CN109506884A - 一种透明裂隙气液两相流实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种透明裂隙气液两相流实验装置，包括：为所述实验装置提供光源的光源系统；为所述实验装置提供气体和液体的两相流体供给系统；与所述两相流体供给系统相连通的透明裂隙模型系统；与所述透明裂隙模型系统相连通的气液分离桶；用于固定所述透明裂隙模型系统的装置固定系统；用于监测所述实验装置内部两相流体的压力和流量的监测系统。本发明的技术方案解决了现有技术不能在完整的气液两相流流动的数据的前提下观察气液流动特征的问题。

Description

一种透明裂隙气液两相流实验装置

技术领域

本发明涉及多相流实验设备技术领域，具体而言，尤其涉及一种透明裂隙气液两相流实验装置。

背景技术

研究气液流体在裂隙中的气液流态特征并将其与气液压降、流量建立定性以及定量的关系是多相流研究的重要课题，气液两相流作为其中典型的情形是研究复杂多相流流动状态的基础。不同气液流速下气液流动状态与气液的压降与流量的关系是气液两相流研究的主要内容。目前尚缺少一种能完整反映上述各个指标并且方便使用的实验装置，这为深入研究多相流流体流动带来了困难，若要在完整的气液两相流流动的数据的前提下观察气液流动特征，就需要一种新型的透明裂隙两相流实验装置。

发明内容

根据上述提出现有技术不能在完整的气液两相流流动的数据的前提下观察气液流动特征的技术问题，而提供一种透明裂隙气液两相流实验装置。本发明主要利用透明裂隙模型系统模拟透明裂隙气液两相流的流体流动，能完整地得出裂隙板间气液流体的各个指标和参数，具有功能齐全、方便灵活的优点。

本发明采用的技术手段如下：

一种透明裂隙气液两相流实验装置，包括：

为所述实验装置提供光源的光源系统；为所述实验装置提供气体和液体的两相流体供给系统；与所述两相流体供给系统相连通的透明裂隙模型系统；与所述透明裂隙模型系统相连通的气液分离桶；用于固定所述透明裂隙模型系统的装置固定系统；用于监测所述实验装置内部两相流体的流动结构、压力和流量的监测系统。

进一步地，所述两相流体供给系统包括为所述实验装置提供气体的储气瓶以及为所述实验装置提供液体的水箱和恒压溢流桶；

所述恒压溢流桶上部开口；所述恒压溢流桶包括内外两层，内层为恒压层，外层为溢流层，所述水箱内的液体通过液体泵通入所述恒压层内，所述恒压层底部设置与所述透明裂隙模型系统相连通的恒压层液体出口，所述溢流层底部设置与所述水箱相连通的溢流口。

进一步地，所述透明裂隙模型系统包括裂隙模型、进口端塞和出口端塞；

所述裂隙模型包括由透明上板、透明下板和两侧的侧挡板形成的两端开口的裂隙；所述透明上板的下表面和所述透明下板的上表面为粗糙面；

所述进口端塞包括进液口、进气口、进液管道、进气管道和气液混合装置；所述进液口与所述恒压层液体出口相连通；所述进气口与所述储气瓶相连通；所述进液口和所述进气口分别与所述进液管道和所述进气管道相连通；所述进液管道和所述进气管道分别设置于所述气液混合装置的上方和下方且与所述气液混合装置相连通；所述气液混合装置与所述裂隙相连通；

所述出口端塞包括与所述裂隙相连通的气液出口。

进一步地，所述进液管道包括液体水平分布管道和竖直进液管道；所述进气管道包括气体水平分布管道和竖直进气管道；

所述进液口和所述进气口分别与所述液体水平分布管道和所述气体水平分布管道相连通；

所述液体水平分布管道和所述气体水平分布管道分别横向贯穿所述竖直进液管道和所述竖直进气管道且分别与所述竖直进液管道和所述竖直进气管道相连通；所述竖直进液管道和所述竖直进气管道分别与所述气液混合装置相连通。

进一步地，所述进口端塞和所述出口端塞与所述裂隙模型之间分别设置包括通孔的乳胶膜。

进一步地，所述气液分离桶包括气液进口、用于进行气液分离的桶本体、位于所述气液分离桶顶部的气体出口和位于桶本体底部的液体出口；所述气液进口与所述气液出口相连通；所述液体出口与所述水箱相连通。

进一步地，所述装置固定系统包括倾斜角度可调节的承载平台和夹紧机构；所述裂隙模型固定于所述承载平台并通过所述夹紧机构将所述进口端塞和所述出口端塞固定于所述裂隙模型两端。

进一步地，所述监测系统包括设置于所述裂隙模型上方的高速摄像机、设置于所述恒压层液体出口和所述进液口之间的液体流量计Ⅰ和液体压力传感器、设置于所述储气瓶和所述进气口之间的气体流量计Ⅰ和气体压力传感器、设置于所述气液出口与所述气液进口之间的气液压力传感器和温度传感器、设置于所述液体出口的液体流量计Ⅱ以及设置于所述气体出口的气体流量计Ⅱ；所述裂隙模型内部均匀布置若干压力传感器。

进一步地，所述光源系统位于所述透明裂隙模型系统下方，包括LED光源。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的透明裂隙气液两相流实验装置，通过设计的透明裂隙模型系统和监测系统，可以获得透明裂隙中的两相流气液流态、裂隙开度、气液流速、气液压降、气液温度等指标；可通过改变气液流速来探究裂隙内两相流流态，并对进口气体、液体压力以及进口气体、液体流量进行监测，在出口处设置气液分离桶，对分离后的气液流量进行计算，因此可用与研究透明裂隙气液两相流流体流动，具有功能齐全、方便灵活的优点。

综上，应用本发明的技术方案通过各系统的协调工作，可以观察到气液流态在不同气液流速下的变化，进而得到气液流态与气液流量、气液压降、裂隙开度、裂隙模型粗糙度的关系。因此，本发明的技术方案解决了现有技术不能在获取完整的气液两相流流动的数据的前提下观察气液流动特征的技术问题。

基于上述理由本发明可在多相流实验设备等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述透明裂隙气液两相流实验装置结构示意图。

图2为本发明所述透明裂隙模型系统结构示意图。

图3为本发明所述进口端塞内部结构示意图。

图4为本发明所述出口端塞结构示意图。

图5为本发明所述恒压溢流桶结构示意图。

图6为本发明所述气液分离桶结构示意图。

图中：1、空气压缩机；2、储气瓶；3、高速摄像机；4、恒压溢流桶；41、恒压层；42、恒压层液体出口；43、溢流层；44、溢流口；5、液体流量计Ⅰ；6、液体压力传感器；7、气体流量计Ⅰ；8、气体压力传感器；9、进口端塞；91、进液口；92、进气口；93、液体水平分布管道；94、竖直进液管道；95、气体水平分布管道；96、竖直进气管道；97、气液混合装置；10、承载平台；11、LED光源；12、裂隙模型；121、透明上板；122、透明下板；123、侧挡板；13、气液压力传感器；14、温度传感器；15、出口端塞；151、气液出口；17、气液分离桶；171、气液进口；172、桶本体；173、气体出口；174、液体出口；18、水箱；19、液体流量计Ⅱ；20、气体流量计Ⅱ；21、夹紧机构；22、乳胶膜。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1-6所示，本发明提供了一种透明裂隙气液两相流实验装置，包括：

为所述实验装置提供光源的光源系统；为所述实验装置提供气体和液体的两相流体供给系统；与所述两相流体供给系统相连通的透明裂隙模型系统；与所述透明裂隙模型系统相连通的气液分离桶17；用于固定所述透明裂隙模型系统的装置固定系统；用于监测所述实验装置内部两相流体的流动结构、压力和流量的监测系统。

采用本发明提供的实验装置，通过各系统的协调工作，能够获取完整的气液两相流体流动的各项数据同时通过透明的裂隙模型观察气液流体的流动特征。

进一步地，所述两相流体供给系统包括为所述实验装置提供气体的储气瓶2以及为所述实验装置提供液体的水箱18和恒压溢流桶4；

所述恒压溢流桶4上部开口；所述恒压溢流桶4包括内外两层，内层为恒压层41，外层为溢流层43，所述水箱18内的液体通过液体泵通入所述恒压层41内，所述恒压层41底部设置与所述透明裂隙模型系统相连通的恒压层液体出口42，所述溢流层43底部设置与所述水箱18相连通的溢流口44；

优选地，所述储气瓶2的出气口设置用于控制供气速度的调压阀，工作过程中通过空气压缩机1持续对气瓶加压，使储气瓶2内的气体压力恒定且气量充足；所述恒压溢流桶4固定于高度可调节的底座，工作过程中通过调节底座的高度调节所述恒压溢流桶4内的静水压力，所述恒压溢流桶4的高度不超过1.2m。

进一步地，所述透明裂隙模型系统包括裂隙模型12、进口端塞9和出口端塞15；

所述裂隙模型12包括由透明上板121、透明上板122和两侧的侧挡板123形成的两端开口的裂隙；所述透明上板121的下表面和所述透明上板122的上表面为粗糙面；

所述进口端塞9包括进液口91、进气口92、进液管道、进气管道和气液混合装置97；所述进液口91与所述恒压层液体出口42相连通；所述进气口92与所述储气瓶2相连通；所述进液口91和所述进气口92分别与所述进液管道和所述进气管道相连通；所述进液管道和所述进气管道分别设置于所述气液混合装置97的上方和下方且与所述气液混合装置97相连通；所述气液混合装置97与所述裂隙相连通；

所述出口端塞15包括与所述裂隙相连通的气液出口151；

优选地，所述透明上板121和所述透明上板122采用透明材料浇注成型；

所述裂隙模型12加工过程中首先在所述透明上板121和所述透明上板122之间放入等于需要的裂隙开度的垫片，然后将所述侧挡板123固定在所述裂隙模型12的两侧，再去掉垫片即可获得具有不同裂隙开度的所述裂隙模型12；所述透明上板121和所述透明上板122的粗糙面的粗糙度根据CT扫描得到的真实岩石的粗糙度信息利用3D打印制作模型后，在模型内浇注透明材料成型获得的；所述裂隙模型12两端为平面，避免渗漏；

优选地，所述侧挡板123通过胶水固定在所述裂隙模型12两侧，通过高温处理可取下并更换新的所述侧挡板123；

优选地，所述出口端塞15包括4个所述气液出口151，用于消除远端效应。

进一步地，所述进液管道包括液体水平分布管道93和竖直进液管道94；所述进气管道包括气体水平分布管道95和竖直进气管道96；

所述进液口91和所述进气口92分别与所述液体水平分布管道93和所述气体水平分布管道95相连通；

所述液体水平分布管道93和所述气体水平分布管道95分别横向贯穿所述竖直进液管道94和所述竖直进气管道96且分别与所述竖直进液管道94和所述竖直进气管道96相连通；所述竖直进液管道94和所述竖直进气管道96分别与所述气液混合装置97相连通；

优选地，所述竖直进液管道94和所述竖直进气管道96分别为15个外径为3mm的钢管，按照管间距为1cm分别均匀布置于所述气液混合装置97的上方和下方。

进一步地，所述进口端塞9和所述出口端塞15与所述裂隙模型12之间分别设置包括通孔的乳胶膜22，所述乳胶膜22用于密封。

进一步地，所述气液分离桶17包括气液进口171、用于进行气液分离的桶本体172、位于所述气液分离桶17顶部的气体出口173和位于桶本体172底部的液体出口174；所述气液进口171与所述气液出口151相连通；所述液体出口174与所述水箱18相连通；

优选地，所述气液进口171与所述气液出口151之间设置气液缓冲装置。

进一步地，所述装置固定系统包括倾斜角度可调节的承载平台10和夹紧机构21；所述裂隙模型12固定于所述承载平台10并通过所述夹紧机构21将所述进口端塞9和所述出口端塞15固定于所述裂隙模型12两端；

优选地，所述承载平台10采用钢化玻璃；通过调节所述承载平台10的倾斜角度，可以进一步改变所述透明裂隙模型系统的倾角，研究倾角对裂隙内流动状态的影响。

进一步地，所述监测系统包括设置于所述裂隙模型12上方的高速摄像机3、设置于所述恒压层液体出口42和所述进液口91之间的液体流量计Ⅰ5和液体压力传感器6、设置于所述储气瓶2和所述进气口92之间的气体流量计Ⅰ7和气体压力传感器8、设置于所述气液出口151与所述气液进口171之间的气液压力传感器13和温度传感器14、设置于所述液体出口174的液体流量计Ⅱ19以及设置于所述气体出口173的气体流量计Ⅱ20；所述裂隙模型12内部均匀布置若干压力传感器；

所述高速摄像机3用于捕捉不同气液流速下的气液流动状态，并对气泡分布、气泡大小进行观察并记录，提供气液间相互作用数据；

优选地，所述裂隙模型12内部呈工字型均匀布置所述压力传感器；用于监测所述裂隙模型12内部的压力分布情况及压力大小。

进一步地，所述光源系统位于所述透明裂隙模型系统下方，包括LED光源11，提供的光源能够更好的对气液流体进行形态观察，所述LED光源11可通过手机蓝牙实现无极调节亮度满足工作需要。

工作状态：所述水箱18向所述恒压溢流桶4内注入液体，液体首先通过液体泵泵入所述恒压层41，通过所述恒压层液体出口42通入所述透明裂隙模型系统，并通过设置于所述恒压层液体出口42和所述进液口91之间的液体流量计Ⅰ5和液体压力传感器6监测进液的流量与压力数据，在注液的过程中由所述恒压层41溢出的液体流入所述溢流层43，并通过所述溢流口44流回所述水箱18，实现液体的循环；通过调节所述恒压溢流桶4的高度控制静水压力，实现对供液流速的控制；

所述储气瓶2为所述透明裂隙模型系统供气，并通过所述调压阀控制供气的速度，通过设置于所述储气瓶2和所述进气口92之间的气体流量计Ⅰ7和气体压力传感器8监测进气的流量与压力数据；

使用时液体由所述恒压溢流桶4通入所述透明裂隙模型系统后，等到液体流速稳定后对进液的流量和压力进行测量，待液体流速稳定逐渐增加气体流速，对进气流量和压力进行测量，根据流量信息可以进一步计算通入的液体和气体的流速；进而观察所述裂隙模型12中在不同气液流速状态下的气液流态变化；

液体流入所述进口端塞9后，首先通过所述进液口91流入所述液体水平分布管道93，然后由于重力作用通过所述竖直进液管道94流入所述气液混合装置97，同时，气体通入所述进口端塞9，首先通过所述进气口92通入所述气体水平分布管道95，然后由于通过所述竖直进气管道96流入所述气液混合装置97与液体进行混合后通入所述裂隙中，通过所述高速摄像机3拍摄不同气液流速下的气液流态，由于所述承载平台10采用钢化玻璃，因此可以通过所述LED光源11增加气液流态效果；

气液流体通过所述出口端塞15的所述气液出口151流入所述气液分离桶17，通过设置于所述气液出口151与所述气液进口171之间的气液压力传感器13和温度传感器14监测气液流体的压力和温度，由于出口处单相气液压力很难测量，因此本发明选用气液混合压力作为出口处气体压力和液体压力，使用时根据出口压力计与气液进口171压力计所显示的压力差可计算气体压差以及液体压差；气液流体在所述气液分离桶17内实现分离，液体通过底部的所述液体出口174排出，气体通过顶部的所述气体出口173排出，通过设置于所述液体出口174的液体流量计Ⅱ19以及设置于所述气体出口173的气体流量计Ⅱ20分别监测排出的液体和气体的流量，根据流量信息可以进一步计算排出的液体和气体的流速；

本发明装置可模拟透明裂隙气液两相流的流体流动，在透明裂隙模型中可以观察到气液流态在不同气液流速下的变化，进而得到气液流态与气液流量、气液压降、裂隙开度、裂隙模型粗糙度的关系，且装置可拆卸、可变裂隙板间距，裂隙模型主体采用透明玻璃板制造，原料丰富易于加工，因此本发明装置具有功能齐全、方便灵活的优点。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种透明裂隙气液两相流实验装置，其特征在于，包括：

为所述实验装置提供光源的光源系统；为所述实验装置提供气体和液体的两相流体供给系统；与所述两相流体供给系统相连通的透明裂隙模型系统；与所述透明裂隙模型系统相连通的气液分离桶；用于固定所述透明裂隙模型系统的装置固定系统；用于监测所述实验装置内部两相流体的流动结构、压力和流量的监测系统。

2.根据权利要求1所述的透明裂隙气液两相流实验装置，其特征在于，

所述两相流体供给系统包括为所述实验装置提供气体的储气瓶以及为所述实验装置提供液体的水箱和恒压溢流桶；

所述恒压溢流桶上部开口；所述恒压溢流桶包括内外两层，内层为恒压层，外层为溢流层，所述水箱内的液体通过液体泵通入所述恒压层内，所述恒压层底部设置与所述透明裂隙模型系统相连通的恒压层液体出口，所述溢流层底部设置与所述水箱相连通的溢流口。

3.根据权利要求2所述的透明裂隙气液两相流实验装置，其特征在于，所述透明裂隙模型系统包括裂隙模型、进口端塞和出口端塞；

所述裂隙模型包括由透明上板、透明下板和两侧的侧挡板形成的两端开口的裂隙；所述透明上板的下表面和所述透明下板的上表面为粗糙面；

所述进口端塞包括进液口、进气口、进液管道、进气管道和气液混合装置；所述进液口与所述恒压层液体出口相连通；所述进气口与所述储气瓶相连通；所述进液口和所述进气口分别与所述进液管道和所述进气管道相连通；所述进液管道和所述进气管道分别设置于所述气液混合装置的上方和下方且与所述气液混合装置相连通；所述气液混合装置与所述裂隙相连通；

所述出口端塞包括与所述裂隙相连通的气液出口。

4.根据权利要求3所述的透明裂隙气液两相流实验装置，其特征在于，

所述进液管道包括液体水平分布管道和竖直进液管道；所述进气管道包括气体水平分布管道和竖直进气管道；

所述进液口和所述进气口分别与所述液体水平分布管道和所述气体水平分布管道相连通；

所述液体水平分布管道和所述气体水平分布管道分别横向贯穿所述竖直进液管道和所述竖直进气管道且分别与所述竖直进液管道和所述竖直进气管道相连通；所述竖直进液管道和所述竖直进气管道分别与所述气液混合装置相连通。

5.根据权利要求3所述的透明裂隙气液两相流实验装置，其特征在于，

所述进口端塞和所述出口端塞与所述裂隙模型之间分别设置包括通孔的乳胶膜。

6.根据权利要求3所述的透明裂隙气液两相流实验装置，其特征在于，

所述气液分离桶包括气液进口、用于进行气液分离的桶本体、位于所述气液分离桶顶部的气体出口和位于桶本体底部的液体出口；所述气液进口与所述气液出口相连通；所述液体出口与所述水箱相连通。

7.根据权利要求3所述的透明裂隙气液两相流实验装置，其特征在于，

所述装置固定系统包括倾斜角度可调节的承载平台和夹紧机构；所述裂隙模型固定于所述承载平台并通过所述夹紧机构将所述进口端塞和所述出口端塞固定于所述裂隙模型两端。

8.根据权利要求6所述的透明裂隙气液两相流实验装置，其特征在于，

所述监测系统包括设置于所述裂隙模型上方的高速摄像机、设置于所述恒压层液体出口和所述进液口之间的液体流量计Ⅰ和液体压力传感器、设置于所述储气瓶和所述进气口之间的气体流量计Ⅰ和气体压力传感器、设置于所述气液出口与所述气液进口之间的气液压力传感器和温度传感器、设置于所述液体出口的液体流量计Ⅱ以及设置于所述气体出口的气体流量计Ⅱ；所述裂隙模型内部均匀布置若干压力传感器。

9.根据权利要求1所述的透明裂隙气液两相流实验装置，其特征在于，所述光源系统位于所述透明裂隙模型系统下方，包括LED光源。