CN105628959A - 一种利用探针测量气液反应器内气泡尺寸的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用探针测量气液反应器内气泡尺寸的方法。在气泡的上浮方向上，布置至少6个探针，且建立x,y,z三维坐标系，并确定各探针在该坐标系中的位置；提取气泡上浮方向上，中心位置两个探针依次与气泡接触的时间间隔；计算气泡的上浮速度；在所建立的坐标系下，基于气泡的上浮速度确定气液界面处探针与气泡的十个不同接触点的空间坐标；将得到的十个接触点的空间坐标带入椭球体一般方程，建立十元一次方程组；求解上述十元一次方程组，确定椭球体一般方程的系数，进而确定该气泡的解析方程；根据该气泡的解析方程，求得该气泡的赤道半径和极半径参数。本发明解决了两相流研究中气泡的赤道半径和极半径不可测的问题即传统摄像法存在的实时性问题。

Description

一种利用探针测量气液反应器内气泡尺寸的方法

所属技术领域

本发明涉及测量气液反应器内气泡尺寸的方法，具体涉及一种利用探针测量气液反应器内气泡尺寸的方法。

背景技术

气液两相流现象广泛存在于化工、冶金、石油、动力以及核工程等工业领域，如冶金中钢包吹氩精炼、泡沫金属材料的吹气法制备、化工行业的环流多相反应器等，都涉及到了气液两相流体系。在该体系中，主要通过向反应器内鼓入气体以产生气泡，通过上浮气泡提供实现物理化学反应的反应界面。因此，气泡上浮速度、赤道半径和极半径等参数的测定对于反应实际生产过程具有重要意义。然而由于该体系极为复杂，相应的参数测量具有较大难度。

目前按照是否对气液两相流体系产生直接影响，针对气泡的测量方法主要可分为以下非接触式及接触式两类。非接触式方法一般采用摄像方法，如高速摄像仪、X射线照相法等，接触式测量方法一般是将探头传感器置于待测位置，通过将传感器返回信息进行处理，采用特定算法分析获得气泡上浮速度、含气率等相关参数，常用的传感器探头有电阻探头、电容探头、声导探头及光导探头等。上述方法各有优缺点，如摄像法不仅可以测量气泡形状和尺寸，还可以测量气泡上浮速度，也不会对流场产生干扰，但这种方法实时性差，需要计算机对拍摄的图像进行后处理，并且摄像法无法应用于不透明液体；另一方面，采用传感器探头可以测量含气率、气泡上浮速度，但是无法获得待测气泡的具体形状参数，对于气泡尺寸也是通过关联式，根据上浮速度反推得到。这种算法获得的气泡尺寸是间接得到的，因而数据的准确性误差大。

发明内容

针对现有方法存在的不足，本发明提出一种利用探针测量气液反应器内气泡尺寸的方法。

本发明所采用的技术方案是这样实现的：

一种利用探针测量气液反应器内气泡尺寸的方法，包括如下步骤：

步骤1：在气泡的上浮方向上，布置至少6个探针，且建立x,y,z三维坐标系，确定各探针在该坐标系中的位置；

在气泡的中心位置布置两个具有一定尖端距离而水平方向距离可忽略的探针，在气泡的四周布置至少四个水平方向保持一定距离的探针；

步骤2：提取气泡上浮方向上，中心位置两个探针依次与气泡接触的时间间隔；

步骤3：根据中心位置两个探针的尖端距离及气泡上浮方向这两个探针依次与气泡接触的时间间隔，计算气泡的上浮速度；

步骤4：在所建立的坐标系下，基于气泡的上浮速度确定气液界面处探针与气泡的十个不同接触点的空间坐标；

步骤5：将步骤4得到的十个接触点的空间坐标带入椭球体一般方程，建立十元一次方程组；

步骤6：求解上述十元一次方程组，确定椭球体一般方程的各系数值，进而确定了该气泡的解析方程；

步骤7：根据该气泡的解析方程，求得该气泡的赤道半径和极半径参数。

根据所述的利用探针测量气液反应器内气泡尺寸的方法，所述探针为电导探针或者光导探针。

根据所述的利用探针测量气液反应器内气泡尺寸的方法，所述步骤1中所述的x,y,z三维坐标系的坐标轴,z轴位于气泡中心位置两个探针所在的直线。

根据所述的利用探针测量气液反应器内气泡尺寸的方法，所述椭球体一般方程为AX²+BY²+CZ²+DXY+EXZ+FYZ+GX+HY+IZ+J＝0；所述椭球体一般方程的系数为A、B、C、D、E、F、G、H、I和J。

本发明的有益效果是：本发明的一大优势在于通过本发明的测量方法可以计算出在指定坐标系下的气泡的解析方程，且可以同时获得气液反应器中气泡的上浮速度、赤道半径和极半径，从而解决了两相流研究中气泡的赤道半径和极半径不可测的问题，并解决了传统摄像法存在的实时性问题及解决了传统探头法存在的无法测量气泡形状的问题。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的利用探针测量气液反应器内气泡尺寸的方法流程图；

图2为本发明一种实施方式针对上浮气泡布置6个探针与建立x,y,z三维坐标系的相互关系示意图；

图3(a)为本发明一种实施方式的探针a尖端与上浮气泡第一次接触的示意图；(b)为探针b尖端与(a)中上浮气泡第一次接触的示意图；(c)为探针a尖端与(a)中上浮气泡第二次接触的示意图；(d)为探针b尖端与(a)中上浮气泡第二次接触的示意图；

图4为本发明实施例中6个探针与建立的x,y,z三维坐标系及气泡之间的相互关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本实施方式的利用探针测量气液反应器内气泡尺寸的方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤1：在气泡的上浮方向上，布置至少6个探针，且建立x,y,z三维坐标系，确定各探针在该坐标系中的位置；

如图2所示，针对气泡的中心位置布置两个尖端距离为Δh而水平方向距离可忽略的探针a和探针b，针对气泡的四周布置布置至少四个水平方向保持一定距离的探针c、探针d、探针e和探针f。本实施方式中的探针a、探针b、探针c、探针d、探针e和探针f均为尖端裸露的电导探针(也可以是光导探针)。

本实施方式中以坐标轴,z轴位于探针a与探针b所在的直线，建立的x,y,z三维坐标系。则在该坐标系中，探针a的尖端的位置为(x_a,y_a,z_a)、探针c、d、e和f的尖端位置分别为c(x_c,y_c,z_c)、d(x_d,y_d,z_d)、e(x_e,y_e,z_e)和f(x_f,y_f,z_f)，则探针c与探针a的尖端距离为Δx_acΔy_acΔz_ac，探针d、e和f与探针a的尖端距离分别为Δx_adΔy_adΔz_ad、Δx_aeΔy_aeΔz_ae和Δx_afΔy_afΔz_af。

步骤2：提取气泡上浮方向上，中心位置两个探针依次与气泡接触的时间间隔；

如图3(a)所示，气泡中心位置的探针a第一次接触气泡表面时,设定此时刻为t_a1，随着气泡上浮，如图3(b)所示，在t_b1时刻，中心探针b第一次接触气泡表面。这两次接触的时间差为Δt_b1-a1＝t_b1-t_a1，即为两个探针依次与气泡接触的时间间隔。也可以利用如图3(c)所示的探针a第二次接触气泡表面的时刻与图3(d)所示的探针b第二次接触气泡表面的时刻的时间差作为两个探针依次与气泡接触的时间间隔；

步骤3：根据中心位置两个探针的尖端距离及气泡上浮方向这两个探针依次与气泡接触的时间间隔，计算气泡的上浮速度；

根据中心位置两个探针的尖端距离Δh及气泡上浮方向这两个探针依次与气泡接触的时间间隔Δt_b1-a1，气泡上浮速度可表示为

步骤4：在所建立的坐标系下，基于气泡的上浮速度确定气液界面处探针与气泡的十个不同接触点a1、a2、c1、c2、d1、d2、e1、e2、f1、f2的空间坐标；

探针a第一次接触气泡表面的接触点为a1，则该接触点a1在所建立坐标系下的具体坐标为(x_a,y_a,z_a)，

随着气泡的上浮，探针a第二次接触气泡表面的接触点为a2，则该接触点a2在所建立坐标系下的具体坐标为其中Δt_a2-a1＝t_a2-t_a1，t_a2为探针c第二次接触气泡表面(如图3(c)所示)的时刻；

探针c第一次接触气泡表面的接触点为c1，则该接触点c1在所建立坐标系下的具体坐标为其中Δt_c1-a1＝t_c1-t_a1，t_c1为探针c第一次接触气泡表面的时刻；同理有：

探针c第二次接触气泡表面的接触点为c2，则接触点c2在所建立坐标系下的具体坐标为其中Δt_c2-a1＝t_c2-t_a1，t_c2为探针c第二次接触气泡表面的时刻。

探针d第一次接触气泡表面的接触点为d1，则接触点d1在所建立坐标系下的具体坐标为其中Δt_d1-a1＝t_d1-t_a1，t_d1为探针d第一次接触气泡表面的时刻。

探针d第二次接触气泡表面的接触点为d2，则接触点d2在所建立坐标系下的具体坐标为其中Δt_d2-a1＝t_d2-t_a1，t_d2为探针d第二次接触气泡表面的时刻。

探针e第一次接触气泡表面的接触点为e1，则接触点e1在所建立坐标系下的具体坐标为其中Δt_e1-a1＝t_e1-t_a1，t_e1为探针d第一次接触气泡表面的时刻。

探针e第二次接触气泡表面的接触点为e2，则接触点e2在所建立坐标系下的具体坐标为其中Δt_d2-a1＝t_e2-t_a1，t_e2为探针d第二次接触气泡表面的时刻。

探针f第一次接触气泡表面的接触点为f1，则接触点f1在所建立坐标系下的具体坐标为其中Δt_f1-a1＝t_f1-t_a1，t_f1为探针f第一次接触气泡表面的时刻。

探针f第二次接触气泡表面的接触点为f2，则接触点f2在所建立坐标系下的具体坐标为其中Δt_f2-a1＝t_f2-t_a1，t_f2为探针d第二次接触气泡表面的时刻。

步骤5：将所获得的十个接触点的空间坐标带入椭球体一般方程，建立十元一次方程组；将所获得的十个接触点的空间坐标带入如下所示的椭球体一般方程：

AX²+BY²+CZ²+DXY+EXZ+FYZ+GX+HY+IZ+J＝0

可以得到十元一次方程组：

$\left(\begin{array}{ccccc}{X}_{a1}^2& Y_{a1}^2& Z_{a1}^2& X_{a1}{Y}_{a1}& ...\\ X_{a2}^2& Y_{a2}^2& Z_{a2}^2& X_{a2}{Y}_{a2}& ...\\ X_{c1}^2& Y_{c1}^2& Z_{c1}^2& X_{c1}{Y}_{c1}& ...\\ X_{c2}^2& Y_{c2}^2& Z_{c2}^2& X_{c2}{Y}_{c2}& ...\\ ...& ...& ...& ...& ...\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}A\\ B\\ C\\ D\\ ...\end{array}\right)=0.$

步骤6：求解上述十元一次方程组，确定椭球体一般方程的系数A,B,C,D，E,F,G,H,I,J，进而确定该气泡的解析方程；

步骤7：根据该气泡的解析方程，求得该气泡的赤道半径和极半径。

实施例

此实例采用六根探针，两根探针a、b位于气泡中心位置，这两根探针间的水平距离很近，可以忽略不计，两根探针a、b的垂直距离即尖端距离为2mm，即Δh＝2mm。探针c、d、e、f对称布置在探针a、b的四周。以坐标轴z轴位于探针a与探针b所在的直线，以探针a的尖端所在位置为坐标原点，建立x,y,z三维坐标系，如图4所示。其余探针尖端的位置分别为c(-1,0.5,1)，d(1,0.5,1)，e(1,-0.5,1)，f(-1,-0.5,1)。经过采集电路测定得到一组数据，Δt_b1-a1＝4ms，

Δt_c1-a1＝Δt_d1-a1＝Δt_e1-a1＝Δt_f1-a1＝2.586ms，

Δt_c2-a1＝Δt_d2-a1＝Δt_e2-a1＝Δt_f2-a1＝5.414ms，Δt_a2-a1＝4ms。根据步骤4所述的方法可得到十个接触点的坐标分别为a1(0,0,0)，c1(-1,0.5,-0.293)，d1(1,0.5,-0.293)，e1(1,-0.5,-0.293)，f1(-1,-0.5,-0.293)，a2(0,0,-2)，c2(-1,0.5,-1.707)，d2(1,0.5,-1.707)，e2(1,-0.5,-1.707)，f2(-1,-0.5,-1.707)。将上述十个接触点的坐标带入椭球一般方程中，可得到十元一次方程组，求解方程组得到A＝1,B＝4,C＝4,D＝0,E＝0,F＝0,G＝0,H＝0,I＝-8,J＝0。进而可以得到本实施例中的气泡的解析方程为X²+4Y²+4Z²-8Z＝0，根据该解析方程，可以得到该气泡的赤道半径a＝2mm,b＝1mm，极半径c＝1mm。

Claims (4)

1.一种利用探针测量气液反应器内气泡尺寸的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：在气泡的上浮方向上，布置至少6个探针，且建立x,y,z三维坐标系，并确定各探针在该坐标系中的位置；

在气泡的中心位置布置两个具有一定尖端距离而水平方向距离可忽略的探针，在气泡的四周布置至少四个水平方向保持一定距离的探针；

步骤2：提取气泡上浮方向上中心位置两个探针依次与气泡接触的时间间隔；

步骤3：根据中心位置两个探针的尖端距离及气泡上浮方向这两个探针依次与气泡接触的时间间隔，计算气泡的上浮速度；

步骤4：在所建立的坐标系下，基于气泡的上浮速度确定气液界面处探针与气泡的十个不同接触点的空间坐标；

步骤5：将步骤4得到的十个接触点的空间坐标带入椭球体一般方程，建立十元一次方程组；

步骤6：求解上述十元一次方程组，确定椭球体一般方程的系数，进而确定气泡的解析方程；

步骤7：根据气泡的解析方程，求得该气泡的赤道半径和极半径参数。

2.根据权利要求1所述的探针测量气液反应器内气泡尺寸的方法，其特征在于：所述探针为电导探针或者光导探针。

3.根据权利要求1所述的探针测量气液反应器内气泡尺寸的方法，其特征在于：所述步骤1中所述的x,y,z三维坐标系的坐标轴,z轴位于气泡中心位置两个探针所在的直线。

4.根据权利要求1所述的探针测量气液反应器内气泡尺寸的方法，其特征在于：所述椭球体一般方程为AX²+BY²+CZ²+DXY+EXZ+FYZ+GX+HY+IZ+J＝0；所述椭球体一般方程的系数为A、B、C、D、E、F、G、H、I和J。