CN111256944B - 流体力学可视化测量的多孔材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于流体力学中宏观可视化测量的多孔材料，多孔材料的粒径范围为10mm～100mm；每个多孔材料颗粒包括多个次级颗粒，次级颗粒的粒径选自0.1mm～6mm。本申请还公开了一种用于流体力学中宏观可视化测量的多孔材料的制备方法，将粒径选自0.1mm～6mm的多个次级颗粒粘结成粒径范围10mm～100mm多孔材料。本申请的多孔球具有尺寸可调，上色稳定、均匀，对材料本身性质无影响，粘结剂用量少，粘结剂对成型多孔球的孔道影响可忽略，结构稳定，强度满足试验要求，形状可调控等优点，尤其适用于流体力学中宏观可视化测量。

Description

流体力学可视化测量的多孔材料及其制备方法和应用

技术领域

本申请涉及一种制备用于流体力学中可视化测量的多孔球/体的方法以及由该方法制备的多孔球/体，更具体地，本申请涉及一种制备用于流体力学中可视化测量宏观多孔介质的孔隙结构可控的多孔球/体的方法以及由该方法制备的多孔球/体，属于流体力学可视化测量领域。

背景技术

流化床反应器内的颗粒流体系统是非常复杂的两相流系统，而实际工业流化床反应器中的颗粒，最常见的是各类多孔颗粒，最典型的即是多孔催化剂及流态化过程中形成的聚团，因此对多孔颗粒运动的精确测量对于流化床反应器的设计、控制及多相流过程是非常重要的。而合适尺寸的孔隙结构可控的多孔球的制备难点，已经成为多孔颗粒可视化实验研究的一大障碍。

如今现有技术中的各类多孔介质球的制备，也集中于微纳米级别微球的研制。而这些多孔介质球，应用于流体力学可视化测量中，由于宏观型粒子图像测速仪(PIV)和宏观高速相机(PTV)的限制，难以进行精确和高重复性的流场测量。

对于宏观多孔球，如今发展起来的3D打印技术可以进行制作，主要集中于Object系列的采用溶解支撑的3D打印技术。但是，3D打印技术所制作的多孔球模型必须有中间连接体，而微球之间的中间连接体的存在，在流体力学的可视化测量中会对多孔球的流场造成非常大的影响。因此，在制备工艺问题中，为了达到测量的目的，制备成型的多孔球需要在中间连接体可以忽略的情况下，具备合理规则的孔隙内部结构，包括孔径、渗透率和孔隙率，以及颗粒形状。

此外，流体力学的可视化测量中需要对多孔球模型进行上色，从而在宏观型粒子图像测速仪(PIV)实验中避免激光反射问题、在宏观高速相机(PTV)实验中提高图片中的像素灰度变化梯度，而合适的不影响原多孔球物理化学性质的上色技术也亟待开发。

因此，要实现对多孔颗粒与流体的精确可视化测量，必须建立合适的宏观多孔球模型，而经过广泛的文献调研，符合流体力学可视化实验测量的多孔球的制备面临诸多挑战，目前，国内外关于用于流体力学中可视化测量的多孔球/体(不限于球形)的制备仍处于研发初始阶段，因此，本领域迫切需要开发一种具有上述特性的多孔球。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种用于流体力学中宏观可视化测量的多孔材料，该多孔材料包括次级颗粒，次级颗粒间的连接部分在流体力学中的影响可以忽略，可以最大程度还原多孔介质的本征流动。

所述用于流体力学中宏观可视化测量的多孔材料的粒径范围为10mm～100mm；

每个所述多孔材料颗粒包括多个次级颗粒，所述次级颗粒的粒径选自0.1mm～6mm。

可选地，每个所述多孔材料，包括10～10000个次级颗粒。

可选地，作为一种方案，每个所述多孔材料中的次级颗粒的粒径尺寸公差不超过±0.1mm；

可选地，作为又一种方案，每个所述多孔材料中包括多种不同尺寸混合的次级颗粒。

制备多孔球过程可使用均一直径的次级颗粒，尺寸公差不超过±0.1mm。也可用两种或多种不同直径的玻璃珠参杂使用。

可选地，所述多孔材料的孔隙率为35％至60％。

可选地，所述多孔材料的无量纲直径β为15至350。

可选地，每个所述多孔材料颗粒为球形，且由多个次级颗粒团聚粘结构成。

可选地，所述粘结剂的质量不超过所述多孔材料总质量的1.9％。

可选地，所述次级颗粒为玻璃球、金属球或复合氧化物球。

可选地，所述次级颗粒表面具有碳化层。

可选地，所述碳化层的质量不超过所述次级颗粒质量的0.8％。

优选地，所述碳化层的质量占所述次级颗粒质量的0.1～0.7％。

根据本申请的又一个方面，提供了一种用于流体力学中宏观可视化测量的多孔材料的制备方法，该制备方法制备得到的所述用于流体力学中宏观可视化测量的多孔材料包括次级颗粒，次级颗粒间的连接部分在流体力学中的影响可以忽略，可以最大程度还原多孔介质的本征流动。

该制备方法，将粒径选自0.1mm～6mm的多个次级颗粒粘结成粒径范围10mm～100mm所述多孔材料。

可选地，所述制备方法，包括下列步骤：

(a)在次级颗粒表面包覆碳化层；

(b)在步骤(a)中得到的包覆碳化层的次级颗粒表面涂敷粘结剂，在模具中加热固化得到所述多孔材料。

进一步地，所述步骤(a)中在次级颗粒表面包覆碳化层，包括步骤：

(a1)在次级颗粒表面涂覆有机物；

(a2)将步骤(a1)中得到的表面涂覆有机物的次级颗粒在无氧环境下高温碳化，得到包覆碳化层的次级颗粒。

本申请用于流体力学中可视化宏观测量的多孔材料的制备方法中，碳化上色过程中，使用高温碳化层均匀，色泽纯净；增加碳化层质量变化极小(<0.8％)，不改变原来次级颗粒(如玻璃珠)的物理及化学性质。所述碳化层在水中、硅油中、空气等介质中及碰撞、摩擦，均不掉色，碳化层上色效果稳定。

可选地，步骤(a1)中所述有机物选自有机树酯。

可选地，步骤(a1)中所述次级颗粒选自玻璃球、金属球或复合氧化物球。

可选地，步骤(a2)中所述高温碳化温度为450℃～650℃。

可选地，步骤(a2)中所述高温碳化时间为10min～80min。

可选地，步骤(a2)所述得到包覆碳化层的次级颗粒中，所述碳化层的质量不超过所述次级颗粒质量的0.8％。

优选地，所述碳化层的质量占所述次级颗粒质量的0.1～0.7％。

本申请用于流体力学中可视化宏观测量的多孔材料的制备方法制备得到的多孔材料，刚性碰撞速度达1m/s仍没有掉粒；利用不同模具及脱膜材料，可成型各种形状。

可选地，步骤(b)中所述粘结剂为不饱和聚酯树脂。

可选地，步骤(b)中所述粘结剂的添加质量不超过所述多孔材料总质量的1.9％。

优选地，步骤(b)中所述粘结剂的质量占所述多孔材料总质量的0.1～1.8％。

可选地，步骤(b)中所述模具为球形模具。

可选地，步骤(b)中所述加热固化温度为50℃～180℃，加热固化时间为7h～100h。

根据本申请的又一个方面，提供了一种流体力学中宏观可视化测量方法，采用上述用于流体力学中宏观可视化测量的多孔材料和/或上述制备方法得到的所述多孔材料中的至少一种；

将所述多孔材料置于流体中，在所述流体相对所述多孔材料流动的情况下对体系进行测量。

可选地，将所述多孔材料置于流体中自由沉降，采用宏观型粒子图像测速仪和/或宏观高速相机进行测量。

本申请能产生的有益效果包括：

1、本申请提供的多孔材料及制备方法得到的多孔材料本身的优势：

可以最大程度还原多孔介质的本征流动。

具体而言，碳化层占次级颗粒质量百分数<0.8％，粘结剂总质量占整

个被粘结体百分数<1.9％，粘结剂用量可控，对成型多孔球得孔道影

响可忽略，结构稳定，强度满足试验要求，形状可调控。

2、在流体力学测量上的优势：多孔材料的孔隙结构可控，同时大大

拓宽了多孔球实验的雷诺数和多孔球无量纲直径β的范围。

附图说明

图1为本申请一实施方式中玻璃珠无碳化层照片；

图2为本申请一实施方式中玻璃珠增加碳化层后照片；

图3为本申请一实施方式中所得多孔颗粒材料样品#1和#2照片，其中次级颗粒粒径dp＝1mm；

图4为本申请一实施方式中所得多孔颗粒材料样品#3和#4照片，其中次级颗粒粒径dp＝2mm；

图5为本申请一实施方式中所得多孔颗粒材料样品#5和#6照片，其中次级颗粒粒径dp＝3mm；

图6为本申请一实施方式中所得多孔颗粒材料样品#7和#8照片，其中次级颗粒粒径dp＝4mm；

图7为本申请一实施方式中所得多孔颗粒材料样品#9和#10照片，其中次级颗粒粒径dp＝5mm；

图8为本申请一实施方式中所得多孔颗粒材料样品#11和#12照片，其中次级颗粒粒径dp＝6mm；

图9为本申请一实施方式中采用宏观高速相机进行流体力学中宏观可视化测量装置示意图，(a)为该装置整体示意图；(b)为实验水槽三种尺寸示意图；

图10为本申请一实施方式中采用宏观型粒子图像测速仪进行流体力学中宏观可视化测量装置示意图；

图11为本申请一实施方式中宏观高速相机实验程序识别过程的典型图，其中(a)～(c)分别为(a)多孔球原始图像；(b)二值化结果；(c)确定质心的结果，质心位置如图(c)中所示；

图12A为本申请一实施方式中对样品#1、#3、#5、#7、#9、#11进行宏观高速相机实验的重复性验证数据曲线示意图；

图12B为本申请一实施方式中对样品#2、#4、#6、#8、#10、#12进行宏观高速相机实验的重复性验证数据曲线示意图；

图13为本申请一实施方式中多孔球速度云图；

图14为本申请一实施方式中多孔球流线图。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

实施例1多孔材料制备

根据本申请的一种实施方式，如表1所示，选取不同单体粒径的玻璃珠作为次级颗粒，按照如下S1和S 2步骤制备多孔球#1～多孔球#12。

S1：在玻璃珠表面包覆碳化层；

在本步骤中，包覆碳化层前的玻璃珠，如图1所示，包覆后如图2所示。

本步骤中，一种具体的实现方式是，采用玻璃珠作为次级颗粒。

在本步骤中，另一种具体的实现方式是，也可以采用金属球或复合氧化物球作为次级颗粒。

在本步骤中，又一种具体的实现方式是，采用0.1mm的金属球制备多孔球。

在本步骤中，又一种具体的实现方式是，采用0.5mm的陶瓷球制备多孔球。

在本步骤中，在玻璃珠表面包覆碳化层，该过程具体包括S10和S11：

S10：在玻璃珠表面涂覆有机物；

在本步骤中，有机物可以采用有机树脂，但并不局限于上述方式，任何能够通过高温碳化形成碳化层的有机物，均可适用。

S11：在无氧环境下高温碳化，得到包覆碳化层的玻璃珠；

在本步骤中，所述高温碳化温度可以为450℃，如果采用其他材质的次级颗粒，也可以采用更高温度，最高至650℃。也可以为其间的某一温度。也可以在温度450℃～650℃范围内变化的条件下(如程序升温)。

在本步骤中，所述高温碳化时间可以为10min，也可以为80min，，也可以为其间的某一时间。

在本步骤完成碳化后，玻璃珠的质量上升不超过0.8％。具体而言，采用相对大直径的玻璃珠，碳化后质量上升幅度微乎其微，可以低至0.1％。采用相对小直径的玻璃珠，在表1所列样品之外，采用低至0.1mm的玻璃珠，碳化后质量上升幅度也未超过0.8％。

S2：在S1中得到的包覆碳化层的玻璃珠表面涂敷粘结剂，分别在不同直径球形模具中加热固化得到所述多孔球#1～多孔球#12。

在本步骤中，所述粘结剂可以采用不饱和聚酯树脂。

在本步骤中，所述粘结剂的添加质量不超过所述多孔球总质量的1.9％。

本步骤中，一种具体的实现方式是，所述粘结剂的添加质量为所述多孔球总质量的1.9％。

本步骤中，另一种具体的实现方式是，所述粘结剂的添加质量为所述多孔球总质量的1.8％。

本步骤中，另一种具体的实现方式是，所述粘结剂的添加质量为所述多孔球总质量的0.1％。

本步骤中，另一种具体的实现方式是，所述粘结剂的添加质量为所述多孔球总质量的0.1％～1.9％中的一个数值。具体而言，采用相对大直径的玻璃珠制备多孔球，所述粘结剂的添加质量在所述多孔球总质量的比重比较小，采用6mm的玻璃珠时，最低可以采用0.1％的添加量，即可实现高强度的固化，刚性碰撞速度达1m/s仍没有掉粒。采用相对小直径的玻璃珠制备多孔球，所述粘结剂的添加质量在所述多孔球总质量的比重有所增加，但采用低至0.1mm的玻璃珠时，也只需要1.8％的添加量，即可实现高强度的固化，刚性碰撞速度达1m/s仍没有掉粒。

在本步骤中，所述模具为球形模具；

本步骤中，一种具体的实现方式是，所述加热固化温度为50℃，加热固化时间为100h。

本步骤中，另一种具体的实现方式是，所述加热固化温度为180℃，加热固化时间为7h。

本步骤中，另一种具体的实现方式是，所述加热固化温度为50℃～180℃之间的一个温度，加热固化时间为7h～100h之间的一个时间。具体而言，采用相对较低的加热固化温度，则适当延长加热固化时间，反之亦然，均可实现高强度的固化。

本步骤中，另一种具体的实现方式是，采用程序升温加热固化，程序升温终点时间在7h～100h范围内。

在本步骤中，一种具体的实现方式是，采用相同粒径的玻璃珠制备多孔球。相同粒径的玻璃珠尺寸公差不超过±0.1mm。

在本步骤中，另一种具体的实现方式是，采用两种不同粒径的玻璃珠混合起来制备一个多孔球。

孔隙率和无量纲直径β(归一化球径)如表1所示。

表1

采用1mm至6mm六种粒径的玻璃珠，分别制备得到的多孔球#1～多孔球#12的照片，见图3至图8所示。

实施例2流体力学中宏观可视化测量

本申请实施方式中采用宏观高速相机(PTV)进行流体力学中宏观可视化测量装置示意图如图9所示。取实施例1得到的单个多孔球#5，以初速度为0m/s(为了保证初速度为0m/s，在释放调节杆尖端设计加工一个机械手)，初始释放位置位于液面以下，以排空多孔球孔隙中的气泡，在不同动力粘度的牛顿流体中进行自由沉降(实验水槽有三种尺寸如图9中(b)所示，实验水槽立方体的主视面的宽为D，三种尺寸的水槽D＝150mm、200mm或250mm，如图9所示，以消除壁面效应的影响)。

对于宏观高速相机实验，是利用高速相机(帧率根据空间分辨率和时间分辨率调节)捕捉原始图像，如图11所示，再利用对捕捉到的多孔球图像分别进行二值化(图11a)、滤波、识别边界(图11b)、确定质心(图11c)等操作，最终计算得到多孔球的曳力系数等流体力学参数。

图12A～图12B是PTV的多孔球样品#1～#12三次实验的稳态终端速度的误差棒图，由图12A～图12B可知，标准差均小于0.2％，表明实验可重复性非常好。

本申请的多孔材料，证明了制备的多孔球的可用性，可以为实验流体力学的发展提供一个新思路。

实施例3流体力学中宏观可视化测量

本申请实施方式中采用宏观型粒子图像测速仪(PIV)进行流体力学中宏观可视化测量装置示意图如图10所示。添加罗丹明B标记的微球作为示踪粒子，成功捕捉了多孔球周围流场情况，如图13和图14所示。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (6)

1.一种用于流体力学中宏观可视化测量的多孔材料的制备方法，其特征在于，将粒径选自0.1mm~6mm的多个次级颗粒粘结成粒径范围10mm~100mm的多孔材料；

包括下列步骤：

（a）在次级颗粒表面包覆碳化层；

（b）在步骤（a）中得到的包覆碳化层的次级颗粒表面涂敷粘结剂，在模具中加热固化得到所述多孔材料；

所述步骤（a）中在次级颗粒表面包覆碳化层，包括步骤：

（a1）在次级颗粒表面涂覆有机物；

（a2）将步骤（a1）中得到的表面涂覆有机物的次级颗粒在无氧环境下高温碳化，得到包覆碳化层的次级颗粒；

步骤（a1）中所述次级颗粒选自玻璃球、金属球或复合氧化物球；

步骤（a2）中所述高温碳化温度为450℃~650℃，高温碳化时间为10min~80min；

步骤（a2）所述得到包覆碳化层的次级颗粒中，所述碳化层的质量不超过所述次级颗粒质量的0.8%；

步骤（b）中所述粘结剂为不饱和聚酯树脂；

步骤（b）中所述粘结剂的添加质量不超过所述多孔材料总质量的1.9%；

步骤（b）中所述模具为球形模具；

步骤（b）中所述加热固化温度为50℃~180℃，加热固化时间为7h~100h。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳化层的质量占所述次级颗粒质量的0.1~0.7%。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（b）中所述粘结剂的质量占所述多孔材料总质量的0.1~1.8%。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，每个所述多孔材料，包括10~10000个次级颗粒；

每个所述多孔材料中的次级颗粒的粒径尺寸公差不超过±0.1mm，或者每个所述多孔材料中包括多种不同尺寸混合的次级颗粒；

所述多孔材料的孔隙率为35%至60%；

所述多孔材料的无量纲直径β为15至350。

5.一种流体力学中宏观可视化测量方法，其特征在于，采用权利要求1至4任一项所述制备方法得到的所述多孔材料中的至少一种；

将所述多孔材料置于流体中，在所述流体相对所述多孔材料流动的情况下对体系进行测量。

6.根据权利要求5所述的流体力学中宏观可视化测量方法，其特征在于，将所述多孔材料置于流体中自由沉降，采用宏观型粒子图像测速仪和/或宏观高速相机进行测量。

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