CN109141814A - 一种基于piv技术测量超重力旋转床流场特性的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的装置和方法，所述装置包括超重力旋转床装置和PIV装置；超重力旋转床装置包括环形筛板旋转床、储液槽、风机、泵、流量计、阀门，其中环形筛板旋转床包括透明壳体、液体分布器、装有透明环形筛板的转子、进液管与出液管；PIV装置包括计算机、同步器、激光发生器、CCD相机。测试方法：激光器产生脉冲激光经过片光源射入到环形筛板选装床内的气液接触面，CCD相机垂直向下拍摄流场形态，同步器将图像传输到计算机中运用互相关算法得到流场的速度信息。本发明利用PIV技术获得旋转床内的流体速度场图像，同时利用数值模拟技术研究环形筛板旋转床的流场特性。

Description

一种基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的装置和方法。

背景技术

环形筛板旋转床是一种过程强化装置，它将内部密实的填料简化为同心圆环筛板，转子稳定性得到极大地提升，且清洗维护简便，设备制造费用及运维费用较低；液体经分布器初始分布后喷洒在最内缘网板内侧，通过高速旋转的筛板剪切、撕裂后，液体被分散为液滴、液丝等形态，增大了气液接触面积，且两相间相对速度很大，气液界面湍动程度得到强化，对吸收、解吸等化工过程都有显著的影响。

目前，普通旋转填料床填料密实、内部流道复杂，难以借助现有PIV技术对其内部流场进行可视化研究，也就无法直观获得液相流体的速度场、液滴大小等信息，难以进一步深入研究旋转床内传质、传热现象。针对于此问题，如何将PIV技术引用到旋转填料床内流体的测量上，已经成为一个亟待解决的问题。因此必须对原有的旋转填料床进行结构创新与设计，便于PIV技术测量其内部流场特性。

通过测量旋转床的流场信息，可以得到旋转填料床流体力学的基础理论，同时为优化传质模型和反应器结构提供基础数据。文献1“Sang L, Luo Y, Chu G, et al.Liquid flow pattern transition, droplet diameter and size distribution in thecavity zone of a rotating packed bed: A visual study[J]. Chemical EngineeringScience, 2017,158:429-438.”采用高速摄像机对旋转填料床外缘填料进行了拍摄研究，结果表明液体从填料表面进入空腔区时，出现了液膜-液滴的断裂与液膜-液线-液滴的断裂两种方式；文献2“Guo K, Feng Y, et al. Synchronous visual and RTD study onliquid flow in rotating packed bed contactor1[J]. Chemical EngineeringScience, 2000,55(9):1699-1706.”采用测量电导率的方法研究了旋转床内液体的停留时间分布及平均停留时间。上述文献使用的流场测量方法为非接触式全流场流量，具有测量精度高、空间分辨率高、测速范围广、灵敏度高、动态响应快等优点；但是这些方法流场干扰大、流体形态必须相对稳定，可变性不足，且每次只能在一个或几个位置测量，无法对全流场进行测量，需要进行不同位置的多次测量，通过平均化给出流场结果，以免给分析带来不便。

粒子图像测速技术（PIV）是利用粒子的成像来测量流体速度的一种测速系统，它突破了以往技术的局限性，能够对同一瞬时的流动图像分析获得测试区域内整个流场的速度分布，反应出真实的流场信息；该技术克服了以往流场中单点测量的局限性，能够对平面二维流场或三维流场进行测试，是一种无扰动测量技术。

发明内容

本发明目的是提供一种基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的装置和方法。首先，设计了一种新型超重力旋转床，使得利用PIV技术对其内流场进行测量时，能够高速准确的得到流场信息。本发明解决了旋转床内部流场难以测量的问题，可用于探索旋转填料床的强化机理，优化传质模型和结构；为利用PIV技术测量超重力旋转床内流场信息提供了一种途径，是一种实现瞬态、多点、无接触式的技术方法。

本发明通过对旋转填料床内部的转子结构进行结构创新与设计，设计出了环形筛板旋转填料床，该设备大部分部件采用有机玻璃或石英玻璃制成。将PIV技术应用到旋转填料床内的流体拍摄研究中，探究出来了一种完整的PIV技术测量旋转填料床流场特性研究的方法。

本发明提供了一种基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的装置，包括超重力旋转床装置和PIV装置；

所述超重力旋转床装置包括环形筛板旋转床、风机、阀门、流量计、储液槽、泵；其中环形筛板旋转床包括透明壳体、液体分布器、进液管、出液管、转子、迷宫密封圈；进液管置于透明壳体上盖中央，与透明壳体中央的液体分布器相连；出液管置于透明壳体底部，透明壳体安装于水平台上；转子由上层盖板、透明环形筛板层、下层盖板以及转轴组成，转子在电机作用下进行高速旋转；透明环形筛板层放置在透明壳体中央，通过转轴带动旋转；转轴与电机连接，通过变频器来调节环形筛板旋转床的转速；储液槽通过泵与环形筛板旋转床的进液管连接，在进液管路中安装转子流量计调节流量，环形筛板旋转床的出液管与储液槽上方入口连接，形成一个水循环系统；风机与环形筛板旋转床的进气口相连，气体通过风机加压后进入旋转填料床内，通过气体流量计调节风量，气体在填料内与液体逆流接触后，从旋转填料床中间的气体出口排出。

所述PIV装置包括激光发射器、CCD相机、同步器、计算机；CCD相机放置于环形筛板旋转床的上方或者侧面，能够对旋转床内的流体状况进行多方位测量；CCD相机通过支架来调节高度和拍摄目标区域；激光发射器安装在环形筛板旋转床的一侧，通过导光臂来连接片光源进行光源传输，片光源能够调节光源入射角度和光源照射厚度，光源入射角度在0~360°范围内可调，且满足光源入射角度垂直于相机；同步器分别与激光发射器、计算机以及CCD相机连接，计算机通过同步器来控制激光发射器和CCD相机；CCD相机拍摄的图像通过同步器的转换储存在计算机上。

上述装置中，所述环形筛板旋转床的透明环形筛板为圆环结构，由2~8层不同直径的环形筛板组成，每层环形筛板的上下排列有2~6层呈周向分布的圆形筛孔，圆形筛孔直径为2~6mm，筛板层材质为有机玻璃或石英玻璃。

上述透明环形筛板的上方设有一个3~10mm厚度的圆形透明盖板，与下层盖板共同作用下固定筛板层。上层盖板连接迷宫密封圈，以防止气体短路。

上述装置中，所述环形筛板旋转床的液体分布器下端设有3个垂直分布的小孔，液体经进液管进入液体分布器上端，最后从下端小孔喷洒在填料内缘。

上述装置中，所述环形筛板旋转床的壳体为圆筒结构，两端为法兰，其材质均为有机玻璃，壳体与旋转床的不锈钢底座采用法兰连接。

上述装置中，所述PIV装置，为了减少折射、散射的局部强光进入摄像机，将不锈钢转子底部盖板均匀涂抹一层黑色油性漆（糙面）；在每层筛板上端面使用黑色的纸带进行遮挡；为了使得拍摄的图像尽量清晰，在整个实验过程中尽量保持只有激光摄入，因此当没有激光照射时，整个实验环境为黑暗条件。

本发明提供了一种采用上述基于PIV技术测量环形筛板旋转床流场特性的装置进行的测量方法，所述实验以去离子水为介质，旋转床分散后的液滴本身作为示踪粒子；包括以下步骤：

（1）向储液槽中加入去离子水，开启环形筛板旋转床装置，设置转子转速为100~1500rpm、液体初始速度为0.5~4 m/s、气量为0~8m³/h，进入到水循环状态。在旋转填料床装置进行工作时，液体经液体分布器初始分布后喷洒在最内缘填料，通过高速旋转的填料剪切、撕裂后，液体被剪切分散为液滴、液丝等形态，在填料中与气体逆流接触。两相之间接触面积大，且两相间相对速度很大，使得气液界面湍动程度得到强化。

（2）开启PIV装置。依次开启激光发射器，同步器，最后打开Insight 4G软件。调节导光臂使激光束照射到目标区域；将CCD相机悬挂于旋转床上空，通过调节杆调节相机至目标拍摄区域；在外触发模式下，调节相机焦距，使目标区域处于最清晰状态。

（3）调节激光频率，在Insight 4G软件中查找合适的频率范围；根据液体的初始速度和转速调节适宜的拍摄图片的时间间隔Δt；对目标区域进行照相，拍摄30~50对图片保存，利用Tecplot软件进行分析，得到流场的速度分布信息；利用Image J软件进行液滴直径统计，探究操作参数对液体的影响。

上述方法中，PIV装置的各部件是在计算机中Insight 4G软件下进行设置的，Δt为50~500μs，查询区域为32×32~256×256 pixel，重叠区域为25%~75%。

上述方法中，图像分析主要利用Insight 4G软件进行分析，采用互相关算法对拍摄的每一对图片进行计算分析，可以得到速度矢量图。互相关算法的原理是：通过识别两帧图像中粒子的位移，进行互相关运算，得到流场的速度信息；优点是显著降低背景噪声对处理结果的影响，从而增加有效粒子的数量。

在Tecplot软件中查看瞬时速度场，并对各图片进行处理求出平均速度场；通过软件Image J手动测量液滴的直径，统计不同操作参数下的液滴直径分布。本发明主要用于处理流场的速度矢量图、速度云图、流线图、液滴分布及直径等。

本发明的有益效果：

（1）设计了透明的环形筛板旋转床，使超重力旋转床内液体流体力学测试特性实验研究成为可能；

（2）针对开发的环形筛板旋转床建立了完整、可行的可视化实验研究方法，对旋转床的流动机理起到至关重要的作用，为优化传质模型和结构提供数据支持。

附图说明

图1为本发明测量装置的整体结构图；

图2为图1中环形筛板旋转床的结构图；

图3为图2中7.11环形筛板的三维结构图。

图中：1为计算机，2为激光发射器，3为同步器，4为风机，5为阀门，6为气体流量计，7为环形筛板旋转床，8为CCD相机，9为储液槽，10为泵，11为液体流量计；

7.1、液体进口，7.2、气体出口，7.3、壳体，7.4、液体分布器，7.5、上盖板，7.6、下盖板，7.7、转轴，7.8、液体出口，7.9、底座，7.10、气体进口，7.11、环形筛板，7.12、迷宫密封圈。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

如图1、图2、图3所示，本发明提供的基于PIV技术测量环形筛板旋转床流场特性的装置，包括环形筛板旋转床装置和PIV装置。环形筛板旋转床装置包括风机4、阀门5、气体流量计6、环形筛板旋转床7、液体流量计11、泵10、储液槽9。其中环形筛板旋转床7，包括液体进口7.1、气体出口7.2、壳体7.3、液体分布器7.4、上盖板7.5、下盖板7.6、转轴7.7、液体出口7.8、不锈钢底座7.9、气体进口7.10、环形筛板7.11、迷宫密封圈7.12。液体分布器7.4位于旋转床中间，与液体进口7.1相连，壳体7.3上端设有气体出口7.2，下端设有液体出口7.8。转轴7.7与电机连接，转轴7.7上端与下端盖板通过焊接方式固定，上盖板7.5和下盖板7.6分别装有卡槽，用于固定环形筛板7.11。上盖板7.5连接迷宫密封圈7.12，然后再与壳体7.3连接固定。壳体7.3下端与底座7.9通过法兰连接。图2中环形筛板填料7.11 有5层筛板，如图3所示。液体进口7.1另一端与泵10连接，泵10与储液槽9连接，为环形筛板旋转床7提供液体，储液槽9另一端与液体出口7.8相连。气体通过风机4加压后，以此通过阀门5和气体流量计6最后从气体进口7.10进入环形筛板旋转床7。

PIV装置包括计算机1、激光发射器2、同步器3、CCD相机8。同步器3分别于计算机1、激光发生器2以及CCD相机8连接。CCD相机8悬空挂于环形筛板旋转床7上空，用于拍摄流体的运动情况。激光发生器2发射激光，通过导光臂将激光照射在环形筛板旋转床7的侧面照亮环形筛板7.11。计算机1设置完参数后，通过同步器3来控制激光发生器2和CCD相机8，最后CCD相机将拍摄好的图像经过同步器8将传输到计算机上经过分析处理后得到流体的特性参数。

具体的测量方法为：

首先，向储液槽中加入液体，开启环形筛板旋转床待填料稳定后，打开泵液体会从储液槽中流入管路，从液体进口进入液体分布器内，经初始分布后进入填料内缘，被高速旋转的填料剪切分散后从填料外缘飞出，最后在重力作用下从旋转床下端的液体出口流入到储液槽中。气体经风机加压后从气体入口进入旋转床内，从填料外缘向内缘运动在此过程中与液体逆流接触，最后从中间的气体出口排出。设置转速为100~1500 rpm、液体初始速度为0.5~4 m/s、气量为0~8m³/h。

其次，在环形筛板旋转床装置稳定后，开启PIV装置。将导光臂调节到旋转床侧面合适位置后，依次打开激光发射器、同步器以及计算机上边的Insight 4G软件；调节导光臂上边的光学元件使其将液面照亮，CCD相机悬挂在旋转床上空，调节焦距和光圈使得图像清晰后，开始进行拍摄。设置Δt为50~500μs，查询区域为32×32~256×256 pixel，重叠区域为25%~75%，拍摄30~50对图片。对图像利用Insight 4G、Tecplot以及Image J软件分析后，过得流场信息。

上述实施例中采用的Insight 4G软件是由TSI公司研究开发，一方面设定参数控制激光发射器和CCD相机进行拍摄，另一方面对每一对图像进行互相关算法处理后，可以得到液体的速度矢量图和相关数据。Tecplot软件是一款能够进行数据处理和可视化处理软件，它可以得到流场的速度云图、流线图等。Image J软件通过对拍摄图像进行分析处理，可以得到液滴的直径。

实施例1：

本实施例设置转速为1000rpm，液体初始速度为2m/s，气量为0 m³/h，时间间隔Δt为100μs，查询区域为64×64 pixel。通过对30对照片进行分析处理，得到液滴平均粒径为0.5mm；液体被剪切成为液滴、液丝两种形态；在同一转速和液体初始速度下，液滴速度沿着填料径向位置逐渐增大。

实施例2：

本实施例设置液体初始速度为液体初始速度为2m/s，气量为0 m³/h，转速为400-1000rpm，时间间隔Δt为50~250μs，查询区域为64×64 pixel。对不同转速下的图像进行分析后，得到液滴速度随着转速的增大而增大，液滴平均粒径随着转速的增大而减小。

Claims (10)

1.一种基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的装置，其特征在于：包括超重力旋转床装置和PIV装置；

所述超重力旋转床装置包括环形筛板旋转床、风机、阀门、流量计、储液槽、泵；其中环形筛板旋转床包括透明壳体、液体分布器、进液管、出液管、转子、迷宫密封圈；进液管置于透明壳体上盖中央，与透明壳体中央的液体分布器相连；出液管置于透明壳体底部，透明壳体安装于水平台上；转子由上层盖板、透明环形筛板层、下层盖板以及转轴组成，转子在电机作用下进行高速旋转；透明环形筛板层放置在透明壳体中央，通过转轴带动旋转；储液槽通过泵与环形筛板旋转床的进液管连接，在进液管路中安装转子流量计调节流量，环形筛板旋转床的出液管与储液槽上方入口连接，形成一个水循环系统；风机与环形筛板旋转床的进气口相连，气体通过风机加压后进入旋转填料床内，通过气体流量计调节风量，气体在填料内与液体逆流接触后，从环形筛板旋转床中间的气体出口排出；

所述PIV装置包括激光发射器、CCD相机、同步器、计算机；CCD相机放置于环形筛板旋转床的上方或者侧面，能够对旋转床内的流体状况进行多方位测量；激光发射器安装在环形筛板旋转床的一侧，通过导光臂来连接片光源进行光源传输，片光源能够调节光源入射角度和光源照射厚度，光源入射角度在0~360°范围内可调，且满足光源入射角度垂直于相机；同步器分别与激光发射器、计算机以及CCD相机连接；计算机通过同步器来控制激光发射器和CCD相机。

2.根据权利要求1所述的基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的装置，其特征在于：所述环形筛板旋转床的透明环形筛板为圆环结构，由2~8层不同直径的圆环形筛板组成，每层环形筛板上下排列有2~6层直径为2~6mm的圆形筛孔，筛板层材质为有机玻璃或石英玻璃。

3.根据权利要求1所述的基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的装置，其特征在于：透明环形筛板的上方设有一个3~10mm薄的圆形透明盖板，与筛板层下层盖板共同作用固定筛板层；上层盖板连接迷宫密封圈，以防止气体短路。

4.根据权利要求1所述的基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的装置，其特征在于：所述环形筛板旋转床中间的液体分布器下端设有3个垂直分布的小孔，液体分布器上端连接着进液管；液体经进液管进入液体分布器均匀喷洒在填料内缘。

5.根据权利要求1所述的基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的装置，其特征在于：所述环形筛板旋转床的壳体为圆筒结构，两端为法兰，其材质均为有机玻璃，壳体与旋转床的不锈钢底座采用法兰连接。

6.根据权利要求5所述的基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的装置，其特征在于：将下层盖板和不锈钢底座上端面均匀涂抹一层糙面黑色油性漆；在筛板上端面使用黑色的纸带进行遮挡，在拍摄过程中整个空间内保持在激光照射条件下，减少其它可见光对实验的影响。

7.根据权利要求1所述的基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的装置，其特征在于：所述环形筛板旋转床的转轴与电机连接，通过变频器来调节环形筛板旋转床的转速。

8.一种基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的方法，采用权利要求1~7任一项所述的基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的装置，其特征在于：包括以下步骤：

（1）向储液槽中加入去离子水，开启超重力旋转床装置，设置转子转速为100~1500rpm、液体初始速度为0.5~4 m/s、气量为0~8m³/h，进入到水循环状态；此时，液体在设定流量下经进液管进入环形筛板旋转床内的液体分布器，从液体分布器下端小孔均匀喷洒在填料内缘，在填料中间与气体逆流接触后，被高速旋转的填料剪切分散后从填料外缘飞出，最后从液体出口流出；

以去离子水为介质，旋转床分散后的液滴本身作为示踪粒子；

（2）开启PIV装置：依次开启激光发射器，同步器，最后打开Insight 4G软件；调节导光臂使激光束照射到目标区域；将CCD相机悬挂于旋转床上方，通过调节杆调节相机至目标拍摄区域；在外触发模式下，调节相机焦距，使目标区域处于最清晰状态；

（3）调节激光频率，在Insight 4G软件中查找合适的频率范围；根据液体的初始速度和转速调节拍摄图片的时间间隔Δt；对目标区域进行照相，拍摄30~50对图片保存，利用Tecplot软件进行分析，得到流场的速度分布信息；利用Image J软件进行液滴直径统计，探究操作参数对液体的影响。

9.根据权利要求8所述的基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的方法，其特征在于：PIV装置的各部件参数是在计算机中Insight 4G软件下进行设置的，Δt为50~500μs，查询区域为32×32~256×256 pixel，重叠区域为25%~75%。

10.根据权利要求8所述的基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的方法，其特征在于：图像处理利用Insight 4G软件进行分析，采用互相关算法对拍摄的每对图片进行计算分析，可以得到速度矢量图；在Tecplot软件中查看瞬时速度场，并对各组图片进行处理求出平均速度场；通过软件Image J手动测量液滴的直径，统计不同操作参数下的液滴直径分布。