專利名稱：搖擺條件下兩相流界面參數(shù)分布特性實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種熱工水力技術(shù)及化學(xué)工程領(lǐng)域的兩相流實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
氣液兩相流動(dòng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)過程中，如化學(xué)反應(yīng)工程，石油天然氣運(yùn)輸及動(dòng)力工程等。隨著近年來人類對(duì)節(jié)能的需求及高性能換熱技術(shù)的出現(xiàn)，流動(dòng)沸騰越來越受到研究者的重視。目前對(duì)氣液兩相流動(dòng)宏觀壓降和流型等相關(guān)研究已經(jīng)開展了很多年，但對(duì)于兩相局部界面分布及界面輸運(yùn)過程等微觀現(xiàn)象的研究還不夠成熟。隨著兩流體模型的提出和建立，界面面積濃度作為一個(gè)重要的參量必須通過實(shí)驗(yàn)手段獲得。因此對(duì)兩相流動(dòng)局部參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)測(cè)量有十分重要的意義。將核動(dòng)力反應(yīng)堆成功運(yùn)用于船舶動(dòng)力裝置是二十世紀(jì)人類科學(xué)的重大成就。相對(duì)于陸基反應(yīng)堆，船用反應(yīng)堆受海洋條件的影響會(huì)出現(xiàn)搖擺、起伏、傾斜等附加運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)力裝置中冷卻劑流動(dòng)特性可能發(fā)生改變。盡管國內(nèi)外學(xué)者對(duì)搖擺等非穩(wěn)態(tài)條件下單相流動(dòng)及兩相流動(dòng)宏觀壓降等進(jìn)行了大量研究，但對(duì)搖擺條件下兩相局部相分布特性的研究未見公開發(fā)表的文獻(xiàn)，沒有現(xiàn)成的可實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能的實(shí)驗(yàn)裝置。目前搖擺條件下兩相局部參數(shù)分布特性及傳熱傳質(zhì)機(jī)理尚不明確，因此很有必要開展這方面的研究，為船用反應(yīng)堆技術(shù)的發(fā)展提供支持。實(shí)驗(yàn)是科學(xué)研究不可缺少的重要手段，所有的理論分析或數(shù)值計(jì)算結(jié)果都需要得到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。在兩流體模型中，界面濃度目前主要依賴實(shí)驗(yàn)手段獲得，需要對(duì)兩相流局部相界面進(jìn)行測(cè)量，探針或者高速攝影儀等先進(jìn)儀器運(yùn)用較多。非穩(wěn)態(tài)條件下兩相流動(dòng)與穩(wěn)定狀態(tài)下有較大不同，實(shí)驗(yàn)段空間位置實(shí)時(shí)變化，需借助于搖擺臺(tái)在運(yùn)動(dòng)條件下對(duì)局部參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。能否準(zhǔn)確獲得搖擺條件下兩相流動(dòng)局部參數(shù)分布特性是決定船用反應(yīng)堆熱工水力及非穩(wěn)態(tài)傳熱傳質(zhì)研究能否取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展的關(guān)鍵因素。對(duì)大通道圓管內(nèi)兩相流動(dòng)相界面分布特性的研究，目前開發(fā)的實(shí)驗(yàn)裝置較多， 如采用光學(xué)探針，電導(dǎo)探針，高速攝影，射線衰減，粒子示蹤等。其中光纖探針因其相應(yīng)頻率高，制作簡(jiǎn)單而被大量采用(如Shen X, Saito Y, MishimaK, et al. A study on the characteristics of upward air-water two-phaseflow in a large diameter pipe.Experimental Thermal and Fluid Science31 (2006)21-36 ；Kataoka I, Serizawa A.Interfacial area concentrationin bubbly flow. Nuclear Engineering and Design 120 (1990) 163-180)。這類實(shí)驗(yàn)裝置只能對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)下兩相流動(dòng)局部界面參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)段或者其支承架直接與地面相接，無法獲得搖擺條件下氣液兩相流動(dòng)。搖擺條件下氣液兩相流動(dòng)特性的研究目前國內(nèi)主要集中在哈爾濱工程大學(xué)(如閻昌琪，于凱秋，欒鋒等.搖擺對(duì)氣-液兩相流流型及空泡份額的影響[J].核動(dòng)力工程，2008，29 (4);曹夏昕，閻昌琪， 孫中寧.氣-液兩相泡狀流在搖擺狀態(tài)下的摩擦壓降計(jì)算，核動(dòng)力工程，2007，28 (I).)。這類實(shí)驗(yàn)裝置只能對(duì)兩相流動(dòng)宏觀壓降，流型及平均空泡份額等進(jìn)行測(cè)量，不能深入的對(duì)兩相流局部界面參數(shù)進(jìn)行研究，對(duì)搖擺條件下氣液界面輸運(yùn)機(jī)理尚不明確。同時(shí)這類實(shí)驗(yàn)裝
3置采用的實(shí)驗(yàn)段通道直徑一般在40_以下，無法模擬大通道內(nèi)兩相流動(dòng)特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供實(shí)現(xiàn)搖擺條件下兩相流動(dòng)局部界面參數(shù)的測(cè)量搖擺條件下兩相流界面參數(shù)分布特性實(shí)驗(yàn)裝置。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明搖擺條件下兩相流界面參數(shù)分布特性實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是包括儲(chǔ)水箱、混合腔、實(shí)驗(yàn)段、汽水分離裝置、空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、搖擺臺(tái)、光電轉(zhuǎn)換器、光源，混合腔、汽水分離裝置分別安裝在實(shí)驗(yàn)段的兩端，儲(chǔ)水箱通過管路分別連接汽水分離裝置和混合腔，儲(chǔ)氣罐和空氣壓縮機(jī)并聯(lián)后與混合腔相連，混合腔還連接搖擺臺(tái)，所述的實(shí)驗(yàn)段上安裝有光纖探針、壓力傳感器，光電轉(zhuǎn)換器面對(duì)光纖探針布置，光源面向光電轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明還可以包括I、還包括探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括相互連接的橫向金屬桿、電機(jī)和螺旋測(cè)微計(jì)，光纖探針連接探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。2、所述的實(shí)驗(yàn)段上設(shè)置觀察段，實(shí)驗(yàn)段采用有機(jī)玻璃圓管，觀察段采用有機(jī)玻璃將圓管外表面補(bǔ)償成為矩形截面，觀察段旁設(shè)置攝像機(jī)。3、所述的儲(chǔ)水箱與混合腔之間依次安裝循環(huán)水泵、過濾器、水流量調(diào)節(jié)閥，所述的混合腔與空氣壓縮機(jī)和儲(chǔ)氣罐之間依次安裝止逆閥、體積流量計(jì)、壓力表、減壓閥、空氣干燥器。4、所述的混合腔底端采用均氣板進(jìn)氣，均氣板上設(shè)置140個(gè)毛細(xì)管，氣相豎直進(jìn)入混合腔，所述的均氣板上的毛細(xì)管直徑可變。本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于I、本發(fā)明通過系統(tǒng)和設(shè)備的合理設(shè)計(jì)使實(shí)驗(yàn)裝置可以在搖擺等非靜止條件下進(jìn)行，通過改變不同的搖擺周期和搖擺振幅，能模擬船舶在不同的搖擺工況下動(dòng)力系統(tǒng)中冷卻劑氣液兩相流動(dòng)特性。獲得搖擺條件下兩相流動(dòng)局部界面參數(shù)，如截面含氣率、界面面積濃度、氣泡運(yùn)動(dòng)速度和方向等，為兩相流動(dòng)過程的傳熱傳質(zhì)機(jī)理研究及搖擺條件下兩流體模型的應(yīng)用提供了有力的支持。2、本發(fā)明設(shè)計(jì)的光纖探針系統(tǒng)能對(duì)豎直和傾斜條件下兩相流動(dòng)局部參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)一步發(fā)展和完善了研究穩(wěn)態(tài)條件下大通道內(nèi)氣液兩相局部參數(shù)分布及輸運(yùn)機(jī)理的實(shí)驗(yàn)裝置。3、本發(fā)明設(shè)計(jì)的混合腔能根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求產(chǎn)生不同直徑的氣泡，實(shí)驗(yàn)中發(fā)泡均勻， 能獲得穩(wěn)定的泡狀流，氣水分離裝置依靠重力分離，保持出口壓力恒定。4、本發(fā)明設(shè)計(jì)的探針驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)探針自動(dòng)調(diào)節(jié)，大通道探針位置較高，電力驅(qū)動(dòng)探針能避免實(shí)驗(yàn)者往復(fù)上下實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，實(shí)驗(yàn)人員安全更有保障。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖4為本發(fā)明的探針結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述結(jié)合圖I 4，一種搖擺條件下兩相流界面參數(shù)分布特性實(shí)驗(yàn)裝置，主要包括儲(chǔ)水箱I、循環(huán)水泵2、過濾器3、水流量調(diào)節(jié)閥4、質(zhì)量流量計(jì)5、搖擺臺(tái)6、壓力表7，12、減壓閥8、 空氣干燥器9、空氣壓縮機(jī)10、儲(chǔ)氣罐11、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)13、壓力傳感器14、探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)15、實(shí)驗(yàn)段16、混合腔17、止逆閥18、光纖探針19、高速攝像系統(tǒng)20、汽水分離裝置21、激光源22、四通道光電轉(zhuǎn)換器23、相關(guān)各種閥門24 36、體積流量計(jì)37 39以及搖擺臺(tái)控制臺(tái)40。搖擺臺(tái)通過控制系統(tǒng)使液壓驅(qū)動(dòng)桿按照設(shè)定的規(guī)律伸縮運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)搖擺臺(tái)繞搖擺軸按照設(shè)定的搖擺周期和搖擺角度圍繞中心軸運(yùn)動(dòng)。液壓搖擺臺(tái)不僅可自由改變搖擺工況，而且臺(tái)面可承受重量大，運(yùn)行比較平穩(wěn)，機(jī)械振動(dòng)?。粨u擺軸上的角度傳感器能對(duì)搖擺角度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便于對(duì)所得的數(shù)據(jù)做瞬態(tài)分析；為模擬船舶在海洋中的搖擺運(yùn)動(dòng)， 設(shè)定搖擺臺(tái)按正弦規(guī)律運(yùn)動(dòng)，取逆時(shí)針角度為正。為使搖擺臺(tái)能自由運(yùn)動(dòng)，搖擺臺(tái)上實(shí)驗(yàn)回路部分和地面上部分采用不銹鋼軟管相連接。為保證不同搖擺工況下相同的入口流動(dòng)工況，采用額定揚(yáng)程45m的離心泵驅(qū)動(dòng)水流動(dòng)，氣相入口處表壓力保持O. IMPa0為使實(shí)驗(yàn)段出口條件恒定，頂端汽水分離裝置通大氣。汽水分離裝置為橫向大粗管道，氣液兩相有足夠的空間依靠重力自然分離，氣體從頂端釋放到大氣，液相依靠重力流回水箱循環(huán)使用。同時(shí)分離器上端大氣通道處設(shè)有閥門，必要時(shí)可將頂端封閉。為獲得理想的氣泡條件，汽水混合腔內(nèi)均氣板上均布140個(gè)Φ O. 5mm的不銹鋼毛細(xì)管，水從側(cè)面進(jìn)入，依靠水的橫向剪切作用，氣泡容易形成；毛細(xì)管端面光滑，氣泡大小非常接近，汽水混合腔留有足夠的空間使汽水兩相均勻混合；均氣板拆卸方便且與混合腔獨(dú)立，便于檢修時(shí)對(duì)其毛細(xì)管進(jìn)行清理。同時(shí)更換均氣板上的不銹鋼毛細(xì)管可獲得入口處不同氣泡大小。如圖2所示，實(shí)驗(yàn)段采用有機(jī)玻璃大直徑圓管，內(nèi)徑可達(dá)IOOmm以上，為使測(cè)量段流動(dòng)發(fā)展充分，整個(gè)實(shí)驗(yàn)段高度超過4m以上；實(shí)驗(yàn)段上下采用有機(jī)玻璃法蘭16-1、16-9與回路相連接，實(shí)驗(yàn)段上充分發(fā)展段安裝有兩個(gè)壓力傳感器14，能對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)； 上測(cè)壓孔上方20mm處安裝有探針驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)15，能驅(qū)動(dòng)光學(xué)探針19沿通道徑向移動(dòng)，結(jié)合四通道光電轉(zhuǎn)換及放大器23及光源22實(shí)現(xiàn)不同徑向位置的局部參數(shù)測(cè)量；探針下端有觀察段16-6，觀察段采用有機(jī)玻璃將圓管外表面補(bǔ)償成為矩形截面，以消除高速攝影時(shí)的光折射效應(yīng)。如圖3所示，探針驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)探針的精確定位及驅(qū)動(dòng)，固定架15-1將整個(gè)機(jī)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)段固定，橫向金屬桿15-5作為定位裝置及探針移動(dòng)導(dǎo)軌,微型電機(jī)15-4驅(qū)動(dòng)螺旋測(cè)微計(jì)15-3每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，探頭沿徑向位置向前推進(jìn)O. Imm ；19為光纖探針，15-6為壓緊彈簧。探針驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)探針徑向位置遠(yuǎn)程調(diào)控，從而避免實(shí)驗(yàn)人員往復(fù)上下實(shí)驗(yàn)臺(tái)，確保實(shí)驗(yàn)者安全。光纖探針采用雙探頭或者四探頭，圖4所示為雙探頭探針示意圖。探針采用多層不銹鋼套管19-1、19-2、19-3和19_4，使得光纖有足夠的強(qiáng)度抵抗機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)前端探頭 19-5足夠細(xì)，光纖纖芯19-6為125微米，以減小對(duì)流場(chǎng)的干擾；探頭端面與流動(dòng)方向垂直， 利用其端面處于氣液兩相不同介質(zhì)時(shí)反射光強(qiáng)度不同實(shí)現(xiàn)氣液兩相介質(zhì)的辨別。通過光電轉(zhuǎn)換及放大裝置的處理，探頭端面處于氣相和液相時(shí)接受到的信號(hào)分別對(duì)應(yīng)高電位和低電位。探頭端面采用專門的切割機(jī)切平，并采用超聲波振動(dòng)清洗端面以保證端面的清潔和平整。前后兩個(gè)探頭間距O. 66mm，采用高倍率分度顯微鏡測(cè)量。四通道光電轉(zhuǎn)換器中采用Y型分光器，多級(jí)放大，信號(hào)在氣液兩相中的幅值倍率可調(diào)節(jié)。Y型光纖耦合器將激光等分成四組，可分別作為4個(gè)單纖探針的光源。同時(shí)耦合器將反射光等分為兩組，一組進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器，經(jīng)放大器后輸出電信號(hào)至采集系統(tǒng)。光學(xué)探針信號(hào)轉(zhuǎn)換放大系統(tǒng)最多可同時(shí)供4路光纖使用。聞速攝像系統(tǒng)對(duì)通道內(nèi)流動(dòng)特性進(jìn)彳丁記錄，聞速攝影僅拍攝頻率為每秒6000中貞, 能對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行記錄，通過圖片處理獲得氣泡速度，空泡份額及氣泡頻率等；高速攝影儀固定于搖擺臺(tái)，在穩(wěn)定狀態(tài)下對(duì)焦，然后啟動(dòng)搖擺臺(tái)，采集完畢后停止搖擺臺(tái)，將攝影儀數(shù)據(jù)導(dǎo)入專用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。所述的搖擺臺(tái)由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，通過控制系統(tǒng)使液壓驅(qū)動(dòng)桿按照設(shè)定的規(guī)律伸縮運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)搖擺臺(tái)繞搖擺軸按照設(shè)定的搖擺周期和搖擺振幅左右搖擺。采用液壓搖擺臺(tái)不僅可以通過控制臺(tái)方便的改變搖擺周期和搖擺振幅以獲得所需要的搖擺工況，而且臺(tái)面可承受重量大，運(yùn)行過程中比較平穩(wěn)，機(jī)械振動(dòng)小；搖擺軸上的角度傳感器能對(duì)搖擺角度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便于對(duì)獲得的數(shù)據(jù)作瞬態(tài)分析；為模擬船舶在海洋中的搖擺運(yùn)動(dòng)，設(shè)定搖擺臺(tái)按正弦規(guī)律運(yùn)動(dòng)，取逆時(shí)針角度為正。為確保搖擺臺(tái)能自由運(yùn)動(dòng)，臺(tái)面上實(shí)驗(yàn)回路部分和地面上部分采用不銹鋼軟管相連接。所述的混合腔底端采用均氣板進(jìn)氣，其上均勻布置140個(gè)Φ O. 5mm的不銹鋼毛細(xì)管，氣相豎直進(jìn)入混合腔，水從側(cè)面水平進(jìn)入，依靠水的橫向剪切作用，確保氣泡穩(wěn)定的產(chǎn)生和脫離毛細(xì)管；毛細(xì)管端面光滑，氣泡大小非常接近，混合腔留有足夠的空間使汽水兩相均勻混合；均氣板拆卸方便且與混合腔獨(dú)立，便于檢修時(shí)對(duì)其毛細(xì)管進(jìn)行清理；更換布置不同直徑進(jìn)氣管的均氣板，可得到不同直徑的氣泡，便于獲得不同的入口氣泡條件。所述的實(shí)驗(yàn)段采用有機(jī)玻璃大直徑圓管，內(nèi)徑達(dá)100mm，為使測(cè)量段流動(dòng)發(fā)展充分，整個(gè)實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)達(dá)4m ;實(shí)驗(yàn)段上下采用有機(jī)玻璃法蘭與回路相連接，充分發(fā)展段安裝有兩個(gè)壓力傳感器，能對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；上測(cè)壓孔上方20mm處安裝有探針驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，能驅(qū)動(dòng)光學(xué)探針沿通道徑向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同徑向位置的局部參數(shù)測(cè)量；探針下端有觀察段，觀察段采用有機(jī)玻璃將圓管外表面補(bǔ)償成為矩形截面，以消除高速攝影時(shí)的光折射效應(yīng)。所述的高速攝像系統(tǒng)拍攝頻率為每秒6000幀，能對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行記錄，通過圖片處理獲得氣泡速度，空泡份額及氣泡頻率等微觀量；高速攝影儀固定于搖擺臺(tái)，在穩(wěn)定狀態(tài)下對(duì)焦，然后啟動(dòng)搖擺臺(tái)，采集完畢后停止搖擺臺(tái)，將攝影儀數(shù)據(jù)導(dǎo)入專用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。所述的探針驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)探針的精確定位及驅(qū)動(dòng)，整個(gè)機(jī)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)段固定，橫向金屬桿作為定位裝置及探針移動(dòng)導(dǎo)軌，采用微型電機(jī)結(jié)合螺旋測(cè)微計(jì)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈探頭沿徑向位置向前推進(jìn)O. Imm ;探針驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)探針徑向位置遠(yuǎn)程調(diào)控，從而避免實(shí)驗(yàn)人員往復(fù)上下實(shí)驗(yàn)臺(tái)，確保實(shí)驗(yàn)者安全。所述的光纖探針采用雙探頭或者四探頭，探針采用多層不銹鋼套管，使得光纖有足夠的強(qiáng)度抵抗機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)前端探頭足夠細(xì)，以減小對(duì)流場(chǎng)的干擾；探頭端面與流動(dòng)方向垂直，利用其端面處于氣液兩相不同介質(zhì)時(shí)反射光強(qiáng)度不同實(shí)現(xiàn)氣液兩相介質(zhì)的辨別。 通過光電轉(zhuǎn)換及放大裝置的處理，探頭端面處于氣相和液相時(shí)接受到的信號(hào)分別對(duì)應(yīng)高電位和低電位。探頭端面采用專門的切割機(jī)切平，并采用超聲波振動(dòng)清洗端面以保證端面的清潔和平整。所述的氣水分離裝置能將混合物在實(shí)驗(yàn)段頂端自由分離，實(shí)驗(yàn)段頂端有橫向大粗管道使得混合物流速緩慢，依靠重力作用，氣相位于管道上方，液相聚集在管道下壁面，頂端開口通大氣使得氣相自由釋放到大氣中，液相則落回水箱循環(huán)使用，混合腔頂端大氣通道設(shè)有閥門，必要時(shí)可關(guān)閉閥門，使實(shí)驗(yàn)段出口處帶有一定壓力。所述的四通道光電轉(zhuǎn)換器采用Y型分光器將入射光分兩次等分為四組，最多可同時(shí)供四路光纖探頭使用；反射光采用多級(jí)放大，從而使得輸出電信號(hào)在氣液兩相中的幅值倍率可調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)回路中還設(shè)置有儲(chǔ)水箱、循環(huán)泵，過濾器、流量計(jì)、儲(chǔ)氣罐、空氣壓縮機(jī)、減壓閥、壓力表和多個(gè)閥門，用于提供完整的空氣-水兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)回路。實(shí)驗(yàn)中液相質(zhì)量流量由位于流量計(jì)上游的針閥調(diào)節(jié)，氣相體積流量由流量計(jì)下游的調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，氣相入口保持壓力恒定。實(shí)驗(yàn)段測(cè)壓孔之間壓降由上下壓力傳感器求差得到。絕熱流動(dòng)中溫度變化較小，采用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)在出口處取樣測(cè)量水溫，氣溫按室溫計(jì)算。 實(shí)驗(yàn)按照先穩(wěn)態(tài)后搖擺的順序進(jìn)行，調(diào)節(jié)氣相流量和液相流量到設(shè)定的值，待流動(dòng)穩(wěn)定后采集光纖信號(hào)，采樣頻率為5000赫茲；同時(shí)記錄流量和壓力信號(hào)，采樣頻率為20赫茲。穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)完成后啟動(dòng)搖擺臺(tái)，進(jìn)行搖擺條件下實(shí)驗(yàn)參數(shù)采集，相同流量下所有搖擺工況結(jié)束后停止搖擺臺(tái)，調(diào)節(jié)氣液流量，重復(fù)上述步驟進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中采用高速攝像系統(tǒng)拍攝，便于和探針測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。所述的實(shí)驗(yàn)裝置既可以進(jìn)行穩(wěn)定狀態(tài)下(傾斜，豎直)實(shí)驗(yàn)又可以進(jìn)行搖擺實(shí)驗(yàn)。 穩(wěn)態(tài)豎直實(shí)驗(yàn)時(shí)，搖擺臺(tái)位于平橫位置，傾斜實(shí)驗(yàn)時(shí)，將設(shè)定的傾斜角度輸入控制系統(tǒng)，待搖擺臺(tái)運(yùn)動(dòng)到設(shè)定的角度位置時(shí)，停止液壓泵，搖擺臺(tái)能很好的穩(wěn)定在預(yù)定角度位置。所述的實(shí)驗(yàn)裝置可以測(cè)定氣液兩相空泡份額，氣泡頻率，軸向界面速度，局部界面面積濃度及兩相流流型等。光纖探針方法是利用光纖探頭處于氣相和液相不同介質(zhì)時(shí)反射光強(qiáng)度不同，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及放大處理后，采集到的電位高低不同來實(shí)現(xiàn)探頭處氣液兩相介質(zhì)的辨別。當(dāng)探頭處于氣相時(shí)為高電位，處于液相介質(zhì)時(shí)為低電位。高低電位幅值差別可通過光電轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)。由于光纖探針響應(yīng)頻率高，高低電位變化陡峭，信號(hào)識(shí)別準(zhǔn)確可靠。測(cè)定空泡份額和氣泡頻率時(shí)，只需利用一個(gè)探頭的信號(hào)，一般以前端探頭信號(hào)為準(zhǔn)。通過選取合理的閾值，可以計(jì)算出測(cè)點(diǎn)局部高電位所占據(jù)的測(cè)量時(shí)間的份額，從而得到局部時(shí)間平均空泡份額。根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)高電位的次數(shù)，可以得到氣泡頻率。軸向界面速度和界面面積濃度測(cè)量時(shí)，需同時(shí)用到前后兩個(gè)探頭的信號(hào)，信號(hào)上升起始點(diǎn)的時(shí)間差，即界面經(jīng)過前后兩個(gè)探頭的時(shí)間差，結(jié)合探頭間距可得到軸向界面速度。根據(jù)文獻(xiàn)(ISAO KATAOKA et al. L0CALF0RMULATI0N AND MEASURMENTS OF INTERFACIAL AREACONCENTRATION INTffO-PHASE FLOW[J]. Int. J. Multiphase Flow,1986,12(4) :505-529.) 推薦的方法，可以求出局部界面面積濃度。通過圓環(huán)微元面積加權(quán)平均后可得到平均界面面積濃度。
權(quán)利要求
1.搖擺條件下兩相流界面參數(shù)分布特性實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是包括儲(chǔ)水箱、混合腔、實(shí)驗(yàn)段、汽水分離裝置、空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、搖擺臺(tái)、光電轉(zhuǎn)換器、光源，混合腔、汽水分離裝置分別安裝在實(shí)驗(yàn)段的兩端，儲(chǔ)水箱通過管路分別連接汽水分離裝置和混合腔，儲(chǔ)氣罐和空氣壓縮機(jī)并聯(lián)后與混合腔相連，混合腔還連接搖擺臺(tái)，所述的實(shí)驗(yàn)段上安裝有光纖探針、 壓力傳感器，光電轉(zhuǎn)換器面對(duì)光纖探針布置，光源面向光電轉(zhuǎn)換器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的搖擺條件下兩相流界面參數(shù)分布特性實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是: 還包括探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括相互連接的橫向金屬桿、電機(jī)和螺旋測(cè)微計(jì)，光纖探針連接探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的搖擺條件下兩相流界面參數(shù)分布特性實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是所述的實(shí)驗(yàn)段上設(shè)置觀察段，實(shí)驗(yàn)段采用有機(jī)玻璃圓管，觀察段采用有機(jī)玻璃將圓管外表面補(bǔ)償成為矩形截面，觀察段旁設(shè)置攝像機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的搖擺條件下兩相流界面參數(shù)分布特性實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是所述的儲(chǔ)水箱與混合腔之間依次安裝循環(huán)水泵、過濾器、水流量調(diào)節(jié)閥，所述的混合腔與空氣壓縮機(jī)和儲(chǔ)氣罐之間依次安裝止逆閥、體積流量計(jì)、壓力表、減壓閥、空氣干燥器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的搖擺條件下兩相流界面參數(shù)分布特性實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是: 所述的儲(chǔ)水箱與混合腔之間依次安裝循環(huán)水泵、過濾器、水流量調(diào)節(jié)閥，所述的混合腔與空氣壓縮機(jī)和儲(chǔ)氣罐之間依次安裝止逆閥、體積流量計(jì)、壓力表、減壓閥、空氣干燥器。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的搖擺條件下兩相流界面參數(shù)分布特性實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是所述的混合腔底端采用均氣板進(jìn)氣，均氣板上設(shè)置140個(gè)毛細(xì)管，氣相豎直進(jìn)入混合腔，所述的均氣板上的毛細(xì)管直徑可變。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的搖擺條件下兩相流界面參數(shù)分布特性實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是 所述的混合腔底端采用均氣板進(jìn)氣，均氣板上設(shè)置140個(gè)毛細(xì)管，氣相豎直進(jìn)入混合腔，所述的均氣板上的毛細(xì)管直徑可變。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的搖擺條件下兩相流界面參數(shù)分布特性實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是 所述的混合腔底端采用均氣板進(jìn)氣，均氣板上設(shè)置140個(gè)毛細(xì)管，氣相豎直進(jìn)入混合腔，所述的均氣板上的毛細(xì)管直徑可變。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的搖擺條件下兩相流界面參數(shù)分布特性實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是 所述的混合腔底端采用均氣板進(jìn)氣，均氣板上設(shè)置140個(gè)毛細(xì)管，氣相豎直進(jìn)入混合腔，所述的均氣板上的毛細(xì)管直徑可變。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供搖擺條件下兩相流界面參數(shù)分布特性實(shí)驗(yàn)裝置，包括儲(chǔ)水箱、混合腔、實(shí)驗(yàn)段、汽水分離裝置、空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、搖擺臺(tái)、光電轉(zhuǎn)換器、光源，混合腔、汽水分離裝置分別安裝在實(shí)驗(yàn)段的兩端，儲(chǔ)水箱通過管路分別連接汽水分離裝置和混合腔，儲(chǔ)氣罐和空氣壓縮機(jī)并聯(lián)后與混合腔相連，混合腔還連接搖擺臺(tái)，所述的實(shí)驗(yàn)段上安裝有光纖探針、壓力傳感器，光電轉(zhuǎn)換器面對(duì)光纖探針布置，光源面向光電轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明進(jìn)一步發(fā)展和完善了研究穩(wěn)態(tài)條件下大通道內(nèi)氣液兩相局部參數(shù)分布及輸運(yùn)機(jī)理的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)中發(fā)泡均勻，能獲得穩(wěn)定的泡狀流，氣水分離裝置依靠重力分離，保持出口壓力恒定。
文檔編號(hào)G01M10/00GK102589841SQ20121001181
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者劉靖宇, 孫中寧, 孫波, 孫立成, 幸奠川, 曹夏昕, 王建軍, 田道貴, 金光遠(yuǎn), 閻昌琪 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)