CN110132534B - 一种液相环境中颗粒非线性碰撞力测量系统 - Google Patents

一种液相环境中颗粒非线性碰撞力测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液相环境中颗粒非线性碰撞力测量系统，包括环境模拟装置，速度发生装置，碰撞装置，监测装置，数据收集装置，数据分析装置，平衡调制装置及碰撞观测装置。本发明的有益效果是能够在液相环境下测量颗粒与平板以及颗粒与颗粒，球体的非线性碰撞作用力，可以直观地观察到颗粒碰撞的过程以及流场演变规律，并可在电脑端输出颗粒碰撞过程中碰撞作用力的动态变化曲线，从而有助于明确液相环境下颗粒碰撞机理，进而可以根据本装置测得的实验结果建立液相环境下颗粒非线性碰撞力数学模型，并可将该模型应用到固液两相流动数值模拟中，提高数值模拟的精度。

Description

一种液相环境中颗粒非线性碰撞力测量系统
技术领域
本发明属于数据测量技术领域，涉及一种液相环境中颗粒非线性碰撞力测量系统。
背景技术
固液两相流动广泛存在于化工、石油、环境、采矿等工业以及自然领域，在流动过程中固相颗粒之间以及其与流道壁面之间的碰撞直接影响两相流动规律。传统刚性碰撞模型认为，在碰撞过程中，碰撞体均为刚性，固相之间的作用力一般基于弹簧-粘壶模型计算，而在固液两相流动中，颗粒在液体环境中碰撞产生的动力学行为更为复杂，适用于干颗粒的传统刚性碰撞模型已不再适用。然而，在现有的固液两相流动模拟中，大多对颗粒碰撞接触力的计算仍基于弹簧-粘壶模型，通过引入弹性系数及阻尼系数来进行简化处理，直接根据颗粒间重叠量基于刚性碰撞模型计算接触力，忽略固相接触前液体对固相作用力的影响，从而导致模拟结果与实际情况有所偏差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液相环境中颗粒非线性碰撞力测量系统，本发明的有益效果是能够在液相环境下可以测量颗粒与平板以及颗粒与颗粒非线性碰撞作用力，可以直观地观察到颗粒碰撞的过程以及碰撞前后流场演变规律，并在电脑端输出颗粒碰撞过程中碰撞作用力的动态变化，从而明确液相环境下颗粒碰撞机理，进而可以根据本装置测得的实验结果建立液相环境下颗粒非线性碰撞力数学模型，并可将该模型应用到固液两相流动数值模拟中，提高数值模拟的精度。
本发明所采用的技术方案包括环境模拟装置，速度发生装置，碰撞装置，监测监测装置，数据收集装置，数据分析装置，平衡调节装置及碰撞观测装置。
进一步，环境模拟装置由容器组成，采用圆柱形玻璃容器盛装液体模拟液体环境，容器材料要求无视觉差异，容器底部要求平整无凸起凹陷，保证监测监测装置的稳定；容器底部设有出流口。
进一步，速度发生装置由导向套，支架，颗粒夹持器组成，将导向套水平移动至实验测点位置正上方，保证颗粒的垂直下落，将导向套支架两端与容器连接，并保证其高度的自由调节；颗粒初始位置设置在液面下方，以减小颗粒与液面碰撞导致的流场扰动。
进一步，碰撞装置由平板或球体以及颗粒移除手臂组成，平板和球体表面要求具有较高的精度，实验操作中，在圆柱形容器中装一定量的液体，由颗粒在液体中下落并与碰撞装置发生碰撞，要求平板水平放置，保证钢球下落方向垂直于平板。将平板替换成球体可进行颗粒-颗粒碰撞实验，实验要求碰撞装置与传感器进行刚性连接，以消除碰撞装置微变形对碰撞力的影响。
进一步，监测监测装置由传感器，底座组成，实现对碰撞信号的收集，为保证传感器的稳定，使其不因下落钢球的碰撞而产生横向位移，将传感器与底座进行刚性连接并预紧，放置容器底部；传感器的选择要求有较高的动态力响应，能捕捉到极短时间内的信号变化；传感器要求防水，由于碰撞过程瞬间完成，碰撞力尺度跨度大，传感器精度尽量高，灵敏度微秒级。
进一步，数据收集装置由数据采集器和防水电缆组成；颗粒下落与平板或球体发生碰撞，碰撞使得传感器受到力的作用并产生电压信号，通过整体电缆输出，并由数据采集器收集信号。
进一步，数据分析装置由数据分析软件组成；数据采集软件可以将不同信号源或不同采样率以不同的显示形式，同步记录存储在一个数据文件中，通过后处理功能可以将强大的数学计算和分析处理应用于已存储数据的处理，实验数据最终在电脑端显示，并可导出力-时间曲线。
进一步，碰撞观测装置由粒子图像测速仪(PIV)组成；颗粒在液体中沉降与碰撞装置发生碰撞，该过程由PIV记录；并在液体中使用空心微珠或者金属氧化物颗粒等示踪粒子，通过测量示踪粒子在已知很短时间间隔内的位移来间接地测量流场的瞬态速度分布，对颗粒与平板以及颗粒与颗粒的瞬态碰撞画面进行捕捉，并将捕捉到的画面在电脑端输出。
进一步，平衡调制装置由调平地脚组成；容器底部要求有适当厚度，可安装调平地脚，通过调平地脚的调试，实现平板的绝对水平，保证颗粒与平板以及颗粒与颗粒正碰撞，使实验误差达到最小。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明系统包括环境模拟装置，速度发生装置，碰撞装置，监测装置，数据收集装置，数据分析装置，平衡调制装置及碰撞观测装置。
环境模拟装置由容器组成，采用圆柱形玻璃容器盛装液体模拟液体环境，容器有好的通透性，能清晰的观测颗粒的下落状况，容器材料要求无视觉差异，做到观测颗粒下落情况的无变形，容器底部要求平整无凸起凹陷，保证监测装置的稳定；容器适当位置添加出流口。
速度发生装置由导向套，支架，颗粒(可以是钢球、玻璃球等)组成；实验操作中将导向套水平移动至实验测点位置正上方，保证钢球的垂直下落，将导向套支架两端与容器连接，并保证其高度的自由调节；颗粒初始位置设置在液面下方，以减小颗粒与液面碰撞导致的流场扰动；颗粒材料和大小可随机选择。该装置为颗粒碰撞提供初始速度，通过颗粒下落高度的改变来调节初始速度，导向套的安装可以调整颗粒下落方向，以保证颗粒的垂直下落。
碰撞装置由平板(颗粒)组成；本实验设备可进行颗粒-平板碰撞实验及颗粒-颗粒碰撞实验。颗粒-平板碰撞实验中，平板表面要求具有较高的精度，实验操作中，在圆柱形容器中装一定量的液体，由钢球在液体中下落并与平板发生碰撞。要求平板水平放置，保证钢球下落方向垂直于平板，因此需在适当位置添加平衡调节仪；平板可拆卸，可根据实验要求更换不同材料的平板(不锈钢、玻璃等材料)，但该构件移除颗粒时应尽可能降低对流场的扰动。将平板替换成颗粒可进行颗粒-颗粒碰撞实验，实验要求被碰撞颗粒与传感器进行刚性连接，使下落颗粒与该颗粒发生碰撞，进而可实现液体环境下颗粒之间非线性碰撞力的测量。过程中需要注意的是，颗粒-颗粒间碰撞的碰撞发生点的确定，要保证下落颗粒对颗粒的撞击力方向与传感器中心轴线的一致。下落颗粒与被碰撞颗粒半径可不同，被碰撞颗粒半径可适当增大。
监测装置由传感器，底座组成，实现对碰撞信号的收集，为保证传感器的稳定，使其不因下落钢球的碰撞而产生横向位移，特将传感器与底座进行刚性连接并预紧，放置容器底部；传感器的选择要求有较高的动态力响应，能捕捉到极短时间内的信号变化；传感器要求防水，由于碰撞过程瞬间完成，碰撞力尺度跨度大，传感器精度尽量高，灵敏度至少微秒。
数据收集装置由数据采集器组成；钢球下落与钢板发生碰撞，碰撞力使得传感器受到力的作用并产生电压信号，通过整体电缆输出，并由数据采集器收集信号；本实验中使用一种用于IEPE传感器的单通道信号采集器，该采集器采用24位分辨率，最大采样率为40ks/s；
数据分析装置由数据分析软件提供；本实验所使用的数据采集软件是一种可以将不同信号源(或不同采样率)，以不同的显示形式，同步记录存储在一个数据文件中。通过后处理功能可以将强大的数学计算和分析处理应用于已存储数据的处理。实验数据最终在电脑端显示，并可导出力-时间曲线；
监测装置、数据收集装置、数据分析装置组成一套完整的监测系统，该系统采集的数据为后续分析提供实验支持，传感器与数据采集器的选择将影响实验所得碰撞力的采集时间与力的精度，进而影响实验所得最终数据。
碰撞观测装置采用粒子图像测速法(PIV)完成；颗粒在液体中下落与平板发生碰撞，该过程由PIV记录；通过在液体中使用空心微珠或者金属氧化物颗粒等示踪粒子，PIV法测速通过测量示踪粒子在已知很短时间间隔内的位移来间接地测量流场的瞬态速度分布；并对颗粒与平板以及颗粒与颗粒的瞬态碰撞画面进行捕捉；
1.在实验开始之前监测液体是否处于静止状态，液体的静止状态与否将影响颗粒间作用力的测量；2.测颗粒速度；3.看流场在颗粒下落过程中的速度分布；4.观察颗粒与平板以及颗粒与颗粒碰撞瞬间前后时间内二者之间液体受挤压情况及变化规律；5.记录颗粒与平板以及颗粒与颗粒之间的碰撞过程。
平衡调制装置由调平地脚组成；容器底部要求有适当厚度，可安装调平地脚。通过调平地脚的调试，实现平板板的绝对水平，使实验误差达到最小。
本发明系统优点还在于：
(1)本实验通过对碰撞过程中颗粒，流场等研究对象的动力学观测与记录，可帮助研究人员观察、理解液相环境中固相间的非线性碰撞行为；
(2)通过本装置可以测量液相环境中固相之间的非线性碰撞力，帮助研究人员定量表征颗粒间作用力，并建立数学模型，将其应用到固液两相流动数值模拟中，可极大提高模拟精度。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种液相环境中颗粒非线性碰撞力测量系统，其特征在于：包括环境模拟装置，速度发生装置，碰撞装置，监测装置，数据收集装置，数据分析装置，平衡调制装置及碰撞观测装置；环境模拟装置由容器组成，采用圆柱形玻璃容器盛装液体模拟液体环境，容器材料要求无视觉差异，做到观测颗粒下落情况的无变形，容器底部要求平整无凸起凹陷，保证监测装置的稳定；容器上设有出流口；速度发生装置由导向套，支架，钢球或玻璃球组成，将导向套水平移动至实验测点位置正上方，保证钢球的垂直下落，将导向套支架两端与容器连接，并保证其高度的自由调节；颗粒初始位置设置在液面下方，以减小颗粒与液面碰撞导致的流场扰动；碰撞装置由平板或颗粒组成，平板表面要求具有较高的精度，实验操作中，在圆柱形容器中装一定量的液体，由钢球在液体中下落并与平板发生碰撞，要求平板水平放置，保证钢球下落方向垂直于平板，颗粒落到平板后，如果颗粒落不下去，需要添加颗粒移除构件，该构件移除颗粒时应尽可能降低对流场的扰动，将平板替换成颗粒可进行颗粒-颗粒碰撞实验，实验要求被碰撞颗粒与传感器进行刚性连接，使下落颗粒与颗粒发生碰撞，进而可实现液体环境下颗粒之间非线性碰撞力的测量；监测装置由传感器，底座组成，实现对碰撞信号的收集，为保证传感器的稳定，使其不因下落钢球的碰撞而产生横向位移，特将传感器与底座进行刚性连接并预紧，放置容器底部；传感器的选择要求有较高的动态力响应，能捕捉到极短时间内的信号变化；传感器要求防水，由于碰撞过程瞬间完成，碰撞力尺度跨度大，传感器精度尽量高，灵敏度至少微秒；数据收集装置由数据采集器组成；钢球下落与钢板发生碰撞，碰撞力使得传感器受到力的作用并产生电压信号，通过整体电缆输出，并由数据采集器收集信号；数据分析装置由数据分析软件提供；数据采集软件将不同信号源或不同采样率以不同的显示形式，同步记录存储在一个数据文件中，通过后处理功能将强大的数学计算和分析处理应用于已存储数据的处理，实验数据最终在电脑端显示，并可导出力-时间曲线；碰撞观测装置采用粒子图像测速法完成；颗粒在液体中下落与平板发生碰撞，该碰撞过程由PIV记录；通过在液体中使用空心微珠或者金属氧化物颗粒作为示踪粒子，PIV法测速通过测量示踪粒子在已知很短时间间隔内的位移来间接地测量流场的瞬态速度分布；并对颗粒与平板以及颗粒与颗粒的瞬态碰撞画面进行捕捉；平衡调制装置由调平地脚组成；容器底部要求有适当厚度，可安装调平地脚，通过调平地脚的调试，实现平板的绝对水平，使实验误差达到最小。
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