CN109540758B - 一种用于研究多孔结构中气体流动特性的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于研究多孔结构中气体流动特性的实验装置，涉及多孔介质中气体流动特性研究领域，包括实验管组、供气系统、储气缓冲系统、超低压保障系统和数据采集系统，其中，实验管组提供不同尺寸多孔介质的排布空间和参数测量孔道，供气系统提供源源不断的气体氛围，储气缓冲系统提供稳定的气流参数和进出口压力，超低压保障系统实现气体在系统中定向稳定流动，数据采集系统实现目标参数的采集、信号转换和处理。本发明对微尺度多孔介质中有效孔隙进行准确布置，实现孔隙率在较大范围内变化，避免微尺度多孔介质中结构参数的不确定性误差，进而实现超低压下的宏观尺度多孔介质对微尺度多孔介质中气体流动特性的近似研究。
Description
技术领域
本发明涉及多孔介质中气体流动特性研究领域，尤其涉及一种用于研究多孔结构中气体流动特性的实验装置。
背景技术
在CO2的捕集、非常规天然气生产、储氢、地热资源的开发及利用，地源热泵的发展与推广，岩层的蓄热蓄冷过程以及页岩气的开采等技术领域中，微尺度多孔介质中气体流动特性扮演着重要的角色。然而，常压下研究微尺度多孔介质中气体的流动特性首先需要解决微尺度多孔材料的问题，这是因为微纳米尺度多孔介质材料中孔隙分布的不确定性会对相关实验研究造成阻碍。虽然微机电系统(MEMS)的发展为制备小孔隙多孔介质提供了一定的技术支持，但是高成本使其多用于高新技术研究，而且其制备的多孔材料具有形状和宏观尺度的局限性，因此，寻求一种利用宏观尺度替代微尺度多孔介质来研究其中气体流动特性的实验方法有着重要的应用价值与工程意义。
根据Knudsen扩散理论，当气体的压力降低到分子的平均自由程大于孔道尺度时，气体分子对孔壁的碰撞，较之气体分子间的碰撞要频繁得多。我们通常用以分子平均自由程(λ)与有效孔隙尺度(Dp)的比值所确定的克努森系数(Kn)来表示扩散水平，并依此将气流划分为四种状态：连续流(Kn≤0.001)，滑移流(0.001＜Kn≤0.1)，过渡流(0.1＜Kn≤10)和自由分子流(Kn＞10)。一般来说，常压下微尺度多孔介质中气体扩散的克努森系数Kn≥0.01，以下给出了分子平均自由程(λ)和克努森系数(Kn)的关系式：
其中，kB为玻尔兹曼常数，取值1.38×10-23m2·kg/(S2·K)；μ为气体动力粘度，Pa·S；m为气体分子质量，kg/个；M为气体分子摩尔质量，kg/mol；NA为阿伏伽德罗常数，6.02×1023。
根据相似分析法，由关系式可以看出，若保证克努森系数Kn≥0.01，我们可以通过创造超低压工况，在稀薄气体氛围下使对应的有效孔隙尺度等比例增大，从而实现利用宏观尺度替代微尺度多孔介质来研究其中气体流动特性。
在超低压环境中，气体稀薄，气体分子通道壁面之间的碰撞居主要地位，因而主要是在气体分子与壁面之间发生动量交换。稀薄气体属不连续介质，当它同固体壁面间发生相对动运时，气体不紧贴在壁面上，而是以一定的速度沿壁面滑动，称滑移现象。气体同壁面之间的速度突变造成了摩擦作用，称为“外摩擦”。气体越稀薄则内摩擦力越小，而外摩擦在流动阻力中所占的比重越大。这种外摩擦力是因气体分子与壁面的碰撞而产生的，且同滑移速度和作用面积的大小成正比。
近年来，许多学者多孔介质中的流动特性做了一系列理论分析、数值模拟以及实验研究。目前，对于常压或高于常压大尺度多孔介质中流体流动特性的研究已较为充分，而对于微尺度多孔介质中流体流动特性的研究多采用模拟的方法，而在这方面的实验研究由于所制备的微尺度多孔介质中孔隙分布的不确定性导致具有很大的误差，需要更先进的多孔材料制备技术和建模理论对其有效孔隙进行准确布置。
通过检索现有的相关技术发现，中国已申请公开的关于多孔介质中流体流动特性研究实验装置，仅有针对常压或高压下多孔介质中流体流动特性研究的实验装置(发明专利：CN105241797B，2018-04-24.发明专利：CN102455277A，2012-05-16.发明专利：CN101825555A，2010-09-08.中国实用新型：CN103792170A，2014-05-14.)，其中以水为代表的液体工质占绝大所数，少数研究者以气液两相流为工质。由于气体相对于液体的高压缩性，其在多孔结构中的流动特性更加复杂，目前尚未有对超低压下宏观尺度多孔结构中气体流动特性实验装置的报道。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于研究多孔结构中气体流动特性的实验装置，对超低压下微尺度多孔介质中有效孔隙进行准确布置，实现孔隙率在较大范围内变化，避免微尺度多孔介质中结构参数的不确定性误差，进而实现超低压下的宏观尺度多孔介质对微尺度多孔介质中气体流动特性的近似研究。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何对超低压下微尺度多孔介质中有效孔隙进行准确布置，实现孔隙率在较大范围内变化，避免微尺度多孔介质中结构参数的不确定性误差，实现超低压下的宏观尺度多孔介质对微尺度多孔介质中气体流动特性的近似研究。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于研究多孔结构中气体流动特性的实验装置，包括实验管组、供气系统、储气缓冲系统、超低压保障系统和数据采集系统，其中，所述实验管组是主要的实验区域，提供不同尺寸多孔介质的排布空间和参数测量孔道；所述供气系统连接所述储气缓冲系统，提供源源不断的气体氛围；所述储气缓冲系统连接所述实验管组，提供稳定的气流参数和进出口压力；所述超低压保障系统连接所述储气缓冲系统，实现气体在系统中定向稳定流动；所述数据采集系统连接所述试验管组和所述储气缓冲系统，实现目标参数的采集、信号转换和处理。
进一步地，所述实验管组自上而下依次由所述第一圆锥过渡段、所述第一测量段、所述多孔介质填充段、所述第二测量段、所述第二圆锥过渡段拼接组成，所述第一圆锥过渡段、所述第一测量段、所述多孔介质填充段、所述第二测量段、所述第二圆锥过渡段之间通过带有氟胶圈支架的不锈钢卡箍密封连接，实现所述实验管组的快速拆装功能。
进一步地，所述第一圆锥过渡段的内端和所述第二圆锥过渡段的内端均采用真空法兰结构，所述第一圆锥过渡段与所述第一测量段通过第一卡钳连接，所述第二圆锥过渡段与所述第二测量段通过第二卡钳连接，所述第二圆锥过渡段的外端为标准的密封螺纹通孔，所述第二圆锥过渡段与所述流量传感器通过气管接头连接。
进一步地，所述数据采集系统包括第一温度传感器、第二温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、流量传感器、第一绝对压力表、第二绝对压力表；所述第一测量段距所述多孔介质填充段的50mm处设有所述第一压力传感器，所述第一测量段距所述多孔介质填充段的130mm处设有所述第一温度传感器，所述第二测量段距所述多孔介质填充段的50mm处设有所述第二压力传感器，所述第二测量段距所述多孔介质填充段的130mm处设有所述第二温度传感器，所述第一测量段与所述第二测量段完全一致且对称安装在所述多孔介质填充段两端。
进一步地，所述多孔介质填充段为垂直放置的不锈钢光滑圆柱筒形，避免重力对填充物排布的影响，所述多孔介质填充段的内部空间高200mm，所述多孔介质填充段的横截面直径60mm，所述多孔介质填充段的内部紧密地排布由颗粒构成的具有不同孔隙率的多孔介质，实现所述颗粒紧密贴合在管壁周边，所述多孔介质包括同种规格的所述颗粒和不同规格的所述颗粒。
进一步地，所述多孔介质填充段的外壁面设有保温层，所述保温层包括聚乙烯保温棉和铝箔反射层，所述多孔介质填充段的外壁面设有对称的定位支撑耳，所述多孔介质填充段两端均设有定制烧结网和硅胶环形垫片，所述定制烧结网和所述硅胶环形垫片保证所述多孔介质填充段的填充物被压紧且不变形，实现所述多孔介质填充段的内部紧密牢固。
进一步地，所述多孔介质填充段的填充物由规律排布的微单元组成，所述微单元的形状根据实验需求进行设计加工获得，所述微单元的形状包括圆球形、圆柱形、通过3D打印获得的设计形状。
进一步地，所述供气系统包括高纯气体储罐、稳压减压阀，所述供气系统通过所述稳压减压阀开度调控气体充注速率。
进一步地，所述储气缓冲系统包括第一储气罐、第二储气罐、精密针阀；所述第一储气罐置于所述实验管组的进口端，所述第一储气罐通过所述第二真空球阀与所述第二真空泵连接；所述第二储气罐置于所述实验管组的出口端，所述第二储气罐通过所述第一真空球阀与所述第一真空泵连接；所述精密针阀的入口端连接所述第一储气罐，所述精密针阀的出口端连接所述流量传感器；所述流量传感器与所述实验管组的进气口通过软管连接。
进一步地，所述超低压保障系统包括气体缓冲仓、第二真空球阀、第二真空泵、第一真空球阀、第一真空泵；所述第二真空泵置于所述实验管组的进口端，所述第二真空泵与所述第二真空球阀之间设有气体缓冲仓，所述第二真空泵依次通过所述气体缓冲仓、所述第二真空球阀连接至所述第一储气罐；所述第一真空泵依次通过所述第一真空球阀、真空波纹管连接至所述第二储气罐
在本发明的较佳实施方式中，所述实验管组提供了不同尺寸多孔介质的排布空间和参数测量孔道；所述供气系统为本发明提供了源源不断的气体氛围，并通过所述稳压减压阀开度调控充注速率；所述储气缓冲系统基于压力监测和调控，通过所述精密针阀、所述第一真空球阀、所述第二真空球阀为所述实验管组提供稳定的气流参数和进出口压力；所述超低压保障系统实现了气体在本发明中定向稳定流动，保障实验区域处于规定的低压范围；所述数据采集系统用于目标参数的采集、信号转换和处理，所有测量元件均接入同一台数据采集仪，所得数据导入数据处理计算机进行分析。
在本发明的另一较佳实施方式中，本发明针对现有技术的不足，设计提供了一种用于研究多孔结构中气体流动特性的实验装置，实现了绝压200pa的超低压工况，并基于相似理论模拟常压下孔隙尺寸较实验样品尺寸缩小500倍的多孔结构中的气体流动特性。本发明采用多套相同或不同规格颗粒方案震动封装制备所述多孔介质填充段，实现了孔隙率在较大范围内变化，避免了微尺度多孔介质中结构参数的不确定性误差，提高了实验数据的可靠性。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的用于研究多孔结构中气体流动特性的实验装置的系统示意图；
图2是本发明的一个较佳实施例的用于研究多孔结构中气体流动特性的实验装置的实验管组的三维装配图；
图3是本发明的一个较佳实施例的用于研究多孔结构中气体流动特性的实验装置的多孔介质排布方案的三维图；
图4是本发明的一个较佳实施例的用于研究多孔结构中气体流动特性的实验装置的相同规格介质排布方案的示意图；
图5是本发明的一个较佳实施例的用于研究多孔结构中气体流动特性的实验装置的不同规格介质排布方案的示意图；
其中，1-高纯气体储罐，2-稳压减压阀，3-第一储气罐，4-第一绝对压力表，5-精密针阀，6-流量传感器，7-实验管组，8-第一圆锥过渡段，9-第一测量段，10-多孔介质填充段，11-第一温度传感器，12-第一压力传感器，13-第二压力传感器，14-第二温度传感器，15-第二储气罐，16-第二绝对压力表，17-第一真空球阀，18-第一真空泵，19-第二真空泵，20-气体缓冲仓，21-第二真空球阀，22-第二测量段，23-第二圆锥过渡段，24-供气系统，25-储气缓冲系统，26-超低压保障系统，27-数据采集系统，28-软管，29-卡箍，30-第二卡钳，31-气管接头，32-保温层，33-定位支撑耳，34-真空波纹管，35-微单元，36-定制烧结网，37-硅胶环形垫片；38-第一卡钳。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示，一种用于研究多孔结构中气体流动特性的实验装置，包括实验管组7、供气系统24、储气缓冲系统25、超低压保障系统26和数据采集系统27；其中，实验管组7包括第一圆锥过渡段8、第一测量段9、多孔介质填充段10、第二测量段22、第二圆锥过渡段23，供气系统24包括高纯气体储罐1、稳压减压阀2，储气缓冲系统25包括第一储气罐3、第二储气罐15、精密针阀5，超低压保障系统26包括气体缓冲仓20、第二真空球阀21、第二真空泵19、第一真空球阀17、第一真空泵18，数据采集系统27包括第一温度传感器11、第二温度传感器14、第一压力传感器12、第二压力传感器13、流量传感器6、第一绝对压力表4、第二绝对压力表16。实验管组7是主要的实验区域，供气系统24连接储气缓冲系统25，储气缓冲系统25连接实验管组7，超低压保障系统26连接储气缓冲系统25，数据采集系统27连接实验管组7和储气缓冲系统25。
如图1和图2所示，实验管组7由多段管路对称拼接而成且垂直放置，由上至下均采用带有氟胶圈支架的不锈钢卡箍29依次密封连接第一圆锥过渡段8、第一测量段9、多孔介质填充段10、第二测量段22、第二圆锥过渡段23，实验管组7具备快速拆装功能，实验管组7提供了不同尺寸多孔介质的排布空间和参数测量孔道。第一圆锥过渡段8的内端和第二圆锥过渡段23的内端均为真空法兰结构，第一圆锥过渡段8与第一测量段9通过第一卡钳38连接，第二圆锥过渡段23与第二测量段22通过第二卡钳30连接，第二圆锥过渡段23的外端为标准的密封螺纹通孔，第二圆锥过渡段23与流量传感器6通过气管接头31连接。第一测量段9距多孔介质填充段10的50mm处设有第一压力传感器12，第一测量段9距多孔介质填充段10的130mm处设有第一温度传感器11，第二测量段22距多孔介质填充段10的50mm处设有第二压力传感器13，第二测量段22距多孔介质填充段10的130mm处设有第二温度传感器14，第一测量段9与第二测量段22完全一致且对称安装在多孔介质填充段10两端。多孔介质填充段10为垂直放置的不锈钢光滑圆柱筒形，避免重力对填充物排布的影响；多孔介质填充段10的内部空间高200mm，多孔介质填充段10的横截面直径60mm，多孔介质填充段10的圆柱尺寸和所选填充物颗粒直接相关，多孔介质填充段10的内部紧密地排布由同种或不同规格的颗粒构成的具有不同孔隙率的多孔介质，使颗粒紧密贴合在管壁周边，多孔介质填充段10的内部空间设置为足够大以忽略壁面影响；多孔介质填充段10的外壁面设有聚乙烯保温棉、铝箔反射层组成的保温层32和对称的定位支撑耳33。
如图1所示，高纯气体储罐1、稳压减压阀2依次相连，供气系统24通过稳压减压阀2开度调控充注速率，保障整个实验系统的气体氛围。
如图1所示，第一储气罐3、第二储气罐15的容量均为30L；第一储气罐3置于实验管组7的进口端，通过第二真空球阀21与第二真空泵19连接；第二储气罐15置于实验管组7的出口端，通过第一真空球阀17与第一真空泵18连接。精密针阀5入口端连接第一储气罐3，精密针阀5出口端连接流量传感器6，流量传感器6与实验管组7的进气口通过软管28连接，精密针阀5具有节流功能。储气缓冲系统25基于压力监测和调控，通过精密针阀5、第一真空球阀17、第二真空球阀21为实验管组7提供稳定的气流参数和进出口压力。
如图1所示，第二真空泵19置于实验管组7进口端，与第二真空球阀21之间设有气体缓冲仓20，第二真空泵19依次通过气体缓冲仓20、第二真空球阀21连接至第一储气罐3。第一真空泵18依次通过第一真空球阀17、真空波纹管34连接至第二储气罐15。超低压保障系统26能够实现气体在系统中定向稳定流动，保障实验区域处于200pa的超低压范围。
如图1所示，流量传感器6置于第二圆锥过渡段23的外端管路上，测量排风量，并基于质量守恒原理计算气体流量；第一储气罐3设有第一绝对压力表4，第一绝对压力表4实时监测第一储气罐3的压力变化，进而指导第二真空球阀21的开度变化；第二储气罐15设有第二绝对压力表16，第二绝对压力表16实时监测第二储气罐15的压力变化，进而指导第一真空球阀17的开度变化；第一储气罐3和第二储气罐15共同实现稳定系统压力波动。数据采集系统27用于目标参数的采集、信号转换和处理，所有测量元件均接入同一台数据采集仪，所得数据导入数据处理计算机进行分析。
如图2和图3所示，多孔介质填充段10的填充物由一定规律排布的微单元35组成，具有一定孔隙率；微单元35设置为根据实验需求进行设计和加工，形状包括圆球、圆柱、通过3D打印获得的复杂形状。多孔介质填充段10两端均设有规定目数的定制烧结网36和硅胶环形垫片37，具有足够刚度的定制烧结网36结合硅胶环形垫片37的弹性力压紧多孔介质填充段10的填充物而不变形，从而保证多孔介质填充段10的内部紧密牢固。
如图4和图5所示，本发明实现了利用超低压环境下的宏观尺度多孔介质对微尺度多孔介质中气体流动特性的近似研究，采用多套相同或不同规格颗粒搭配方案，震动封装制备多孔介质填充段10，实现了孔隙率在较大范围内变化，避免了微尺度多孔介质中结构参数的不确定性误差。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种用于研究多孔结构中气体流动特性的实验装置，其特征在于，包括实验管组、供气系统、储气缓冲系统、超低压保障系统和数据采集系统，其中，所述实验管组是主要的实验区域，提供不同尺寸多孔介质的排布空间和参数测量孔道；所述供气系统连接所述储气缓冲系统，提供源源不断的气体氛围；所述储气缓冲系统连接所述实验管组，提供稳定的气流参数和进出口压力；所述超低压保障系统连接所述储气缓冲系统，实现气体在系统中定向稳定流动；所述数据采集系统连接实验 管组和所述储气缓冲系统，实现目标参数的采集、信号转换和处理；所述实验管组自上而下依次由第一圆锥过渡段、第一测量段、多孔介质填充段、第二测量段、第二圆锥过渡段拼接组成，所述第一圆锥过渡段、所述第一测量段、所述多孔介质填充段、所述第二测量段、所述第二圆锥过渡段之间通过带有氟胶圈支架的不锈钢卡箍密封连接，实现所述实验管组的快速拆装功能；所述多孔介质填充段为垂直放置的不锈钢光滑圆柱筒形，避免重力对填充物排布的影响，所述多孔介质填充段的内部空间高200mm，所述多孔介质填充段的横截面直径60mm，所述多孔介质填充段的内部紧密地排布由颗粒构成的具有不同孔隙率的多孔介质，实现所述颗粒紧密贴合在管壁周边，所述多孔介质包括同种规格的所述颗粒和不同规格的所述颗粒；所述储气缓冲系统包括第一储气罐、第二储气罐、精密针阀；所述第一储气罐置于所述实验管组的进口端，所述第一储气罐通过第二真空球阀与第二真空泵连接；所述第二储气罐置于所述实验管组的出口端，所述第二储气罐通过第一真空球阀与第一真空泵连接；所述精密针阀的入口端连接所述第一储气罐，所述精密针阀的出口端连接流量传感器；所述流量传感器与所述实验管组的进气口通过软管连接。
2.如权利要求1所述的用于研究多孔结构中气体流动特性的实验装置，其特征在于，所述第一圆锥过渡段的内端和所述第二圆锥过渡段的内端均采用真空法兰结构，所述第一圆锥过渡段与所述第一测量段通过第一卡钳连接，所述第二圆锥过渡段与所述第二测量段通过第二卡钳连接，所述第二圆锥过渡段的外端为标准的密封螺纹通孔，所述第二圆锥过渡段与流量传感器通过气管接头连接。
3.如权利要求1所述的用于研究多孔结构中气体流动特性的实验装置，其特征在于，所述数据采集系统包括第一温度传感器、第二温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、流量传感器、第一绝对压力表、第二绝对压力表；所述第一测量段距所述多孔介质填充段的50mm处设有所述第一压力传感器，所述第一测量段距所述多孔介质填充段的130mm处设有所述第一温度传感器，所述第二测量段距所述多孔介质填充段的50mm处设有所述第二压力传感器，所述第二测量段距所述多孔介质填充段的130mm处设有所述第二温度传感器，所述第一测量段与所述第二测量段完全一致且对称安装在所述多孔介质填充段两端。
4.如权利要求1所述的用于研究多孔结构中气体流动特性的实验装置，其特征在于，所述多孔介质填充段的外壁面设有保温层，所述保温层包括聚乙烯保温棉和铝箔反射层，所述多孔介质填充段的外壁面设有对称的定位支撑耳，所述多孔介质填充段两端均设有定制烧结网和硅胶环形垫片，所述定制烧结网和所述硅胶环形垫片保证所述多孔介质填充段的填充物被压紧且不变形，实现所述多孔介质填充段的内部紧密牢固。
5.如权利要求1所述的用于研究多孔结构中气体流动特性的实验装置，其特征在于，所述多孔介质填充段的填充物由规律排布的微单元组成，所述微单元的形状根据实验需求进行设计加工获得，所述微单元的形状包括圆球形、圆柱形、通过3D打印获得的设计形状。
6.如权利要求1所述的用于研究多孔结构中气体流动特性的实验装置，其特征在于，所述供气系统包括高纯气体储罐、稳压减压阀，所述供气系统通过所述稳压减压阀开度调控气体充注速率。
7.如权利要求1所述的用于研究多孔结构中气体流动特性的实验装置，其特征在于，所述超低压保障系统包括气体缓冲仓、第二真空球阀、第二真空泵、第一真空球阀、第一真空泵；所述第二真空泵置于所述实验管组的进口端，所述第二真空泵与所述第二真空球阀之间设有气体缓冲仓，所述第二真空泵依次通过所述气体缓冲仓、所述第二真空球阀连接至第一储气罐；所述第一真空泵依次通过所述第一真空球阀、真空波纹管连接至第二储气罐。
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