CN106526224B - 一种固液两相流速测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固液两相流速测量装置及方法，涉及固液流速测量技术领域，用以解决现有技术中存在不能获得固液两相流体的精确分相速度的问题。本发明公开了一种固液两相流速测量装置。还公开了一种固液两相流速测量方法，包括：预先向恒容积分液器中盛满标准液；将固液两相流体通过进固液管注入恒容积分液器中；根据恒容积分液器的质量增加量、固体密度和液体密度，确定固液两相流体中的固体体积；根据固体体积、过流断面面积和试验时间，确定固体流速；根据变容积盛液器的质量增加量、液体密度和固体体积，确定所述固液两相流体中的液体体积；根据液体体积、过流断面面积和试验时间，确定液体流速。

Description

一种固液两相流速测量装置及方法

技术领域

本发明涉及固液流速测量技术领域，更具体的涉及一种固液两相流速测量装置及方法。

背景技术

液体与固体混合并同时运动的情况是自然界中常见的现象，典型的如河流、水库、海湾中的泥砂运动等。固体颗粒与水相混合并同时运动，但它们的运动速度一般是不同的，当研究颗粒物质在水中的沉降，以及水携带颗粒物质运动的能力和两相流动的规律时，不仅涉及重力，还涉及固相速度、液相速度和固液两相之间的速度差，因此，需要了解与测量固液两相同时运动时的分相速度。

对固液两相混合并同时运动的混合流体作分相流速的测量，首先要对两相流体分相，然后分别测量，得到分相流速。化学工程中和选矿工程中利用固体(颗粒)与液体的密度差，进行固液分离的技术或装置，如浓密机，深锥浓密机，压滤机，水力旋流器等，但是这些装置都无法做到从固体颗粒材料中彻底分离水，也无法实现从部分水中彻底分离固体颗粒，只是从混合流体中得到固体颗粒材料质量浓度尽量高的浆体，有的还希望能按照颗粒的大小(粒径)对固体颗粒物质做大致的分级。固液分离脱水并控制固体的质量浓度，以及颗粒大小分级是这些技术或装置的主要技术手段，由于不能实现固液两相流体的彻底分离，因而不能获得固液两相流体的精确分相速度。

综上所述，现有技术中，存在不能获得固液两相流体的精确分相速度的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种固液两相流速测量装置及方法，用以解决现有技术中存在不能获得固液两相流体的精确分相速度的问题。

本发明实施例提供一种固液两相流速测量装置，包括：第一称重装置、第二称重装置、恒容积分液器、变容积盛液器、进固液管、溢流管和接液管；

所述恒容积分液器放置在所述第一称重装置上；所述变容积盛液器放置在所述第二称重装置上；所述进固液管和所述溢流管均插设在所述恒容积分液器顶部；所述接液管插设在所述变容积盛液器顶部；所述溢流管顶部设置有溢流嘴，所述溢流嘴的出口位于所述接液管上方。

较佳地，所述进固液管上设置有第一截止阀。

较佳地，所述溢流管延伸至所述恒容积分液器内部，且所述溢流管底部设置有滤网。

较佳地，所述接液管顶部设置有接液漏斗；所述溢流嘴的出口位于所述接液漏斗上方。

较佳地，所述第一称重装置底部设置有微调平台。

本发明实施例提供的一种固液两相流速测量方法，包括：

预先向恒容积分液器中盛满标准液；

将固液两相流体通过进固液管注入所述恒容积分液器中；所述固液两相流体中的固体沉降在所述恒容积分液器中，所述恒容积分液器中的液体溢流至变容积盛液器中，其中，所述标准液与所述固液两相流体中的液体密度相同；

根据所述恒容积分液器的质量增加量、所述固液两相流体中的固体密度和所述固液两相流体中的液体密度，通过公式(1)，确定所述固液两相流体中的固体体积；

根据所述固液两相流体中的固体体积、过流断面面积和试验时间，通过公式(2)，确定所述固液两相流体中的固体流速；

根据所述变容积盛液器的质量增加量、所述固液两相流体中的液体密度和所述固液两相流体中的固体体积，通过公式(3)，确定所述固液两相流体中的液体体积；

根据所述固液两相流体中的液体体积、过流断面面积和试验时间，通过公式(4)，确定所述固液两相流体中的液体流速；

公式(1)如下所示：

公式(2)如下所示：

公式(3)如下所示：

公式(4)如下所示：

其中，V_固为所述固液两相流体中的固体体积；m₁为所述恒容积分液器的质量增加量；ρ_固为所述固液两相流体中的固体密度；ρ_液为所述固液两相流体中的液体密度；v_固为所述固液两相流体中的固体流速；A为过流断面面积；t为试验时间；V_液为所述固液两相流体中的液体体积；m₂为所述变容积盛液器的质量增加量；v_液为所述固液两相流体中的液体流速。

较佳地，所述过流断面面积，根据下式确定：

A＝π·r²

其中，π为常数；r为所述进固液管的横截面内径。

较佳地，所述恒容积分液器的质量增加量为：

m₁＝m_固-m_置换液

所述变容积盛液器的质量增加量为：

m₂＝m_液+m_置换液

其中，m_固为所述固液两相流体中的固体质量；m_置换液为溢流至所述变容积盛液器中的由所述固液两相流体中的固体从所述恒容积分液器中置换出的标准液质量；m_液为所述固液两相流体中的液体质量；所述固液两相流体中的固体体积与溢流至所述变容积盛液器中由所述固液两相流体中的固体从所述恒容积分液器中置换出的标准液体积相等。

本发明实施例中，提供一种固液两相流速测量装置及方法，本发明通过向盛满标准液的恒容积分液器中注入固液混合物，固体沉降在恒容积分液器底部，液体溢流至变容积盛液器中，从而实现了从部分液体(即溢出的液体)中彻底分离出固体颗粒材料，其中，固液混合物中固体的体积与被置换出的液体的体积相等，即采用体积置换的方法在保持固液两相总体积不变的情况下，精确地分别测量固液两相质量的变化，以此实现固液分相流速的精确测量；由于本发明中的测量分相速度的方法与固体颗粒材料的成分无关，也与颗粒粗细关系不大，基本上不受环境的影响，也不受流动状态的影响，进一步提高了分相速度的测量精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种固液两相流速测量装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种固液两相流速测量方法流程图；

图3-1为本发明实施例提供的一种固液两相流速测量装置中溢流管非内伸结构示意图；

图3-2为本发明实施例提供的一种固液两相流速测量装置中溢流管内伸结构示意图；

图4-1为本发明实施例提供的一种固液两相流速测量装置中恒容积分液器中细颗粒悬浮结构示意图；

图4-2为本发明实施例提供的一种固液两相流速测量装置中进固液管联接结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种固液两相流速测量装置中微调平台结构示意图；

图6-1为本发明实施例提供的固体颗粒浸润装置结构示意图；

图6-2为本发明实施例提供的固体颗粒试样在线饱和装置结构示意图；

图7-1为本发明实施例提供的溢流口结构示意图；

图7-2为本发明实施例提供的宽大溢流嘴结构示意图；

图8-1为本发明实施例提供的小流量下间歇性溢流示意图；

图8-2为本发明实施例提供的小流量下连续溢流示意图；

图9为本发明实施例提供的提高出口背压结构示意图；

图10-1(a)为本发明实施例提供的水砂两相混合流动的分相速度与总流速第一曲线图；

图10-1(b)为本发明实施例提供的水砂两相混合流动的分相速度与总流速第二曲线图；

图10-2为本发明实施例提供的水砂两相混合流体通过多孔介质流动的分相速度与总流速。

附图标记说明：

101-第一称重装置，102-第二称重装置，103-恒容积分液器，104-变容积盛液器，105-进固液管，105-1-第一截止阀，106-溢流管，106-1-溢流嘴，107-接液管，107-1-接液漏斗，201-悬浮细颗粒，202-沉降粗颗粒，203-粗颗粒，204-溢流浑水，301-微调平台，301-1-微调螺钉，401-第一真空泵，402-第一集液杯，403-第一抽空阀，404-第一放空阀，405-第一进水阀，406-第三截止阀，501-第二真空泵，502-第二集液杯，503-第二抽空阀，504-第二放空阀，505-第二进水阀，506-第四截止阀，601-多孔亲水布，701-试验段，702-第二截止阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种固液两相流速测量装置结构示意图。如图1所示，该装置包括：第一称重装置101、第二称重装置102、恒容积分液器103、变容积盛液器104、进固液管105、溢流管106和接液管107。

需要说明的是，本发明中的第一称重装置101和第二称重装置102均采用精密电子天平。

具体地，恒容积分液器103放置在第一称重装置101上；变容积盛液器104放置在第二称重装置102上；进固液管105和溢流管106均插设在恒容积分液器103顶部；接液管107插设在变容积盛液器104顶部；溢流管106顶部设置有溢流嘴106-1，溢流嘴106-1的出口位于接液管107上方。

需要说明的是，通过进固液管105向盛满标准液的恒容积分液器103中注入固液两相流体，在这个过程中，固液两相流体中的固体沉降在恒容积分液器103中。由于标准液和固液两相流体中的液体为同一液体，所以可以理解为两相流体中的液体从恒容积分液器103中经过依次通过溢流管106、溢流嘴106-1、接液漏斗107-1和接液管107最终流至变容积盛液器104中；并且从恒容积分液器103中依次通过溢流管106、溢流嘴106-1、接液漏斗107-1和接液管107流至变容积盛液器104中的液体还包括恒容积分液器103中被固液两相流体中固体置换出的等体积标准液，即进入恒容积分液器103中的两相流体中固体体积与进入变容积盛液器104中的标准液的体积相等。

需要说明的是，恒容积分液器103中包括两相流体中的固体和除去进入变容积盛液器104中的标准液后剩余在恒容积分液器103中的标准液；变容积盛液器104中的液体包含两相流体中的液体和两相流体中固体置换出的标准液。即两相流体中的固体只存在于恒容积分液器103中，两相流体中的液体只存在于变容积盛液器104中，从而实现了两相流体中的固体和液体的彻底分离。

较佳地，进固液管105上设置有截止阀105-1，使进固液管105与恒容积分液器103之间的体积恒定。

较佳地，进固液管105顶部设置有与进固液管105连通的试验段701，试验段701和进固液管105之间设置有第二截止阀702。试验段701与恒容积分液器103固定连接，流程连续，可以消除大流量固液两相流体进入恒容积分液器103中时产生的冲击对质量称量的影响。其中，试验段701和第二截止阀702的在图9中示出。

较佳地，溢流管106延伸至恒容积分液器103内部，且溢流管106底部设置有滤网。防止进入恒容积分液器103中的固液两相流体中的细微颗粒漂流至变容积盛液器104中，影响固液两相流体中的固液分离效果，从而影响固液两相流体中的固液流速的测量精度。

较佳地，接液管107顶部设置有接液漏斗107-1；溢流嘴106-1的出口位于接液漏斗107-1上方。溢流嘴106-1和接液漏斗107-1的设置保证了溢流管106和接液管107的具有较佳的水力联系。

需要说明的是，溢流嘴106-1采用宽大溢流嘴，以及将溢流管106和溢流嘴106-1的内衬设置为多孔亲水鹿皮布601，消除了小流量情况下溢流管106表面张力对液体质量称量的影响。

较佳地，第一称重装置101底部设置有微调平台301。将第一称重装置101和恒容积分液器103放置在微调平台301上，可以消除固定连接对质量称量的影响。其中，微调平台301在图5中示出。

图2为本发明实施例提供的一种固液两相流速测量方法流程图。如图2所示，该方法包括：

步骤S101：预先向恒容积分液器103中盛满标准液。

步骤S102：将固液两相流体通过进固液管105注入恒容积分液器103中；固液两相流体中的固体沉降在恒容积分液器103中，恒容积分液器103中的液体溢流至变容积盛液器104中，其中，标准液与固液两相流体中的液体密度相同。

步骤S103：根据恒容积分液器103的质量增加量、固液两相流体中的固体密度和固液两相流体中的液体密度，通过公式(1)，确定固液两相流体中的固体体积。

需要说明的是，通过天平获取恒容积分液器103的质量之前，首先将天平清零，因此，恒容积分液器103的质量指的是天平称量的质量增加量。

步骤S104：根据固液两相流体中的固体体积、过流断面面积和试验时间，通过公式(2)，确定固液两相流体中的固体流速。

步骤S105：根据变容积盛液器104的质量增加量、固液两相流体中的液体密度和固液两相流体中的固体体积，通过公式(3)，确定固液两相流体中的液体体积。

需要说明的是，通过天平获取变容积盛液器104的质量之前，首先将天平清零，因此，变容积盛液器104的质量指的是天平称量的质量增加量。

步骤S106：根据固液两相流体中的液体体积、过流断面面积和试验时间，通过公式(4)，确定固液两相流体中的液体流速。

公式(1)如下所示：

公式(2)如下所示：

公式(3)如下所示：

公式(4)如下所示：

其中，V_固为固液两相流体中的固体体积；m₁为恒容积分液器103的质量增加量；ρ_固为固液两相流体中的固体密度；ρ_液为固液两相流体中的液体密度；v_固为固液两相流体中的固体流速；A为过流断面面积；t为试验时间；V_液为固液两相流体中的液体体积；m₂为变容积盛液器104的质量增加量；v_液为固液两相流体中的液体流速。

较佳地，过流断面面积，根据下式确定：

A＝π·r²

其中，π为常数；r为进固液管的横截面内径。

需要说明的是，过流断面面积是指试样(固液两相流体)的截面积，因为进固液管105为圆柱形，所以过流断面为圆形，其值为试样内径r的平方与圆周率π的乘积。

较佳地，恒容积分液器103的质量增加量为：

m₁＝m_固-m_置换液

变容积盛液器104的质量增加量为：

m₂＝m_液+m_置换液

其中，m_固为固液两相流体中的固体质量；m_置换液为由所述固液两相流体中的固体从所述恒容积分液器中置换出溢流至变容积盛液器104中的标准液质量；m_液为固液两相流体中的液体质量；固液两相流体中的固体体积与溢流至变容积盛液器104中的由所述固液两相流体中的固体从所述恒容积分液器中置换出标准液体积相等。

需要说明的是，固液两相流体中的固体体积的确定过程如下：

m₁＝m_固-m_置换液＝ρ_固V_固-ρ_液V_置换液＝(ρ_固-ρ_液)V_固

需要说明的是，固液两相流体中的液体体积的确定过程如下：

m₂＝m_液+m_置换液＝ρ_液V_液+ρ_液V_置换液＝ρ_液(V_液+V_固)

需要说明的是，上述步骤的执行顺序可以按照步骤S101、步骤S102、步骤S103、步骤S104、步骤S105、步骤S106的顺利执行，也可以按照步骤S101、步骤S102、步骤S105、步骤S106、步骤S103、步骤S104的顺序执行。

需要说明的是，第一称重装置101和第二称重装置102均采用赛多利斯公司生产的精密电子天平。在该公司生产的系列电子天平中，感量最小的可小到10^-8g，感量为1mg的天平是该公司的普通产品。由此可见，目前对于质量的称量已达到很高的技术水平，因此用质量称量的方法得到的流速测量精度高。同时这种获得流速的方法需要获知固相(颗粒物质)和液相的密度，固相和液相密度的测量也可以采用称重法进行，同样能够达到很高的精度。

需要说明的是，通过恒容积分液器103向恒容积分液器104中预先盛满标准液，当混合好的固液两相流体进入恒容积分液器后，由于密度差，固体颗粒沉降、堆积在底部并置换出等体积的液体，经过溢流管106和接液管溢流107流入变容积盛液器104。第二称重装置102实时测量变容积盛液器104的质量增加量，可以得到液体质量增量，液体质量增量被液体密度、过流断面的面积和时间除，就能得到液相流动速度(比流量)，并且被固体颗粒替换并进入变容积盛液器104的液体是澄清的，不含有悬浮细颗粒是提高分相测量的关键。通过恒容积分液器103的容积不变且预先充满了标准液，由于固相(颗粒物质)替换了液体，质量不断增加，第一称重装置101读数的变化可以反映进入恒容积分液器103的固体质量增量，固体质量增量被固体密度、过流断面的面积和时间除，就能得到液相流动速度(比流量)。

需要说明的是，恒容积分液器103中的液体与标准液(化学)成分相同。

需要说明的是，测量固、液分相流速需要知道固体和液体的密度。液体密度可以用阿基米德法测量，利用德国赛多利斯公司生产的密度仪和精密电子天平可以以很高精度测出流体的密度。

需要说明的是，颗粒物质的密度也可以用阿基米德法测量，但是需要增加抽真空与液体饱和颗粒物质两个步骤。

需要说明的是，固、液彻底分相是固、液运动速度分相测量的前提。本发明测量的是单位时间内通过整个过流断面的固相和液相物质的总质量，因此，实际测量的是固相和液相的比流量，即单位时间内通过单位面积的流量。比流量与速度的量纲相同，都是[LT^-1]，在渗流力学中常常将其称为渗流速度。

需要说明的是，本发明测量的是过流断面上速度的平均值。本发明要求通过过流断面的全部固相和液相物质都被称量才可以测出固相和液相的分相流速，(固液分相)流量较小时采用这种方法较容易实施。流量很大时原则上仍可使用本发明提出的方法和技术方案测量分相流速，但实践中技术上的限制较多，因此本发明主要适合于在室内对固、液分相流速作精密测量。

本发明实施例提供的一种固液两相流速测量装置及方法，主要应用于科学研究，因此，对测量精度的要求较高，为了进一步提高测量精度，需要采取以下技术措施：

1、恒容积分液器103容积的标定

对恒容积分液器的容积的标定方法，具体包括：

恒容积分液器103容积是指从第一截止阀105-1阀体以下直到溢流嘴106-1水平位置的全部容积。将第一截止阀105-1、进固液管105和恒容积分液器103干燥后，在精密天平上称重，然后从溢流嘴106-1中缓慢注入标准液(密度已知液体)，直到第一截止阀105-1中出现液体，然后关闭第一截止阀105-1，并用吸水纸将第一截止阀105-1阀体上的标准液吸净，再一次称重，两次称重的质量之差被标准液密度除，即得到恒容积分液器103的容积。

需要说明的是，对恒容积分液器103容积进行标定，保证了试验结果的准确性，提高了测量精度。

2、将固体颗粒从溢出流体中彻底分离

用机械的方法从固体颗粒中彻底分离液体得到纯固体是难以做到的，采取一定的技术措施，从部分液体，即溢出的液体中彻底分离固体颗粒得到纯液体是可以做到的。

对于粒径较大的颗粒材料，在恒容积分液器103中的沉降是容易做到的，如果颗粒材料中包含粒径小于75μ的极细颗粒，它们在恒容积分液器103中的沉降需要很长时间，造成被替换液体是包含极细悬浮颗粒的混浊液体，影响液相流速的测量精度，也影响固相速度测量精度。如果细颗粒含量极少，可以忽略它对液相和固相称量精度的影响，如果极细颗粒含量较多，对液相和固相速度测量精度的影响难以忽略。

图3-1为本发明实施例提供的一种固液两相流速测量装置中溢流管非内伸结构示意图。由于极细颗粒总是悬浮在恒容积分液器103的上部，如果恒容积分液器103的溢流管106底部与进固液管105底部在同一水平，来不及沉降的极细的悬浮颗粒可以经水平运动，进入溢流管106，跟随液体运动进入变容积盛液器104，如图3-1所示。

图3-2为本发明实施例提供的一种固液两相流速测量装置中溢流管内伸结构示意图。如图3-2所示，为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：将溢流管106延伸至恒容积分液器103内部，且溢流管106底部设置滤网。

需要说明的是，实际设计的溢流管106深入到恒容积分液器103本体内一定深度，阻断了悬浮在恒容积分液器103本体上部的极细颗粒通过水平运动进入溢流管106的通路，溢流管106伸入的深度h₁按下述原则设计：

沉降深度能够达到h₁或以下的颗粒都有足够大的粒径，是可以沉降到恒容积分液器103底部的粗颗粒。高度h₂的设计需要满足一次试验堆积在恒容积分液器103底部的颗粒物质的高度不会达到溢流管106底部，并尚有足够的距离s。在内伸溢流管106的入口固定一个滤网，进一步阻止细颗粒混入溢流水。采用这样的设计，在恒容积分液器106顶部是含有极细悬浮颗粒的混浊液体，在中部是澄清液体，在底部堆积有粗颗粒，只有澄清液体能够进入溢流管106。

需要说明的是，如图3-1和图3-1所示，201为悬浮细颗粒，202为沉降粗颗粒，203为粗颗粒，204为溢流浑水。

3、避免水砂混合流体冲击，减少测量误差

图4-1为本发明实施例提供的一种固液两相流速测量装置中恒容积分液器中细颗粒悬浮结构示意图。对于含有粗颗粒的两相流体，只有当流速较大时，液体才能携带固体(粗颗粒)运动，此种情况固液两相混合流体运动的流量较大，如果接液管107与恒容积分液器103没有水力联系，两相混合流体直接落到恒容积分液器103中，产生的重力冲击对天平的读数有一定影响，如图4-1所示。

图4-2为本发明实施例提供的一种固液两相流速测量装置中进固液管联接结构示意图。如图4-2所示，为了消除冲击影响，本发明提出以下方案：进固液管105与恒容积分液器103联接，固液两相混合流体经进固液管105进入恒容积分液器103，试验开始前先将进固液管105饱和，并与恒容积分液器103联接。由于恒容积分液器103(包括第一截止阀105-1和进固液管105)已经用液体饱和，这样从试验段701下游经第二截止阀702、进固液管105至恒容积分液器103均已在试验开始前被液体饱和。

需要说明的是，试验开始前先打开第二截止阀702，然后打开第一截止阀105-1，开始测量。由于饱和试验段701和恒容积分液器105建立了水力联系，从试验段701流出的两相流体顺流而下进入恒容积分液器105，消除了重力冲击。

4、消除联接附加力

采用上面的方法虽然消除了固液两相流体的冲击对天平称量的影响。但由于联接产生的附加力对天平称重有影响。对于本发明而言，天平记录的是质量增加量，两相流体流过进固液管105时的轻微摆动(上下运动)对电子天平的称量有影响。进固液管105的摆动是由于进固液管105倾斜，受到两相流体重力作用引起的。采用刚性(如薄壁不锈钢管)进固液管105可以消除进固液管105摆动对电子天平称量的影响，但刚性进固液管105与恒容积分液器103之间有静态的相互作用。偏短的进固液管105对恒容积分液器103产生一个向上的拉力，偏长的进固液管105产生一个向下的压力。加工一根长度恰好的进固液管105完全消除进固液管105与恒容积分液器103中间力的相互作用，在技术上是不可能的。

图5为本发明实施例提供的一种固液两相流速测量装置中微调平台结构示意图。为避免的进固液管105的长度对天平称重的影响，将放置有恒容积分液器103的天平置于高低可以微调平台301上，调整天平的高度，当天平的高度高于平衡位置时，天平读数大于初始质量；当低于平衡位置时，天平读数小于初始质量；当高度处于平衡位置时，读数等于初始质量。因此，通过微调平台301上的301-1-微调螺钉调整天平的高度，直到天平的读数等于初始质量，就消除了进固液管105与恒容积分液器103联接产生的附加力对天平称量的影响。实际上，当天平的读数对初始重量的偏离值远远小于恒容积分液器103初始质量时(比如万分之一或十万分之一)，就可以认为消除了联接附加力对称重的影响，如图5所示。

5、固体颗粒物质的表面湿润与在线饱和

本发明采用固体颗粒物质等体积置换液体的方法，测量液体的质量流量。对于细颗粒或表面极为粗糙的粗颗粒，可能有气泡附着于细颗粒表面或者粗颗粒表面的凹陷处，造成被置换出的液体体积大于固体颗粒的体积，既影响液相速度的测量精度，也影响固相(颗粒)速度的测量精度。

图6-1为本发明实施例提供的固体颗粒浸润装置结构示意图；图6-2为本发明实施例提供的固体颗粒试样在线饱和装置结构示意图。

如图6-1所示，为了消除细颗粒表面的气泡，首先将颗粒材料烘干，脱去水分，然后将烘干并冷却的颗粒材料置于密闭容器中，抽真空15分钟，容器内的气压可低到10Pa左右，然后打开进水截止阀，令蒸馏水缓慢地进入容器(在进水过程中保持真空泵运转以维持真空度不变)，当水没过颗粒材料5cm左右关闭进水阀，最后，真空泵持续运转30分钟或更长的时间左右后再关闭，以保证颗粒间的空气和颗粒表面的气泡完全被水置换，颗粒表面被水完全浸润。

如图6-2所示，将被浸润的颗粒填入试验段时，气泡不可能附着在颗粒表面，但有可能进入已被浸润的颗粒的间隙。为保证测试精度，需要对充填好的试验段再次进行在线饱和，以驱替已浸润颗粒间的气泡。

需要说明的是，如图6-1，401为第一真空泵，402为第一集液杯，403为第一抽空阀，404为第一放空阀，405为第一进水阀，406为第三截止阀；如图6-2所示，501为第二真空泵，502为第二集液杯，503为第二抽空阀，504为第二放空阀，505为第二进水阀，506为第四截止阀。

6、溢流嘴的设计(大流量)

图7-1为本发明实施例提供的溢流口示意图；图7-2为本发明实施例提供的宽大溢流觜结构示意图。

液体携带固体粗颗粒的运动总是在较高速度下发生，在这种情况下，当溢流管106的溢流孔过狭时，溢出的水来不及流出，因此在溢流管106中上升到一个高出溢流嘴106-1的水平，产生了附加压力，以驱动液体溢出到变容积盛液器104中，影响了固相速度的测量精度，对液相速度的测量精度也有影响，如图7-1所示。将圆形的溢孔流孔改为通过溢流管的宽大缺口和宽大溢流嘴，可以适应大流量溢流，并提高测量精度，如图7-2所示。

7、溢流嘴的设计(小流量)

图8-1为本发明实施例提供的小流量下间歇性溢流示意图；图8-2为发明实施例提供的小流量下连续溢流示意图。

当液体携带的固体颗粒较细小时，此时在水、砂两相混合流体的速度不大的情况下就可以实现两相流动。此时，由于表明张力的作用，溢流管106中的液面高出溢流嘴106-1一定高度才会溢出。不仅如此，当高出溢流嘴106-1部分的液体溢出后，溢流暂停，待液位再次升高到高出溢流嘴106-1一定高度后才会继续溢流，即溢流是间歇性的，如图8-1所示。

实际上流体流动是连续的，这种在小流量的情况下发生的间歇性溢流不仅影响液相速度的测量精度，也影响固相速度的测量精度。为了解决这一问题，可以令溢流嘴106-1低于溢流管106的缺口1～2mm，并且在溢流嘴106-1处铺设一层鹿皮布制作的多孔亲水布601。鹿皮布是亲水性极好的多孔材料，因此，溢出的水只要达到溢流嘴106-1的高度就会持续溢出，解决了小流量条件下的间歇性溢流造成的测量误差，如图8-2所示。

8、试验段出口压力

图9为本发明实施例提供的提高出口背压的结构示意图。

在流体试验中，试验段701出口流量的测量总是在一定的压力下进行。如果出口端的压力高于大气压，则流动比较平稳，流速测量的精度取决于传感器的精度；如果出口直接连通大气，流动常常不平稳，即使采用高精度的传感器也无法提高流速测量的精度，对于两相流动这一问题更加严重。因此，提高出口端压力，使其略高于大气压(如出口压力为3000Pa，相当于0.3m的水柱高度)，以消除试验段出口端流动的波动造成的流速的波动。

需要说明的是，上面的技术措施是将试验段701流出的两相流体与恒容积分液器103建立了水力联系，流动是否平稳与恒容积分液器103本体的压力是否平稳直接相关。提高溢流嘴106-1的高度可以在恒容积分液器103本体中产生稳定的压力，保证出口流速的稳定。在本发明中，为了提高稳压的效果，该溢流嘴的高度不仅高于恒容积分液器103本体顶面，还高出试验段701出口端一定高度，如图9所示。

需要说明的是，试验段701出口压力或出口背压是指出口压力与试样底部之间的压力差，从图9中可以看出，试验段701底部(即砂样底部，也就是下文所述出口端)是低于出水口的，二者之间的高度相差“B”，因此，出口端压力高于大气压，压力为：ρ_水gB，这个压力就是背压。为了说明出口端背压产生的方法，在上图9中附上试验段701。必须指出的是，试验段701不是本发明装置的组成部分。

图10-1(a)为本发明实施例提供的水砂两相混合流动的分相速度与总流速第一曲线图；图10-1(b)为本发明实施例提供的水砂两相混合流动的分相速度与总流速第二曲线图；图10-2为本发明实施例提供的水砂两相混合流体通过多孔介质流动的分相速度与总流速。

采用本发明中的分相速度测量原理和技术方案，进行了水、砂混合流体运动分相速度测量的初步实验。实验用的砂预先被水饱和，砂的孔隙度在36～38％之间，接近于最致密状态，因此需要很大的水流速度才能实现水携带砂的流动。从图10-1(a)、图10-1(b)和10-2中可以看出，在总流速平稳变化的情况下，固相和液相的分相速度是波动的。当液相速度升高时，固相速度降低。反之，当固相速度升高时液相速度降低。测量结果显示了水、砂两相混合并同时运动时，分相速度是不同的，因此，深入研究水携带砂的流动规律需要对分相流速进行精细的测量。

需要说明的是，本发明实施例提供的水、砂两相流动分相速度测量，是针对水(相)与砂(相)相混合并同时运动，但两相运动速度并不相等的情况，提出一种分相速度测量的方法和提高测量精度的技术方案，其中，水和砂是互不相溶的介质。

需要说明的是，本发明提供的是室内精确测量水、砂两相分相速度的方法。

需要说明的是，本发明提出的测试原理与方法加以适当改进还可用于其他颗粒材料(不限于砂)与流体(不限于水)同时运动时分相速度的测量。

需要说明的是，本发明针对采矿工程中水、砂两相混合并同时流动，提出在这种情况下水、砂分相(体积)流速的测量方法，主要应用于采矿工程中的涉及水、砂两相流动有关的问题。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种固液两相流速测量装置，其特征在于，包括：第一称重装置(101)、第二称重装置(102)、恒容积分液器(103)、变容积盛液器(104)、进固液管(105)、溢流管(106)和接液管(107)；

所述恒容积分液器(103)放置在所述第一称重装置(101)上；所述变容积盛液器(104)放置在所述第二称重装置(102)上；所述进固液管(105)和所述溢流管(106)均插设在所述恒容积分液器(103)顶部；所述接液管(107)插设在所述变容积盛液器(104)顶部；所述溢流管(106)顶部设置有溢流嘴(106-1)，所述溢流嘴(106-1)的出口位于所述接液管(107)上方；

所述溢流管(106)延伸至所述恒容积分液器(103)内部，且所述溢流管(106)底部设置有滤网。

2.如权利要求1所述的固液两相流速测量装置，其特征在于，所述进固液管(105)上设置有第一截止阀(105-1)。

3.如权利要求1所述的固液两相流速测量装置，其特征在于，所述接液管(107)顶部设置有接液漏斗(107-1)；所述溢流嘴(106-1)的出口位于所述接液漏斗(107-1)上方。

4.如权利要求1所述的固液两相流速测量装置，其特征在于，所述第一称重装置(101)底部设置有微调平台(301)。

5.一种利用权利要求1～4任意一项权利要求所述的固液两相流速测量装置的固液两相流速测量方法，其特征在于，包括：

预先向恒容积分液器中盛满标准液；

将固液两相流体通过进固液管注入所述恒容积分液器中；所述固液两相流体中的固体沉降在所述恒容积分液器中，所述恒容积分液器中的液体溢流至变容积盛液器中，其中，所述标准液与所述固液两相流体中的液体成分相同；

根据所述恒容积分液器的质量增加量、所述固液两相流体中的固体密度和所述固液两相流体中的液体密度，通过公式(1)，确定所述固液两相流体中的固体体积；

根据所述固液两相流体中的固体体积、过流断面面积和试验时间，通过公式(2)，确定所述固液两相流体中的固体流速；

根据所述变容积盛液器的质量增加量、所述固液两相流体中的液体密度和所述固液两相流体中的固体体积，通过公式(3)，确定所述固液两相流体中的液体体积；

根据所述固液两相流体中的液体体积、过流断面面积和试验时间，通过公式(4)，确定所述固液两相流体中的液体流速；

公式(1)如下所示：

公式(2)如下所示：

公式(3)如下所示：

公式(4)如下所示：

其中，V_固为所述固液两相流体中的固体体积；m₁为所述恒容积分液器的质量增加量；ρ_固为所述固液两相流体中的固体密度；ρ_液为所述固液两相流体中的液体密度；v_固为所述固液两相流体中的固体流速；A为过流断面面积；t为试验时间；V_液为所述固液两相流体中的液体体积；m₂为所述变容积盛液器的质量增加量；v_液为所述固液两相流体中的液体流速。

6.如权利要求5所述的固液两相流速测量方法，其特征在于，所述过流断面面积，根据下式确定：

A＝π·r²

其中，π为常数；r为所述进固液管的横截面内径。

7.如权利要求6所述的固液两相流速测量方法，其特征在于，所述恒容积分液器的质量增加量为：

m₁＝m_固-m_置换液

所述变容积盛液器的质量增加量为：

m₂＝m_液+m_置换液

其中，m_固为所述固液两相流体中的固体质量；m_置换液为溢流至所述变容积盛液器中由所述固液两相流体中的固体从所述恒容积分液器中置换出的标准液质量；m_液为所述固液两相流体中的液体质量；所述固液两相流体中的固体体积与溢流至所述变容积盛液器中由所述固液两相流体中的固体从所述恒容积分液器中置换出的标准液体积相等。