CN112986066B - 一种用于研究粉尘颗粒重悬浮规律的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于研究粉尘颗粒重悬浮规律的实验装置,包括湍流产生系统、粉尘颗粒重悬浮装置和高速相机。本发明公开的用于研究粉尘颗粒重悬浮规律的实验装置,试样板的粗糙面可加工成不同粗糙度,还具有多种不同类型可选择,由于密封板可拆卸,因此可以方便地实现试样板从粉尘颗粒重悬浮装置底板的实验孔取出和装载,湍流产生系统能产生充分发展的湍流,作用于试样板的粗糙面,试样板粗糙面上的粉尘颗粒发生重悬浮现象,遮风板的设置,有助于稳定流场,提高流量控制精度,高速相机的电子显微镜头对准所述实验孔,用于实时记录试样板的粗糙面的粉尘颗粒随时间的变化,以使得研究壁面类型和粗糙度对粉尘颗粒重悬浮的影响的难度大大降低。
Description
技术领域
本发明涉及核反应堆工程技术领域,具体涉及一种用于研究粉尘颗粒重悬浮规律的实验装置。
背景技术
在现代先进反应堆中,事故工况条件下放射性气溶胶的迁移及演化行为是反应堆安全分析的重要内容,深入研究气溶胶颗粒的动力学过程对分析先进反应堆中气溶胶的迁移演化特性(如颗粒物在时空、粒径分布和化学组分的变化规律等)十分重要。其中,在气流的作用下,沉积在壁面上的颗粒发生再次扬起的重悬浮现象是反应堆中形成气溶胶的重要原因。此外,在其他领域,颗粒重悬浮也是产生气溶胶的重要过程,如重悬浮是导致近地面空气污染的重要成因。因此,对颗粒重悬浮现象的机理进行研究,比较粒径、壁面粗糙度、壁面结构和沉积时间等不同因素对重悬浮过程的影响,并提出颗粒重悬浮的抑制策略,对反应堆工程和污染控制具有重要意义。
由于真实的壁面具有不同的结构和不同的粗糙度等特性,目前缺乏用于研究粗糙度对粉尘颗粒重悬浮行为影响规律的测试装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于研究粉尘颗粒重悬浮规律的实验装置,用以研究壁面类型和表面粗糙度对粉尘颗粒重悬浮的影响规律。
本发明提供一种用于研究粉尘颗粒重悬浮规律的实验装置,包括湍流产生系统、粉尘颗粒重悬浮装置和高速相机,所述湍流产生系统能产生充分发展的湍流,所述湍流产生系统的湍流出口与所述粉尘颗粒重悬浮装置的进口连通;所述粉尘颗粒重悬浮装置包括方管、试样板和密封板,所述方管的两侧板分别设置补光窗,所述方管的顶板靠近出口的部分设置拍照窗,所述方管的底板中部设置有实验孔,所述试样板的表面设置粗糙面,设置粉尘颗粒,所述试样板设置于所述实验孔内,所述密封板与所述方管底板可拆卸连,所述密封板固定于实验孔所对应区域的所述方管底板外表面,以托住所述试样板;所述高速相机配置电子显微镜头,所述高速相机设置于所述拍照窗的上方,且所述电子显微镜头对准所述实验孔,用于实时记录所述试样板的粗糙面上的粉尘颗粒随着时间的变化。
优选地,还包括计算机和粉尘在线浓度计,所述方管的出口对接有输出管道,所述粉尘在线浓度计设置于该输出管道上;所述粉尘在线浓度计和所述高速相机均通过有线与所述计算机连接。
优选地,所述输出管道的输出端设置有尾气过滤器。
优选地,所述试样板为薄板,所述密封板的中部设置有凸台,所述试样板放置于所述凸台上,当所述密封板封堵所述实验孔时,所述凸台及其上面的试样板镶嵌于所述实验孔内;所述凸台的厚度与所述试样板的厚度之和等于所述实验孔的深度。
优选地,所述粉尘颗粒重悬浮装置还包括防风装置,所述防风装置包括遮风板、操作柄和两根连接杆,所述操作柄设置于所述方管顶板的上面,所述操作柄与所述遮风板之间通过两根连接杆固定连接;当通过操作柄控制遮风板垂直落下至实验孔,能将试样板上的粉尘颗粒盖住,使其与湍流产生系统的气流隔绝。
优选地,所述遮风板四周边缘设置有一圈边裙,当所述遮风板盖设于所述实验孔,所述边裙能防止气流吹动所述试样板的粉尘颗粒。
优选地,所述湍流产生系统包括空气压缩机、高压储气罐、第一压力表、冷干机、电动减压阀、第一过滤器、流量计、第二压力表、湍流发展段,所述空气压缩机、所述高压储气罐、所述冷干机、所述电动减压阀、所述第一过滤器、所述流量计和所述湍流发展段从左至右依次通过管道连接;所述湍流发展段的出口与所述粉尘颗粒重悬浮装置的进口对接;所述第一压力表设置于所述高压储气罐上;所述第二压力表设置于所述流量计;所述电动减压阀与所述流量计均通过有线与所述计算机连接。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明公开的一种用于研究粉尘颗粒重悬浮规律的实验装置,试样板的粗糙面可加工成不同粗糙度,还具有多种不同类型可选择,由于密封板可拆卸,因此可以方便地实现试样板从粉尘颗粒重悬浮装置底板的实验孔取出和装载;湍流产生系统能产生充分发展的湍流,作用于试样板的粗糙面,试样板粗糙面上的粉尘颗粒发生重悬浮现象;遮风板的设置,有助于稳定流场,提高流量控制精度;高速相机的电子显微镜头对准所述实验孔,用于实时记录试样板的粗糙面的粉尘颗粒随时间的变化,以使得研究壁面类型和粗糙度对粉尘颗粒重悬浮影响的难度大大降低。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的用于研究粉尘颗粒重悬浮规律的实验装置的结构示意图;
图2为本发明实施例1提供的粉尘颗粒重悬浮装置的结构示意图;
图3为本发明实施例1提供的粉尘颗粒重悬浮装置的纵向半剖图;
图4为本发明实施例1提供的方管的结构示意图;
图5为本发明实施例1提供的试样板的结构示意图;
图6为本发明实施例1提供的密封板的结构示意图;
图7为本发明实施例1提供的位于粉尘颗粒重悬浮装置内部的防风装置的侧视图;
图8为本发明实施例1提供的防风装置的结构示意图。
附图标记说明:1-湍流产生系统,11-空气压缩机,12-高压储气罐,13-第一压力表,14-冷干机,15-电动减压阀,16-第一过滤器,17-流量计,18-第二压力表,19-湍流发展段;2-粉尘颗粒重悬浮装置,3-计算机,4-高速相机,5-粉尘在线浓度计,6-输出管道,7-尾气过滤器;20-方管,21-试样板,22-密封板;201-连接法兰,202-补光窗,203-拍照窗;100-实验孔,23-遮风板,24-操作柄,25-连接杆,220-凸台,230-边裙。
具体实施方式
本发明提供了一种用于研究粉尘颗粒重悬浮规律的实验装置,以研究反应堆粉尘颗粒重悬浮的规律,该装置可以提供方便可拆卸的粉尘颗粒重悬浮装置以及较为稳定的环境气流速度,便于研究者获得流速、壁面结构、壁面粗擦度等因素对重悬浮的影响关系以及时间和空间维度上粉尘颗粒重悬浮的起伏规律。
实施例1
实施例1提供的用于研究粉尘颗粒重悬浮规律的实验装置,下面对其结构进行详细描述。
参考图1,该用于研究粉尘颗粒重悬浮规律的实验装置包括湍流产生系统1、粉尘颗粒重悬浮装置2、计算机3、高速相机4、粉尘在线浓度计5,
湍流产生系统1能产生充分发展的湍流,湍流产生系统1的湍流出口与粉尘颗粒重悬浮装置2的进口连通。
参考图2至图4,粉尘颗粒重悬浮装置2至少包括方管20、试样板21和密封板22。
方管20的进口和出口分别配置有两个连接法兰201,具体地,方管20的进口通过连接法兰201与湍流产生系统1的湍流出口相连通。
方管20的两侧板分别设置补光窗202,方管20的顶板靠近出口的部分设置拍照窗203,优选地,补光窗202和拍照窗203均采用有机玻璃板。
试样板21具有多种不同类型可选择,试样板21的表面加工不同的粗糙面特征,并在实验前沉积一定量的粉尘颗粒。方管20的底板中部设置有实验孔100,试样板21设置于实验孔100内,且其粗糙面朝向方管20的内部。
密封板22与方管20底板可拆卸连,密封板22固定于实验孔100所对应区域的方管20底板外表面,以托住试样板21。优选的,密封板22为矩形板,密封板22的四角通过螺钉固定于方管20底板的外表面。
为了尽量减少试样板21厚度因素对粉尘颗粒重悬浮的影响,该实验对试样板21厚度要求是越薄越好,因此,试样板21优选薄板材,如图5所示。为了弥补试样板21厚度的损失,密封板22的中部设置有凸台220,如图6所示,试样板21放置于凸台220上,当密封板22封堵实验孔100时,凸台220及其上面的试样板21镶嵌于实验孔100内,凸台220的厚度与试样板21的厚度之和等于实验孔100的深度。
为了密封实验孔100与试样板21之间的缝隙,凸台220采用弹性件,如橡胶等弹性材质制作而成。优选地,在试样板21和实验孔100配置密封橡胶圈。
为了防止实验初期因湍流产生系统1产生的气流变化而对试样板21上的粉尘颗粒带来的冲击,粉尘颗粒重悬浮装置2还包括防风装置,防风装置包括遮风板23、操作柄24和两根连接杆25。
遮风板23的形式类似于火柴盒,包括矩形板和围在矩形板的边裙230,其中,矩形板的尺寸与实验孔100相同,边裙230设置于遮风板23四周边缘形成一圈。在实验前期调整电动减压阀15时,为了避免试样板21上的粉尘颗粒受到变化的瞬态湍流影响,将遮风板23盖设于实验孔100,边裙230能防止气流吹动试样板21的粉尘颗粒。
参考图7和图8,操作柄24设置于方管20顶板的上面,操作柄24与遮风板23之间通过两根连接杆25固定连接。
在实验启动调节气流流速的过程中,无法确定发生重悬浮粉尘颗粒的瞬时速度,通过操作柄24控制遮风板23垂直落下至实验孔100,能将试样板21上的粉尘颗粒盖住,使其与气流隔绝,以避免变速气流对粉尘颗粒重悬浮的影响。当气流调节完成,从湍流产生系统1输入至方管20的气流稳定后,向上提起操作柄24,带动遮风板23离开实验孔100,试样板21的粗糙面暴露在流场中,在充分发展的湍流的作用下,试样板21粗糙面上的粉尘颗粒发生重悬浮现象。
其中,试样板21可通过拆卸取出和装载。在实验准备阶段,将粉尘颗粒沉积在试样板21的粗糙面表面上,试样板21的粗糙面可加工成不同粗糙度,并通过密封板22固定并密封在方管20底板的下表面。
因此,防风装置的设置,有助于稳定流场,提高流量控制精度。
为了提高试样板21上的颗粒照片的拍摄分辨率,高速相机4配置电子显微镜头,高速相机4设置于粉尘颗粒重悬浮装置2的拍照窗203的上方,且高速相机4的电子显微镜头对准实验孔100,用于实时记录试样板21的粗糙面的粉尘颗粒随时间的变化。高速相机4与计算机3通过有线连接。
优选地,高速相机4采用透射电子显微镜用高速相机。
方管20的出口通过连接法兰201对接有输出管道6,粉尘在线浓度计5设置于该输出管道6上。该粉尘在线浓度计5为现有技术,通过采集电流信息而获取输出管道6内气流中的粉尘颗粒质量浓度随时间变化的信息。粉尘在线浓度计5与计算机3通过有线连接。
为了防止环境污染,输出管道6的输液端设置有尾气过滤器7,用于过滤尾气中的固体颗粒。
继续参考图1,湍流产生系统1包括空气压缩机11、高压储气罐12、第一压力表13、冷干机14、电动减压阀15、第一过滤器16、流量计17、第二压力表18、湍流发展段19,
空气压缩机11、高压储气罐12、冷干机14、电动减压阀15、第一过滤器16、流量计17和湍流发展段19从左至右依次通过管道连接;
湍流发展段19的出口与粉尘颗粒重悬浮装置2的进口通过连接法兰201对接;
第一压力表13设置于高压储气罐12上;
第二压力表18设置于流量计17;
电动减压阀15与流量计17均通过有线与计算机3连接。
其中,空气压缩机11用于提供高压气体;
高压储气罐12用于稳定压力;
冷干机14用于干燥;
电动减压阀15用于调节气流速度,获得常压、目标速度的气流;
第一过滤器16用于过滤气流中的固体颗粒;
流量计17用于检测气流流量和流速;
第一压力表13和第二压力表18分别用于检测经过高压储气罐12和流量计17的气压,流量计17的气压即为粉尘颗粒重悬浮装置2的气压;
湍流发展段19用于提供获得的充分发展的湍流。
在该实施例中,通过空气压缩机11提供测试流体,使用高压储气罐12稳定流体压力,为湍流发展段19提供稳定的气源。当湍流发展段19气流稳定后,打开遮风板23,使试样板21的粗糙面的粉尘颗粒暴露在流场中,并在气流作用下发生重悬浮。粉尘颗粒重悬浮装置2底板的实验孔100嵌入的试样板可以取出,并可以更换不同粗糙度的壁面类型,以研究粗糙度对粉尘颗粒重悬浮的影响。
高速相机4设置于粉尘颗粒重悬浮装置2的拍照窗203的上方,且高速相机4的电子显微镜头对准实验孔100,用于实时记录试样板21的粗糙面的粉尘颗粒随时间的变化,以研究粉尘颗粒的分布规律。
粉尘在线浓度计5通过采集电流信息而获取输出管道6内的粉尘颗粒随时间变化的质量浓度信息,同时流量计17记录此时的流速,获得流速对粉尘颗粒重悬浮的影响关系,结合粉尘颗粒浓度值和试样板21的粗糙面的粉尘颗粒随时间变化的图像等检测数据,可获得时间和空间维度的粉尘重悬浮规律。
实施例2
实施例2提供一种研究粉尘颗粒重悬浮规律的方法,采用实施例1提供的实验装置,该方法包括以下步骤:
环境的空气经过空气压缩机11升压后,注入高压储气罐12中获得稳定压力的气流;
第一压力表13读取高压储气罐12内的气压,以检测是否达到设计要求,如果达到,则让气流通过冷干机14和第一过滤器16,分别经除湿和去尘处理;
压力表18和流量计17测得气流的压力和流量并将信息传送至计算机3;
计算机3根据工况要求,控制电动减压阀15对气流的压力和流速进行调节;
经测速后的气流进入湍流发展段19的上游,成为充分发展的湍流;
充分发展的湍流进入粉尘颗粒重悬浮装置2,作用于试样板21的粗糙面上的粉尘颗粒,发生重悬浮;
悬浮的粉尘颗粒在气流经过湍流发展段19的下游,达到输出管道6;
粉尘在线浓度计5通过采集电流信息而获取输出管道6内的粉尘颗粒随时间变化的质量浓度信息,最后气流经过尾气过滤器7去除粉尘后排出。
需要注意的是,在空气压缩机11启动阶段和电动减压阀15调节阶段,粉尘颗粒重悬浮装置2内的遮风板23放下,以避免加速过程中不稳定气流对试样板21的直接冲刷;当流量计17检测气体流态达到相对稳定后,调节操作柄24,使得遮风板23在竖直方向快速提升,使试样板21的粗糙面的粉尘颗粒暴露在气流中,并在气流作用下发生重悬浮,达到测量指定流量下粉尘颗粒重悬浮的效果。在实验过程中,流量计17和第二压力表18分别记录随时间变化过程的湍流产生系统1输出的气流流量和过程中的气压力,高速相机4实时记录试样板21的粗糙面的粉尘颗粒随时间的变化图像,粉尘在线浓度计5通过采集电流信息获取输出管道6内的粉尘颗粒随时间变化的质量浓度信息。
虽然,上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。
Claims (4)
1.一种用于研究粉尘颗粒重悬浮规律的实验装置,其特征在于,包括湍流产生系统(1)、粉尘颗粒重悬浮装置(2)、计算机(3)、高速相机(4)和粉尘在线浓度计(5),
所述湍流产生系统(1)能产生充分发展的湍流,包括空气压缩机(11)、高压储气罐(12)、第一压力表(13)、冷干机(14)、电动减压阀(15)、第一过滤器(16)、流量计(17)、第二压力表(18)、湍流发展段(19),所述空气压缩机(11)、所述高压储气罐(12)、所述冷干机(14)、所述电动减压阀(15)、所述第一过滤器(16)、所述流量计(17)和所述湍流发展段(19)从左至右依次通过管道连接;所述湍流发展段(19)的出口与所述粉尘颗粒重悬浮装置(2)的进口对接;所述第一压力表(13)设置于所述高压储气罐(12)上;所述第二压力表(18)设置于所述流量计(17)上;
所述粉尘颗粒重悬浮装置(2)包括方管(20)、试样板(21)、密封板(22)和防风装置,所述方管(20)的两侧板分别设置补光窗(202),所述方管(20)的顶板靠近出口的部分设置拍照窗(203),所述方管(20)的底板中部设置有实验孔(100),所述试样板(21)的表面设置粗糙面,并于粗糙面上设置粉尘颗粒,所述试样板(21)设置于所述实验孔(100)内,所述密封板(22)与所述方管(20)底板可拆卸连接,所述密封板(22)固定于实验孔(100)所对应区域的所述方管(20)底板外表面,以托住所述试样板(21);
所述防风装置包括遮风板(23)、操作柄(24)和两根连接杆(25),所述操作柄(24)设置于所述方管(20)顶板的上面,所述操作柄(24)与所述遮风板(23)之间通过两根连接杆(25)固定连接;当通过操作柄(24)控制遮风板(23)垂直落下至实验孔(100),能将试样板(21)上的粉尘颗粒盖住,使其与湍流产生系统(1)的气流隔绝;
所述方管(20)的出口对接有输出管道(6),所述粉尘在线浓度计(5)设置于该输出管道(6)上;
所述高速相机(4)配置电子显微镜头,所述高速相机(4)设置于所述拍照窗(203)的上方,且所述电子显微镜头对准所述实验孔(100),用于实时记录所述试样板(21)的粗糙面上的粉尘颗粒随着时间的变化;
所述电动减压阀(15)与所述流量计(17)、所述粉尘在线浓度计(5)和所述高速相机(4)均通过有线与所述计算机(3)连接;
其中,空气压缩机(11)用于提供高压气体;
高压储气罐(12)用于稳定压力;
冷干机(14)用于干燥;
电动减压阀(15)用于调节气流速度,获得常压且目标速度气流;
第一过滤器(16)用于过滤气流中的固体颗粒;
流量计(17)用于检测气流流量和流速;
第一压力表(13)和第二压力表(18)分别用于检测经过高压储气罐(12)和流量计(17)的气压;
湍流发展段(19)用于提供充分发展的湍流;
高速相机(4)用于实时记录试样板(21)的粗糙面的粉尘颗粒随时间的变化图像;粉尘在线浓度计(5)通过采集电流信息获取输出管道(6)内的粉尘颗粒随时间变化的质量浓度信息。
2.如权利要求1所述的实验装置,其特征在于,所述输出管道(6)的输出端设置有尾气过滤器(7)。
3.如权利要求1所述的实验装置,其特征在于,所述试样板(21)为薄板,所述密封板(22)的中部设置有凸台(220),所述试样板(21)放置于所述凸台(220)上,当所述密封板(22)封堵所述实验孔(100)时,所述凸台(220)及其上面的试样板(21)镶嵌于所述实验孔(100)内;
所述凸台(220)的厚度与所述试样板(21)的厚度之和等于所述实验孔(100)的深度。
4.如权利要求1所述的实验装置,其特征在于,所述遮风板(23)四周边缘设置有一圈边裙(230),
当所述遮风板(23)盖设于所述实验孔(100),所述边裙(230)能防止气流吹动所述试样板(21)的粉尘颗粒。
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