CN112629816B - 颗粒-水混合液动力学空化实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种颗粒‑水混合液动力学空化实验装置及其实验方法，涉及空化实验领域，包括第一压力罐、第二压力罐以及用于连通二者的中间实验管路，第一压力罐与第一调压装置、第一测压装置、第一排气阀、溶氧量测定装置以及第一抽真空装置均连通，第一压力罐内设置有防进气装置，防进气装置包括空心蜂窝箱、水平孔板以及多个沿第一压力罐的周向设置的竖直挡板，空心蜂窝箱可滑动地设置于第一压力罐内部，空心蜂窝箱的密度小于水，且空心蜂窝箱设置于水平孔板的上方，第二压力罐与第二调压装置、第二测压装置以及第二排气阀均连通，该装置克服了传统实验方式在保证颗粒浓度和溶氧量之间的矛盾，支持颗粒‑水混合液动力学空化。

Description

颗粒-水混合液动力学空化实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及空化实验领域，特别是涉及一种颗粒-水混合液动力学空化实验装置及实验方法。

背景技术

空化是一种液体局部受低压作用或者拉应力作用的影响后，发生液-气相变的现象。动力学空化一般由液体的流动导致局部低压或者拉应力产生。动力学空化的产生和发展受多种因素影响，主要可以分为两大类：空化核和流场。近年来的研究发现往水体中加入颗粒对动力学空化的初生状态与发展形态有显著影响，比较典型的是以高含沙河流为水源的水电站或泵站中水力机械空化状态的变化。泥沙颗粒-空化造成的水力机械联合侵蚀与泥沙、空化单独造成的侵蚀往往很不相同，比较典型的结果是联合侵蚀速度远大于两者单独侵蚀之和，这表明泥沙与空化之间产生了显著的相互作用。然而，颗粒对动力学空化影响的具体规律由于实验技术不够完善以及实验数据不够充足而难以揭示。

水中的溶氧量变化会显著改变水体空化核含量，因此，控制水中溶氧量对于研究颗粒-水混合液水动力学空化非常重要。目前，现有实验装置通常为闭式循环水洞和暂冲式水洞，有些闭式循环水洞可以控制溶氧量，但用于控制溶氧量的区域流速通常十分缓慢，压力较大，使游离气泡重新溶于水中或者浮出水面，颗粒密度通常大于水，在该区域会大量沉降，从而不能保证实验的颗粒浓度；对于暂冲式水洞，解决溶氧量的控制和颗粒浓度的控制之间的矛盾是可能的，但目前的形式都是针对清水空化设计的，暂时没有支持颗粒-水混合液动力学空化的实验装置。

综上，如何克服现有技术中该类实验装置的上述技术缺陷，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种颗粒-水混合液动力学空化实验装置及实验方法，该颗粒-水混合液动力学空化实验装置及实验方法克服了传统实验方式在保证颗粒浓度和溶氧量之间的矛盾，支持颗粒-水混合液动力学空化。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种颗粒-水混合液动力学空化实验装置，包括：第一压力罐组件，其包括第一压力罐、第一调压装置、第一测压装置、第一排气阀、溶氧量测定装置、防进气装置、第一抽真空装置、颗粒进料通道以及搅拌装置，所述第一调压装置、所述第一测压装置、所述第一排气阀、所述溶氧量测定装置以及所述第一抽真空装置均与所述第一压力罐内部相连通，所述防进气装置设置于所述第一压力罐内部，所述防进气装置包括空心蜂窝箱、水平孔板以及多个竖直挡板，多个所述竖直挡板沿所述第一压力罐的周向设置，所述水平孔板固定设置于所述第一压力罐内部，所述空心蜂窝箱可滑动地设置于所述第一压力罐内部，所述空心蜂窝箱的密度小于水，且所述空心蜂窝箱设置于所述水平孔板的上方，所述颗粒进料管道的一端设置于所述第一压力罐内部，且所述颗粒进料管道设置于所述第一压力罐内部的一端依次贯穿所述空心蜂窝箱及所述水平孔板，所述搅拌装置倾斜设置于所述第一压力罐底部，所述搅拌装置用于使水与颗粒相混合，所述第一压力罐的底端设置有第一废液回收口，所述第一压力罐的侧壁上设置有水接口和混合液出口，且所述水接口和所述混合液出口均位于所述水平孔板的下方，所述颗粒进料管道设置有第一阀门，所述第一废液回收口设置有第二阀门，所述水接口设置有开关阀门；第二压力罐组件，其包括第二压力罐、第二抽真空装置、第二调压装置、第二测压装置以及第二排气阀，所述第二抽真空装置、所述第二调压装置、所述第二测压装置以及所述第二排气阀均与所述第二压力罐相连通，所述第二压力罐上设置有混合液进口以及第二废液回收口，所述第二废液回收口设置有第三阀门；中间实验管路，所述中间实验管路的两端分别通过第四阀门和第五阀门与所述混合液进口及所述混合液出口相连通；测量采集组件，其包括用于采集所述中间实验管路内部水压力的压力测量装置以及用于观测所述中间实验管路内部实验现象的现象观测装置。

优选地，所述第一压力罐包括第一椭圆上封头、第一圆柱形压力罐身以及第一锥形下封头，所述第一圆柱形压力罐身为两端开口内部中空的中空筒状结构，所述第一椭圆上封头和所述第一锥形下封头分别设置于所述第一圆柱形压力罐身的两端、以封闭第一圆柱形压力罐身，所述防进气装置设置于所述第一圆柱形压力罐身内部，多个所述竖直挡板沿所述第一圆柱形压力罐身的周向均匀设置，所述水平孔板固定设置于所述第一圆柱形压力罐身的底端，所述空心蜂窝箱可滑动地设置于所述第一圆柱形压力罐身内部，所述第一废液回收口设置于所述第一锥形下封头上，所述水接口和混合液出口均设置于所述第一圆柱形压力罐身侧壁上，所述第一抽真空装置、所述第一调压装置以及所述第一排气阀均与所述第一椭圆上封头相连通，所述溶氧量测定装置与所述第一圆柱形压力罐身相连通，所述搅拌装置倾斜设置于所述第一锥形下封头上；所述第二压力罐包括第二椭圆上封头、第二圆柱形压力罐身以及第二锥形下封头，所述第二圆柱形压力罐身为两端开口内部中空的中空筒状结构，所述第二椭圆上封头和所述第二锥形下封头分别设置于所述第二圆柱形压力罐身的两端、以封闭第二圆柱形压力罐身，所述第二废液回收口设置于所述第二锥形下封头上，所述混合液进口设置于所述第二圆柱形压力罐身侧壁上，所述第二抽真空装置、所述第二调压装置以及所述第二排气阀均与所述第二椭圆上封头相连通。

优选地，所述第一抽真空装置为第一真空泵，所述第一调压装置包括第一压力传感器以及第一空气压缩机，所述真空泵和所述第一空气压缩机均与所述第一压力罐相连通，所述第一压力传感器设置于所述第一压力罐内部；所述第二抽真空装置为第二真空泵，所述第二调压装置包括第二压力传感器以及第二空气压缩机，所述第二空气压缩机均与所述第二压力罐相连通，所述第二压力传感器设置于所述第二压力罐内部。

优选地，所述中间实验管路包括依次连通的流量计、四通管段、蜂窝段、收缩段、可视化实验段、扩散段、伸缩节减震器，所述流量计通过所述第四阀门与所述混合液出口相连通，所述伸缩节减震器通过所述第五阀门与所述混合液进口相连通，且所述流量计通过所述四通管段的第一接口和第二接口与所述蜂窝段相连通，所述四通管段的第三接口用于排气，且所述四通管段的第三接口设置有用于控制其启闭的第六阀门，所述四通管段的第四接口用于排液、且所述四通管段的第四接口设置有用于控制其启闭的第七阀门。

优选地，所述可视化实验段与所述收缩段及所述扩散段均可拆卸连接。

优选地，所述水接口与纯水供水装置相连通。

优选地，所述压力测量装置为压力传感器，所述现象观测装置为摄像机。

优选地，所述搅拌装置为磁力搅拌器。

本发明还提供一种颗粒-水混合液动力学空化实验装置的实验方法，包括以下步骤：

步骤一，执行实验准备操作，关闭所述第四阀门和所述第五阀门，打开所述第一排气阀和所述开关阀门，通过所述水接口向所述第一压力罐供给水至预定体积，关闭所述开关阀门，打开所述第一阀门，将预定质量颗粒通过所述颗粒进料通道加入所述第一压力罐，所述颗粒加入完成后关闭所述第一阀门；

步骤二，执行单次实验操作，用所述第一抽真空装置对所述第一压力罐进行抽真空处理，使所述第一压力罐内颗粒与水混合液溶氧量不断下降，在此期间隔一段时间停止抽真空，使所述第一压力罐内恢复常压，用所述溶氧量测定装置测量溶解氧含量，若溶解氧含量未达到预定浓度，继续抽真空操作，直到溶氧量达到预定值，停止抽真空，使所述第一压力罐内恢复常压，打开第四阀门，通过调节第五阀门使所述中间实验管路内大部分气排出，关闭所述第四阀门，用所述第一调压装置给所述第一压力罐增压至预定压力，用所述第二调压装置给第二压力罐调压至指定压力或打开所述第二排气阀使其保持为大气压，打开所述搅拌装置，搅拌至所述第一压力罐中颗粒与水混合均匀，关闭所述搅拌装置，全开所述第五阀门，打开所述第四阀门，使用测量采集组件进行实验数据同步采集，单次实验结束；

步骤三，执行实验后处理操作，打开所述第一排气阀和所述第二排气阀使两个所述第一压力罐和所述第二压力罐恢复常压，打开所述第一废液回收口和所述第二废液回收口，收集废液，废液收集结束后，通过所述水接口向整个系统供水，进行淋洗，冲走系统内残存的颗粒。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的实验装置和实验方法，依托暂冲式空化水洞形式为基本构造，颠覆了传统的采用闭式循环水洞作为实验装置的实验方式，实验水体从第一压力罐到第二压力罐单向流动，不循环，颗粒浓度和溶氧量在第一压力罐中同时保证，解决了传统实验方式在保证颗粒浓度和溶氧量之间的矛盾。需要特别注明的是：即使采用暂冲式空化水洞形式，颗粒浓度和溶氧量的同时保证也需要一定措施才能做到，其原因在于，实验开始前需要将颗粒和水混合均匀，而混合方法中较实用和较好的方式是搅拌，但搅拌为强混合过程，容易在水面形成进气涡，造成大量进气及大面积的气液交界面，从而改变水体的溶氧量。为解决这个问题，本发明在第一压力罐中采取了四项措施。第一，安装空心蜂窝箱，其可以漂浮在水面，大大减少了第一压力罐水面的气液交界面面积，并且对水面的进气涡进行了切割，减小了进气涡的强度；第二，在第一压力罐内壁周向安装竖直挡板，其作用是减弱沿第一压力罐壁的切向流动，从而抑制进气涡，并且增强轴向流动和径向流动，促进颗粒和水的充分混合；第三，搅拌装置倾斜设置于第一压力罐底部，倾斜安装，有利于减弱切向流动，从而抑制进气涡；第四，在第一压力罐身内部安装水平孔板，其作用是切割大结构涡，形成小结构涡，抑制了大结构进气涡的产生条件，并且促进了小尺度下颗粒和水的混合，使得混合更加均匀。综上，这四项措施较好地解决了颗粒浓度控制和溶氧量控制之间的矛盾，并且可以使颗粒和水混合均匀度更高。上述可控溶氧量的颗粒-水混合液动力学空化实验装置，填补了暂冲式空化水洞在颗粒-水混合液空化实验装置领域中的空缺。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的颗粒-水混合液动力学空化实验装置的主视图；

图2为本发明实施例提供的颗粒-水混合液动力学空化实验装置的俯视图；

图3为本发明实施例中第一压力罐的竖直剖视图；

图4为本发明实施例中第一压力罐的水平剖视图；

图5为本发明实施例中空心蜂窝箱的俯视图；

图6为本发明实施例中水平孔板的俯视图。

附图标记说明：1、第一压力罐；2、第四阀门；3、流量计；4、四通管段；5、蜂窝段；6、收缩段；7、可视化实验段；8、扩散段；9、伸缩节减震器；10、第五阀门；11、第二压力罐；12、溶氧量测定装置接口；13、水接口；14、第一抽真空装置接口；15、第一压力传感器；16、第一空气压缩机接口；17、第一排气阀；18、第二排气阀；19、第二压力传感器；20、第一废液回收口；21、第二废液回收口；22、第三接口；23、第四接口；24、搅拌装置；25、空心蜂窝箱；26、水平孔板；27、竖直挡板；28、颗粒进料管道；29、第一安全阀；30、第二安全阀；31、压力传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种能够克服了传统实验方式在保证颗粒浓度和溶氧量之间的矛盾，且支持颗粒-水混合液动力学空化的颗粒-水混合液动力学空化实验装置及实验方法。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1-图6所示，本实施例提供一种颗粒-水混合液动力学空化实验装置，其包括第一压力罐1组件、第二压力罐11组件、中间实验管路以及测量采集组件。其中，第一压力罐1组件包括第一压力罐1、第一调压装置、第一测压装置、第一排气阀17、溶氧量测定装置、防进气装置、第一抽真空装置、颗粒进料通道以及搅拌装置24，第一压力罐1用于制备可控溶氧量的颗粒-水混合液，控制中间实验管路进口压力，第一调压装置、第一测压装置、第一排气阀17、溶氧量测定装置以及第一抽真空装置均与第一压力罐1内部相连通，防进气装置设置于第一压力罐1内部，防进气装置包括空心蜂窝箱25、水平孔板26以及多个竖直挡板27，多个竖直挡板27沿第一压力罐1的周向设置，水平孔板26固定设置于第一压力罐1内部，空心蜂窝箱25可滑动地设置于第一压力罐1内部，空心蜂窝箱25的密度小于水，且空心蜂窝箱25设置于水平孔板26的上方，在实验过程中空心蜂窝箱25漂浮在水面上，大大减少了第一压力罐1水面的气液交界面面积，并且对搅拌时水面的进气涡进行了切割，减小了进气涡的强度，从而保证水体溶氧量的稳定，颗粒进料管道28的一端设置于第一压力罐1内部，且颗粒进料管道28设置于第一压力罐1内部的一端依次贯穿空心蜂窝箱25及水平孔板26，搅拌装置24倾斜设置于第一压力罐1底部，搅拌装置24用于使水与颗粒相混合，第一压力罐1的底端设置有第一废液回收口20，第一压力罐1的侧壁上设置有水接口13和混合液出口，且水接口13和混合液出口均位于水平孔板26的下方，颗粒进料管道28设置有第一阀门，第一废液回收口20设置有第二阀门，水接口13设置有开关阀门。其中，第二压力罐11组件包括第二压力罐11、第二抽真空装置、第二调压装置、第二测压装置以及第二排气阀18，第二压力罐11用于承接水流，回收颗粒，控制中间实验管路出口压力，第二抽真空装置、第二调压装置、第二测压装置以及第二排气阀18均与第二压力罐11相连通，第二压力罐11上设置有混合液进口以及第二废液回收口21，第二废液回收口21设置有第三阀门。其中，中间实验管路的两端分别通过第四阀门2和第五阀门10与混合液进口及混合液出口相连通。其中，测量采集组件包括用于采集中间实验管路内部水压力的压力测量装置以及用于观测中间实验管路内部实验现象的现象观测装置。

于本实施例中具体地，如图3-图4所示，竖直挡板27的数量为四个，四个竖直挡板27沿第一压力罐1的内壁周向均匀布置，每块竖直挡板27从水平孔板26延伸至靠近第一压力罐1罐身顶部的位置；第四阀门2和第五阀门10均为球阀；空心蜂窝箱25、竖直挡板27以及水平孔板26均采用卫生级不锈钢制作；开关阀门为卫生级球阀；第二阀门和第三阀门均为卫生级蝶阀；溶氧量测定装置的具体结构属于现有技术，在此不再赘述。

于本实施例中，第一压力罐1包括第一椭圆上封头、第一圆柱形压力罐身以及第一锥形下封头，第一圆柱形压力罐身为两端开口内部中空的中空筒状结构，第一椭圆上封头和第一锥形下封头分别设置于第一圆柱形压力罐身的两端、以封闭第一圆柱形压力罐身，防进气装置设置于第一圆柱形压力罐身内部，多个竖直挡板27沿第一圆柱形压力罐身的周向均匀设置，水平孔板26固定设置于第一圆柱形压力罐身的底端，空心蜂窝箱25可滑动地设置于第一圆柱形压力罐身内部，第一废液回收口20设置于第一锥形下封头上，水接口13和混合液出口均设置于第一圆柱形压力罐身侧壁上，第一抽真空装置、第一调压装置以及第一排气阀17均与第一椭圆上封头相连通，溶氧量测定装置与第一圆柱形压力罐身相连通，搅拌装置24倾斜设置于第一锥形下封头上；第二压力罐11包括第二椭圆上封头、第二圆柱形压力罐身以及第二锥形下封头，第二圆柱形压力罐身为两端开口内部中空的中空筒状结构，第二椭圆上封头和第二锥形下封头分别设置于第二圆柱形压力罐身的两端、以封闭第二圆柱形压力罐身，第二废液回收口21设置于第二锥形下封头上，混合液进口设置于第二圆柱形压力罐身侧壁上，第二抽真空装置、第二调压装置以及第二排气阀18均与第二椭圆上封头相连通。

于本实施例中，第一抽真空装置为真空泵，第一调压装置包括第一压力传感器15以及第一空气压缩机，真空泵和第一空气压缩机均与第一压力罐1相连通，第一压力传感器15设置于第一压力罐1内部；第二抽真空装置为第二真空泵，第二调压装置包括第二压力传感器19以及第二空气压缩机，第二空气压缩机均与第二压力罐11相连通，第二压力传感器19设置于第二压力罐11内部。

于本实施例中，具体地，第一椭圆上封头设置有用于与第一抽真空装置相连通第一抽真空装置接口14以及用于与第一空气压缩机相连通的第一空气压缩机接口16，第一圆柱形压力罐身设置有用于与溶氧量测定装置相连通溶氧量测定装置接口12；第二椭圆上封头设置有用于与第二抽真空装置相连通第二抽真空装置接口以及用于与第二空气压缩机相连通的第二空气压缩机接口。

于本实施例中，第一椭圆上封头和第二椭圆上封头上还分别设置有第一安全阀29和第二安全阀30。

于本实施例中，如图1所示，中间实验管路包括依次连通的流量计3、四通管段4、蜂窝段5、收缩段6、可视化实验段7、扩散段8、伸缩节减震器9，流量计3通过第四阀门2与混合液出口相连通，伸缩节减震器9通过第五阀门10与混合液进口相连通，且流量计3通过四通管段4的第一接口和第二接口与蜂窝段5相连通，四通管段4的第三接口22用于排气，且四通管段4的第三接口22设置有用于控制其启闭的第六阀门，四通管段4的第四接口23用于排液、且四通管段4的第四接口23设置有用于控制其启闭的第七阀门。

于本实施例中，具体地，流量计3采用质量流量计或者低电导率电磁流量计；蜂窝段5用于整理流态，使流动更加均匀，湍流度更小，为收缩段6提供良好的进口条件，蜂窝段5的蜂窝孔为正六边形，蜂窝孔对边距根据颗粒粒径大小和加工工艺选择，本实施例中对边距取为1.6mm，蜂窝段5长度与对边距的比值为10；收缩段6用于加速流体，降低流体湍流度，提升流动均匀度，为实验段提供良好的进口条件，收缩段6进口截面为圆形，出口为方形，进出口收缩比取为，采用风洞收缩段中常用的优化三次方型线进行进口到出口变截面的设计；扩散段8用于给流体降速增压，降低水力损失，防止实验段以外的部分发生空化，扩散段8进口截面为方形，出口截面为圆形；伸缩节减震器9用于补偿吸收本发明实验装置管道热胀冷缩引起的伸缩变形以及减轻实验过程中水动力学过程引起的结构振动。

于本实施例中，可视化实验段7与收缩段6及扩散段8均可拆卸连接，以便用不同的实验段发生不同类型的空化。

于本实施例中，中间实验管路的可视化实验段7材料采用亚克力，其他部件材料均采用卫生级不锈钢，其目的是保证流经可视化实验段7水体的清洁，防止杂质影响空化的初生过程。

于本实施例中，水接口13与纯水供水装置相连通。纯水供水装置具体可选用纯水机。纯水供水装置通过水接口13向第一压力罐1内部供纯水，与采用普通水相比，纯水杂质少，使得实验精确度更高。

于本实施例中，压力测量装置为压力传感器31，现象观测装置为摄像机。摄像机用于拍摄高帧数的可视化实验段7本体内实验现象照片，以得到清晰的实验动力学过程。

于本实施例中，搅拌装置24为磁力搅拌器。

本实施例提供的颗粒-水混合液动力学空化实验装置的实验方法，包括以下步骤：

步骤一，执行实验准备操作，关闭第四阀门2和第五阀门10，打开第一排气阀17和开关阀门，通过水接口13向第一压力罐1供给水至预定体积，关闭开关阀门，打开第一阀门，将预定质量颗粒通过颗粒进料通道加入第一压力罐1，颗粒加入完成后关闭第一阀门；

步骤二，执行单次实验操作，用第一抽真空装置对第一压力罐1进行抽真空处理，使第一压力罐1内颗粒与水混合液溶氧量不断下降，在此期间隔一段时间停止抽真空，使第一压力罐1内恢复常压，用溶氧量测定装置测量溶解氧含量，若溶解氧含量未达到预定浓度，继续抽真空操作，直到溶氧量达到预定值，停止抽真空，使第一压力罐1内恢复常压，打开第四阀门2，通过调节第五阀门10使中间实验管路内大部分气排出，然后打开四通管段4的第三接口22，将可视化实验段7上游管段的气体均排出，排出完成后关闭四通管段4第三接口22，关闭第四阀门2，用第一调压装置给第一压力罐1增压至预定压力，用第二调压装置给第二压力罐11调压至指定压力或打开第二排气阀18使其保持为大气压，打开搅拌装置24，搅拌至第一压力罐1中颗粒与水混合均匀，关闭搅拌装置24，全开第五阀门10，打开第四阀门2，使用测量采集组件进行实验数据同步采集，单次实验结束；

步骤三，执行实验后处理操作，打开第一排气阀17和第二排气阀18使两个第一压力罐1和第二压力罐11恢复常压，打开第一废液回收口20、第二废液回收口21以及四通管段4的第四接口23，收集废液，废液收集结束后，通过水接口13向整个系统供水，进行淋洗，冲走系统内残存的颗粒。

本实施例提供的实验装置和实验方法，依托暂冲式空化水洞形式为基本构造，颠覆了传统的采用闭式循环水洞作为实验装置的实验方式，实验水体从第一压力罐1到第二压力罐11单向流动，不循环，颗粒浓度和溶氧量在第一压力罐1中同时保证，解决了传统实验方式在保证颗粒浓度和溶氧量之间的矛盾。需要特别注明的是：即使采用暂冲式空化水洞形式，颗粒浓度和溶氧量的同时保证也需要一定措施才能做到，其原因在于，实验开始前需要将颗粒和水混合均匀，而混合方法中较实用和较好的方式是搅拌，但搅拌为强混合过程，容易在水面形成进气涡，造成大量进气及大面积的气液交界面，从而改变水体的溶氧量。为解决这个问题，本发明在第一压力罐1中采取了四项措施。第一，安装空心蜂窝箱25，其可以漂浮在水面，大大减少了第一压力罐1水面的气液交界面面积，并且对水面的进气涡进行了切割，减小了进气涡的强度；第二，在第一压力罐1内壁周向安装竖直挡板27，其作用是减弱沿第一压力罐1壁的切向流动，从而抑制进气涡，并且增强轴向流动和径向流动，促进颗粒和水的充分混合；第三，搅拌器安装在第一压力罐1底部锥形封头侧面，倾斜安装，有利于减弱切向流动，从而抑制进气涡；第四，在第一压力罐1身内部安装水平孔板26，其作用是切割大结构涡，形成小结构涡，抑制了大结构进气涡的产生条件，并且促进了小尺度下颗粒和水的混合，使得混合更加均匀。综上，这四项措施较好地解决了颗粒浓度控制和溶氧量控制之间的矛盾，并且可以使颗粒和水混合均匀度更高。上述可控溶氧量的颗粒-水混合液动力学空化实验装置，填补了暂冲式空化水洞在颗粒-水混合液空化实验装置领域中的空缺。

本实施例提供的实验装置，结构简单，相比于循环式水洞对建设用地的大量需求，该实验装置可以安装在小型室内，建设费用低廉，十分经济；实验装置中无大型机械和设备，使用方便；通过改变第一压力罐1和第二压力罐11的压力值以及可视化实验段7的形式，可适用于多种不同工况下的实验；该装置支持实验段的可视化，能够得到丰富的空化动力学现象的图像信息。

本实施例提供的实验装置和实验方法的原理是分别调节第一压力罐1和第二压力罐11中的压力，通过第一压力罐1和第二压力罐11中的压差来驱动液体流动，在可视化实验段7中产生空化现象，并且通过第一压力罐1内部结构的设计，避免了传统的闭式循环水洞使用条件下溶氧量和实验颗粒浓度难以同时保证的问题。

在本发明的描述中，需要说明的是，某些指示的方位或位置关系的词语，其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。

在本发明的描述中，需要说明的是，“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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种颗粒-水混合液动力学空化实验装置，其特征在于，包括：

第一压力罐组件，其包括第一压力罐、第一调压装置、第一测压装置、第一排气阀、溶氧量测定装置、防进气装置、第一抽真空装置、颗粒进料通道以及搅拌装置，所述第一调压装置、所述第一测压装置、所述第一排气阀、所述溶氧量测定装置以及所述第一抽真空装置均与所述第一压力罐内部相连通，所述防进气装置设置于所述第一压力罐内部，所述防进气装置包括空心蜂窝箱、水平孔板以及多个竖直挡板，多个所述竖直挡板沿所述第一压力罐的周向设置，所述水平孔板固定设置于所述第一压力罐内部，所述空心蜂窝箱可滑动地设置于所述第一压力罐内部，所述空心蜂窝箱的密度小于水，且所述空心蜂窝箱设置于所述水平孔板的上方，所述颗粒进料管道的一端设置于所述第一压力罐内部，且所述颗粒进料管道设置于所述第一压力罐内部的一端依次贯穿所述空心蜂窝箱及所述水平孔板，所述搅拌装置倾斜设置于所述第一压力罐底部，所述搅拌装置用于使水与颗粒相混合，所述第一压力罐的底端设置有第一废液回收口，所述第一压力罐的侧壁上设置有水接口和混合液出口，且所述水接口和所述混合液出口均位于所述水平孔板的下方，所述颗粒进料管道设置有第一阀门，所述第一废液回收口设置有第二阀门，所述水接口设置有开关阀门，在单次实验操作中，使用所述第一抽 真空装置对所述第一压力罐进行抽真空处理使所述第一压力罐内颗粒与水混合液的溶氧量达到预定值后再开启所述搅拌装置；

第二压力罐组件，其包括第二压力罐、第二抽真空装置、第二调压装置、第二测压装置以及第二排气阀，所述第二抽真空装置、所述第二调压装置、所述第二测压装置以及所述第二排气阀均与所述第二压力罐相连通，所述第二压力罐上设置有混合液进口以及第二废液回收口，所述第二废液回收口设置有第三阀门；

中间实验管路，所述中间实验管路的两端分别通过第四阀门和第五阀门与所述混合液进口及所述混合液出口相连通；

测量采集组件，其包括用于采集所述中间实验管路内部水压力的压力测量装置以及用于观测所述中间实验管路内部实验现象的现象观测装置。

2.根据权利要求1所述的颗粒-水混合液动力学空化实验装置，其特征在于，所述第一压力罐包括第一椭圆上封头、第一圆柱形压力罐身以及第一锥形下封头，所述第一圆柱形压力罐身为两端开口内部中空的中空筒状结构，所述第一椭圆上封头和所述第一锥形下封头分别设置于所述第一圆柱形压力罐身的两端、以封闭第一圆柱形压力罐身，所述防进气装置设置于所述第一圆柱形压力罐身内部，多个所述竖直挡板沿所述第一圆柱形压力罐身的周向均匀设置，所述水平孔板固定设置于所述第一圆柱形压力罐身的底端，所述空心蜂窝箱可滑动地设置于所述第一圆柱形压力罐身内部，所述第一废液回收口设置于所述第一锥形下封头上，所述水接口和混合液出口均设置于所述第一圆柱形压力罐身侧壁上，所述第一抽真空装置、所述第一调压装置以及所述第一排气阀均与所述第一椭圆上封头相连通，所述溶氧量测定装置与所述第一圆柱形压力罐身相连通，所述搅拌装置倾斜设置于所述第一锥形下封头上；所述第二压力罐包括第二椭圆上封头、第二圆柱形压力罐身以及第二锥形下封头，所述第二圆柱形压力罐身为两端开口内部中空的中空筒状结构，所述第二椭圆上封头和所述第二锥形下封头分别设置于所述第二圆柱形压力罐身的两端、以封闭第二圆柱形压力罐身，所述第二废液回收口设置于所述第二锥形下封头上，所述混合液进口设置于所述第二圆柱形压力罐身侧壁上，所述第二抽真空装置、所述第二调压装置以及所述第二排气阀均与所述第二椭圆上封头相连通。

3.根据权利要求1所述的颗粒-水混合液动力学空化实验装置，其特征在于，所述第一抽真空装置为真空泵，所述第一调压装置包括第一压力传感器以及第一空气压缩机，所述真空泵和所述第一空气压缩机均与所述第一压力罐相连通，所述第一压力传感器设置于所述第一压力罐内部；所述第二调压装置包括第二压力传感器以及第二空气压缩机，所述第二空气压缩机均与所述第二压力罐相连通，所述第二压力传感器设置于所述第二压力罐内部。

4.根据权利要求1所述的颗粒-水混合液动力学空化实验装置，其特征在于，所述中间实验管路包括依次连通的流量计、四通管段、蜂窝段、收缩段、可视化实验段、扩散段、伸缩节减震器，所述流量计通过所述第四阀门与所述混合液出口相连通，所述伸缩节减震器通过所述第五阀门与所述混合液进口相连通，且所述流量计通过所述四通管段的第一接口和第二接口与所述蜂窝段相连通，所述四通管段的第三接口用于排气，且所述四通管段的第三接口设置有用于控制其启闭的第六阀门，所述四通管段的第四接口用于排液、且所述四通管段的第四接口设置有用于控制其启闭的第七阀门。

5.根据权利要求4所述的颗粒-水混合液动力学空化实验装置，其特征在于，所述可视化实验段与所述收缩段及所述扩散段均可拆卸连接。

6.根据权利要求1所述的颗粒-水混合液动力学空化实验装置，其特征在于，所述水接口与纯水供水装置相连通。

7.根据权利要求1所述的颗粒-水混合液动力学空化实验装置，其特征在于，所述压力测量装置为压力传感器，所述现象观测装置为摄像机。

8.根据权利要求1所述的颗粒-水混合液动力学空化实验装置，其特征在于，所述搅拌装置为磁力搅拌器。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的颗粒-水混合液动力学空化实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，执行实验准备操作，关闭所述第四阀门和所述第五阀门，打开所述第一排气阀和所述开关阀门，通过所述水接口向所述第一压力罐供给水至预定体积，关闭所述开关阀门，打开所述第一阀门，将预定质量颗粒通过所述颗粒进料通道加入所述第一压力罐，所述颗粒加入完成后关闭所述第一阀门；

步骤二，执行单次实验操作，用所述第一抽真空装置对所述第一压力罐进行抽真空处理，使所述第一压力罐内颗粒与水混合液溶氧量不断下降，在此期间隔一段时间停止抽真空，使所述第一压力罐内恢复常压，用所述溶氧量测定装置测量溶解氧含量，若溶解氧含量未达到预定浓度，继续抽真空操作，直到溶氧量达到预定值，停止抽真空，使所述第一压力罐内恢复常压，打开第四阀门，通过调节第五阀门使所述中间实验管路内大部分气排出，关闭所述第四阀门，用所述第一调压装置给所述第一压力罐增压至预定压力，用所述第二调压装置给第二压力罐调压至指定压力或打开所述第二排气阀使其保持为大气压，打开所述搅拌装置，搅拌至所述第一压力罐中颗粒与水混合均匀，关闭所述搅拌装置，全开所述第五阀门，打开所述第四阀门，使用测量采集组件进行实验数据同步采集，单次实验结束；

步骤三，执行实验后处理操作，打开所述第一排气阀和所述第二排气阀使两个所述第一压力罐和所述第二压力罐恢复常压，打开所述第一废液回收口和所述第二废液回收口，收集废液，废液收集结束后，通过所述水接口向整个系统供水，进行淋洗，冲走系统内残存的颗粒。

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