CN106370391A - 一种气泡减阻特性测试的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气泡减阻特性测试的实验装置，其包括储液箱，槽道湍流发展段，并设有电解板用于给液体加气，还包括槽道湍流测试段，并设有压差计和高速摄像机，连接槽道湍流发展段的进液腔室，连接槽道湍流测试段的出液腔室，连接储液箱与进液腔室的进液管，并设有循环水泵和流量计，连接出液腔室与储液箱的出液管，以及数据收集器和计算机。本发明采用电解法在液体中加入的气泡，加入气泡的程度更为均匀，进而会减少实验时的误差；由于电解面积对产生的体积分数影响很大，本发明采用阴极电解板和阳极电解板，相比于金属丝，电解板将能够获得更大的气相体积分数。

Description

一种气泡减阻特性测试的实验装置

技术领域

本发明属于泡状液体减阻特性研究领域，特别涉及一种气泡减阻特性测试的实验装置。

背景技术

在环境恶化、资源短缺的今天，节能减排依然是21世纪所要考虑的问题。气泡减阻由于加入的气体天然无污染，且气泡在船舶航运以及管道输运方面，有着很大的减阻效率，对泡状流进一步的实验，探寻最佳的减阻效率、以及泡状流减阻机理尤其重要。

但是由于湍流的复杂性，以及泡状液体中气液两相复杂的相互作用，使得我们在探寻泡状液体中气泡对于摩擦阻力的影响方面产生了很大的阻力。

目前很多的学者对泡状液体展开了实验研究，文献中多采用微孔法加气方式，由于压缩机在控制气相压力的时候，容易出现压力的波动，而造成产生的气泡不均匀。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了探寻泡状液体中气泡对于摩擦阻力的影响，本发明提供一种气泡减阻特性测试的实验装置，进一步提高持续加入气泡的均匀性，与传统的电解金属丝相比能够产生更大气相体积分数以及气泡。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种气泡减阻特性测试的实验装置，包括储液箱、循环水泵、节流阀、流量计、进液腔室、槽道湍流发展段、槽道湍流测试段、高速摄像机和出液腔室，流量计与进液腔室之间通过进液管相连，进液腔室内设有滤网，所述槽道湍流发展段设有阴极电解板和阳极电解板，槽道湍流测试段还设有用于测试槽道湍流测试段的压差的压差计，出液腔室与储液箱通过出液管相连。

储液箱中流出的纯净的液体在依次通过循环水泵、节流阀和流量计，流经进液管后到达进液腔室，进液腔室内的液体在流经滤网过滤后，到达槽道湍流发展段，槽道湍流发展段通过阴极电解板和阳极电解板在液体中加入气泡，形成泡状液体进入槽道湍流测试段，高速摄像机拍摄槽道湍流测试段的泡状液体中气泡的形状，测试完成的泡状液体在流经出液腔室和出液管后到达储液箱。

阴极电解板和阳极电解板分别通过通电金属丝与外界直流电压连接。

还包括数据收集器和计算机，所述数据收集器接收流量计和压差计的数据，所述计算机接收高速摄像机和数据收集器的数据。

阴极电解板和阳极电解板为平板状，且阴极电解板和阳极电解板沿槽道湍流发展段的水流方向依次设置，阴极电解板布置在阳极电解板的上游。

还包括螺纹杆、水闸开关和槽道水闸，所述阴极电解板和阳极电解板外设有橡胶密封片，槽道湍流发展段的槽道侧面上设有槽道水闸，方便金属电解板的换取，螺纹杆与水闸开关控制槽道水闸的开启与关闭，所述橡胶密封片位于槽道湍流发展段内且通过橡胶密封片密封槽道水闸。

螺纹杆与水闸开关通过相互之间的螺纹啮合控制槽道水闸的启动和关闭。

槽道水闸由所述橡胶密封片四面包裹。

槽道水闸高度高于阴极电解板以及阳极电解板的厚度，使得槽道水闸在高度上要覆盖阴极电解板和阳极电解板。

槽道湍流发展段与进液腔室连接的部位设有槽道渐缩结构，槽道湍流测试段与出液腔室连接的部位设有槽道渐扩段，进液腔室内的液体在流经滤网过滤后，经过槽道渐缩结构后在到达槽道湍流发展段，槽道湍流测试段的泡状液体经过槽道渐扩段流入出液腔室。

本发明的有益效果是，本发明的一种气泡减阻特性测试的实验装置，由于电压的稳定性要比压缩机要好，本发明采用电解法在液体中加入的气泡，加入气泡的程度更为均匀，进而会减少实验时的误差；由于电解面积对产生的体积分数影响很大，本发明采用阴极电解板和阳极电解板，相比于金属丝，电解板将能够获得更大的气相体积分数。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是一种气泡减阻特性测试的实验装置的示意图。

图2是槽道湍流发展段阴极电解板和阳极电解板电解后金属离子运动的示意图。

图3是槽道电解板安放区域的俯视图。

图4是槽道水闸开启时图3的A-A剖面示意图。

图5是槽道水闸开启时图3的B-B剖面示意图。

图6是槽道水闸关闭时图3的A-A剖面示意图。

图7是槽道水闸关闭时图3的B-B剖面示意图。

图中1、储液箱，2、槽道湍流发展段，3、槽道湍流测试段，4、进液腔室，5、出液腔室，6、进液管，7、出液管，8、循环水泵，9、滤网，10、槽道过滤网，11、流量计，12、压差计，13、数据收集器，14、高速摄像机，15、计算机，16、水箱排水阀，17、节流阀，18、进液腔排水阀，19、出液腔室排水阀，20、阴极电解板，21、阳极电解板，22、槽道水闸，23、螺纹杆，24、水闸开关，25、橡胶密封片，26、阴极通电金属丝，27、阳极通电金属丝，28、第一法兰，29、第三法兰，30、进液腔室放空阀，31、出液腔室排空阀，32、第二法兰。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“远离”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

图1的一种气泡减阻特性测试的实验装置，其循环回路包括储液箱1，储液箱1下方设置有水箱排水阀16，从出液管7中流出来的泡状液体将在储液箱1中排出空气；从循环水泵8出来的液体将通过节流阀17来调节液体流量，由节流阀17调节过的液体在流经流量计11的时候被记录下来，并暂时存储到数据收集器13中。通过流量计11的液体在经过进液管6后到达进液腔室4，在进液腔室4内的液体将通过滤网9的过滤，进液腔室4上设有进液腔排水阀18，并且残存于液体中的气体也将在进液腔室4内上浮，并通过进液腔室放空阀30排出气体。槽道入口处气体的排出，进液腔室4顶端采用放空阀30排放掉水中空气，以及滤网9，过滤掉水中杂质。

净化后的纯净的液体在经过一段槽道渐缩结构后在到达槽道湍流发展段2。进液腔室4与槽道湍流发展段2通过第一法兰28相连，槽道渐缩结构和槽道过滤网10是为了防止二维槽道出现较大的涡流体经过。液体内通过阴极电解板20与阳极电解板21电解加入气泡形成泡状液体进入槽道湍流测试段3，液体在槽道湍流发展段2湍流得到充分发展，槽道湍流测试段3与槽道湍流发展段2通过第二法兰32相连。槽道湍流发展段2通过阴极电解板20与阳极电解板21电解加入气泡，阴极电解板20放置在槽道上游，阳极电解板21放置在阴极电解板20下游5mm的地方，阴极电解板20在电解过程中产生氢气与氧气，并使得阴极电解板20上金属离子失去电子，而形成游离的金属离子。槽道湍流发展段2的槽道中的水流会带动游离的金属离子向下游流去，并吸附于阳极电解板21上。

在槽道湍流测试段3将得到充分发展的湍流，泡状液体在流经50mm的压差测试段时，压差计12会记录此时压差数据和高速摄像机14会捕获压差测试段泡状流图像，槽道湍流测试段3在中心位置设置压差计12，用来测量槽道测试段3的相距50mm的压降。压差计12以及流量计11的数据通过数据收集器13传输给计算机15的同时，采用高速摄像机14记录这一时刻的泡状液体图像。

泡状液体在流经出液腔室5时会经过槽道渐扩段，这是为了防止液体震荡而产生回流影响测试段效果。出液腔室5设有出液腔室排水阀19，进液腔室4与槽道湍流测试段3通过第三法兰29相连，出液腔室排空阀31将排掉出液腔室5内的部分气体，大部分的泡状流中的气体在经过出液管7后到达储液箱1，并在储液箱1中排掉空气。

图2为槽道湍流发展段2中，阴极电解板20和阳极电解板21电解后金属离子运动的示意图，X方向为槽道顺流方向，即水流方向，Y方向为槽道法向。阴极电解板20在电解过程中产生游离的金属离子受到水流方向的影响，将更快地抵达阳极电解板21，这将增大电解效率，产生更多的气体并节省电源。

槽道湍流测试段3内设置电解板的部位设有用来置换电解板的装置，此装置通过螺纹杆23与水闸开关24控制槽道水闸22的开启与关闭。当槽道水闸22开启时，可置换阴极电解板20和阳极电解板21；当槽道水闸22关闭时，可用于槽道实验测试，槽道水闸22通过橡胶密封片25密封，发生弹性形变的橡胶密封片25，可在槽道水闸22关闭时，密封住槽道内的液体。槽道水闸22内设有通电金属丝，通过通电金属丝可以将槽道内部作为换阴极电解板20和阳极电解板21的金属板与外界的直流电源相连接。

图3是槽道电解板安放区域的俯视图。图中X方向为槽道顺流方向，Z方向为槽道翼展方向，Z方向与X方向和Y方向均垂直。图3中A-A、B-B标出了图4、图5、图6和图7中剖面的位置，阴极电解板20和阳极电解板21安放在槽道湍流发展段2，通过水闸开关24控制槽道水闸22的开启，来更换阴极电解板20以及阳极电解板21。

图4、图5分别是槽道水闸22开启时图3的A-A剖面示意图和B-B剖面示意图。图中螺纹杆23与水闸开关24控制槽道水闸22的开启，开启槽道水闸22后，可以更换阴极电解板20和阳极电解板21。

图6，图7是槽道水闸22关闭时图3的A-A剖面示意图和B-B剖面示意图。图中螺纹杆23与水闸开关24控制槽道水闸22的关闭，当更换阴极电解板20以及阳极电解板21后，槽道水闸22在螺纹杆23与水闸开关24的控制下关闭，并通过橡胶密封片25密封槽道水闸22，阴极电解板20的阴极通电金属丝26与阳极阳极电解板21的阳极通电金属丝27用来将电解板与外界直流电压连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种气泡减阻特性测试的实验装置，其特征在于：包括储液箱(1)、循环水泵(8)、节流阀(17)、流量计(11)、进液腔室(4)、槽道湍流发展段(2)、槽道湍流测试段(3)、高速摄像机(14)和出液腔室(5)，流量计(11)与进液腔室(4)之间通过进液管(6)相连，进液腔室(4)内设有滤网(9)，所述槽道湍流发展段(2)设有阴极电解板(20)和阳极电解板(21)，槽道湍流测试段(3)还设有用于测试槽道湍流测试段(3)的压差的压差计(12)，出液腔室(5)与储液箱(1)通过出液管(7)相连；

储液箱(1)中流出的纯净的液体在依次通过循环水泵(8)、节流阀(17)和流量计(11)，流经进液管(6)后到达进液腔室(4)，进液腔室(4)内的液体在流经滤网(9)过滤后，到达槽道湍流发展段(2)，槽道湍流发展段(2)通过阴极电解板(20)和阳极电解板(21)在液体中加入气泡，形成泡状液体进入槽道湍流测试段(3)，高速摄像机(14)拍摄槽道湍流测试段(3)的泡状液体中气泡的形状，测试完成的泡状液体在流经出液腔室(5)和出液管(7)后到达储液箱(1)。

2.如权利要求1所述的一种气泡减阻特性测试的实验装置，其特征在于：阴极电解板(20)和阳极电解板(21)分别通过通电金属丝与外界直流电压连接。

3.如权利要求1所述的一种气泡减阻特性测试的实验装置，其特征在于：还包括数据收集器(13)和计算机(15)，所述数据收集器(13)接收流量计(11)和压差计(12)的数据，所述计算机(15)接收高速摄像机(14)和数据收集器(13)的数据。

4.如权利要求1所述的一种气泡减阻特性测试的实验装置，其特征在于：阴极电解板(20)和阳极电解板(21)为平板状，且阴极电解板(20)和阳极电解板(21)沿槽道湍流发展段(2)的水流方向依次设置，阴极电解板(20)布置在阳极电解板(21)的上游。

5.如权利要求1所述的一种气泡减阻特性测试的实验装置，其特征在于：还包括螺纹杆(23)、水闸开关(24)和槽道水闸(22)，所述阴极电解板(20)和阳极电解板(21)外设有橡胶密封片(25)，槽道湍流发展段(2)的槽道侧面上设有槽道水闸(22)，并通过螺纹杆(23)与水闸开关(24)控制槽道水闸(22)的开启与关闭，所述橡胶密封片(25)位于槽道湍流发展段(2)内且通过橡胶密封片(25)密封槽道水闸(22)。

6.如权利要求5所述的一种气泡减阻特性测试的实验装置，其特征在于：螺纹杆(23)与水闸开关(24)通过相互之间的螺纹啮合控制槽道水闸(22)的启动和关闭。

7.如权利要求5所述的一种气泡减阻特性测试的实验装置，其特征在于：槽道水闸(22)由所述橡胶密封片(25)四面包裹。

8.如权利要求5所述的一种气泡减阻特性测试的实验装置，其特征在于：槽道水闸(22)高度高于阴极电解板(20)以及阳极电解板的厚度(21)。

9.如权利要求1所述的一种气泡减阻特性测试的实验装置，其特征在于：槽道湍流发展段(2)与进液腔室(4)连接的部位设有槽道渐缩结构，槽道湍流测试段(3)与出液腔室(5)连接的部位设有槽道渐扩段，进液腔室(4)内的液体在流经滤网(9)过滤后，经过槽道渐缩结构后在到达槽道湍流发展段(2)，槽道湍流测试段(3)的泡状液体经过槽道渐扩段流入出液腔室(5)。