CN109675476B - 一种竖直棒束通道底部进口两相泡状流搅混装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种竖直棒束通道底部进口两相泡状流搅混装置及方法，该装置包括由主进水管道、主进水室和主进水孔组成的主进水区域，由辅助进水管道和辅助进水室组成的辅助进水区域，由滤芯圆管段、滤芯过渡段和滤芯多孔段组成的滤芯结构，由装置上下管座、滤芯套管、滤芯固定平板和滤芯套管固定平板组成的装置支撑固定结构；气体从滤芯圆管段进入后，经过滤芯过渡段从滤芯多孔段流出并与辅助进水混合向上流动，混合形成的气液两相再与主进水混合，通过调节主进水流量获得不同含气率的泡状两相流，最后进入到棒束通道区域；本发明可以获得较大范围的泡状两相流，满足棒束通道内针对不同含汽率的两相泡状流实验需求；此外，本发明还具有操作简单、稳定性高、装置易于加工和安装等优点。

Description

一种竖直棒束通道底部进口两相泡状流搅混装置及方法
技术领域
本发明属于两相泡状流实验研究技术领域，具体涉及一种竖直棒束通道底部进口两相泡状流搅混装置及方法。
背景技术
气液两相流广泛应用于石油、化工、能源、动力、航天系统及制药等工业领域，通常包含复杂多变的流型特征，包括泡状流、弹状流、环状流和雾状流等，研究其流型特征在生产过程和科学研究中具有十分重要的意义。
在气液两相泡状流实验研究中，首先需要解决的问题是泡状流的形成与气液两相的搅混，通常采用的方式是在气液两相流回路上增加气液搅混专用设备，但由于气液两相流的复杂性，如何实现气泡与液体的有效混合及含汽率的控制一直以来未能很好的解决。
关于两相流实验中的气液搅混方法国内外学者进行了大量有意义的研究。例如，中国专利CN102068928A公开了一种汽液两相流混合器，其装置为内侧布置有旋向相反来福线的双向锥形结构，可使两相流中的气泡被破碎，达到细化颗粒以便于和液体充分混合，但是，其装置的主要目的是为了有效增大汽液界面表面积以增加汽相溶解度，并不适用于对两相泡状流流型特性的研究，且实验装置也不能实现气泡较好的均匀度。中国专利CN204142465U公开了一种气液两相流相含率控制及气液两相混合装置，该装置包含液体输送管道、气体输送管道及气液两相混合器等结构，其中气液两相混合器为双层圆筒结构，气液两相通过内层筒壁上布置的进气小孔混合，该装置可通过流量计和调节阀门对气液两相流量进行调节进而控制稳定状态下气液两相的相含率，但是，该装置中液体质量流量不能过大，否则气泡的均匀性不能得到保证，因而该装置不适用于大流量工况下的两相泡状流特性实验研究，且实验中气体含气率的范围也受限。中国专利CN204220048U公开了一种气液搅混装置，该装置中包含孔板波纹板及蜂窝器，其中孔板波纹板上还设置有供气液流体流过的通孔，气液流体经过孔板波纹管结构进行第一次搅混，在孔板波纹板和蜂窝器之间的预留空间进行二次混合，最后利用蜂窝器对气液流体进行导直并进入到实验段。但是这种波纹板结构的流动阻力相对来说较大，大流量下装置的稳定性也不能得到保证，可能会引起装置的振动。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术与方法的不足，提供一种竖直棒束通道底部进口两相泡状流搅混装置及方法，能够获得大流量范围内不同含气率的泡状两相流，气液体经搅混后具有较好的均匀性，并且装置具有较好的抗震性。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种竖直棒束通道底部进口两相泡状流搅混装置，所述搅混装置设置在包围实验棒束4的棒束套管5底部，包括由主进水管道8、主进水室7和主进水孔2组成的主进水区域，由辅助进水管道12和辅助进水室11组成的辅助进水区域，由滤芯圆管段15、滤芯过渡段1和滤芯多孔段6组成的滤芯结构，由装置上管座9、装置下管座14、滤芯套管3、滤芯固定平板13和滤芯套管固定平板10组成的装置支撑固定结构。
所述装置下管座14位于最底部，用于支撑整个搅混装置；
所述辅助进水室11位于装置下管座14上方相邻位置，水平放置的辅助进水管道12直接贯穿辅助进水室11的壁面，共同构成了辅助进水的入口通道；
所述装置上管座9位于辅助进水室11上方，主进水室7与装置上管座9周向相邻，主进水室7内壁面和装置上管座9外壁面间形成一个环形空腔结构，环形空腔结构内壁面上设置有主进水孔2，环形空腔结构外壁面和水平放置的主进水管道8相通，共同构成了主进水的入口通道；
所述滤芯圆管段15、滤芯过渡段1和滤芯多孔段6组成的滤芯结构占据整个搅混装置的中心位置，其中，滤芯圆管段15和滤芯多孔段6为圆柱形结构，滤芯过渡段1为连接滤芯圆管段15和滤芯多孔段6的倒圆台形结构；滤芯圆管段15从下到上依次通过装置下管座14、辅助进水室11和装置上管座9，贯穿滤芯固定平板13和滤芯套管固定平板10，滤芯圆管段15末端与滤芯过渡段1相连，进而与滤芯多孔段6相通，整个搅混装置中共有几十根同等规格、整齐排布的滤芯结构；
所述滤芯结构通过滤芯固定平板13固定，滤芯固定平板13夹在装置下管座14上部法兰盘与辅助进水室11下部法兰盘之间，三者通过螺栓进行连接，滤芯固定平板13除了用来限制滤芯结构可能发生的振动外，还用来隔断辅助进水室11与下部装置下管座14。
所述滤芯套管3从装置下管座11中部开始，贯穿滤芯套管固定平板10一直延伸至装置上管座9顶端，每一个滤芯结构外部均对应套有一个滤芯套管3；滤芯套管3将所在空间分隔为两个部分，即滤芯套管3与滤芯结构间形成的辅助进水流动区域，滤芯套管3外部与装置上管座9内壁间形成的主进水流动区域。
所述滤芯套管3通过滤芯套管固定平板10固定，滤芯套管固定平板10夹在装置上管座9下部法兰盘与辅助进水室11上部法兰盘之间，三者通过螺栓进行连接，滤芯套管固定平板10除用于限制固定滤芯套管3可能发生的振动外，还用来隔断装置上管座9和辅助进水室11。
所述主进水管道8和辅助进水管道12沿周向均对称布置若干个，以尽可能保证流场均匀，同时可使搅混装置试验件受力较为均匀，减小装置震动。
所述装置上管座9壁面上沿周向的四个方向各开设了多个主进水孔2，目的是避免主进水流量较大而造成的装置震动。
所述滤芯结构为气液混合前气体的流通通道，其中滤芯多孔段6表面有密布的微小圆孔，气体最终通过微小圆孔进入到液体环境中。
所述竖直棒束通道底部进口两相泡状流搅混装置的搅混方法，对气液进行搅混时，气体从滤芯圆管段15进入，从滤芯多孔段6流出；液体流通通道包含辅助进水和主进水两个流道，辅助进水从辅助进水管道12流入，充满辅助进水室11内壁与滤芯圆管段15外壁包围的整个空间后，进入到滤芯套管3内壁与滤芯结构外壁形成的环形空间向上流动；主进水从主进水管道8流入，充满整个主进水室7后，通过主进水孔2流入到滤芯套管3外部与装置上管座9内壁形成的空间向上流动，装置中主进水和辅助进水被滤芯套管3和滤芯套管固定平板10分隔开来；气体首先在滤芯套管3内壁与滤芯多孔段6形成的环形空间和辅助进水进行充分混合，混合形成的气液两相泡状流继续向上流动，在棒束套管5底端与主进水相遇并进行第二次混合，最后进入到棒束套管5包围着的实验棒束4区域。
所述滤芯多孔段6外的辅助水流速需限制在较低流速，以便于和气体混合后形成较为均匀的泡状流，为了在实验棒束4的通道底部进口获得较大范围含气率的泡状两相流，需通过调节主进水流量来实现。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1、本发明的搅混装置，在滤芯多孔段表面布置均匀出气小孔，一方面可以使得气泡均匀的进入到液体空间中，而不对流动造成较大影响，另一方面可以增加气泡数量，通过小孔的气泡可以相互独立开来，与液体混合更加均匀。
2、本发明的搅混装置，采用主进水和辅助进水相互配合的进水方式，其中较低流速的辅助进水与气泡相互混合，可以减小液体对气泡的冲击，形成更为均匀的泡状流，然后主进水再与混合形成的气液两相流混合向上流动，通过调节主进水的流量，可以获得较大流量范围、不同含气率的泡状两相流。
3、本发明的搅混装置，进水管沿周向均匀布置，可使搅浑装置试验件受力较为均匀，减小台架震动；主进水室内壁各个方向设计进水孔，可避免主进水流量较大时直接对滤芯套管的冲击；整个装置各腔室通过法兰连接固定，稳固可靠。
附图说明
图1为本发明一种竖直棒束通道底部进口两相泡状流搅混装置的整体结构示意图。
图2为本发明中滤芯结构示意图。
图中，1为滤芯过渡段，2为主进水孔，3为滤芯套管，4为实验棒束，5为棒束套管，6为滤芯多孔段，7为主进水室，8为主进水管道，9为装置上管座，10为滤芯套管固定平板，11为辅助进水室，12为辅助进水管道，13为滤芯固定平板，14为装置下管座，15为滤芯圆管段。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明方法进行详细的说明。
如图1所示，本发明一种竖直棒束通道底部进口两相泡状流搅混装置，包括滤芯过渡段1、主进水孔2、滤芯套管3、实验棒束4、棒束套管5、滤芯多孔段6、主进水室7、主进水管道8、装置上管座9、滤芯套管固定平板10、辅助进水室11、辅助进水管道12、滤芯固定平板13、装置下管座14和滤芯圆管段15。
如图2所示，滤芯圆管段15、滤芯过渡段1和滤芯多孔段6是滤芯结构的基本组成部分，是气体在与液体混合前的流通场所，贯通整个装置的中心位置，其中滤芯圆管段15和滤芯多孔段6为圆柱形结构，滤芯过渡段1为倒圆台形结构，滤芯多孔段6表面有密布的微小圆孔，气体最终将通过这些微小圆孔弥散到液体环境中；滤芯固定平板13用于固定滤芯结构，限制其可能发生的振动，滤芯固定平板13夹在装置下管座14上部法兰盘与辅助进水室11下部法兰盘之间，三者通过螺栓进行连接固定。
液体流通空间包含两个部分，即由主进水管道8、主进水室7和主进水孔2组成的主进水区域，由辅助进水管道12和辅助进水室11组成的辅助进水区域；滤芯套管3将流通空间分隔为两个部分，滤芯套管3内壁与滤芯结构之间围成的空间为辅助向上流通流道，也是辅助进水与气体第一次混合场所，滤芯套管3外壁与装置上管座9内壁面围成的空间为主进水向上流通区域；滤芯套管固定平板10用于固定滤芯套管3，限制其可能发生的振动，同时也用于隔断主进水室7和辅助进水室11；滤芯套管固定平板10夹在装置上管座9下部法兰盘与辅助进水室11上部法兰盘之间，三者通过螺栓进行连接固定；为尽可能保证流场均匀，同时使搅混装置试验件受力较为均匀，在进行液体进水管道布置时，所述主进水管道8和辅助进水管道12沿周向均对称布置4个进水口，此外，装置上管座9避免上沿周向的四个方向各设计了多个主进水孔2，目的是避免主进水流量较大而造成的装置震动。
所有部件安装完成后对气液进行搅混时，气体从滤芯圆管段15进入，经过滤芯过渡段1后，从滤芯多孔段6表面流出；辅助进水通过对称布置的四个辅助进水管道12流入，充满整个辅助进水室11后向上流动，然后进入到滤芯结构和滤芯套管5之间的流通区域，流经至滤芯多孔段6区域时与气体混合形成均匀的气液两相泡状流；主进水通过对称布置的四个主进水管道8流入，充满整个主进水室7后从主进水孔2进入到实验搅混段，并沿着滤芯套管3外部流通区域向上流动，主进水将在实验棒束4通道底部与第一次搅混形成的气液两相泡状流进行第二次混合，混合最终形成的气液两相泡状流将进入到棒束实验段。
所述滤芯多孔段6外的辅助水流速较低，以便于和气体混合后形成较为均匀的泡状流，为了在实验棒束4的通道底部进口获得较大范围含气率的泡状两相流，需通过调节主进水流量来实现。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域中的普通技术人员来说，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上所述实施例的变化和变型都应当视为在本发明的权利要求书范围内。

Claims (9)

1.一种竖直棒束通道底部进口两相泡状流搅混装置，其特征在于：所述两相泡状流搅混装置设置在包围实验棒束(4)的棒束套管(5)底部，包括由主进水管道(8)、主进水室(7)和主进水孔(2)组成的主进水区域，由辅助进水管道(12)和辅助进水室(11)组成的辅助进水区域，由滤芯圆管段(15)、滤芯过渡段(1)和滤芯多孔段(6)组成的滤芯结构，由装置上管座(9)、装置下管座(14)、滤芯套管(3)、滤芯固定平板(13)和滤芯套管固定平板(10)组成的装置支撑固定结构；
所述装置下管座(14)位于最底部，用于支撑整个搅混装置；
所述辅助进水室(11)位于装置下管座(14)上方相邻位置，水平放置的辅助进水管道(12)直接贯穿辅助进水室(11)的壁面，共同构成了辅助进水的入口通道；
所述装置上管座(9)位于辅助进水室(11)上方，主进水室(7)与装置上管座(9)周向相邻，主进水室(7)内壁面和装置上管座(9)外壁面间形成一个环形空腔结构，环形空腔结构内壁面上设置有主进水孔(2)，环形空腔结构外壁面和水平放置的主进水管道(8)相通，共同构成了主进水的入口通道；
所述滤芯圆管段(15)、滤芯过渡段(1)和滤芯多孔段(6)组成的滤芯结构占据整个搅混装置的中心位置，其中，滤芯圆管段(15)和滤芯多孔段(6)为圆柱形结构，滤芯过渡段(1)为连接滤芯圆管段(15)和滤芯多孔段(6)的倒圆台形结构；滤芯圆管段(15)从下到上依次通过装置下管座(14)、辅助进水室(11)和装置上管座(9)，贯穿滤芯固定平板(13)和滤芯套管固定平板(10)，滤芯圆管段(15)末端与滤芯过渡段(1)相连，进而与滤芯多孔段(6)相通，整个搅混装置中共有多根同等规格、整齐排布的滤芯结构。
2.根据权利要求1所述的一种竖直棒束通道底部进口两相泡状流搅混装置，其特征在于：所述滤芯结构通过滤芯固定平板(13)固定，滤芯固定平板(13)夹在装置下管座(14)上部法兰盘与辅助进水室(11)下部法兰盘之间，三者通过螺栓进行连接，滤芯固定平板(13)除了用来限制滤芯结构发生的振动外，还用来隔断辅助进水室(11)与下部装置下管座(14)。
3.根据权利要求1所述的一种竖直棒束通道底部进口两相泡状流搅混装置，其特征在于：所述滤芯套管(3)从辅助进水室(11)中部开始，贯穿滤芯套管固定平板(10)一直延伸至装置上管座(9)顶端，每一个滤芯结构外部均对应套有一个滤芯套管(3)；滤芯套管(3)将所在空间分隔为两个部分，即滤芯套管(3)与滤芯结构之间形成的辅助进水流动区域，滤芯套管(3)外部与装置上管座(9)内壁间形成的主进水流动区域。
4.根据权利要求1所述的一种竖直棒束通道底部进口两相泡状流搅混装置，其特征在于：所述滤芯套管(3)通过滤芯套管固定平板(10)固定，滤芯套管固定平板(10)夹在装置上管座(9)下部法兰盘与辅助进水室(11)上部法兰盘之间，三者通过螺栓进行连接，滤芯套管固定平板(10)除用于限制固定滤芯套管(3)发生的振动外，还用来隔断装置上管座(9)和辅助进水室(11)。
5.根据权利要求1所述的一种竖直棒束通道底部进口两相泡状流搅混装置，其特征在于：所述主进水管道(8)和辅助进水管道(12)沿周向均对称布置多个，以保证流场均匀，同时使搅混装置试验件受力均匀，减小装置震动。
6.根据权利要求1所述的一种竖直棒束通道底部进口两相泡状流搅混装置，其特征在于：所述装置上管座(9)壁面上沿周向的四个方向各开设了多个主进水孔(2)，目的是避免主进水流量大而造成的装置震动。
7.根据权利要求1所述的一种竖直棒束通道底部进口两相泡状流搅混装置，其特征在于：所述滤芯结构为气液混合前气体的流通通道，其中滤芯多孔段(6)表面有密布的微小圆孔，气体最终通过微小圆孔进入到液体环境中。
8.权利要求1至7任一项所述竖直棒束通道底部进口两相泡状流搅混装置的搅混方法，其特征在于：液体流通通道包含辅助进水和主进水两个流道，辅助进水从辅助进水管道(12)流入，充满辅助进水室(11)内壁与滤芯圆管段(15)外壁包围的整个空间后，进入到滤芯套管(3)内壁与滤芯结构外壁形成的环形空间向上流动；主进水从主进水管道(8)流入，充满整个主进水室(7)后，通过主进水孔(2)流入到滤芯套管(3)外部与装置上管座(9)内壁形成的空间向上流动，装置中主进水和辅助进水被滤芯套管(3)和滤芯套管固定平板(10)分隔开来；气体从滤芯圆管段(15)进入，经过滤芯过渡段(1)从滤芯多孔段(6)流出后，首先在滤芯套管(3)内壁与滤芯多孔段(6)形成的环形空间和辅助进水进行充分混合，混合形成的气液两相泡状流继续向上流动，在棒束套管(5)底端与主进水相遇并进行第二次混合，最后进入到棒束套管(5)包围着的实验棒束(4)区域。
9.根据权利要求8所述的搅混方法，其特征在于：滤芯多孔段(6)外的辅助水流速需限制在低流速，以便于和气体混合后形成均匀的泡状流，为了在实验棒束(4)的通道底部进口获得大范围含气率的泡状两相流，需通过调节主进水流量来实现。
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