CN113884275B - 多孔介质过渡流中观测涡结构的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多孔介质过渡流中观测涡结构的装置及方法。本发明包括水槽、粒子图像采集系统、第一导管回路、第二导管回路以及蓄水池。水槽由固定墩固定，多孔介质置于水槽中段的支撑滤网上；压降传感器端口分别置于水槽上下两端，用于实时获取水流压降信息。第一导管回路的入口接可变频离心水泵，用于消除所述可变频离心水泵的水流脉动。第二导管回路的出口接入水槽入流端，通过稳流滤网和导流板能减少水流掺气。本发明结构巧妙，整体性好，效率高，装置成本低；通过实时获取流体流经多孔介质前后压降信息，可建立特征雷诺数与压降过程定量关系。
Description
技术领域
本发明涉及水动力学模型试验领域，具体涉及多孔介质过渡流中观测涡结构的装置及方法。
背景技术
多孔介质流在各学科中受到越来越多的关注。比如地下水流动，生物组织中溶质输移，纤维板制造，复合材料制造，化学废物的地下扩散、燃料电池中的气体传播、石油储层的强化回收、色谱柱、过滤系统、化学催化反应器等等。与通常认为的低速流动在多孔介质中占据优势的观点相反，惯性效应在改变流体动力过程中非常重要。换言之，根据流体在多孔介质中是否发生不稳定的混沌过程，流态可表现为层流或湍流，对多孔介质过渡流的研究是理解和明晰其水动力过程的关键。
物理模型实验是研究多孔介质流体的主要手段，其中特征雷诺数是描述流态转化的重要参数。实验室尺度对过渡流态的捕捉需要设置广泛的雷诺数范围（强依赖于流速）。多孔介质流常见入流方式为变频水泵泵入，但是处于低频工况的水泵流速稳定性较差，相应确定的特征雷诺数误差较大。压降是多孔介质流的显著特点，也是根据达西定律修正多孔介质流的核心，然而建立压降与特征雷诺数的定量关系对实验设备提出较高的要求，特别是同工况下获取准确的压降信息与特征雷诺数。此外，多孔介质流对外界环境非常敏感，这需要结合非侵入的流动可视化技术。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出关于多孔介质过渡流中观测涡结构的装置及方法，以期广泛应用在相关领域，为多孔介质流的野外观测和数值模拟提供更多数据支持。
本发明的一方面，提供了一种多孔介质过渡流中观测涡结构的装置，包括水槽、粒子图像采集系统、第一导管回路、第二导管回路以及蓄水池。
所述的水槽由固定墩固定，多孔介质置于水槽中段的支撑滤网上，水槽材料与多孔介质材料相同，以满足折射率匹配要求；压降传感器端口分别置于水槽上下两端，用于实时获取水流压降信息。
所述粒子图像采集系统包括高频粒子图像测速相机和激光面板，所述的激光面板垂直立于多孔介质材料中，所述高频粒子图像测速相机正对所述激光面板，用于获取高频多孔介质流的粒子图像。
所述的第一导管回路的入口接可变频离心水泵，用于消除所述可变频离心水泵的水流脉动；其一个出口接蓄水池，另一个出口通过灵敏流量计接第二导管回路的入口。
所述第二导管回路的出口接入水槽入流端，通过稳流滤网和导流板能减少水流掺气。
优选的，在所述的高频粒子图像测速相机与激光面板之间还设置有带通滤波器。
优选的，所述的第二导管回路通过调节阀控制启闭。
本发明的另一方面，还提供了一种多孔介质过渡流中观测涡结构的方法：
在水体中加入硫氰酸铵并调节其浓度，使硫氰酸铵水溶液折射率与多孔介质相同，完成流固折射率匹配；在水体中加入聚酰胺作为示踪粒子，调节其浓度，使其在激光面板上呈现最佳可视化图像。
调节可变频离心水泵工作频率，获取不同范围输出流速，可变频离心水泵外接第一导管回路，在灵敏流量计监测下，多余水体通过第一导管回路流回蓄水池，获得精准水流流速，从而建立特征雷诺数区间。
水流入流水槽前，流经稳流滤网，导流板使多余水流通过第二导管回路中的导流管流出，减少水体掺气，防止对多孔介质流产生折射影响。
水流进入水槽后，实时获取流体流经多孔介质前后压降信息，建立特征雷诺数与压降过程定量关系；调节高频粒子图像测速相机位置，在带通滤波器的辅助下，采集拍摄激光面板上图像，获取高频多孔介质流的粒子图像，结合自相关图像分析方法，获取流体局部涡结构。
本发明的有益效果：
1、本发明装置结构巧妙，整体性好，效率高，装置成本低；
2、粒子图像采集系统可获取多孔介质过渡流的涡结构；
3、第一导管回路（平稳水泵出流）结合灵敏流量计接入可变频离心水泵，能消除水泵水流脉动的影响，从而获得精准水流流速，建立广范围的特征雷诺数区间；
4、第二导管回路（减少气泡）结合稳流滤网和导流板能减少水体掺气，防止对多孔介质流产生折射影响；
5、能实时获取流体流经多孔介质前后压降信息，建立特征雷诺数与压降过程定量关系。
附图说明
图1是本发明的装置主视示意图。
图2是本发明的部分部件详图。
图中：1.高频粒子图像测速相机，2.带通滤波器，3.固定墩，4.支撑滤网，5.光滑管道，6.压降传感器，7.水槽，8.多孔介质，9.激光面板，10.稳流滤网，11.入流端，12.导流板，13.导流管，14.灵敏流量计，15.可变频离心水泵，16.蓄水池，17.调节阀，18.T型岔口，19.第一导管回路（平稳水泵出流），20.第二导管回路（减少气泡）。
具体实施方式
如图1所示，本发明采用如下技术方案：
多孔介质过渡流中观测涡结构的装置可分为水槽、粒子图像采集系统、第一导管回路（平稳水泵出流）、第二导管回路（减少气泡）以及蓄水池等。
所述的水槽7由固定墩3固定，多孔介质8置于水槽中段的支撑滤网4上，水槽材料与多孔介质材料相同，以满足折射率匹配要求。压降传感器6通过两段光滑管道5分别置于多孔介质前后，实时获取水流的压降信息。水槽7的底部通过T型岔口18和调节阀17回接至蓄水池16中。
所述粒子图像采集系统包括高频粒子图像测速相机1和激光面板9。所述的激光面板垂直立于多孔介质材料中，高频粒子图像测速相机1与激光面板9之间还设置有带通滤波器2，具体结构可见图2。
所述的第一导管回路19（平稳水泵出流）结合灵敏流量计14接入可变频离心水泵15，该导管回路能消除水泵水流脉动的影响。可变频离心水泵将水池中的水体输入至第一导管回路中，在该回路中设置有两个出口，其中一个外接灵敏流量计14，并通过灵敏流量计14接至第二导管回路20的入口，另一个接至蓄水池。
所述的第二导管回路20（减少气泡）出口接入水槽入流端11，水槽入流端11位于水槽的顶部，在该顶部还设置有稳流滤网10和导流板12，结合稳流滤网10和导流板12能减少水流掺气，导流板12通过导流管13使多余水体流出该导管回路，所述的第二导管回路可通过调节阀控制启闭。
利用本装置进行涡结构的观测方法如下：
预备实验时，在水体中加入硫氰酸铵并调节其浓度，使硫氰酸铵水溶液折射率与固体材料（多孔介质和水槽）相同，完成流固折射率匹配。在水体中加入聚酰胺作为示踪粒子，调节其浓度，使其在激光面板上呈现最佳可视化图像。
调节离心水泵工作频率（功率），获取不同范围输出流速，水泵外接稳流回路，在灵敏流量计监测下，多余水体通过第一导管回路流回蓄水池，消除水泵低中频工作脉动强的缺点，从而获得精准水流流速，建立广范围的特征雷诺数区间。水流入流多孔介质水槽前，流经稳流滤网，导流板的作用是使多余水流通过导管回路流出，减少水体掺气，防止对多孔介质流产生折射影响。
正式实验时，实时获取流体流经多孔介质前后压降信息，建立特征雷诺数与压降过程定量关系。调节高频粒子图像测速相机位置，在带通滤波器的辅助下，采集拍摄激光面板上图像，获取高频多孔介质流的粒子图像，后续结合自相关图像分析方法，获取流体局部涡结构。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶部”、“竖直”、“底部”、“内”、“侧”、“垂直”、“上”、“下”、“上端”、“下”、“后方”、“高度”、“前”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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明在进行以上所述仅为发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用附属在其他相关产品的技术领域，均包括在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.多孔介质过渡流中观测涡结构的装置，包括水槽、粒子图像采集系统、第一导管回路、第二导管回路以及蓄水池，其特征在于：
所述的水槽由固定墩固定，多孔介质置于水槽中段的支撑滤网上，水槽材料与多孔介质材料相同，以满足折射率匹配要求；压降传感器端口分别置于水槽上下两端，用于实时获取水流压降信息；
所述粒子图像采集系统包括高频粒子图像测速相机和激光面板，所述的激光面板垂直立于多孔介质材料中，所述高频粒子图像测速相机正对所述激光面板，用于获取高频多孔介质流的粒子图像；
所述的第一导管回路的入口接可变频离心水泵，用于消除所述可变频离心水泵的水流脉动；第一导管回路的一个出口接蓄水池，另一个出口通过灵敏流量计接第二导管回路的入口；
所述第二导管回路的出口接入水槽入流端，通过稳流滤网和导流板能减少水流掺气。
2.根据权利要求1所述的多孔介质过渡流中观测涡结构的装置，其特征在于：在所述的高频粒子图像测速相机与激光面板之间还设置有带通滤波器。
3.根据权利要求1所述的多孔介质过渡流中观测涡结构的装置，其特征在于：所述的第二导管回路通过调节阀控制启闭。
4.多孔介质过渡流中观测涡结构的方法，采用权利要求1所述的装置，其特征在于：
在水体中加入硫氰酸铵并调节其浓度，使硫氰酸铵水溶液折射率与多孔介质相同，完成流固折射率匹配；在水体中加入聚酰胺作为示踪粒子，调节其浓度，使其在激光面板上呈现最佳可视化图像；
调节可变频离心水泵工作频率，获取不同范围输出流速，可变频离心水泵外接第一导管回路，在灵敏流量计监测下，多余水体通过第一导管回路流回蓄水池，获得精准水流流速，从而建立特征雷诺数区间；
水流入流水槽前，流经稳流滤网，导流板使多余水流通过第二导管回路中的导流管流出，减少水体掺气，防止对多孔介质流产生折射影响；
水流进入水槽后，实时获取流体流经多孔介质前后压降信息，建立特征雷诺数与压降过程定量关系；调节高频粒子图像测速相机位置，在带通滤波器的辅助下，采集拍摄激光面板上图像，获取高频多孔介质流的粒子图像，结合自相关图像分析方法，获取流体局部涡结构。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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