CN107907297A - 一种多功能复合减阻实验测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于流体输送中的流动减阻技术领域，尤其涉及一种多功能复合减阻实验测试装置，包括旋转圆盘和盛液装置；旋转圆盘包括用于实验测量并带有微沟槽的圆盘、用于连接圆盘的旋转轴、用于测量扭矩的扭矩传感器和用于提供旋转力的电机；盛液装置包括用于调节溶液温度的水浴循环系统和用于提供气泡的加气装置。本发明可以实现多种类型的减阻实验测量，包括微沟槽减阻实验、表面活性剂减阻实验和气泡减阻实验并且同时能够实现上述两种或两种以上减阻实验的耦合测量。整个旋转圆盘系统结构简单、造价低廉、使用灵活、用液量小并且便于安装和改造。在使用时可以根据需要调节系统温度、旋转雷诺数和更换微沟槽圆盘，实现一机多用。

Description

一种多功能复合减阻实验测试装置

技术领域

本发明属于流体输送中的流动减阻技术领域，特别涉及一种气泡、表面活性剂和微沟槽耦合减阻特性测量的实验测试装置。

背景技术

随着社会与经济的发展，世界对能源的需求不断升高，节能减排已成为世界关注的焦点之一。随着学术界对减阻技术研究的日趋深入，各种减阻技术得到了广泛的应用，比如表面活性剂减阻、微沟槽减阻和微气泡减阻等。

但是每一种减阻技术都存在着各自的缺点如：表面活性剂减阻受温度影响较大，超过一定温度将不会出现减阻现象；微沟槽减阻存在制造麻烦，减阻效果不理想的缺点；在微气泡减阻中，由于气泡容易发生聚合与破碎，溶液会存在减阻不稳定的缺点。

因此根据实际研究环境的需要，对两种或两种以上的减阻技术进行耦合，以弥补各自缺陷从而取得最佳减阻效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了研究微气泡、表面活性剂和微沟槽减阻技术相互耦合时，对减阻效果的影响，本发明提供了一种多功能复合减阻实验测试装置，能够同时实现多种减阻技术的耦合测量，以便于改善单一减阻技术的减阻效果，有效减少动力装置的能耗。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多功能复合减阻实验测试装置，包括旋转圆盘装置、盛液装置和循环水系统，

所述旋转圆盘装置包括圆盘、带动圆盘旋转的电机、扭矩传感器和旋转轴，所述电机连接有变频器，所述扭矩传感器通过联轴器连接在电机和旋转轴之间，且扭矩传感器还连接有数据采集器，所述盛液装置包括盖板、盛液外筒、加气装置和盛液内筒，所述盛液外筒套装在盛液内筒上，盛液内筒和盛液外筒之间形成密闭的介质腔室，所述加气装置设置在盛液内筒内，且加气装置连接有加气管，加气管延伸至盛液装置外部，所述盖板铰接在盛液外筒上，旋转轴的下端穿过盖板的中心，延伸至盛液内筒内，旋转轴和盖板之间密封连接，圆盘上表面的中心安装在旋转轴的下端，且所述圆盘的下表面上设置有微沟槽，所述盖板上还设置有排气管和进料管，排气管和进料管均和盛液内筒相连通，所述盛液外筒的底部和上部分别连接有进液管和出液管，进液管和出液管均和循环水系统相连通，所述盛液外筒底部还外接有排水管，且排水管上设置截止阀。

所述旋转轴上缠绕有电磁线圈，所述微沟槽环刻在强磁性金属上，且强磁性金属吸附在圆盘的下表面。更换或拆卸强磁性金属时，只需向缠绕在旋转轴上的电磁线圈通电，利用反向充磁原理即可实现分离。实现不同微沟槽减阻实验。

为了防止液体的溅出，所述盖板分为两块半圆形的分盖板组成，每个分盖板均和盛液外筒铰接，两个分盖板之间通过销连接。

为了便于打开和关闭分盖板，所述两个分盖板表面上均设置有把手。

本发明的有益效果是，本发明的多功能复合减阻实验测试装置，本发明的优点之一是：结构简单、价格低廉，仅需要将光滑圆盘更换为微沟槽圆盘就可以实现微沟槽减阻。

本发明的优点之二是：盛液容器容积较小，仅需要少量溶液即可实现测量。

本发明的优点之三是：不仅可以通过速度控制器准确控制电机转速，还能够通过水浴循环系统准确控制温度，使其能够在多种条件下进行测量。

本发明的优点之四是：可以实现表面活性剂、微气泡减和微沟槽减阻中的一种或多种联合的减阻测量。

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是一种多功能复合减阻实验测试装置的结构示意图。

图2是不同形状的微沟槽的剖面图。

图3是盖板的俯视图。

图中：1.循环水系统，2.进液管，3.螺纹，4.铰链，5.出液管，6.电机，7.联轴器，8.扭矩传感器，9.旋转轴，10.盖板，11.盛液内筒，12.盛液外筒，13.数据采集器，14.电磁线圈，15.圆盘，16.微沟槽，17.加气装置，18.排水管，19.截止阀，20.进气管，21.变频器，22.介质腔室，23.排气管，24.进料管，25.销，26.把手。

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。

如图1-3所示，是本发明最优实施例，一种多功能复合减阻实验测试装置，包括旋转圆盘装置、盛液装置和循环水系统，旋转圆盘装置包括带动圆盘旋转的电机6、扭矩传感器8、旋转轴9和圆盘15。电机6与变频器22连接，扭矩传感器8使用联轴器7连接在电机6和旋转轴9之间，且扭矩传感器8还与数据采集器13连接；旋转轴9上缠绕电磁线圈14，微沟槽16环刻于强磁性金属上，且强磁性金属吸附于圆盘15底部；圆盘15与旋转轴9螺纹连接。盛液装置包括盖板10、盛液外筒12、加气装置17和盛液内筒11，盖板10通过铰链3连接到盛液外筒12上；盛液内筒11用胶束粘接在盛液外筒12内部，形成一个整体，从而实现密封，盛液内筒11和盛液外筒12之间形成密闭的介质腔室25，旋转轴9和盖板10之间给予密封,加气装置17设置在盛液内筒11内，且加气装置17与进气管20连接；循环水系统1通过两根橡胶管(进液管2和出液管5)分别连接在盛液外筒13的底部和上部，且进液管2和出液管5通过螺纹4连接旋入盛液外筒12中，且和介质腔室25相连通；排水管18通过螺纹4连接旋入盛液外筒12底部和介质腔室25相连通，且排水管18上设置截止阀19。为了便于观察其内部液体运动情况，盛液外筒12和盛液内筒11均为透明有机玻璃玻璃制成。

如图2所示，为了测试不同微沟槽16的减阻情况，需要在强磁性金属上环向加工不同形状的微沟槽16，图2为不同形状微沟槽16的剖面图。

如图3所示，为了防止容器内的液体溅出，需要在盛液外筒12上方设置两块半圆形的盖板10。盖板10通过铰链4连接在盛液外筒12上，且两块盖板10之间通过销25进行连接。两块盖板10上各设置一个把手26。盖板10上还设置有排气管23和进料管24，排气管23和进料管24均和盛液内筒11相连通。

本发明装置的工作原理是：

先将盖板10打开，并将圆盘15置于盛液内筒11中，调节圆盘15(此时不安装强磁性金属)高度使其完全浸没在溶剂中。关闭盖板10，并给予盖板10与旋转轴9密封，使得盛液内筒11内腔密封，通过进料管24，向盛液装置(盛液内筒11)中添加溶剂直至充满整个盛液内筒11，同时打开排气管23，将盛液内筒11中的空气排尽，从而防止气体混入盛液内筒11的溶剂中。为了测量圆盘15扭矩，在旋转轴9与电机6之间安装扭矩传感器8，并用联轴器7进行连接。测量开始前，先打开循环水系统1。循环水通过进液管2从容器底部进入介质腔室22中，并通过介质腔室22上部的出液管5再次流入循环水系统1中，从而使介质腔室22中的区域被水充满，并形成循环回路。此时，调节循环水系统1的温度，使其达到测量要求。开始测量时，打开电机6和变频器21，并调节变频器21来改变电机6角速度使所测溶液的雷诺数达到测量要求。溶液雷诺数可根据公式：进行换算，其中ρ为流体密度、r为圆盘半径、ω为旋转角速度。此时，记录扭矩传感器8所测得的扭矩。测量完成后，打开截止阀19，使测量溶液通过排水管18排出。然后关闭截止阀19，加入适量的表面活性剂溶液，在相同的条件下对其进行测量，并得出其扭矩值。通过得到表面活性剂溶液的减阻率，其中Ts为水的扭矩值、Tp为表面活性剂溶液的扭矩值。

盛液内筒11内加入适当溶剂，并测量其在一定转速下的扭矩值；然后打开截止阀21，使气体通过进气管20进入加气装置17中，并产生微气泡；再打开排气管23，使盛液内筒11中的气体得以排出；此时在相同条件下测出其扭矩值，最终得出微气泡的减阻率。

圆盘15下表面安装上强磁性金属，变为带有微沟槽的圆盘，所述盛液内筒11加入纯溶剂，并关闭截止阀21，从而测量出微沟槽圆盘的减阻率。

所述盛液内筒11中加入减阻溶液，并打开截止阀21，使气体通入加气装置17中，从而实现微气泡和减阻添加剂的联合减阻。

盛液内筒11中加入减阻溶液，关闭进气管20上的截止阀，并将光滑圆盘15下表面安装上强磁性金属，变为带有微沟槽的圆盘，从而实现微沟槽与减阻添加剂的联合减阻。

盛液内筒11中加入纯溶剂，所述圆盘15下表面安装上强磁性金属，变为带有微沟槽的圆盘，并打开进气管20上的截止阀，使气体进出加气装置17中，从而获得微沟槽和微气泡的联合减阻。

盛液内筒11中加入减阻溶液，所述圆盘15下表面安装上强磁性金属，变为带有微沟槽的圆盘，并打进气管20上的截止阀，进而实现微沟槽、微气泡和减阻添加剂的复合减阻。

循环水系统1通过进液管2和出液管5与盛液外筒连接，形成闭路循环控温系统，可调节测量溶液的温度。

当需要进行微沟槽16减阻测量时，只需将测量溶液更换为纯溶剂，并将刻有微沟槽16的强磁性金属吸附于圆盘15底部，然后按照上述步骤进行测量即可得到微沟槽16的减阻率。拆卸或更换微沟槽16时，只需将电磁线圈14通电，利用反向充磁原理即可实现。

当需要进行微气泡减阻测量时，只需打开截止阀二21，向进气管20中通入气体，并通过加气装置17产生微气泡即可。将以上三种减阻方式相互耦合即可实现复合减阻测量。

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 (4)

1.一种多功能复合减阻实验测试装置，其特征在于：包括旋转圆盘装置、盛液装置和循环水系统(1)，

所述旋转圆盘装置包括圆盘(15)、带动圆盘旋转的电机(6)、扭矩传感器(8)和旋转轴(9)，所述电机(6)连接有变频器(21)，所述扭矩传感器(8)通过联轴器(7)连接在电机(6)和旋转轴(9)之间，且扭矩传感器(8)还连接有数据采集器(13)，

所述盛液装置包括盖板(10)、盛液外筒(12)、加气装置(17)和盛液内筒(11)，所述盛液外筒(12)套装在盛液内筒(11)上，盛液内筒(11)和盛液外筒(12)之间形成密闭的介质腔室(22)，所述加气装置(17)设置在盛液内筒(11)内，且加气装置(17)连接有加气管(20)，加气管(20)延伸至盛液装置外部，所述盖板(10)铰接在盛液外筒(12)上，旋转轴(9)的下端穿过盖板(10)的中心，延伸至盛液外筒(11)内，旋转轴(9)和盖板(10)之间密封连接，圆盘(15)上表面的中心安装在旋转轴(9)的下端，且所述圆盘(15)的下表面上设置有微沟槽(16)，所述盖板(10)上还设置有排气管(23)和进料管(24)，排气管(23)和进料管(24)均和盛液内筒(11)相连通，

所述盛液外筒(12)的底部和上部分别连接有进液管(2)和出液管(5)，进液管(2)和出液管(5)均和循环水系统(1)相连通，所述盛液外筒(12)底部还外接有排水管(18)，且排水管(18)上设置截止阀(19)。

2.如权利要求1所述的一种多功能复合减阻实验测试，其特征在于：所述旋转轴(9)上缠绕有电磁线圈(14)，所述微沟槽(16)环刻在强磁性金属上，且强磁性金属吸附在圆盘(15)的下表面。

3.如权利要求1所述的一种多功能复合减阻实验测试装置，其特征在于：所述盖板(10)分为两块半圆形的分盖板组成，每个分盖板均和盛液外筒(12)铰接，两个分盖板之间通过销(25)连接。

4.如权利要求3所述的一种多功能复合减阻实验测试装置，其特征在于：所述两个分盖板表面上均设置有把手(26)。