并作用于被测量非球形颗粒12，最后气体流经筒体底部可调节出气开孔而排出筒体。同时气压传感器和拉力传感器9将信号传送到AD信号转换器18使其转换成数字信号并存储到台式机或笔记本电脑19。
[0066] 单颗粒在均匀流场中，主要受力为重力、曳力和拉力。根据
牛顿第二定律：
[0067]
[0068] 式中， 为重力， 为
浮力， 为曳力。
[0069] 单个非球形颗粒所受的重力由如下物理公式得到：
[0070]
[0071] 式中，mP为颗粒的
质量，可直接用称量天平测得。
[0072] 单个非球形颗粒所受的拉力可由拉力传感器进行数据输出到笔记本电脑直接进行读取。
[0073] 单个颗粒所受的曳力为：
[0074]
[0075] 式中ρf为气体的密度，A为等体积颗粒的横截面积，ur为气体和颗粒的相对速度，存在ur＝uf。
[0076] 通过计算，得出颗粒所受的曳力，并推导出曳力系数的计算式：
[0077]
[0078] 根据以上步骤，可以测量非球形颗粒的曳力并计算得到其曳力系数。
[0079] 通过存储到台式机或笔记本电脑19中的数据，可以分析在多种工况下不同时刻筒体内非球形颗粒曳力，为实际生产的工艺优化提供理论
基础。
[0080] 实施例2
[0081] 本实施例是在实施例1的基础上，在进气口5内进气口正下方固定安装有气体导流锥22，导流锥使用导流锥支架23进行固定，其示意图如图3所示，导流锥支架23固定在上封头6内部。
[0082] 当压缩气体流经导流锥22进行分流后作用于布风板7，进一步形成均匀流场，并作用于被测量的非球形颗粒12，通过不断调节旋转球阀L4 和多层布风板开度来进行不同进气流量和流速下的颗粒拉力值记录，以完成多种工况下的曳力计算；气体流经底部可调节出气开孔14排出筒体。
[0083] 筒体底部设为双层可调节出气开孔，如图4所示，其作用是通过调节开孔大小来控制出气量以调节筒内气体泄压时长。
[0084] 非球形颗粒模型示意图如图5所示，其中(1)为椭球体颗粒，(2) 为长方体颗粒，(3)为圆柱体颗粒。本装置可根据实际需要来测量不同形状和大小的颗粒曳力。
[0085] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何本领域技术人员可以利用上述公开的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单
修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
