CN110487508B - 一种用于研究水平管气液两相螺旋流的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于研究水平管气液两相螺旋流的实验装置，包括气相供给系统、液相循环系统、及管路测量系统。空气供给系统由空气压缩机、气体缓冲罐、压力表、气体流量计及阀门等连接件组成。液相循环系统由水泵、水箱、液体流量计及阀门连接件组成。管路测量系统中实验管段主要由透明管、透明方砖、起旋器等连接件组成。测量系统由测量仪表(压力传感器，温度传感器，压差传感器、流量传感器及其电源)和高速摄像机组成。本发明可实现实验室条件下对水平管气液两相螺旋流的流动规律、压降特性、含气率等的研究。对数值模拟结果进行实验验证，完善气液两相螺旋流的流动机理，此外，平台的角度可以调节，实现对倾斜管道的气液螺旋流研究。

Description

一种用于研究水平管气液两相螺旋流的实验装置

技术领域

本发明属于油气输送领域，具体的涉及一种用于研究水平管气液两相螺旋流的实验装置。

背景技术

螺旋流是指同时存在轴向及切向速度分量，且切向速度的作用不能忽略的流动。在燃烧技术、水力输送、旋风分离、射流技术、气力输送等方面应用广泛。除了单相螺旋流，两相螺旋流的应用也十分广泛，比如气液分离、强化换热、气井排水采气和地面携液等领域的应用。近年来，随着对清洁能源需求的不断扩大，越来越多的天然气得到使用。而对天然气的输送最常用的方法就是管道输送，管道输送具有连续高效和安全稳定的特点，在天然气资源开发和输送过程中发挥着重要作用。输送过程中因环境等因素会在管道中产生积液影响天然气的输送甚至会生成天然气水合物堵塞管道危害管道安全。因此需要对积液进行排除并提高输送效率，螺旋流作为简单高效的方法得以应用。

目前，对水平管气液两相螺旋流的研究中主要单独对流型或压降研究，缺乏将流型和压降整合的研究，并且含气率以及倾角的因素没有被考虑。因此，设计一种用于研究水平管气液两相螺旋流并且兼顾流型、压降、含气率以及倾角的实验装置，对于研究气液螺旋流的流动规律以及天然气管道的携液应用具有重要意义。

发明内容

本发明针对背景技术中的问题，提出一种用于研究水平管气液两相螺旋流的实验装置。

本发明的技术方案如下：

一种用于研究水平管气液两相螺旋流的实验装置，包括气相供给系统、液相循环系统、管路测量系统及摄像系统。

气相供给系统包括沿着进气管路的气体流动方向依次设置的空气压缩机、止回阀、气体缓冲罐、气体流量调节阀和气体流量计。气体缓冲罐设有弹簧式安全阀和压力表。

液相循环系统包括沿着进液管路的液体流动方向依次设置的水箱、离心泵、液体流量调节阀和液体流量计。

管路测量系统包括气液混合器、环路管线及检测管线，气液混合器的一端设有气液混合器进液口和气液混合器进气口，另一端设有气液混合流体出口(也即气液混合器出口)，所述气液混合器进液口与进液管路的出液口连接，所述气液混合器进气口与进气管路的出气口连接，所述气液混合器出口通过第一三通管分别与环路管线的进口和检测管线的进口连接，所述第一三通管与检测管线连接的一端出口处设有压力传感器；所述环路管线上设有第一快关阀，环路管线的出口与所述水箱的进液口连接；所述检测管线包括直形的有机玻璃管及沿着有机玻璃管内气液混合流体流动方向依次设置在机玻璃管上的第二快关阀、第一透明方砖、第二透明方砖、第三透明方砖及第三快关阀；所述位于第二快关阀两侧的有机玻璃管上沿着有机玻璃管内气液混合流体流动方向分别设有第一测压孔，第一测压孔为预留测压孔，方便做对比实验时测得起旋器上下游的压降和第二测压孔，第一透明方砖与第二透明方砖之间设有第三测压孔，第二透明方砖与第三透明方砖之间设有第四测压孔，第三透明方砖与第三快关阀之间设有第五测压孔，第二测压孔与第三测压孔之间连接有第一压差传感器，第三测压孔与第四测压孔之间连接有第二压差传感器，第四测压孔与第五测压孔之间连接有第三压差传感器；所述有机玻璃管)的出口连接有第二三通管，所述第二三通管的进口处设有温度传感器，第二三通管的其中一个出口设有放空阀，第二三通管的另一个出口通过背压阀与第一快关阀与水箱之间的环路管线连接；所述第二快关阀与第三快关阀可同步启闭，且第二快关阀与第三快关阀同步开启时第一快关阀同时处于关闭状态，第二快关阀与第三快关阀同步关闭时第一快关阀同时处于开启状态。

摄像系统包括设于第二快关阀和第三快关阀之间且位于有机玻璃管上方的光源及设于第二快关阀和第三快关阀之间且位于有机玻璃管下方的高速摄像机相机。

还包括起旋器，起旋器沿轴向置于第二快关阀与第三快关阀之间的有机玻璃管内。

为了便于进行不同倾角的气液两相螺旋流实验，进一步的，还包括升降台，所述升降台包括实验平台，所述实验平台沿着有机玻璃管设置且用于安装固定所述管路测量系统，实验平台可调整有机玻璃管在水平方向上的倾角，所述气液混合器出口通过软管与第一三通管连接。更进一步的，所述实验平台通过第一升降支架和第二升降支架安装，所述第一升降支架和第二升降支架设于实验平台的底部且沿着有机玻璃管的长度方向间隔设置。升降支架一方面可以通过调节高度以便在地面不平整时调节水平，另一方面可以调整有机玻璃管在水平方向上的倾角并配合气液两相螺旋流实验提供不同倾角。

进一步的，还包括连杆联动机构，所述连杆联动机构包括连杆及3个分别与第一快关阀、第二快关阀及第三快关阀一一对应设置的摆动杆，所述摆动杆的一端与与其对应的第一快关阀、第二快关阀、第三快关阀的阀杆固定连接，所述连杆上间隔设有3个导向柱，所述摆动杆远离阀杆的一端设有与导向柱相配合的滑槽，所述摆动杆通过插装在滑槽的导向柱与连杆传动连接，拉动连杆时，所述摆动杆可带动阀杆围绕阀杆轴线同步旋转，进而带动第一快关阀、第二快关阀及第三快关阀在开启和关闭之间切换，其中与第一快关阀连接的摆动杆的旋转方向与剩余摆动杆的旋转方向相反。所述的快关阀和连杆，可以通过操作连杆使得在起旋器后的两个快关阀关闭，旁路的快关阀打开，以实现对起旋器后含气率的测量。

进一步的，第二快关阀和第三快关阀之间的有机玻璃管与光源之间设有一层宣纸。宣纸可直接用胶带粘在光源之前但不与光源直接接触，也可粘于透明方砖的背面。一方面宣纸的存在可以使被拍摄区域的光线分布均匀，避免高速摄像机透过被拍摄区域直接拍到光源散发的光，造成物像有的地方过曝，有的地方光线不足；另一方面宣纸的存在可以遮住物像背面可能出现的一些无关的景象，确保所拍物像除了流型以外无其他干扰因素。

所述的弹簧式安全阀用于当气体缓冲罐内压缩气体的压力小于1MPa时自动关闭，当压力超过1MPa时自动开启进行泄压，以达到保护气体缓冲罐的目的。作为优选，所述弹簧式安全阀与压力表置于气体缓冲罐的顶部。

进一步的，所述水箱内部中间有一块竖直挡板，所述竖直挡板的顶部与侧部分别与水箱的顶壁和侧壁密闭连接，竖直挡板的底部与水箱底部间隔距离，所述水箱的进液口和出液口由竖直挡板隔开，且水箱的进液口位于水箱的上部，水箱的出液口位于水箱的侧壁下部，避免循环回水箱的气液混合物造成激烈的震荡影响流动的稳定。

进一步的，所述气液混合器包括内部气液混合区和环绕气液混合区外部设置的夹层，夹层内壁密集开设通孔使夹层与气液混合区连通，气液混合区的一端设有所述气液混合器进气口，另一端设有所述气液混合流体出口，所述夹层靠近气液混合器进气口的一端设有所述气液混合器进液口。使用时，气体经由气液混合器进气口进入混合区，气体在混合区内流动，产生负压使经由气液混合器进液口进入夹层的水再进一步经由夹层内壁密集开设的通孔进入气液混合区，从而产生混合的效果，最终混合后的气液混合流体经由气液混合流体出口流出，并进入第一三通管。

进一步的，第一透明方砖、第二透明方砖及第三透明方砖均采用与管道相同的有机玻璃材质制成，用于减轻因圆管带来的误差。若直接拍摄圆管，所拍摄的圆管中的物像会被放大，造成流型的失真，如果需要定量分析流动中气泡、液滴等尺寸的话会造成很大误差，而加方形的透明方砖可以减轻这种误差，以得到准确的结果。

进一步的，空气压缩机为螺杆式压缩机，当气体缓冲罐内气体的压力达到0.8MPa时，空气压缩机自动停止工作，进入待机状态；当气体缓冲罐内气体的压力小于0.6MPa时，空气压缩机又自动开启，进入工作状态。

作为优选所述起旋器,是用于产生螺旋流的装置，包括中心圆柱及围绕中心圆柱设置的至少3个螺旋叶片，所述中心圆柱两端端面为球面或椭球面。传统的起旋器由扭带式起旋器和叶轮式起旋器，本发明的起旋器为叶片式起旋器，相较于传统起旋器，由于中心圆柱和螺旋叶片之间的通道，相同实验条件下叶片式起旋器可以显著提高流体经过起旋器时的流速，提供相对较强的离心力，促进了流型转变。进一步的，所述的起旋器为树脂材质通过3D打印制成。

本发明中，止回阀可以使压缩气体从空气压缩机流向气体缓冲罐而防止压缩气体从气体缓冲罐回流至压缩机。离心泵用于提供液相，可通过调节转速控制流量和扬程的大小以适应实验需要。有机玻璃管为实验管段，因为是透明的材质方便流型的观察记录。测压孔可以通过接头自由组合测得需要区间的压降值。背压阀是为了控制系统压力一定而进行调节。放空阀一方面可以防止系统压力过高造成危险和损害，另一方面可以将快关阀关闭时的气液排除以测定含气率。气体流量计用于计量从气体缓冲罐出来的气体流量。液体流量计用于计量从离心泵出来的液体。压力传感器用于测量系统的压力值。压差传感器用于测量一定距离的压差值。温度传感器用于测量系统的温度。光源用于给高速摄像机照明，以得到更好的拍摄效果。高速摄像机用于捕捉实验管段动态的流动特性。以分析其流动规律。

相比于现有技术，本发明所取得的技术效果如下：

功能齐全：本实验装置可实现同时对流型和压降进行测量，如果需要的话还可以对含气率进行测定，同时也满足不同倾角实验的需要。

准确性好：高速摄像机、压差传感器、压力传感器和流量传感器均为高精度、高灵敏性仪器，所测量的数据准确可靠。

安全性高：气体缓冲罐上部设置有弹簧式安全阀，当罐内压力将要超过气体缓冲罐的承压能力时，弹簧式安全阀自动打开向外界释放气体，防止气体缓冲罐的损坏。而且实验管路也设置有放空阀，保证实验系统的安全。

本发明可实现实验室条件下对水平管气液两相螺旋流的流动规律以及压降特性的研究。对数值模拟结果进行实验验证，完善气液两相螺旋流的流动机理。本发明设计结合流型和压降对气液螺旋流展开研究，并通过快关阀实现起旋器之后含气率的测定；此外，平台的角度可以调节，实现对倾斜管道的气液螺旋流研究。具有多功能，占用空间小和便于操作等优点。

附图说明

图1是本发明专利的实施例结构示意图；

图2是本发明中测压孔上凸台的三视图；

图3是本发明中起旋器的结构示意图；

图4是本发明中有机玻璃方砖的结构示意图；

图5是本发明中升降支架示意图。

图6为连杆联动机构的工作示意图。

图7为气液混合器的结构示意图。

图中：1-空气压缩机，2-止回阀，3-弹簧式安全阀，4-压力表，5-气体缓冲罐，6-气体流量调节阀，7-气体流量计，8-水箱，8-1-隔板，9-离心泵，10-液体流量调节阀，11-液体流量计，12-气液混合器，12-1-气液混合器进气口，12-2-气液混合流体出口，12-3-气液混合器进液口，13-压力传感器，14-有机玻璃管，15-第一测压孔，16-第二测压孔，17-第三测压孔，18-第四测压孔，19-第五测压孔5，20-起旋器，20-1-中心圆柱，20-2-螺旋叶片，21-第一玻璃方砖，22-第二玻璃方砖，23-第三玻璃方砖，24-第一压差传感器，25-第二压差传感器，26-第三压差传感器，27-光源，28-温度传感器，29-放空阀，30-背压阀，31-管托，32-实验平台，33-第一升降支架，34-第二升降支架，35-第一快关阀，36-第二快关阀，37-第三快关阀，38-连杆联动机构，38-1-连杆，38-2-摆动杆，38-3-导向柱，38-4-滑槽，39-高速摄像机，40-第一三通管，41-第二三通管，42-弯头，43-第一软管，44-第二软管。

具体实施方式

本发明不局限于下列具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明的，或者凡是采用本发明的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本发明的保护范围。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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明下面结合实施例作进一步详述：

见图1至图7，一种用于研究水平管气液两相螺旋流的实验装置，包括气相供给系统、液相循环系统、管路测量系统、摄像系统、升降台及连杆联动机构。

气相供给系统包括沿着进气管路的气体流动方向依次设置的空气压缩机1、止回阀2、气体缓冲罐5、气体流量调节阀6和气体流量计7；所述气体缓冲罐5设有弹簧式安全阀3和压力表4，弹簧式安全阀3与压力表4置于气体缓冲罐5的顶部。

液相循环系统包括沿着进液管路的流体流动方向依次设置的水箱8、离心泵9、液体流量调节阀10和液体流量计11。

管路测量系统包括气液混合器12、环路管线及检测管线。气液混合器12一端设有气液混合器进液口和气液混合器进气口，另一端设有气液混合器出口，所述气液混合器进液口与进液管路的出液口连接，所述气液混合器进气口与进气管路的出气口连接，所述气液混合器出口通过第一三通管40分别与环路管线的进口和检测管线的进口连接，第一三通管40与检测管线连接的一端出口处设有压力传感器13。环路管线上设有第一快关阀35，环路管线的出口与所述水箱8的进液口连接，第一三通管40的其中一个出口连接弯头42，弯头42的出口端连接第一快关阀35，然后连接第二软管44，第二软管42的出口端连接水箱8的进液口。所述检测管线包括直形的有机玻璃管14及沿着有机玻璃管14内气液混合流体流动方向依次设置在机玻璃管14上的第二快关阀36、第一透明方砖21、第二透明方砖22、第三透明方砖23及第三快关阀37。位于第二快关阀36两侧的有机玻璃管14上沿着有机玻璃管14内气液混合流体流动方向分别设有第一测压孔15和第二测压孔16，第一透明方砖21与第二透明方砖22之间设有第三测压孔17，第二透明方砖22与第三透明方砖23之间设有第四测压孔18，第三透明方砖23与第三快关阀37之间设有第五测压孔19，第二测压孔16与第三测压孔17之间连接有第一压差传感器24，第三测压孔17与第四测压孔18之间连接有第二压差传感器25，第四测压孔18与第五测压孔19之间连接有第三压差传感器25。有机玻璃管14的出口连接有第二三通管41，所述第二三通管41的进口处设有温度传感器28，第二三通管41的其中一个出口设有放空阀29，第二三通管41的另一个出口通过背压阀30与第一快关阀35与水箱8之间的环路管线连接，具体的背压阀30连接第一软管，第一软管通过三通管连接第二软管44并连接至水箱8的进液口。第二快关阀36与第三快关阀37可同步启闭，且第二快关阀36与第三快关阀37同步开启时第一快关阀35同时处于关闭状态，第二快关阀36与第三快关阀37同步关闭时第一快关阀35同时处于开启状态。

起旋器20由光敏树脂通过3D打印制成的，示意图见图3，起旋器20包括中心圆柱20-1及围绕中心圆柱20-1均匀设置的4个螺旋叶片20-2，所述中心圆柱柱的一端端面为球面，另一端的端面为椭球面。螺旋叶片20-2的倾角为45°，厚度2mm，分别旋转180°均匀分布在中心圆柱上，中心圆柱的直径为15mm，用于产生螺旋流。起旋器20沿轴向置于所述第二快关阀36与第三快关阀37之间的有机玻璃管14内，本实施例的起旋器20设置在第二快关阀36与第一方砖21之间。

摄像系统包括设于第二快关阀36和第三快关阀37之间且位于有机玻璃管14上方的光源27及设于第二快关阀36和第三快关阀37之间且位于有机玻璃管14下方的高速摄像机39。

升降台包括实验平台32，所述实验平台32沿着有机玻璃管14设置且用于安装固定所述管路测量系统，具体的，实验平台32上沿着有机玻璃管14的铺设方向均匀设有9个管托31，管托31顶部设有安装面，有机玻璃管14通过安装面安装在实验平台上。实验平台32可带动有机玻璃管14在有机玻璃管14内气液混合流体流动方向上发生倾斜，进而调整有机玻璃管14在水平方向上的倾角，所述气液混合器出口通过软管与第一三通管40连接。具体的，实验平台通过第一升降支架33和第二升降支架34安装，所述一升降支架33和第二升降支架34设于实验平台底部且沿着有机玻璃管14的长度方向间隔设置。

见图7，气液混合器12包括内部气液混合区和环绕气液混合区外部设置的夹层，夹层内壁密集开设通孔使夹层与气液混合区连通，气液混合区的一端设有所述气液混合器进气口，另一端设有所述气液混合流体出口，所述夹层靠近气体入口的一端设有所述气液混合器进液口。使用时，气体经由气液混合器进气口进入混合区，气体在混合区内流动，产生负压使经由气液混合器进液口进入夹层的水再进一步经由夹层内壁密集开设的通孔进入气液混合区，从而产生混合的效果，最终混合后的气液混合流体经由气液混合流体出口流出，并进入第一三通管40。

空气压缩机1为螺杆式压缩机，排气压力0.7MPa，排气量为1.35m³/min；气体缓冲罐5的容积为2m³。当气体缓冲罐5内气体的压力达到0.8MPa时，空气压缩机1自动停止工作，进入待机状态；当气体缓冲罐5内气体的压力小于0.6MPa时，空气压缩机1又自动开启，进入工作状态。止回阀2可以使压缩气体从空气压缩机1流向气体缓冲罐5而防止压缩气体从气体缓冲罐5回流至空气压缩机1。弹簧式安全阀3用于当气体缓冲罐5内压缩气体的压力小于1MPa时自动关闭，当压力超过1MPa时自动开启进行泄压，以达到保护气体缓冲罐5的目的。气体流量调节阀6为DN25的闸阀，通过旋转阀门控制流量大小。气体流量计7为涡轮流量计，量程为2.5-25m³/h。

水箱8长2m，宽1m，高1.5m，水箱8的内部中间有一块竖直挡板8-1，所述竖直挡板8-1的顶部与侧部分别与水箱8的顶壁和侧壁密闭连接，竖直挡板8-1的底部距水箱8的底部50cm，所述水箱8的进液口和出液口由竖直挡板8-1隔开，且水箱8的进液口位于水箱8的顶部，水箱8的出液口位于水箱8的侧壁下部。竖直挡板8-1将水箱入口和出口分开，避免循环回水箱的气液混合物造成激烈的震荡影响流动的稳定。

液体流量计11为电磁流量计，量程为0.5-10m³/h。液体流量调节阀10为DN25的闸阀，通过旋转阀门控制流量大小。离心泵9为立式多级离心泵，流量最高为14m³/h，扬程最高为44.2m，用于提供液相，可通过调节转速控制流量和扬程的大小以适应实验需要。

有机玻璃管14是由两根长2m，内径25mm外径35mm的的有机玻璃管通过法兰连接而成，用于进行实验以及便于观察和记录流型。

第一测压孔15、第二测压孔16，第三测压孔17，第四测压孔18，第五测压孔19是直径1mm的小孔，用于导压以测量压差。第一测压孔15、第二测压孔16，第三测压孔17，第四测压孔18，第五测压孔19上均设有凸台，如图2所示，图1中未显示，凸台为长方体结构，其底部开设有凹槽，所述凹槽内部为半圆柱面结构，且凹槽内壁与有机玻璃管14的外径紧密配合，凸台上开设有贯通其上下端面的通孔，凸台是与测压孔相结合使用，为了避免测压孔较大对流动造成影响，故测压孔较小，直径约1mm左右，凸台则用于连接测压孔和导压管，具体的，使用时凸台通过底部凹槽卡设在有机玻璃管上，凸台上的通孔与测压孔对应，凸台与有机玻璃管14胶结连接。

第一透明方砖21、第二透明方砖22及第三透明方砖23均是长为20cm，宽为8cm，高为5cm的有机玻璃方砖。有机玻璃方砖为两片式，即有机玻璃方砖由两个方砖分体拼装而成，见图4，其中a为方砖分体，b为方砖分体拼成的有机玻璃方砖。方砖分体与有机玻璃管14的配合面上沿有机玻璃管14的长度方向开设有半圆柱型凹槽，半圆柱型凹槽的直径为35mm，该部分的有机玻璃管14铺设于由半圆柱型凹槽内，示意图见图4，用于减轻圆管带来的误差。有机玻璃方砖为两片式，可直接置于圆管上用胶带固定，也可钻孔用螺丝固定。

第一快关阀35、第二快关阀36及第二快关阀37均是DN25的球阀，通过和连杆联动机构38实现联动，控制第二快关阀36和第三快关阀37关闭的同时快关阀35打开，用于测定起旋器之后的含气率。其中所述连联动杆机构38包括包括连杆38-1及3个分别与第一快关阀35、第二快关阀36及第三快关阀37一一对应设置的摆动杆38-2，所述摆动杆38-2的一端与与其对应的第一快关阀35、第二快关阀36、第三快关阀37的阀杆固定连接，所述连杆38-1上间隔设有3个导向柱38-3，所述摆动杆38-2远离阀杆的一端设有与导向柱38-3相配合的滑槽38-4，所述摆动杆38-2通过插装在滑槽38-4内的导向柱38-3与连杆38-1传动连接，拉动连杆38-1时，所述摆动杆38-2可带动阀杆同时围绕阀杆轴线旋转，进而带动第一快关阀35、第二快关阀36及第三快关阀37在开启和关闭之间切换，其中与第一快关阀35连接的摆动杆38-2的旋转方向与剩余摆动杆38-2的旋转方向相反。

放空阀29是DN25的球阀。背压阀30是DN25的截止阀，用于控制系统压力。管托31内径35mm，用于将有机玻璃管和连接件固定。实验台32是长4.5m宽12cm的槽钢用于支撑实验设备。升降支架是不锈钢材质的连杆结构，示意图见图5，用于调节实验台的水平以及进行变角度实验。气体流量计7为涡轮流量计，量程为2.5-25m³/h，用于计量气量大小。液体流量计11为电磁流量计，量程为0.5-10m³/h，用于计量液量大小。压力传感器13的量程范围为0-0.5MPa，用于记录系统压力的大小。第一压差传感器24、第二压差传感器25及第三压差传感器26的量程范围均为0-6.22kPa。用于记录一定距离范围内的压差温度传感器28的量程范围0-100℃。用于记录系统温度。光源27为两组且沿有机玻璃管长度方向设置，光源27的长度为41cm，30W的LED灯，用于给高速摄像机39照明。高速摄像机39最高帧率为10000帧/秒，满幅分辨率为2048×1088。用于捕捉实验管段动态的流动特性。以分析其流动规律。高速摄像机39与光源27配套使用，光源27前覆盖一层宣纸，以改善拍摄效果。第二快关阀36和第三快关阀37之间的有机玻璃管14与光源27之间设有一层宣纸，宣纸可直接用胶带粘在光源27之前但不与光源直接接触，也可粘于透明方砖的背面。一方面宣纸的存在可以使被拍摄区域的光线分布均匀，避免高速摄像机透过被拍摄区域直接拍到光源散发的光，造成物像有的地方过曝，有的地方光线不足；另一方面宣纸的存在可以遮住物像背面可能出现的一些无关的景象，确保所拍物像除了流型以外无其他干扰因素。

本实施例的用于研究水平管气液两相螺旋流的实验装置的应用方法为：压缩机1经过止回阀2将压缩空气输入储气罐5，压缩空气通过阀门6和气体流量计7到达气液混合器12；液体从水箱8的经由泵9输送通过阀门10和液体流量计11到达气液混合器12；气液在气液混合器12中混合，经过管道到达实验段；起旋器20之前的实验段为稳定段，气液混合物在稳定段发展充分后经过起旋器20产生气液螺旋流；在起旋器20的下游为实验的观测段，高速摄像机39通过第一至第三透明方砖记录下游不同位置的流型，第一至第三压差表测得流型对应位置的压差，压力由压力传感器13测得，温度由温度传感器28测得；经过观测段之后气液混合物通过软管43循环回水箱8气体排入大气中；通过连杆结构可以实现观测段含气率确定；通过调节第一、第二升降支架可以进行倾斜管道的实验。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于研究水平管气液两相螺旋流的实验装置，其特征在于：包括：

气相供给系统，所述气相供给系统包括沿着进气管路的气体流动方向依次设置的空气压缩机（1）、止回阀（2）、气体缓冲罐（5）、气体流量调节阀（6）和气体流量计（7）；所述气体缓冲罐（5）设有弹簧式安全阀（3）和压力表（4）；

液相循环系统，所述液相循环系统包括沿着进液管路的流体流动方向依次设置的水箱（8）、离心泵（9）、流量调节阀（10）和液体流量计（11）；

管路测量系统，所述管路测量系统包括气液混合器（12）、环路管线及检测管线；所述气液混合器（12）一端设有气液混合器进液口和气液混合器进气口，另一端设有气液混合流体出口，所述气液混合器进液口与进液管路的出液口连接，所述气液混合器进气口与进气管路的出气口连接，所述气液混合流体出口通过第一三通管（40）分别与环路管线的进口和检测管线的进口连接，所述第一三通管（40）与检测管线连接的一端出口处设有压力传感器（13）；所述环路管线上设有第一快关阀（35），环路管线的出口与所述水箱（8）的进液口连接；所述检测管线包括直形的有机玻璃管（14）及沿着有机玻璃管（14）内气液混合流体流动方向依次设置在机玻璃管（14）上的第二快关阀（36）、第一透明方砖（21）、第二透明方砖（22）、第三透明方砖（23）及第三快关阀（37）；所述位于第二快关阀（36）两侧的有机玻璃管（14）上沿着有机玻璃管（14）内气液混合流体流动方向分别设有第一测压孔（15）和第二测压孔（16），第一透明方砖（21）与第二透明方砖（22）之间设有第三测压孔（17），第二透明方砖（22）与第三透明方砖（23）之间设有第四测压孔（18），第三透明方砖（23）与第三快关阀（37）之间设有第五测压孔（19），第二测压孔（16）与第三测压孔（17）之间连接有第一压差传感器（24），第三测压孔（17）与第四测压孔（18）之间连接有第二压差传感器（25），第四测压孔（18）与第五测压孔（19）之间连接有第三压差传感器（25）；所述有机玻璃管（14）的出口连接有第二三通管（41），所述第二三通管（41）的进口处设有温度传感器（28），第二三通管（41）的其中一个出口设有放空阀（29），第二三通管（41）的另一个出口通过背压阀（30）与第一快关阀（35）与水箱（8）之间的环路管线连接；所述第二快关阀（36）与第三快关阀（37）可同步启闭，且第二快关阀（36）与第三快关阀（37）同步开启时第一快关阀（35）同时处于关闭状态，第二快关阀（36）与第三快关阀（37）同步关闭时第一快关阀（35）同时处于开启状态；

起旋器（20），所述起旋器（20）沿轴向置于所述第二快关阀（36）与第三快关阀（37）之间的有机玻璃管（14）内；

摄像系统，所述摄像系统包括设于第二快关阀（36）和第三快关阀（37）之间且位于有机玻璃管（14）上方的光源（27）及设于第二快关阀（36）和第三快关阀（37）之间且位于有机玻璃管（14）下方的高速摄像机（39）；

所述气液混合器（12）包括内部气液混合区和环绕气液混合区外部设置的夹层，夹层内壁密集开设通孔使夹层与气液混合区连通，气液混合区的一端设有所述气液混合器进气口，另一端设有所述气液混合流体出口，所述夹层靠近气液混合器进气口的一端设有所述气液混合器进液口；

所述起旋器（20）包括中心圆柱及围绕中心圆柱（20-1）设置的至少3个螺旋叶片（20-2），所述中心圆柱两端端面为球面或椭球面。

2.根据权利要求1所述的用于研究水平管气液两相螺旋流的实验装置，其特征在于：还包括升降台，所述升降台包括实验平台（32），所述实验平台（32）沿着有机玻璃管（14）设置且用于安装固定所述管路测量系统，所述实验平台（32）可调整有机玻璃管（14）在水平方向上的倾角，所述气液混合器出口通过软管与第一三通管（40）连接。

3.根据权利要求2所述的用于研究水平管气液两相螺旋流的实验装置，其特征在于：所述实验平台（32）通过第一升降支架（33）和第二升降支架（34）安装，所述第一升降支架（33）和第二升降支架（34）设于实验平台（32）的底部且沿着有机玻璃管（14）的长度方向间隔设置。

4.根据权利要求1所述的用于研究水平管气液两相螺旋流的实验装置，其特征在于：还包括连杆联动机构（38），所述连杆联动机构（38）包括连杆（38-1）及3个分别与第一快关阀（35）、第二快关阀（36）及第三快关阀（37）一一对应设置的摆动杆（38-2），所述摆动杆（38-2）的一端与与其对应的第一快关阀（35）、第二快关阀（36）、第三快关阀（37）的阀杆固定连接，所述连杆（38-1）上间隔设有3个导向柱（38-3），所述摆动杆（38-2）远离阀杆的一端设有与导向柱（38-3）相配合的滑槽（38-4），所述摆动杆（38-2）通过插装在滑槽（38-4）内的导向柱（38-3）与连杆（38-1）传动连接，拉动连杆（38-1）时，所述摆动杆（38-2）可带动阀杆围绕阀杆轴线同步旋转，进而带动第一快关阀（35）、第二快关阀（36）及第三快关阀（37）在开启和关闭之间切换，其中与第一快关阀（35）连接的摆动杆（38-2）的旋转方向与剩余摆动杆（38-2）的旋转方向相反。

5.根据权利要求1所述的用于研究水平管气液两相螺旋流的实验装置，其特征在于：所述第二快关阀（36）和第三快关阀（37）之间的有机玻璃管（14）与光源（27）之间设有一层宣纸。

6.根据权利要求1所述的用于研究水平管气液两相螺旋流的实验装置，其特征在于：所述弹簧式安全阀（3）与压力表（4）置于气体缓冲罐（5）的顶部。

7.根据权利要求1所述的用于研究水平管气液两相螺旋流的实验装置，其特征在于：所述水箱（8）内部中间有一块竖直挡板（8-1），所述竖直挡板（8-1）的顶部与侧部分别与水箱（8）的顶壁和侧壁密闭连接，竖直挡板（8-1）的底部与水箱（8）底部间隔距离，所述水箱（8）的进液口和出液口由竖直挡板（8-1）隔开，且水箱（8）的进液口位于水箱（8）的上部，水箱（8）的出液口位于水箱（8）的侧壁下部。

8.根据权利要求1所述的用于研究水平管气液两相螺旋流的实验装置，其特征在于：所述的空气压缩机（1）为螺杆式压缩机，当气体缓冲罐（5）内气体的压力达到0.8MPa时，空气压缩机（1）自动停止工作，进入待机状态；当气体缓冲罐（5）内气体的压力小于0.6MPa时，空气压缩机（1）又自动开启，进入工作状态。

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