CN109540770B - 考虑壁面效应的非球形颗粒曳力系数的测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及物理实验设备领域，尤其涉及考虑壁面效应的非球形颗粒曳力系数的测量装置及测量方法，该测量装置包括圆柱筒体、圆柱扩体和锥形底座，圆柱筒体放置在锥形底座的内部，锥形底座内部壁面上设置有多个不同直径的凹槽，圆柱筒体嵌入凹槽中，该测量装置还包括设有多个等径圆孔的布风板，布风板也嵌入到锥形底座内壁面的凹槽中，且与圆柱筒体的下端面平行放置；测量方法中通过调节流量计，控制圆柱筒体内气体速度，得出流体的速度uf及待测颗粒在下降过程中的颗粒倾角θ的平均值，最终进行曳力系数计算。该测量装置能够测量不同墙壁条件下的各类颗粒曳力系数，对广泛应用于能源、化工、冶金、建筑等领域的各类散体颗粒均可进行测量。
Description
技术领域
本发明涉及物理实验设备领域，尤其涉及考虑壁面效应的非球形颗粒曳力系数的测量装置及测量方法。
背景技术
稠密气固系统在能源、环保、冶金、化工、材料、制药等领域的物理和化学过程中都有广泛应用，在许多稠密气固流动系统的物理及化学过程中，绝大部分情况下颗粒的形状都是非球形，如条状、柱状、块状、椭球状、锥状等。考虑到流动结构，非球形颗粒所具有的独特的几何形状在颗粒-颗粒和颗粒-流体相互作用中引入了更多的不确定性。与球形颗粒相比，非球形颗粒在气流场中所受到的曳力具有显著差异，通常情况下，很难用统一的表达式表征曳力，对于曳力的计算也归结为曳力系数的计算，在对曳力系数进行计算时，常用的试验手段是采用静止液体内的颗粒自由沉降法，该方法基于牛顿运动定律，颗粒依靠自身重力在流体中做自由沉降，当颗粒在流场中所受的重力、浮力和曳力实现三力平衡时，便可计算出曳力，进而再推导出曳力系数；另一种计算曳力系数的方法是基于流态化的测试方法，该方法中通过向上运动的流体使颗粒在流场中保持稳定时，颗粒所受到的重力、浮力和曳力实现三力平衡，便可计算出曳力，进而计算出曳力系数，现有技术中对非球形颗粒曳力系数进行测量时，所使用的实验装置都忽略了壁面效应，导致测量结果不准确，如何采用统一的数理模型对非球形颗粒的受力与运动等一系列问题进行描述至今也未完全解决。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决上述问题，本发明提出了考虑壁面效应的非球形颗粒曳力系数的测量装置及测量方法。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案为：
一种考虑壁面效应的非球形颗粒曳力系数的测量装置，该测量装置包括圆柱筒体、圆柱扩体和锥形底座，圆柱筒体为圆柱体结构，圆柱筒体放置在锥形底座的内部，锥形底座上端端口直径大于下端端口直径，锥形底座内部壁面上设置有多个不同直径的凹槽，圆柱扩体的上端端口直径大于下端端口直径，圆柱筒体嵌入凹槽中，圆柱扩体与圆柱筒体的上端固定连接；
该测量装置还包括空气供给系统，所述空气供给系统包括空气压缩机、干燥器和流量计，空气压缩机与干燥器通过第一管路连接，第一管路上设置有第一阀门，干燥器的另一端与流量计通过第二管路连接，第二管路上设置有第二阀门，流量计的另一端与锥形底座通过第三管路相连，第三管路上还设置有第二压力表；
该测量装置还包括图像处理系统，图像处理系统包括激光红外光源、CCD数码相机和数据采集终端，激光红外光源照射形成图像采集区，CCD数码相机将所拍摄的图像信息传送到所述数据采集终端中。
根据本发明，该测量装置还包括有布风板，布风板上设有等径圆孔，多个等径圆孔均匀分布在布风板上，布风板嵌入到锥形底座内壁面的凹槽中，且与圆柱筒体的下端面平行放置。
根据本发明，该测量装置还包括底部支腿，多条所述底部支腿均匀分布在锥形底座的四周。
根据本发明，流量计为温压补偿型涡街流量计。
一种考虑壁面效应的非球形颗粒曳力系数的测量方法，包括以下步骤：
S1、打开空气压缩机和第一阀门，待气体经过干燥器充分干燥后打开第二阀门，调节流量计，控制圆柱筒体内气体速度；
S2、打开激光红外光源，CCD数码相机和数据采集终端；
S3、释放待测颗粒，同时CCD数码相机对其进行连续的拍照，直至在CCD数码相机中观察不到颗粒运动为止，读取流量计的刻度尺，得出流体的速度，记作uf；
S4、对图像进行后处理操作，得出待测颗粒在下降过程中的颗粒倾角θ的平均值。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
该测量装置结构简单，设备费用低，易于维修，且能够测量不同墙壁条件下的各类颗粒曳力系数，对广泛应用于能源、化工、冶金、建筑等领域的各类散体颗粒均可进行测量，通过测量的颗粒平衡状态下所受的曳力进而推导出相应的曳力系数，计算过程简单。
附图说明
图1为本发明的测量装置示意图；
图2为本发明的锥形底座安装示意图。
【附图标记说明】
1：空气压缩机；2：干燥器；3：流量计；4：压力表；5：底部支腿；6：布风板；7：圆柱筒体；8：激光红外光源；9：待测颗粒；10：图像采集区；11：圆柱扩体；12：CCD数码相机；13：数据采集终端；14：锥形底座；15：进气口；L1：第一阀门；L2：第二阀门。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本发明中的考虑壁面效应的非球形颗粒曳力系数的测量装置，包括多个底部支腿5、锥形底座14、布风板6、圆柱筒体7和圆柱扩体11，还包括空气供给系统和图像处理系统，空气供给系统包括空气压缩机1、干燥器2和流量计3，该流量计3为温压补偿型涡街流量计，该流量计3压力损失小，量程范围大，精度高，在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响，显示屏上还可以显示瞬时流量、累计流量、流速和压力，且能够调节气体流量。
空气压缩机1水平放置，其顶部设置有第一压力表，空气压缩机1与干燥器2通过第一管路连接，第一管路上设置有第一阀门L1，干燥器2的另一端与流量计3通过第二管路连接，第二管路上设置有第二阀门L2，流量计3的另一端则通过第三管路与锥形底座14相连，第三管路的一个端口与流量计3相连，另一个端口则穿过锥形底座14的底端，与锥形底座14内部连通，第三管路上还设置有第二压力表4，通过调节流量计3控制空气供给系统所供给的气体流量。
本测量装置的第一阀门L1和第二阀门L2均为泄压阀，当设备或管道内压力超过泄压阀设定压力时，即自动开启泄压，保证设备和管道内介质压力在设定压力之下，保护设备和管道，防止发生意外。
锥形底座14为上端敞口，下端封闭的圆台结构，其中上端端口直径远大于下端端口直径，多条底部支腿5均匀分布在锥形底座14的四周，用来支撑锥形底座14，圆柱筒体7为变直径的圆柱体结构，该圆柱体结构放置在锥形底座14的内部，圆柱筒体7的上端面高于锥形底座14的上端面，圆柱筒体7内还存在具有一定高度的测量区间，此测量区间的高度在圆柱筒体7的高度范围内，并适当远离圆柱筒体7的筒体底端，避免了空气在进入圆柱筒体7中时造成湍动进而对测量结果造成影响，且保证了进入到圆柱筒体7内的空气可以充分发展，其中，锥形底座14的内部壁面上还设置有多个不同直径的凹槽，这个凹槽可以安装不同直径的圆柱筒体7，具体安装方式如图2所示，根据测量需求，通过改变圆柱筒体7的直径便能够满足不同的测量设计条件，圆柱筒体7的直径越小，颗粒受壁面效应的影响越明显，圆柱筒体7的上端还连接有圆柱扩体11，圆柱扩体11与圆柱筒体7固定连接，该圆柱扩体11的上下端面直径不同，上端端口直径远大于下端端口直径，圆柱扩体11的下端面的直径与圆柱筒体7的直径相同，圆柱扩体11的上端面大于其下端面的直径，圆柱扩体11的上下端面直径差异可以有效防止落入圆柱筒体7内的单颗粒逃逸，其中，锥形底座14、圆柱筒体7和圆柱扩体11均由高光洁度耐磨损有机玻璃制作而成。
另外，在锥形底座14内还设置有布风板6，布风板6为圆板结构，可以嵌入到锥形底座14内部的不同直径的凹槽内，通过改变布风板6的直径，可改变布风板6的嵌入位置，布风板6上具有多个等径圆孔，这些圆孔均匀分布在圆板上，布风板6与圆柱筒体7的下端面平行放置，进入测量装置中的空气经过布风板6，流经各等径圆孔后，均匀进入锥形底座14内。
开启空气压缩机1后，从空气压缩机1流出的气体经过干燥器2与流量计3后经过第三管路由锥形底座14下端进入到锥形底座14内部，后经过布风板6进入到圆柱筒体7中，并在圆柱筒体7中形成稳定气体流场。
不同形状和材质的待测颗粒9从圆柱扩体11的上端面的中心位置处自由释放，待测颗粒9向位于圆柱筒体7内的测量区间自由下落，与经过布风板6进入到圆柱筒体7中的空气形成气固流化床，调节流量计3控制空气流量，使得待测颗粒9在圆柱筒体7的测量区间内保持静止，图像处理系统包括激光红外光源8、CCD数码相机12和数据采集终端13，激光红外光源8主要为待测颗粒9提供激光照射，照射后所形成的激光面能够完全覆盖待测颗粒9从进入流场到最终保持静止稳定时的完整运动路径，该激光面所覆盖区域形成图像采集区10，图像采集区10包括待测颗粒9从进入测量装置到颗粒达到重力、浮力和曳力三力平衡时的完整运动区域。
CCD数码相机12作为能够把光学影像转化为数字信号的半导体器件，它就像胶片一样，能够把图像像素转换成数字信号，在整个测量过程中，CCD数码相机12将会完整的记录下待测颗粒9从进入圆柱筒体7内到最终保持静止稳定的位于图像采集区10内的整个过程的运动轨迹，并将所拍摄的图像信息传送到数据采集终端13中进行处理，CCD数码相机12所拍摄的图像由安装在数据采集终端13中的pylon2.2软件进行采集，本发明中的数据采集终端13为笔记本电脑。
该测量装置用于测定非球形颗粒的曳力系数时，加入圆柱筒体7内的颗粒粒子可以是任意形状或组份，颗粒粒子的尺寸比也可以根据测量需求而随时变化。
本发明中考虑壁面效应的非球形颗粒曳力系数的测量方法，包括如下步骤：
S1、打开空气压缩机1和第一阀门L1，待气体经过干燥器2充分干燥后打开第二阀门L2，控制流量计3，使气体在圆柱筒体7内均匀发展且速度控制在合理范围内；
S2、打开激光红外光源8，CCD数码相机12和数据采集终端13，CCD数码相机12拍摄待测颗粒9保持静止稳定的位于图像采集区10内的整个过程的运动轨迹，并将所拍摄的图像信息传送到数据采集终端13中进行处理，CCD数码相机12所拍摄的图像由安装在数据采集终端13中的pylon2.2软件进行采集，本发明中的数据采集终端13为笔记本电脑；
S3、在锥形底座14上端放入带有圆柱扩体11的圆柱筒体7，在圆柱扩体11的上端面正中央释放待测颗粒9，同时CCD数码相机12对其进行连续的拍照，调节流量计3，控制圆柱筒体7内气体速度，直至在CCD数码相机12中观察不到颗粒运动为止，此时读取流量计3的刻度尺，得出流体的速度，记作uf。
S4、通过Matlab软件对图像进行后处理操作，得出待测颗粒9在下降过程中的颗粒倾角θ的平均值。
单颗粒在静止介质中，在重力作用下做自由落体运动时，颗粒在重力作用下加速，而浮力和曳力则阻碍其加速，当颗粒收到的重力与浮力和曳力平衡时，颗粒保持匀速下降，根据牛顿第二定律：
式中，
为重力，
为浮力，
为曳力。
单个颗粒所受的重力和浮力分别由如下物理公式得到：
式中，VP为颗粒的体积，ρp为颗粒的密度，ρf为气体的密度。
单个颗粒所受的曳力为：
式中ur为气体和颗粒的相对速度，在本发明中ur＝uf，A为等体积球垂直于流场方向的横截面积，采用等体积球的办法确定非球颗粒的尺寸，即
其中dp为等体积球的直径，通过对颗粒下落过程的图像进行后处理操作，在测量区间内颗粒与水平方向的角度变化很小，在5°内。因此，认为垂直于流场方向的横截面积在测量区间内保持不变，
通过计算，得出颗粒所受的曳力，并推导出曳力系数的计算式：
值得说明的是，uf随着颗粒下降过程中的颗粒倾角θ的平均值的变化而改变，变换不同的θ值就可以得到一系列相对应的CD值。
根据以上步骤，选取不同直径的圆柱筒体7，即可测得考虑壁面效应时，不同墙壁因子条件下的曳力系数，其中墙壁因子
Dt为圆柱筒体7的直径，d为非球形颗粒的轴向直径。
把不同测量条件下的CD值进行整理，通过拟合得出CD关于θ和λ的关联式，即CD＝F(θ,λ)。
需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种考虑壁面效应的非球形颗粒曳力系数的测量装置，其特征在于：
所述测量装置包括圆柱筒体(7)、圆柱扩体(11)和锥形底座(14)，所述圆柱筒体(7)为圆柱体结构，所述圆柱筒体(7)放置在所述锥形底座(14)的内部，所述锥形底座(14)上端端口直径大于下端端口直径，所述锥形底座(14)内部壁面上设置有多个不同直径的凹槽，所述圆柱筒体(7)嵌入所述凹槽中，所述圆柱扩体(11)的上端端口直径大于下端端口直径，所述圆柱扩体(11)与所述圆柱筒体(7)的上端固定连接；
所述测量装置还包括空气供给系统，所述空气供给系统包括空气压缩机(1)、干燥器(2)和流量计(3)，所述空气压缩机(1)与所述干燥器(2)通过第一管路连接，所述第一管路上设置有第一阀门(L1)，所述干燥器(2)的另一端与所述流量计(3)通过第二管路连接，所述第二管路上设置有第二阀门(L2)，流量计(3)的另一端与所述锥形底座(14)通过第三管路相连，所述第三管路上还设置有第二压力表(4)；
所述测量装置还包括图像处理系统，所述图像处理系统包括激光红外光源(8)、CCD数码相机(12)和数据采集终端(13)，所述激光红外光源(8)照射形成图像采集区(10)，所述CCD数码相机(12)将所拍摄的图像信息传送到所述数据采集终端(13)中。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：
所述测量装置还包括有布风板(6)，所述布风板(6)上设有等径圆孔，多个所述等径圆孔均匀分布在布风板(6)上，所述布风板(6)嵌入到所述锥形底座(14)内壁面的凹槽中，且与所述圆柱筒体(7)的下端面平行放置。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：
所述测量装置还包括底部支腿(5)，多条所述底部支腿(5)均匀分布在锥形底座(14)的四周。
4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：
所述流量计(3)为温压补偿型涡街流量计。
5.一种考虑壁面效应的非球形颗粒曳力系数的测量方法，所述测量方法使用根据权利要求1-4中任一项所述的测量装置，其特征在于：
所述测量方法包括以下步骤：
S1、打开空气压缩机(1)和第一阀门(L1)，待气体经过干燥器(2)充分干燥后打开第二阀门(L2)，调节流量计(3)，控制圆柱筒体(7)内气体速度；
S2、打开激光红外光源(8)，CCD数码相机(12)和数据采集终端(13)；
S3、释放待测颗粒(9)，同时CCD数码相机(12)对其进行连续的拍照，直至在CCD数码相机(12)中观察不到颗粒运动为止，读取流量计(3)的刻度尺，得出流体的速度，记作uf；
S4、对图像进行后处理操作，得出待测颗粒(9)在下降过程中的颗粒倾角θ的平均值。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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