CN106226031A - 用于粘性介质中颗粒与壁面碰撞实验的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于粘性介质中颗粒与壁面碰撞实验的实验装置，包括有：液箱；带出气口的高压气罐；竖直设置的激波管，其中高压段与高压气罐连通，低压段喷口处安装有封口单元；安装于低压段处的压力传感器；安装于液箱底部的角度可调试件架；高速摄像机；红外线测速仪；控制单元，用于接收判断来自压力传感器的压力信号，并控制红外线测速仪和高速摄像机的工作状态。整个过程由简入繁，将固液两相流设备中出现的颗粒与曲面的碰撞转化为颗粒对平面的碰撞，可实现先对尺寸较大的球形颗粒的碰撞过程进行实验研究，再逐渐过渡到小颗粒的情形上去，而且能完整检测记录颗粒的高速碰撞状态，为理论研究提供了极其宝贵和准确的基础数据和样本案例。

Description

用于粘性介质中颗粒与壁面碰撞实验的实验装置

技术领域

本发明涉及一种实验装置，尤其是一种用于粘性介质中颗粒与壁面碰撞实验的实验装置。

背景技术

固液两相流输送广泛应用于电力、石油化工、制药、冶金、水力输送等领域，对国民经济的发展起着非常重要的作用。本发明以固液两相流输运设备为研究对象，固液两相流输运设备的磨损主要决定于以下几个因素：颗粒碰撞壁面速度、碰撞角度、颗粒浓度、以及运载颗粒流体的性质、碰撞颗粒的性质等。因此对颗粒碰撞和磨损机理的研究对提高固液两相流输运设备的使用寿命和性能有着十分重要的意义。

由于现有两相流测试技术的限制，直接测量固液两相流输运设备内颗粒碰撞参数非常困难。目前，国内外对固体颗粒在粘性介质中的碰撞实验装置还不够完善，还没有十分理想的颗粒碰撞实验装置。现如今普遍使用的实验装置还停留在对干表面以及湿表面的颗粒碰撞研究，并且颗粒的碰撞速度也只停留在低速阶段，例如下落式实验装置与弹射式实验装置，只适用于做低速碰撞实验。且受速度限制无法做液体介质中的高速碰撞实验。目前国内外对在粘性介质中颗粒的碰撞反弹机理以及引起的材料磨损机理一直没有很好的解释。

因此研究和开发适用于模拟实际工况，更准确的研究和测量固液两相流中颗粒的碰撞反弹及磨损机理的新型颗粒碰撞实验装置和方法很有必要。

中国专利的授权公告号CN101975654B，公开了一种“电破膜式激波管的破膜装置”。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种结构简单，可靠性高，为粘性介质中高速碰撞提供合理实验环境的实验装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于粘性介质中颗粒与壁面碰撞实验的实验装置，包括有：

液箱，该液箱上两相对设置的箱壁处设有透视窗；

带出气口的高压气罐；

竖直设置的激波管，该激波管包括有高压段、低压段、及夹设于高压段和低压段之间的膜单元，其中高压段与高压气罐出气口通过管路连通，低压段处设有朝向液箱内部设置的喷口，该喷口处安装有封口单元；

安装于低压段处的压力传感器，该压力传感器用于监控低压段内压力状态、且产生相应的压力信号；

安装于液箱底部、且与低压段喷口位置相对应的角度可调试件架；

用于朝向角度可调试件架所在位置拍摄的高速摄像机，并产生相应的视频信号；

用于角度可调试件架处所述颗粒速度检测的红外线测速仪，并产生相应的速度信号；

控制单元，用于接收判断来自压力传感器的压力信号，并根据判断结果控制红外线测速仪和高速摄像机的工作状态。

本发明的有益效果是：膜单元的承受极限预先已知，实验用的实验颗粒预装于激波管的低压段内。液箱内承装有检测环境中的实验介质，通过高压气罐往激波管的高压段内加压，当压力增加到膜单元承受极限时，膜单元破裂，而高压气流进入低压段，此时低压段内压力徒增，紧接着封口单元被冲破，气流带着实验颗粒冲出激波管并进入实验介质。冲入实验介质的颗粒在自身动能作用下继续向下运动，直至撞击在角度可调试件架上，而撞击前的速度及影像分别通过红外线测速仪和高速摄像机记录下来，并传输至控制单元进行计算和判断。此处的控制单元为具有数据记录和储备功能的计算机。整个过程由简入繁，将固液两相流设备中出现的颗粒与曲面的碰撞转化为颗粒对平面的碰撞，可实现先对尺寸较大的球形颗粒的碰撞过程进行实验研究，再逐渐过渡到小颗粒的情形上去，而且能完整检测记录颗粒的高速碰撞状态，为理论研究提供了极其宝贵和准确的基础数据和样本案例。

由于碰撞的发生可能是多角度的，为了提供更加丰富的实验环境，因此角度可调试件架包括有：安装于液箱底部的支撑座；安装于支撑座上的碰撞台，该碰撞台底部铰接有滑架，该滑架与支撑座间滑动配合，碰撞台上远离滑架的部位铰接有套管，该套管内插设有竖直设置的螺杆；所述支撑座上开设有与螺杆相配合的螺孔。通过转动螺杆，使得碰撞台一端上升，而碰撞台底部则在支撑座处滑动，从而使得碰撞台发生倾斜，改变颗粒碰撞时的平面角度，便于研究颗粒碰撞不同平面(即曲面)时的结果。

不同温度下，介质的粘稠度将会发生变化，也即颗粒在介质中所受阻力也将不一样。因此，为了研究不同温度下颗粒在介质中的碰撞情况，在液箱内还安装有液体加热单元，该液体加热单元受控于控制单元，加热单元和控制单元间通过线路连接。为了方便检测，也可以在液箱内安装测温单元，该测温单元测量液箱内稳定后产生温度数据，该温度数据传递给控制单元，供控制单元采集和判断使用。

为了保证高速摄像机能采集到清晰的影像信息，所以实验装置还包括有用于在角度可调试件架处提供光源的照明单元。

低压段的喷口处连接有喷管，该喷管为直管、且延伸至角度可调试件架处；喷管和低压段喷口间分别设有喷管法兰、及与喷管法兰相配合的喷口法兰；所述封口单元为密封片，该密封片安装于喷管和低压段喷口的连接处。密封片可以为特定的纸片或膜片，且密封片的选择是经过特定选择的，在膜单元破裂后，同样压力冲击下，密封片也能随之破裂，从而达到颗粒的充分释放。

由于进行的是颗粒的高速碰撞实验，在激波管阶段，针对颗粒的任何细微干扰都会影响到颗粒的冲击速度和方向，进而对碰撞数据带来无比严重的干扰，使得实验结果的误差徒增。密封片破裂时会发生抖动或震动，若颗粒置放于密封片上，颗粒的运动速度和方向势必会收到干扰。为此，如何解决激波管中颗粒的准确、无干扰的释放技术则至关重要。其中一种方案是，在低压段内设有用于盛放所述颗粒的环形片，该环形片为硅胶材料制成，环形片沿低压段周向布置，环形片外周缘与低压段内壁粘合固定，环形片以粘合处为原点、且与水平面呈1～10°夹角设置。与水平面呈夹角的环形片形成一个斜坡，颗粒放置于环形片上，且落于斜坡底部，当高压气流冲击环形片时，环形片将绕原点向下翻转，从而使得颗粒从环形片上落下，此时的颗粒几乎不受干扰。而密封片的破裂不会直接影响环形片的稳定，从而避免了密封片对颗粒的影响。环形片与水平面呈1～10°夹角设置，该角度大小至关重要，既能对颗粒起到支撑，又能在翻转时减少对颗粒的阻力。

另一种方案，低压段内壁处固定有若干向上设置的倒毛，该倒毛环绕低压段周向布置；倒毛处与低压段相固定的端部为根部，任意两相邻倒毛的根部紧密相邻、且相邻间距为0～1mm；倒毛以根部为原点、且与水平面呈呈1～10°夹角设置。倒毛的设置相对于环形片更加柔软，在倒毛翻转时能进一步减少阻力，保证颗粒能保持理想的速度和方向。

另一种方案，低压段内壁处还卡设有水平设置的环形架，该环形架内环表面凸设有沿环形架周向设置的支撑毛，该支撑毛的根部与环形架内环表面固定，支撑毛的尖部朝向环形架中心延伸，各支撑毛的尖部在环形架中心位置交错叠加、且形成用于盛放所述颗粒的支撑区。通过相互交错的支撑毛尖部形成供颗粒盛放的支撑区，当高压气流冲击支撑区时，由于支撑毛尖部相对于根部更加柔软，因此颗粒几乎在零阻挡的情况下穿过支撑区，因此从管口冲出的颗粒能保持最最理想化的速度，而且几乎和理论速度保持一致，使得颗粒碰撞试验的结果贴合最理想化的状态，达到更高级别的精度。

为了监控激波管高压段的压力，则激波管的高压段处设有用于监测高压段内部压力的压力表。

控制单元包括相互串接的同步控制器和计算机，同步控制器的数据输入端与压力传感器和高速摄像机分别通过线路连接，同步控制器的数据输出端与计算机通过线路连接；计算机的数据输入端与红外线测速仪和高速摄像机分别通过线路连接。通过同步控制器的设置，能保证压力传感器在感应到压力变化的微秒时间内，通过计算机触发高速摄像机的工作，做到完全智能化的实验检测，也减少了人工误差，和不必要的能源损耗。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图。

图2为本发明实施例一角度可调试件架的结构示意图。

图3为本发明实施例一激波管低压段的剖视图。

图4为本发明实施例一的电路框图。

图5为本发明实施例二激波管低压段的剖视图，省略了部分支撑毛。

图6为本发明实施例三环形架的结构示意图，省略了部分支撑毛。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

如图1、2、3、4所示，本实施例包括控制单元1和带透视窗的液箱2，透视窗位于液箱2上两相对设置的箱壁处；液箱2外还设有高压气罐3，该高压气罐3带有出气口31；液箱2上方竖直设有激波管4，该激波管4包括有高压段41、低压段42、及夹设于高压段41和低压段42之间的膜单元43，其中高压段41与高压气罐3出气口31通过管路连通，低压段42处设有朝向液箱2内部设置的喷口421，该喷口421处安装有密封片44。在低压段42处安装有压力传感器422，该压力传感器422用于监控低压段42内压力状态、且产生相应的压力信号；在液箱2底部安装有角度可调试件架5，该角度可调试件架5与低压段42喷口421位置相对应；在角度可调试件架5所在位置还安装有高速摄像机6，高速摄像机6位于液箱2外，且通过透视窗拍摄角度可调试件架5处的碰撞，并将所拍摄的影像转化为相应的视频信号；在角度可调试件架5还安装有红外线测速仪7，该红外线测速仪7用于监测碰撞是颗粒的速度，并产生相应的速度信号；控制单元1用于接收判断来自压力传感器422的压力信号，并根据判断结果控制红外线测速仪7和高速摄像机6的工作状态。

由于碰撞的发生可能是多角度的，为了提供更加丰富的实验环境，因此角度可调试件架5包括安装于液箱2底部的支撑座51；在支撑座51上安装有碰撞台52，该碰撞台52底部铰接有滑架53，该滑架53与支撑座51间滑动配合，碰撞台52上远离滑架53的部位铰接有套管54，该套管54内插设有竖直设置的螺杆55；支撑座51上开设有与螺杆55相配合的螺孔511。为了研究不同温度下颗粒在介质中的碰撞需要，在液箱2内还安装有液体加热单元8，该液体加热单元8受控于控制单元1，加热单元8和控制单元1间通过线路连接。为了方便检测，也可以在液箱2内安装测温单元，该测温单元测量液箱2内稳定后产生温度数据，该温度数据传递给控制单元1，供控制单元1采集和判断使用。为了保证高速摄像机6能采集到清晰的影像信息，在角度可调试件架5处还安装有用于提供光源的照明单元21，照明单元21可以位于液箱2内，也可以位于液箱2外，若在液箱2内需要做好防水处理。

低压段42的喷口421处连接有喷管45，该喷管45为直管、且延伸至角度可调试件架5处；喷管45和低压段42喷口421间分别设有喷管法兰、及与喷管法兰相配合的喷口法兰，密封片44安装于喷管45和低压段42喷口421的连接处。根据不同压力测试的需要，密封片44可以为特定的纸片或膜片，根据实际需要进行调配。为了监控激波管4高压段41的压力，则激波管4的高压段41处设有用于监测高压段41内部压力的压力表411。

控制单元1包括相互串接的同步控制器11和计算机12，同步控制器11的数据输入端与压力传感器422和高速摄像机6分别通过线路连接，同步控制器11的数据输出端与计算机12通过线路连接；计算机12的数据输入端与红外线测速仪7和高速摄像机6分别通过线路连接。通过同步控制器11的设置，能保证压力传感器422在感应到压力变化的微秒时间内，通过计算机12触发高速摄像机的工作，做到完全智能化的实验检测，也减少了人工误差，和不必要的能源损耗。

由于进行的是颗粒的高速碰撞实验，在激波管4阶段，针对颗粒的任何细微干扰都会影响到颗粒的冲击速度和方向，进而对碰撞数据带来无比严重的干扰，使得实验结果的误差徒增。密封片44破裂时会发生抖动或震动，若颗粒置放于密封片44上，颗粒的运动速度和方向势必会收到干扰。为此，如何解决激波管4中颗粒的准确、无干扰的释放技术则至关重要。其中一种方案是，在低压段42内设有用于盛放颗粒的环形片423，该环形片423为硅胶材料制成，环形片423沿低压段42周向布置，环形片423外周缘与低压段42内壁粘合固定，环形片423以粘合处为原点、且与水平面呈1～10°夹角设置。与水平面呈夹角的环形片423形成一个斜坡，颗粒放置于环形片423上，且落于斜坡底部，当高压气流冲击环形片423时，环形片423将绕原点向下翻转，从而使得颗粒从环形片423上落下，此时的颗粒几乎不受干扰。而密封片44的破裂不会直接影响环形片423的稳定，从而避免了密封片44对颗粒的影响。环形片423与水平面呈1～10°夹角设置，该角度大小至关重要，既能对颗粒起到支撑，又能在翻转时减少对颗粒的阻力。

本发明中，膜单元43和密封片44的承受极限预先已知，实验用的实验颗粒预装于激波管4的低压段42内。特别是激波管4的结构和功能均为现有技术，在此不做赘述。液箱2内承装有检测环境中的实验介质，通过高压气罐往激波管4的高压段41内加压，当压力增加到膜单元43承受极限时，膜单元43破裂，而高压气流进入低压段42，此时低压段42内压力徒增，紧接着密封片44被冲破，气流带着实验颗粒冲出激波管4并进入实验介质。冲入实验介质的颗粒在自身动能作用下继续向下运动，直至撞击在角度可调试件架5上，而撞击前的速度及影像分别通过红外线测速仪7和高速摄像机6记录下来，并传输至控制单元1进行计算和判断。此处的控制单元1为具有数据记录和储备功能的计算机12。整个过程由简入繁，将固液两相流设备中出现的颗粒与曲面的碰撞转化为颗粒对平面的碰撞，可实现先对尺寸较大的球形颗粒的碰撞过程进行实验研究，再逐渐过渡到小颗粒的情形上去，而且能完整检测记录颗粒的高速碰撞状态，为理论研究提供了极其宝贵和准确的基础数据和样本案例。

实施例二：如图5所示，与实施例一的区别仅在于，低压段42内壁处固定有若干向上设置的倒毛424，该倒毛424环绕低压段42周向布置；倒毛424处与低压段42相固定的端部为根部，任意两相邻倒毛424的根部紧密相邻、且相邻间距为0～1mm；倒毛424以根部为原点、且与水平面呈呈1～10°夹角设置。倒毛424的设置相对于环形片423更加柔软，在倒毛424翻转时能进一步减少阻力，保证颗粒能保持理想的速度和方向。

实施例三：如图6所示，与实施例一的区别仅在于，低压段42内壁处还卡设有水平设置的环形架425，该环形架425内环表面凸设有沿环形架425周向设置的支撑毛4251，该支撑毛4251的根部与环形架425内环表面固定，支撑毛4251的尖部朝向环形架425中心延伸，各支撑毛4251的尖部在环形架425中心位置交错叠加、且形成用于盛放颗粒的支撑区4252。通过相互交错的支撑毛4251尖部形成供颗粒盛放的支撑区4252，当高压气流冲击支撑区4252时，由于支撑毛4251尖部相对于根部更加柔软，因此颗粒几乎在零阻挡的情况下穿过支撑区4252，因此从喷口421冲出的颗粒能保持最最理想化的速度，而且几乎和理论速度保持一致，使得颗粒碰撞试验的结果贴合最理想化的状态，达到更高级别的精度。

Claims (10)

1.一种用于粘性介质中颗粒与壁面碰撞实验的实验装置，其特征是，包括有：

液箱，该液箱上两相对设置的箱壁处设有透视窗；

带出气口的高压气罐；

竖直设置的激波管，该激波管包括有高压段、低压段、及夹设于高压段和低压段之间的膜单元，其中高压段与高压气罐出气口通过管路连通，低压段处设有朝向液箱内部设置的喷口，该喷口处安装有封口单元；

安装于低压段处的压力传感器，该压力传感器用于监控低压段内压力状态、且产生相应的压力信号；

安装于液箱底部、且与低压段喷口位置相对应的角度可调试件架；

用于朝向角度可调试件架所在位置拍摄的高速摄像机，并产生相应的视频信号；

用于角度可调试件架处所述颗粒速度检测的红外线测速仪，并产生相应的速度信号；

控制单元，用于接收判断来自压力传感器的压力信号，并根据判断结果控制红外线测速仪和高速摄像机的工作状态。

2.根据权利要求1所述的用于粘性介质中颗粒与壁面碰撞实验的实验装置，其特征是，所述角度可调试件架包括有：

安装于液箱底部的支撑座；

安装于支撑座上的碰撞台，该碰撞台底部铰接有滑架，该滑架与支撑座间滑动配合，碰撞台上远离滑架的部位铰接有套管，该套管内插设有竖直设置的螺杆；

所述支撑座上开设有与螺杆相配合的螺孔。

3.根据权利要求1所述的用于粘性介质中颗粒与壁面碰撞实验的实验装置，其特征是：所述液箱内还安装有液体加热单元，该液体加热单元受控于控制单元，加热单元和控制单元间通过线路连接。

4.根据权利要求1所述的用于粘性介质中颗粒与壁面碰撞实验的实验装置，其特征是：所述实验装置还包括有用于在角度可调试件架处提供光源的照明单元。

5.根据权利要求1所述的用于粘性介质中颗粒与壁面碰撞实验的实验装置，其特征是：所述低压段的喷口处连接有喷管，该喷管为直管、且延伸至角度可调试件架处；喷管和低压段喷口间分别设有喷管法兰、及与喷管法兰相配合的喷口法兰；所述封口单元为密封片，该密封片安装于喷管和低压段喷口的连接处。

6.根据权利要求5所述的用于粘性介质中颗粒与壁面碰撞实验的实验装置，其特征是：所述低压段内设有用于盛放所述颗粒的环形片，该环形片为硅胶材料制成，环形片沿低压段周向布置，环形片外周缘与低压段内壁粘合固定，环形片以粘合处为原点、且与水平面呈1～10°夹角设置。

7.根据权利要求5所述的用于粘性介质中颗粒与壁面碰撞实验的实验装置，其特征是：所述低压段内壁处固定有若干向上设置的倒毛，该倒毛环绕低压段周向布置；倒毛处与低压段相固定的端部为根部，任意两相邻倒毛的根部紧密相邻、且相邻间距为0～1mm；倒毛以根部为原点、且与水平面呈呈1～10°夹角设置。

8.根据权利要求5所述的用于粘性介质中颗粒与壁面碰撞实验的实验装置，其特征是：所述低压段内壁处还卡设有水平设置的环形架，该环形架内环表面凸设有沿环形架周向设置的支撑毛，该支撑毛的根部与环形架内环表面固定，支撑毛的尖部朝向环形架中心延伸，各支撑毛的尖部在环形架中心位置交错叠加、且形成用于盛放所述颗粒的支撑区。

9.根据权利要求1所述的用于粘性介质中颗粒与壁面碰撞实验的实验装置，其特征是：激波管的高压段处设有用于监测高压段内部压力的压力表。

10.根据权利要求1所述的用于粘性介质中颗粒与壁面碰撞实验的实验装置，其特征是：控制单元包括相互串接的同步控制器和计算机，同步控制器的数据输入端与压力传感器和高速摄像机分别通过线路连接，同步控制器的数据输出端与计算机通过线路连接；计算机的数据输入端与红外线测速仪和高速摄像机分别通过线路连接。