CN108489865A - 一种高温烟尘气体射流实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高温烟尘气体射流实验装置及方法，属于射流装置的技术领域，该装置包括射流出口控制组件、气体加热存储组件、驱动组件和辅助组件；射流出口控制组件包括射流外管、射流导流结构和第一保温层；气体加热存储组件包括与射流外管密封连接的外套筒、设置在外套筒内的内套筒、连接外套筒下边沿和内套筒下边沿的底板、设置在外套筒内壁上的第二保温层、设置在内套筒外壁上的第三保温层、设置在第三保温层上的加热部、设置在内套筒内的挡板以及传动件；传动件与驱动组件连接；辅助组件包括密封筛、烟尘颗粒添加注管、动静压测试传感器、温度检测传感器和烟气发生器。该装置可形成速度稳定、温度可控的高温烟尘气体。

Description

一种高温烟尘气体射流实验装置及方法

技术领域

本发明涉及射流装置的技术领域，特别是涉及一种高温烟尘气体射流实验装置及方法。

背景技术

火山的喷发、烟囱排烟、火灾、爆炸、炼钢炼焦等高温污染排污，污染物扩散的扩散规律都是在高温气体以一定的初速速度携带颗粒的卷吸、扩散及气流中颗粒在流场的影响中扩散运动。气体的密度低、比热小，通过对气体直接加热后导出，很难形成均一、恒定温度的射流；同时气体具有易被压缩的性质，因此通过简单的挤压排出也不可能形成稳定的射流，气体在加热过程中密度将会有较大的变化，如空气从20℃加热到500℃时，气体密度从1.25kg⁄m³ 降低到0.45kg⁄m³，密闭加热的方法必然会在容积内形成较大的压力，直接排出的过程中并不能形成恒定的射流速度；在气固耦合射流发生装置中，最常见的方法是文丘里管，但是实验中由于气体的易压缩性，在经过变化孔径的管道时，气流速度、气体密度将与初始状态很难保持一致，从而大大降低了烟尘气体射流发生装置的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温烟尘气体射流实验装置及方法，以形成速度稳定、温度可控的高温（20℃到500℃）烟尘气体。

本发明提供一种高温烟尘气体射流实验装置，包括射流出口控制组件、气体加热存储组件、驱动组件和辅助组件；射流出口控制组件包括射流外管、射流导流结构和第一保温层；射流外管包括顶板以及设置在顶板之下的侧壁；射流导流结构包括设置在射流外管内的导流部以及连接导流部和侧壁下边沿的连接部；导流部围合成导流空间，射流出口位于顶板上；连接部与顶板平行；第一保温层设置在射流外管和射流导流结构围合成的腔体内；气体加热存储组件包括与射流外管密封连接的外套筒、设置在外套筒内的内套筒、连接外套筒下边沿和内套筒下边沿的底板、设置在外套筒内壁上的第二保温层、设置在内套筒外壁上的第三保温层、设置在第三保温层上的加热部、设置在内套筒内的挡板以及用于带动挡板沿着内套筒轴向移动的传动件；外套筒、内套筒、底板和挡板围合成顶端与导流空间连通的气体加热存储空间；内套筒的内径大于射流出口内径；传动件与驱动组件连接；辅助组件包括密封筛、烟尘颗粒添加注管、动静压测试传感器、温度检测传感器和烟气发生器；密封筛用于封堵射流出口；烟尘颗粒添加注管和动静压测试传感器从导流空间内延伸至射流外管外，且靠近射流出口；温度检测传感器和烟气发生器从气体加热存储空间内延伸至外套筒外。

进一步地，内套筒内径 R ₂和外套筒内径R ₃之间满足以下关系：1.6R ₂≤R ₃≤2.41R ₂。

进一步地，传动件为滚珠丝杠；驱动组件与滚珠丝杠配合。

进一步地，挡板的移动速度取值在0.02m/s≤v≤0.1m/s，射流速度在0-10m/s；射流出口孔径R ₁ 和内套筒内径R ₂之间满足以下关系：R ₁取值范围为20 mm至50 mm，R ₂取值范围为15R ₁≥R ₂≥10 R ₁。

进一步地，导流部为弧形导流部，沿着射流外管轴向的截面方程为：f(x)=p ₁ x ² +p ₂ x，其中参数p ₁的取值范围为7.65至15，参数p ₂ 的取值范围为0至0.46，x的取值范围为0 mm至290 mm。

进一步地，烟尘颗粒添加注管的内端面与导流空间的轴向对称轴平齐，动静压测试传感器的内端部位于导流空间的轴向对称轴上；烟尘颗粒添加注管位于动静压测试传感器的上方。

进一步地，加热部为加热丝；第一保温层、第二保温层和第三保温层为硅酸铝保温层。

进一步地，挡板的外边沿设置有耐高温密封圈；耐高温密封圈为氟橡胶密封圈。

本发明提供一种高温烟尘气体射流实验方法，基于上述高温烟尘气体射流实验装置实施，适用于粒径为1μm-10μm的颗粒，包括下述步骤：

S1，将气体加热存储空间内的气体排出至气体含量最小；

S2，通过烟气发生器将1μm-10μm的颗粒添加到气体加热存储空间和导流空间内后，封闭射流出口，加热气体加热存储空间内的烟气至预设温度，加热过程移动挡板以使装置内气压与射流出口外环境气压一致；

S3，打开射流出口，移动挡板挤压烟气从射流出口射出；

S4，动静压测试传感器检测静压和动压，通过克拉伯龙方程得到密度的检测值，通过伯努利方程得到速度的检测值，根据速度的检测值调节挡板的移动速度至达到预设动压，得到预设流速的射流气体。

本发明提供一种高温烟尘气体射流实验方法，基于上述高温烟尘气体射流实验装置实施，适用于粒径为10μm-1000μm的颗粒，包括下述步骤：

S1，将气体加热存储空间内的气体排出至气体含量最小；

S2，封闭射流出口，加热气体加热存储空间内的气体至预设温度，加热过程移动挡板以使装置内气压与射流出口外环境气压一致；

S3，打开射流出口，移动挡板挤压气体从射流出口射出，同时将粒径为10μm-1000μm的颗粒通过烟尘颗粒添加注管添加到导流空间内；

S4，动静压测试传感器检测静压和动压，通过克拉伯龙方程得到密度的检测值，通过伯努利方程得到速度的检测值，根据速度的检测值调节挡板的移动速度至达到预设动压，得到预设流速的射流气体。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

本发明提供的高温烟尘气体射流实验装置及方法，通过加热部和温度检测传感器对气体加热存储空间内的气体进行加热和测温，实现对气体温度的控制；加热过程中通过移动挡板使装置内外气压一致，保证装置内的气体恒压，移动挡板使气体从射流出口射出时，动静压测试传感器检测气体静压和动压，通过伯努利方程得到速度的检测值，通过克拉伯龙方程得到密度的检测值，根据速度的检测值调节修正挡板的移动速度至达到预设动压，从而得到预设流速的射流气体。由上可知，本发明提供的高温烟尘气体射流实验装置及方法可形成速度稳定、温度可控的高温烟尘气体。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明实施例1提供的高温烟尘气体射流实验装置的结构示意图；

图2是图1所示高温烟尘气体射流实验装置的内部结构示意图；

图3是实施例1中1号导流部结构示意图；

图4是实施例1中2号导流部结构示意图；

图5是实施例1中3号导流部结构示意图。

标号：101-射流外管；102-第一保温层；103-导流部；104-连接部；105-射流出口；201-外套筒；202-内套筒；203-底板；204-第二保温层；205-第三保温层；206-加热部；207-挡板；208-滚珠丝杠；209-耐高温密封圈；301-密封筛；302-烟尘颗粒添加注管；303-动静压测试传感器；304-温度检测传感器；305-烟气发生器；400-驱动组件。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种高温烟尘气体射流实验装置，如图1和图2所示，包括射流出口控制组件、气体加热存储组件、驱动组件400和辅助组件；射流出口控制组件包括射流外管101、射流导流结构和第一保温层102；射流外管包括顶板以及设置在顶板之下的侧壁；射流导流结构包括设置在射流外管101内的导流部103以及连接导流部103和侧壁下边沿的连接部104；导流部103围合成导流空间，射流出口105位于顶板上；连接部104与顶板平行；第一保温层102设置在射流外管101和射流导流结构围合成的腔体内；气体加热存储组件包括与射流外管101密封连接的外套筒201、设置在外套筒201内的内套筒202、连接外套筒201下边沿和内套筒202下边沿的底板203、设置在外套筒201内壁上的第二保温层204、设置在内套筒202外壁上的第三保温层205、设置在第三保温层205上的加热部206、设置在内套筒202内的挡板207以及用于带动挡板207沿着内套筒202轴向移动的传动件；外套筒201、内套筒202、底板203和挡板207围合成顶端与导流空间连通的气体加热存储空间；内套筒202的内径大于射流出口105内径，实现一定时间内能保持稳定射流；传动件与驱动组件400连接；辅助组件包括密封筛301、烟尘颗粒添加注管302、动静压测试传感器303、温度检测传感器304和烟气发生器305；密封筛301用于封堵射流出口105；烟尘颗粒添加注管302和动静压测试传感器303从导流空间内延伸至射流外管101外，且靠近射流出口105；温度检测传感器304和烟气发生器305从气体加热存储空间内延伸至外套筒201外。

在将装置内气体挤压排出过程中，必然存在挤压特性及射流速度变化，在不能准确给出气体的挤压特性参数时，本装置通过动静压测试传感器303测试气体的动压和静压结果。挤压射流排出过程中气体的动压是由于气体射流特性产生的，气体的静压是由于气体挤压密度变化产生的，基于伯努利方程确定动压与速度的关系、基于克拉伯龙方程pV=nRT（p是指理想气体的压强，V为理想气体的体积，n表示气体物质的量，T表示理想气体的热力学温度，R为理想气体常数）确定静压与密度关系，修正实验装置形成的高温射流气体中存在的误差。

该装置中，根据气体中颗粒的粒径大小，分别设置了烟尘颗粒添加注管302和烟气发生器305。粒径为1μm-10μm的颗粒在短时间内基本不会沉降，且能够与流场保存保存较好的一致性，因此在研究流场扩散特征时，很多情况通过观察烟气的分布特征进行分析，故通过烟气发生器305注入气体加热存储空间内，加热后随热气流排出。粒径为10-1000μm的颗粒沉降特征加剧，在空间内分布的一致性较差，不能通过提前加注的方法形成稳定射流，因此通过烟尘颗粒添加注管302添加，射流气流带动颗粒进入流场。

射流出口105的形状可设计成不同的形状（一般为圆形、矩形或椭圆形）以形成不同形状的射流气体，也可将装置放置在成不同的角度（如垂直向上、垂直向下、水平方向或与水平线成一定角度），以形成不同角度的射流气体。

进一步地，射流外管101和外套筒201之间通过卡槽结构密封连接。

进一步地，内套筒202内径R ₂ 和外套筒201内径R ₃之间满足以下关系：1.6R ₂≤R ₃≤2.41R ₂，以保证内套筒202和外套筒201之间的空间足够大，减小气体膨胀时对内套筒202和外套筒201的压力。

本实施例中，传动件可以是丝杠或直线导轨等等。优选地，传动件为滚珠丝杠208，滚珠丝杠208的摩擦阻力小，具有高精度、可逆性和高效率的特点；驱动组件400与滚珠丝杠208配合，可以采用电机驱动。在需要某一速度的射流气体时，将预设流速转换成滚珠丝杠208的转速，通过驱动滚珠丝杠208转动，提升挡板207的高度，挤压装置内气体，从而形成预设流速的射流气体。

挡板207在挤压排出气体时，移动速度较低时滚珠丝杠208转速将不连续，速度较大时挤压会赋予气体移动动量影响实验的准确性，故挡板207移动速度取值设置在0.02m/s≤v≤0.1m/s，射流速度预设为0-10m/s时，且保证装置的高度合理的情况下，射流出口（105）孔径R ₁和内套筒（202）内径R ₂之间满足以下关系：R ₁取值范围为20 mm至50 mm，R ₂取值范围为15R ₁≥R ₂≥10 R ₁。

进一步地，导流部103的形状可根据需要进行设计，在本实施例中，提供三种不同形状的导流部103，并进行对比。如图3所示，1号导流部为弧形导流部，沿着射流外管101轴向的截面方程为：f(x)=p ₁ x ² +p ₂ x，其中参数p ₁的取值范围为7.65至15，参数p ₂ 的取值范围为0至0.46，x 的取值范围为0 mm至290 mm；如图4所示，2号导流部为锥形导流部；如图5所示，3号导流部为管状导流部。在相同条件下进行对比试验，在ANSYS ICEM软件中完成二维模型建模与网格划分，在FLUENT软件中采用动网格方法进行模拟计算，设计比较了挡板207移动速度为0.05m/s，射流出口105形成5m/s射流，射流出口105设为压力出口时，装置内静压、动压特性以及射流的速度特征，其中压力出口处压力设为0 Pa（仿真实验中和大气直接接触的面相对大气压的静压差设置为0 Pa）。

表1 仿真模拟实验结果

实验结果表明，与2号导流结构相比，1号导流结构能够在距离射流出口105一定距离时，形成稳定动压分布，使动压不仅仅集中在射流出口105位置，同时能够控制在射流出口105的速度矢量方向；与导流结构3相比，1号导流结构能够降低装置内的静压分布，提高了装置内压力分布的一致性。

进一步地，烟尘颗粒添加注管302的内端面与导流空间的轴向对称轴平齐，动静压测试传感器303的内端部位于导流空间的轴向对称轴上，烟尘颗粒添加注管302位于动静压测试传感器303的上方，以防止从烟尘颗粒添加注管302射出的颗粒堵塞动静压测试传感器303。

进一步地，加热部206为加热丝，加热丝表面最高温度为1100℃；第一保温层102、第二保温层204和第三保温层205为耐热温度最高达到1200℃的硅酸铝保温层，以保证能承受足够高的温度。

进一步地，挡板207的外边沿设置有耐高温密封圈209，以提高密封性；耐高温密封圈209为耐500℃以上高温氟橡胶密封圈。

实施例2

本实施例以实施例1为基础，提供一种高温烟尘气体射流实验装置，射流出口105为圆形，射流出口105孔径R ₁=0.02m，内套筒202内径R ₂=0.3m，外套筒201内径R ₃=0.5m，滚珠丝杠208的导程为0.004 m，滚珠丝杠208转速300 r/min，能够在射流出口105形成速度4.5m/s的射流气体。

实施例3

本实施例以实施例1为基础，提供一种高温烟尘气体射流实验装置，导流弧形截面方程为：f(x)=p ₁ x ² +p ₂ x，其中参数p ₁的取值为15，参数p ₂ 的取值为0.46。在ANSYS ICEM 软件中完成二维模型建模与网格划分，应用FLUENT中动网格方法进行模拟计算，取射流出口105孔径R ₁=0.02m，内套筒202内径R ₂=0.2m，外套筒201内径R ₃=0.35m，射流出口105设为压力出口，压力出口的压力设为0 Pa，比较了射流出口105处流速从5m/s增加到10m/s时（由于内套筒202截面是射流出口105截面的100倍，理想状态下挡板207的移动速度从0.05m/s增加到0.1m/s），动压和静压的变化。结果表明，动压从16.9 Pa变化70.4 Pa，基本与速度的平方成正比；静压从20.3 Pa上升到81.2 Pa。

实施例4

本实施例提供一种高温烟尘气体射流实验方法，基于实施例1所述高温烟尘气体射流实验装置实施，适用于粒径为1μm-10μm的颗粒，包括下述步骤：

S1，将气体加热存储空间内的气体排出至气体含量最小；

S2，通过烟气发生器305将1μm-10μm的颗粒添加到气体加热存储空间和导流空间内后，封闭射流出口105，加热气体加热存储空间内的烟气至预设温度，加热过程移动挡板207以使装置内气压与射流出口105外环境气压一致；

S3，打开射流出口105，移动挡板207挤压烟气从射流出口105射出；

S4，动静压测试传感器303检测静压和动压，通过克拉伯龙方程得到密度的检测值，通过伯努利方程得到速度的检测值，根据速度的检测值调节挡板207的移动速度至达到预设动压，得到预设流速的射流气体。

进一步地，还包括在步骤S1之前的步骤S0：

S0，将动静压测试传感器303、温度检测传感器304、烟气发生器305、显示装置与检测驱动设备连接。

实施例5

本实施例以实施例1所述高温烟尘气体射流实验装置和实施例4所述方法为基础，选用QLIOING彩色烟雾发烟器YMD02B03，可生成粒度中位径为1.46μm的烟雾。

实施例6

本发明提供一种高温烟尘气体射流实验方法，基于实施例1所述高温烟尘气体射流实验装置实施，适用于粒径为10μm-1000μm的颗粒，包括下述步骤：

S1，将气体加热存储空间内的气体排出至气体含量最小；

S2，封闭射流出口105，加热气体加热存储空间内的气体至预设温度，加热过程移动挡板207以使装置内气压与射流出口105外环境气压一致；

S3，打开射流出口105，移动挡板207挤压气体从射流出口射出，同时将粒径为10μm-1000μm的颗粒通过烟尘颗粒添加注管302添加到导流空间内；

S4，动静压测试传感器303检测静压和动压，通过克拉伯龙方程得到密度的检测值，通过伯努利方程得到速度的检测值，根据速度的检测值调节挡板的移动速度至达到预设动压，得到预设流速的射流气体。

进一步地，还包括在步骤S1之前的步骤S0：

S0，将动静压测试传感器303、温度检测传感器304、烟气发生器305、显示装置与检测驱动设备连接。

实施例7

本实施例以实施例1所述高温烟尘气体射流实验装置和实施例6所述方法为基础，通过在烟尘颗粒添加注管200目的活性炭颗粒，加热气体后通过驱动滚珠丝杠208使气流携带75μm活性炭颗粒排出，可形成稳定射流。

以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种高温烟尘气体射流实验装置，其特征在于：包括射流出口控制组件、气体加热存储组件、驱动组件（400）和辅助组件；

所述射流出口控制组件包括射流外管（101）、射流导流结构和第一保温层（102）；

所述射流外管（101）包括顶板以及设置在所述顶板之下的侧壁；

所述射流导流结构包括设置在所述射流外管（101）内的导流部（103）以及连接所述导流部（103）和侧壁下边沿的连接部（104）；

所述导流部（103）围合成导流空间，射流出口（105）位于所述顶板上；

所述连接部（104）与所述顶板平行；

所述第一保温层（102）设置在所述射流外管（101）和射流导流结构围合成的腔体内；

所述气体加热存储组件包括与所述射流外管（101）密封连接的外套筒（201）、设置在所述外套筒（201）内的内套筒（202）、连接外套筒（201）下边沿和内套筒（202）下边沿的底板（203）、设置在外套筒（201）内壁上的第二保温层（204）、设置在内套筒（202）外壁上的第三保温层（205）、设置在所述第三保温层（205）上的加热部（206）、设置在所述内套筒（202）内的挡板（207）以及用于带动所述挡板（207）沿着内套筒（202）轴向移动的传动件；

所述外套筒（201）、内套筒（202）、底板（203）和挡板（207）围合成顶端与所述导流空间连通的气体加热存储空间；

所述内套筒（202）的内径大于射流出口（105）内径；

所述传动件与所述驱动组件（400）连接；

所述辅助组件包括密封筛（301）、烟尘颗粒添加注管（302）、动静压测试传感器（303）、温度检测传感器（304）和烟气发生器（305）；

所述密封筛（301）用于封堵所述射流出口（105）；

所述烟尘颗粒添加注管（302）和动静压测试传感器（303）从导流空间内延伸至所述射流外管（101）外，且靠近所述射流出口（105）；

所述温度检测传感器（304）和烟气发生器（305）从所述气体加热存储空间内延伸至所述外套筒（201）外。

2.根据权利要求1所述的高温烟尘气体射流实验装置，所述内套筒（202）内径R ₂和外套筒（201）内径R ₃之间满足以下关系：1.6R ₂≤R ₃≤2.41 R ₂。

3.根据权利要求1或2所述的高温烟尘气体射流实验装置，其特征在于，其特征在于，所述传动件为滚珠丝杠（208）；

所述驱动组件（400）与所述滚珠丝杠（208）配合。

4.根据权利要求3所述的高温烟尘气体射流实验装置，其特征在于，所述挡板（207）的移动速度取值在0.02m/s≤v≤0.1m/s，射流速度在0-10m/s；

所述射流出口（105）孔径R ₁和内套筒（202）内径R ₂之间满足以下关系：R ₁取值范围为20mm至50 mm，R ₂取值范围为15R ₁≥R ₂≥10 R ₁。

5.根据权利要求4所述的高温烟尘气体射流实验装置，其特征在于，所述导流部（103）为弧形导流部，沿着射流外管轴向的截面方程为：f(x)=p ₁ x ² +p ₂ x ，其中参数p ₁的取值范围为7.65至15，参数p ₂ 的取值范围为0至0.46，x的取值范围为0 mm至290 mm。

6.根据权利要求5所述的高温烟尘气体射流实验装置，其特征在于，所述烟尘颗粒添加注管（302）的内端面与导流空间的轴向对称轴平齐；

所述动静压测试传感器（303）的内端部位于导流空间的轴向对称轴上；

所述烟尘颗粒添加注管（302）位于动静压测试传感器（303）的上方。

7.根据权利要求6所述的高温烟尘气体射流实验装置，其特征在于，所述加热部（206）为加热丝；

所述第一保温层（102）、第二保温层（204）和第三保温层（205）为硅酸铝保温层。

8.根据权利要求7所述的高温烟尘气体射流实验装置，其特征在于，所述挡板（207）的外边沿设置有耐高温密封圈（209）；

所述耐高温密封圈（209）为氟橡胶密封圈。

9.一种高温烟尘气体射流实验方法，其特征在于，基于权利要求1-8所述的高温烟尘气体射流实验装置实施，适用于粒径为1μm-10μm的颗粒，包括下述步骤：

S1，将气体加热存储空间内的气体排出至气体含量最小；

S2，通过烟气发生器（305）将1μm-10μm的颗粒添加到气体加热存储空间和导流空间内后，封闭射流出口（105），加热气体加热存储空间内的烟气至预设温度，加热过程移动挡板以使装置内气压与射流出口（105）外环境气压一致；

S3，打开射流出口（105），移动挡板（207）挤压烟气从射流出口（105）射出；

S4，动静压测试传感器（303）检测静压和动压，通过克拉伯龙方程得到密度的检测值，通过伯努利方程得到速度的检测值，根据速度的检测值调节挡板的移动速度至达到预设动压，得到预设流速的射流气体。

10.一种高温烟尘气体射流实验方法，其特征在于，基于权利要求1-8所述的高温烟尘气体射流实验装置实施，适用于粒径为10μm-1000μm的颗粒，包括下述步骤：

S1，将气体加热存储空间内的气体排出至气体含量最小；

S2，封闭射流出口（105），加热气体加热存储空间内的气体至预设温度，加热过程移动挡板（207）以使装置内气压与射流出口（105）外环境气压一致；

S3，打开射流出口（105），移动挡板（207）挤压气体从射流出口（105）射出，同时将粒径为10μm-1000μm的颗粒通过烟尘颗粒添加注管（302）添加到导流空间内；

S4，动静压测试传感器（303）检测静压和动压，通过克拉伯龙方程得到密度的检测值，通过伯努利方程得到速度的检测值，根据速度的检测值调节挡板的移动速度至达到预设动压，得到预设流速的射流气体。