CN106996857B - 一种赫尔肖盒子及其构成的对流混合实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明开发了一种赫尔肖盒子及其构成的对流混合实验系统，该实验系统包括CCD相机、立式赫尔肖盒子、面光源等。立式赫尔肖盒子，通过旋转开关密封下层流体空间填充小密度流体，上层流体空间填充大密度流体。CCD相机、立式赫尔肖盒子、面光源置于暗箱中。旋转开关使得转轴弧面旋转至两层平行透光材料间隙处，密封下层流体。将大密度流体填充至赫尔肖盒子上部。打开开关，上下层流体接触，液‑液两相流体密度差引起对流混合实验开始，同时CCD相机开始拍摄记录两相液体对流混合过程图像。实验系统简单，操作方便，计时精确，适用于对流混合过程的相界面变化、指进发生发展时间、指进个数等特征参数的后续性研究。
Description
技术领域
本发明属于多相流技术领域，涉及一种赫尔肖盒子及其构成的对流混合实验系统。
背景技术
对流混合是指在特定条件下上层流体密度大于下层流体密度，受到重力作用，上层流体向下流动，下层流体向上流动，导致竖直方向上产生对流过程，并且加速了两相流体的混合。这种现象经常发生在海水交汇回流，CO2咸水层封存以及地下水污染处理等过程中。
对流混合发生前提是两种存在密度差的流体且两种流体垂直分层分布，上层密度较大。这种非常规的流体分布方式使得对流混合过程初始条件难以形成，造成实验室内开展可视化实验困难，无法准确捕捉两相界面变化、发生发展时间等特征参数。现有的方法有采用气体(CO2等)溶于水，化学试剂(高锰酸钾等)溶于水或醇类互溶等方式增加液体密度，获得上层密度较大溶液。这些方法只能近似模拟液-液两相流体密度差引起对流混合，实验设备相对复杂且测量精度不够。
发明内容
本发明为解决现有方法针对多相流体密度差引起对流混合过程难以开展相关实验测量的问题，提供了一种赫尔肖盒子及其构成的对流混合实验系统。本发明的实验系统能够准确的捕获液-液两相流体对流混合过程相界面变化，可以实现实时、可视化观测液-液两相对流混合指进发展过程，精确获得对流混合过程初始界面等，并且操作简单便捷。
具体技术方案为：
一种赫尔肖盒子，其特征在于，该赫尔肖盒子为立式结构，其前后两层平行透光层的厚度不同；厚透光层的内侧壁上沿直线水平至少铣削一道弓形槽；与弓形槽配合设置密封转轴，该密封转轴为刚性转轴，其截面形状与弓形槽截面形状相同，尺寸不同，密封转轴的半径小于弓形槽的半径，在密封转轴表面均匀涂抹弹性密封胶；弓形槽和密封转轴构成旋转开关；旋转开关用于实现密封转轴弧面旋转至两层平行透光层间隙处，起到密封作用，阻碍上下层流体接触。
进一步地，所述的弓形槽横截面为一段优弧和其所对应的弦，两层透光层之间的距离不大于优弧对应的半径减去优弧对应圆心到所对应弦的距离。
由上述赫尔肖盒子构成的一种两相流体密度差对流混合实验系统，其特征在于，该实验系统包括CCD相机、立式赫尔肖盒子、面光源、暗箱；其中CCD相机、赫尔肖盒子、面光源依次放置于暗箱中，三者的中心在同一直线上，调节三者间距和相机焦距，使得CCD相机拍摄到一个清晰的相界面；其中，赫尔肖盒子内为待测量的多相流体。
进一步地，赫尔肖盒子内的旋转开关的下侧注满低密度流体，旋转开关的上侧注满高密度流体。
上述试验系统的操作方法为：
第一步，搭建基于立式赫尔肖盒子的液-液两相流体密度差引起对流混合的实验系统。
第二步，选择两相密度存在差异的流体。若两相流体为若为同颜色液体，则需对其中一相流体加入微量染色剂染色便于区分。在赫尔肖盒子下部填充满小密度流体，转动开关使得转轴弧面旋转至两层平行透光材料间隙处，密封下层流体。将大密度流体填充至赫尔肖盒子上部。
第三步，将CCD相机、赫尔肖盒子、面光源置于暗箱中。调节CCD相机镜头、填充好上下两层液-液流体的赫尔肖盒子、面光源三者的中心在同一直线上，并且大致在同一高度，调节三者间距和相机焦距，使得CCD相机可拍摄到一个清晰的两相界面。
第四步，转动开关，使得转轴弧面旋转至较厚透光材料的内侧弓形槽处，上下层流体接触，液-液两相流体密度差引起对流混合实验开始，同时CCD相机开始拍摄记录两相液体对流混合过程图像。
本发明的有益效果为，实现了实验室开展液-液两相流体密度差引起对流混合实验。实验系统简单，改进传统赫尔肖盒子，增加旋转开关；CCD相机可以实现实时、可视化观测便于后续计算分析。操作方便，旋转开关实现分层填充液体，并可以获得平滑的两相初始界面。转动转轴开始计时精确获得对流混合过程指进发生发展发生时间。因此，这种液-液两相流体密度差引起对流混合的实验系统及方法对实验室开展对流混合实验具有重要的意义。适用于对流混合过程的相界面变化、指进发生发展时间、指进个数等特征参数的后续性研究。
附图说明
图1是一种液-液两相流体密度差引起对流混合的实验系统图。
图2是立式赫尔肖盒子结构图；(a)整体图；(b)A-A剖面图；(c)局部放大图；(d)等轴侧视图。
图3是液-液两相流体密度差引起对流混合图像。
图中：1CCD相机；2立式赫尔肖盒子；3旋转开关；4小密度流体；5大密度流体；6面光源；7暗箱；8计算机；9相机三脚架；10升降台；11面光源支架；12薄透光层；13厚透光层；14弓形槽；15转轴。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是一种液-液两相流体密度差引起对流混合的实验系统图。
图中，这种液-液两相流体密度差引起对流混合的实验系统包括立式赫尔肖盒子2，通过旋转开关3密封下层流体空间填充小密度流体4，上层流体空间填充大密度流体5。CCD相机1、赫尔肖盒子2、面光源6置于暗箱7中。CCD相机、填充好上下两层液-液流体的赫尔肖盒子、面光源三者的中心在同一直线上。所述CCD相机与数据采集计算机8采用电连接。为了保证CCD相机、赫尔肖盒子、面光源在同一高度，配合使用了相机三脚架9，升降台10和面光源支架11。
实施例
选用0.5mol/L NaCl溶液作为大密度溶液，去离子水作为小密度溶液。因为两者属于同颜色流体，所以选用溴甲酚绿作为染色剂，在NaCl溶液中加入0.001g溴甲酚绿进行染色便于区分两相流体。开展液-液两相流体密度差引起对流混合的实验。
上述液-液两相流体密度差引起对流混合方法包括以下步骤：
(1)在赫尔肖盒子下部填充满去离子水，转动开关使得转轴弧面旋转至两层平行透光材料间隙处，密封下层流体。将添加染色剂的NaCl溶液填充至赫尔肖盒子上部。
(2)将CCD相机、填充好上下两层流体的赫尔肖盒子、面光源置于暗箱中并位于同一直线上，调节相机三脚架和升降台使得三者且大致在同一高度。
(3)转动开关，使上下两层流体接触，同时CCD相机不间断拍摄，开始NaCl溶液-去离子水两相流体密度差引起对流混合实验，得到对流混合过程图像如图3所示。
以上所述仅为本发明的普通实施例而已，凡在本发明的原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种赫尔肖盒子，其特征在于，该赫尔肖盒子为立式结构，其前后两层平行透光层的厚度不同；厚透光层的内侧壁上沿直线水平至少铣削一道弓形槽；与弓形槽配合设置密封转轴，该密封转轴为刚性转轴，其截面形状与弓形槽截面形状相同，尺寸不同，密封转轴的半径小于弓形槽的半径，在密封转轴表面均匀涂抹弹性密封胶；弓形槽和密封转轴构成旋转开关；旋转开关用于实现密封转轴弧面旋转至两层平行透光层间隙处，起到密封作用，阻碍上下层流体接触。
2.根据权利要求1所述的一种赫尔肖盒子，其特征在于，所述的弓形槽横截面为一段优弧和其所对应的弦，两层透光层之间的距离不大于优弧对应的半径减去优弧对应圆心到所对应弦的距离。
3.用权利要求1或2所述的赫尔肖盒子构成的一种两相流体密度差对流混合实验系统，其特征在于，该实验系统包括CCD相机、立式赫尔肖盒子、面光源、暗箱；其中CCD相机、赫尔肖盒子、面光源依次放置于暗箱中，三者的中心在同一直线上，调节三者间距和相机焦距，使得CCD相机拍摄到一个清晰的相界面；其中，赫尔肖盒子内为待测量的多相流体。
4.根据权利要求3所述的实验系统，其特征在于，赫尔肖盒子内的旋转开关的下侧注满低密度流体，旋转开关的上侧注满高密度流体。
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