CN103759921B - 两相流系统内颗粒运动轨迹的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两相流系统内颗粒运动轨迹的测量装置及测量方法，包括由氩离子激光器、第一圆柱透镜、第二圆柱透镜和反应器组成的激光发射系统，及由三台光学接收器、三个电倍增管、滤波器和计算机组成的光电转换检测系统。三台光学接收器以反应器为圆心、围绕反应器的周侧均匀布置。本发明方法属于非浸入式测量，测量装置无需深入反应器内，避免了测量装置对反应器内两相流动的影响，提高了测量的准确性，使测量结果精准可靠；本发明以氩离子激光器作为光源，取代了X射线源，并省去了X射线探测器的费用，不仅经济实用，同时安全可靠。

Description

两相流系统内颗粒运动轨迹的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及两相流系统内颗粒运动轨迹的测量装置及测量方法，属于两相流技术。

背景技术

气固/液固两相流一直以来在能源、化工、冶金、动力等行业中广泛存在。测量两相流内颗粒运动轨迹对于掌握两相流内颗粒运动状态，研究气固/液固两相反应具有重要意义。国内外最早对气固/液固两相流内颗粒运动轨迹的测量手段主要有反射式光纤法及辐射投影成像技术。反射式光纤法是将反射式光纤传感器的探头埋入流化床内待测点，光源发出的光经反射后由光电探测器接受，从而根据光的强度获得其内部颗粒的状态参数；该方法虽然可以直接对流化床内颗粒浓度进行检测并获得局部测量值，但探头对待测点附近的流场产生了干扰，降低了测量的准确性。辐射投影成像技术是指采用X射线、γ射线等电磁波投射待测对象，通过分析射线被不同物质不同程度吸收后的强度来检测待测对象内部的信息，如医用X光CT等设备；该方法可避免测量工具对气固反应器内部流场的干扰，获得较为准确的颗粒信息，但往往全套设备造价昂贵，且危险性大，设备移动安装不便捷。

基于激光技术的非接触式测量是近几年发展起来的一项新技术，因其具有原理简单，成本低廉等特点，已广泛应用于多相流领域的相关参数测量。诸如激光多普勒测速仪及相位多普勒粒子分析仪已在国内外大量报道。然而该类技术均存在仅能进行有限点的测量，无法满足全场测量的要求。中国专利CN101603974A公开了一种小管径管道两相流参数光学测量装置及方法，该方法采用一束激光透过小管径管道内两相流体照射在光电池表面，并利用两相弯曲界面使光路发生偏转的特性，根据光电池输出信号判断相界面两侧的相分布和两相流相关参数。该方法有效地实现了小管径管道两相流参数的光学测量，且未对流体造成干扰；但该方法局限于小管径，且未能实现对单个或多个颗粒的跟踪测量。

随着两相流技术的深入发展，研发并应用更加高效、安全、实用的测量技术手段已成为诸多科研人员的研究重点，开展对气固/液固两相流内颗粒运动轨迹的测量技术研发对深入研究两相流技术具有重大意义。

发明内容

发明目的：为了克服传统光学测量技术中存在的不足，本发明提供一种两相流系统内颗粒运动轨迹的测量装置及测量方法，操作简单、安全方便，且测量结果精确可靠。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种两相流系统内颗粒运动轨迹的测量装置，包括依次间隔布置在同一条直线l上的氩离子激光器、第一圆柱透镜、第二圆柱透镜和反应器，以反应器为圆心、围绕反应器的周侧均匀布置有三台光学接收器，对应每台光学接收器设置有一个光电倍增管，三个光电倍增管的输出信号经过滤波器滤波后接入计算机；

所述氩离子激光器、第一圆柱透镜、第二圆柱透镜、反应器和三台光学接收器均位于同一水平面s上，反应器中心和光学接收器信号接收面之间的间距为R，且三台光学接收器均不位于直线l上；

所述第一圆柱透镜的中轴线和第二圆柱透镜的中轴线位于同一竖直面t上，第一圆柱透镜的中轴线竖直，第二圆柱透镜的中轴线水平；

所述反应器中心和第二圆柱透镜内端面之间的间距为R。

一种两相流系统内颗粒运动轨迹的测量方法，包括如下步骤：

（1）对反应器全场进行基于三维直角坐标系的建模，采用六面体结构化网格对反应器进行网格划分、且要求网格的体积小于待测颗粒的体积；将所建模型存储于计算机，并对每一个网格进行编号，比如M_{（i，j，k）}，（i=1,…,l；j=1,…,m；k=1,…,n）；

（2）开启氩离子激光器，氩离子激光器发射出的柱状激光束依次经过相互垂直的第一圆柱透镜和第二圆柱透镜后散射为可覆盖整个反应器的光束；

（3）光学接收器首先对未加入示踪颗粒的反应器进行光信号捕捉，捕捉到的光信号经光电倍增管转换成电信号并放大后发送至滤波器进行滤波，然后将滤波后的信号发送至计算机；

（4）计算机将接收到的信号转换成基于三维直角坐标系的带有图像灰度的信息，并将转换后的信息导入存储的模型中并与模型耦合后作为网格的初始信息，然后将所有与转换后的信息相耦合的网格标记为初始状态；

（5）关闭氩离子激光器，向反应器内加入示踪颗粒，然后再次开启氩离子激光器，待测区域内的示踪颗粒被激光束照射后发生散射，其散射光被分布于反应器周围的三台光学接收器捕捉；

（6）光学接收器捕捉到的光信号经光电倍增管转换成电信号并放大后发送至滤波器（11）进行滤波，然后将滤波后的信号发送至计算机；

（7）计算机对接收到的信号进行如下处理：

（71）计算机将所得信号以时间步长△t（△t＜0.1s）为单位转化为若干图像，然后根据图像的灰度信息将每幅图像转化为一组基于三维直角坐标系的图像数据，将各组图像数据按时间顺序依次导入存储的模型中并与模型耦合；按时间顺序标记第i个时间步长对应第i组数据图像；

（72）对于第i组数据图像，将其导入存储的模型中并与模型耦合后作为网格的现有信息；对于每一个网格，将网格的现有信息与初始信息进行对比，若检测到现有信息与初始信息不同，则将该网格标记为激活状态；在所有网格均比较完成后，将所有网格状态输出为基于三维直角坐标系的点阵，该点阵即代表了在第i个时间步长时示踪颗粒所处的位置；

（73）对一个时间段内的所有时间步长，进行步骤（72），即可获得在该时间段内，示踪颗粒在每个时间步长内的位置，对其进行分析即可获得示踪颗粒的运动轨迹。

有益效果：本发明提供的两相流系统内颗粒运动轨迹的测量装置及测量方法，相对于现有技术，具有如下优势：

1、克服了传统光学测量技术的不足，可实现对待测颗粒的精准定位及测量；

2、本发明方法属于非浸入式测量，测量装置无需深入反应器内，避免了测量装置对反应器内两相流动的影响，提高了测量的准确性，使测量结果精准可靠；

3、本发明以氩离子激光器作为光源，取代了X射线源，并省去了X射线探测器的费用，不仅经济实用，同时安全可靠；

4、通过调整氩离子激光器和光学接收器的位置可对反应器不同位置进行测量，拓展了测量区域，可实现两相反应器全场测量。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明方法的实现流程图；

包括：氩离子激光器1、第一圆柱透镜2、第二圆柱透镜3、反应器4、第一光学接收器5、第一光电倍增管6、第二光学接收器7、第二光电倍增管8、第三光学接收器9、第三光电倍增管10、滤波器11和计算机12。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种两相流系统内颗粒运动轨迹的测量装置，包括由氩离子激光器1、第一圆柱透镜2、第二圆柱透镜3和反应器4组成的激光发射系统，及由第一光学接收器5、第二光学接收器7、第三光学接收器9、第一光电倍增管6、第二光电倍增管8、第三光电倍增管10、滤波器11和计算机12组成的光电转换检测系统。

所述氩离子激光器1、第一圆柱透镜2、第二圆柱透镜3和反应器4依次间隔布置在同一条直线l上；三台光学接收器以反应器4为圆心、围绕反应器4的周侧均匀布置，对应每台光学接收器设置有一个光电倍增管，三个光电倍增管的输出信号经过滤波器11滤波后接入计算机12。

所述氩离子激光器1、第一圆柱透镜2、第二圆柱透镜3、反应器4和三台光学接收器均位于同一水平面s上，反应器4中心和光学接收器信号接收面之间的间距为R=1m，且三台光学接收器均不位于直线l上。

所述第一圆柱透镜2的中轴线和第二圆柱透镜3的中轴线位于同一竖直面t上，第一圆柱透镜2的中轴线竖直，第二圆柱透镜3的中轴线水平。

所述反应器4中心和第二圆柱透镜3内端面之间的间距为R=1m。

一种两相流系统内颗粒运动轨迹的测量方法，包括如下步骤：

（1）对反应器4全场进行基于三维直角坐标系的建模，采用六面体结构化网格对反应器4进行网格划分、且要求网格的体积小于待测颗粒的体积；将所建模型存储于计算机12，并对每一个网格进行编号，比如M_{（i，j，k）}，（i=1,…,l；j=1,…,m；k=1,…,n）；

（2）开启氩离子激光器1，氩离子激光器1发射出的柱状激光束依次经过相互垂直的第一圆柱透镜2和第二圆柱透镜3后散射为可覆盖反应器（4）的光束；

（3）光学接收器首先对未加入示踪颗粒的反应器4进行光信号捕捉，捕捉到的光信号经光电倍增管转换成电信号并放大后发送至滤波器11进行滤波，然后将滤波后的信号发送至计算机12；

（4）计算机12将接收到的信号转换成基于三维直角坐标系的带有图像灰度的信息，并将转换后的信息导入存储的模型中并与模型耦合后作为网格的初始信息，然后将所有与转换后的信息相耦合的网格标记为初始状态；

（5）关闭氩离子激光器1，向反应器4内加入示踪颗粒，然后再次开启氩离子激光器1，待测区域内的示踪颗粒被激光束照射后发生散射，其散射光被分布于反应器4周围的三台光学接收器捕捉；

（6）光学接收器捕捉到的光信号经光电倍增管转换成电信号并放大后发送至滤波器11进行滤波，然后将滤波后的信号发送至计算机12；

（7）计算机12对接收到的信号进行如下处理：

（71）计算机12将所得信号以时间步长△t（△t＜0.1s）为单位转化为若干图像，然后根据图像的灰度信息将每幅图像转化为一组基于三维直角坐标系的图像数据，将各组图像数据按时间顺序依次导入存储的模型中并与模型耦合；按时间顺序标记第i个时间步长对应第i组数据图像；

（72）对于第i组数据图像，将其导入存储的模型中并与模型耦合后作为网格的现有信息；对于每一个网格，将网格的现有信息与初始信息进行对比，若检测到现有信息与初始信息不同，则将该网格标记为激活状态；在所有网格均比较完成后，将所有网格状态输出为基于三维直角坐标系的点阵，该点阵即代表了在第i个时间步长时示踪颗粒所处的位置；

（73）对一个时间段内的所有时间步长，进行步骤（72），即可获得在该时间段内，示踪颗粒在每个时间步长内的位置，对其进行分析即可获得示踪颗粒的运动轨迹。

本例中，R=1m，△t=0.05s，反应器4尺寸为Φ200×1500mm，示踪颗粒为大小约Φ6×10mm的木条。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种两相流系统内颗粒运动轨迹的测量装置，其特征在于：包括依次间隔布置在同一条直线l上的氩离子激光器(1)、第一圆柱透镜(2)、第二圆柱透镜(3)和反应器(4)，以反应器(4)为圆心、围绕反应器(4)的周侧均匀布置有三台光学接收器，对应每台光学接收器设置有一个光电倍增管，三个光电倍增管的输出信号经过滤波器(11)滤波后接入计算机(12)；

所述氩离子激光器(1)、第一圆柱透镜(2)、第二圆柱透镜(3)、反应器(4)和三台光学接收器均位于同一水平面s上，反应器(4)中心和光学接收器信号接收面之间的间距为R，且三台光学接收器均不位于直线l上；

所述第一圆柱透镜(2)的中轴线和第二圆柱透镜(3)的中轴线位于同一竖直面t上，第一圆柱透镜(2)的中轴线竖直，第二圆柱透镜(3)的中轴线水平；

所述反应器(4)中心和第二圆柱透镜(3)内端面之间的间距为R。

2.一种采用如权利要求1所述的装置对两相流系统内颗粒运动轨迹进行测量的方法，其特征在于：包括如下步骤：

(A)对反应器(4)全场进行基于三维直角坐标系的建模，采用六面体结构化网格对反应器(4)进行网格划分、且要求网格的体积小于待测颗粒的体积；将所建模型存储于计算机(12)，并对每一个网格进行编号；

(B)开启氩离子激光器(1)，氩离子激光器(1)发射出的柱状激光束依次经过相互垂直的第一圆柱透镜(2)和第二圆柱透镜(3)后散射为可覆盖反应器(4)的光束；

(C)光学接收器首先对未加入示踪颗粒的反应器(4)进行光信号捕捉，捕捉到的光信号经光电倍增管转换成电信号并放大后发送至滤波器(11)进行滤波，然后将滤波后的信号发送至计算机(12)；

(D)计算机(12)将接收到的信号转换成基于三维直角坐标系的带有图像灰度的信息，并将转换后的信息导入存储的模型中并与模型耦合后作为网格的初始信息，然后将所有与转换后的信息相耦合的网格标记为初始状态；

(E)关闭氩离子激光器(1)，向反应器(4)内加入示踪颗粒，然后再次开启氩离子激光器(1)，待测区域内的示踪颗粒被激光束照射后发生散射，其散射光被分布于反应器(4)周围的三台光学接收器捕捉；

(F)光学接收器捕捉到的光信号经光电倍增管转换成电信号并放大后发送至滤波器(11)进行滤波，然后将滤波后的信号发送至计算机(12)；

(G)计算机(12)对接收到的信号进行如下处理：

(G1)计算机(12)将所得信号以时间步长△t为单位转化为若干图像，然后根据图像的灰度信息将每幅图像转化为一组基于三维直角坐标系的图像数据，将各组图像数据按时间顺序依次导入存储的模型中并与模型耦合；按时间顺序标记第i个时间步长对应第i组数据图像；

(G2)对于第i组数据图像，将其导入存储的模型中并与模型耦合后作为网格的现有信息；对于每一个网格，将网格的现有信息与初始信息进行对比，若检测到现有信息与初始信息不同，则将该网格标记为激活状态；在所有网格均比较完成后，将所有网格状态输出为基于三维直角坐标系的点阵，该点阵即代表了在第i个时间步长时示踪颗粒所处的位置；

(G3)对一个时间段内的所有时间步长，进行步骤(G2)，即能够获得在该时间段内，示踪颗粒在每个时间步长内的位置，对其进行分析即获得示踪颗粒的运动轨迹。