CN114397231B - 气固两相流中湿颗粒粘附和脱附可视化试验装置与方法 - Google Patents
气固两相流中湿颗粒粘附和脱附可视化试验装置与方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种气固两相流中湿颗粒粘附和脱附可视化试验装置和方法，试验装置包括：供给模块，包括流量泵和给料组件；碰撞模块，包括碰撞室，碰撞室与给料组件相连通，用于给待测颗粒或者待测液体提供发生碰撞的场所；力学参数采集模块，用于采集碰撞模块内待测颗粒之间形成的颗粒间的碰撞力信息或者待测液体之间形成的液滴间的碰撞力信息；图像采集模块，包括第一光源和第一高倍相机，其中，第一光源配置在碰撞室的一侧，第一高倍相机配置在碰撞室的另一侧，用于采集碰撞颗粒或者碰撞液滴的图像信息；计算机模块，与力学参数模块、图像采集模块相耦接，用于根据采集的碰撞力和图像的时间序列的对应关系实现图形信息和碰撞力信息的同步采集。
Description
技术领域
本发明涉及气固两相流实验装置技术领域，尤其涉及气固两相流中湿颗粒粘附和脱附可视化试验装置与方法。
背景技术
随着采煤机械化大型化的发展，优质原煤储量日渐贫瘠，开采原煤中含水量逐渐上升，潮湿煤炭直接进入分选流化床，致使床层中多组分、多尺度的复杂颗粒在水相的参与下形成明显的颗粒团聚/聚团现象。颗粒团聚和聚团现象是微细颗粒在团聚力 (液桥力、固桥力、颗粒间吸引力、黏附力等)作用下，聚集形成局部颗粒浓度较高的结构。若该没有固定形态、稳定性较差，称为团聚物；若该结构相对稳定、颗粒之间黏附成一个整体，则称为聚团。湿颗粒团聚物/聚团的存在会加剧流化床内颗粒浓度的非均匀分布，扰动床层流化，直接影响流化床床层密度的均匀稳定性和相间的质热传递效率，导致分选与干燥效果降低。
因此，研究分选流化床中多组分、多尺度复杂颗粒间相互作用机制，明确颗粒团聚物/聚团的形成机理，实现对颗粒团聚物/聚团形成与破碎的调节与控制，进一步提高流化床分选与干燥效果，具有重要的意义。
发明内容
本方案针对上文提出的问题和需求，提出一种气固两相流中湿颗粒粘附和脱附可视化试验装置与方法，由于采取了如下技术特征而能够实现上述技术目的，并带来其他多项技术效果。
本发明的一个目的在于提出一种气固两相流中湿颗粒粘附和脱附可视化试验装置，其特征在于，包括：
供给模块，包括流量泵和与之相连通的给料组件，其中，所述给料组件在流量泵的作用下提供待测颗粒或者待测液体；
碰撞模块，包括碰撞室，所述碰撞室与所述给料组件相连通，用于给待测颗粒或者待测液体提供发生碰撞的场所；
力学参数采集模块，用于采集所述碰撞模块内待测颗粒之间形成的颗粒间的碰撞力信息或者待测液体之间形成的液滴间的碰撞力信息；
图像采集模块，包括第一光源和第一高倍相机，其中，所述第一光源配置在所述碰撞室的一侧，用于照射碰撞颗粒或者碰撞液滴，所述第一高倍相机配置在所述碰撞室的另一侧，用于采集碰撞颗粒或者碰撞液滴的图像信息；
计算机模块，与所述力学参数模块、图像采集模块相耦接，用于接收所述碰撞力信息和所述图像信息并根据采集的碰撞力和图像的时间序列的对应关系实现图形信息和碰撞力信息的同步采集。
在本发明的一个示例中，所述给料组件包括：颗粒准备器，
其包括进口端和与所述进口端相连通的出口端，所述进口端适于与所述流量泵相连通，所述出口端与所述碰撞室的入料端相连通。
在本发明的一个示例中，还包括：湿度控制模块，其包括：
加湿器，其一端与所述流量泵相连通，其另一端与所述碰撞室的进气端相连通，用于调节所述碰撞室内的湿度。
在本发明的一个示例中，所述湿度控制模块还包括：
湿度传感器，其配置在所述加湿器与所述碰撞室之间，被配置为用于检测所述碰撞室的进气端的湿度；
第一流量计，其设置在所述流量泵与所述碰撞室之间，被配置为用于检测和调节所述加湿器的入口的流量。
在本发明的一个示例中，还包括：真空度控制模块，其包括：
真空泵，其与所述碰撞室相连通，用于抽取所述碰撞室内的空气形成真空环境；
真空计，连接在所述真空泵与所述碰撞室之间，被配置为用于检测所述碰撞室的排气口的真空度。
在本发明的一个示例中，所述力学参数采集模块包括：
探针，安装在所述碰撞室内，且所述探针的端头粘附待测颗粒；
力传感器，与所述探针相连接，且与所述计算机模块相耦接，用于检测待测颗粒在探针上的碰撞力信息。
在本发明的一个示例中，所述给料组件包括：脉动蝶阀，
其设置在所述出口端与所述入料端之间，被配置为产生不同脉动频率的气流。
在本发明的一个示例中，所述给料组件包括：
自动进液器，包括进液口和与所述进液口相连通的出液口，所述进液口适于与所述流量泵相连通，所述出液口与所述碰撞室的入料端相连通。
在本发明的一个示例中，所述给料组件还包括：
滴液针，与所述出液口相连通，且适于悬置在所述碰撞室的上端。
在本发明的一个示例中，所述力学参数采集模块包括：
激光头，配置在背离所述碰撞室用于滴待测液滴的端面的一侧，用于向所述碰撞室发射激光信号并接收经由所述碰撞室反射的反射激光信号，
激光采集器，其一端与所述激光头相耦接，其另一端与所述计算机模块相耦接。
在本发明的一个示例中，所述图像采集模块还包括：
第二光源；
滤镜片，其一端靠近所述第二光源设置，用于将第二光源进行分光处理形成分光信号；
光学显微镜，倒置配置在所述滤镜片的另一端，用于接收所述分光信号；
第二高倍相机，与所述计算机模块相耦接，用于基于获取的分光信号而采集碰撞室内的液滴碰撞的图像信息。
本发明的另一个目的在于提出一种气固两相流中湿颗粒粘附和脱附可视化试验装置的试验方法，包括如下步骤：
S10：将待测颗粒置于光学显微镜下观察，选取合适的颗粒，截取图像使用分析软件获取其粒径、球形度等信息；
S20：通过将上述所述的探针蘸取微量胶水，将探针与上述选取的颗粒粘附在一起；
S30：打开第一光源，通过与计算机模块相耦接的第一高倍相机配套控制软件观察拍摄区域，调整第一高倍相机的焦距，使拍摄区域内成像清晰；
S40：打开真空泵及如上述所述的加湿器，并根据实验工况条件调节合适参数；
S50：开启流量泵，根据试验工况条件，迅速调节气流流量，待气流稳定后，由第一高倍相机采集颗粒碰撞的图像信息，同时力传感器采集颗粒碰撞力信息，并保存至计算机模块内；
S60：观察计算机模块上显示的图像信息，选取合适的时间控制图像采集模块停止拍摄；将拍摄的图像信息保存至计算机模块中，以供后续图像处理；根据采集的碰撞力和图像的时间序列的对应关系实现图形信息和碰撞力信息的同步采集。
本发明的再一个目的在于提出一种气固两相流中湿颗粒粘附和脱附可视化试验装置的试验方法，包括如下步骤：
Q10：将待测液体加入自动进液器中，依次打开流量泵和自动进液器，在不安装滴液针的情况下，清洗试验装置待测液体由自动进液器流出直至无固体颗粒杂质为止；
Q20：在清洗之后，安装滴液针，并对碰撞室进行清洁干燥处理，保证碰撞室内的碰撞表面无异物，不影响液滴碰撞；
Q30：打开第一光源，通过与计算机模块相耦接的第一高倍相机配套控制软件观察拍摄区域，调整第一高倍相机的焦距，使拍摄区域内成像清晰；
Q40：依次打开上述所述的第二光源和光学显微镜，通过与计算机模块相耦接的第二高倍相机配套控制软件观察拍摄区域，驱动倒置光学显微镜调焦，调整第二高倍相机的焦距，利用参照物使拍摄区域内成像清晰；
Q50：打开流量泵并调节气流流量，待气流稳定后，调节自动进液器，使得滴液针的针尖稳定均匀产生液滴；由第一高倍相机采集液滴碰撞的图像信息，同时力学参数采集模块采集液滴的碰撞力信息，并保存至计算机模块内；
Q60：观察计算机模块上显示的图像信息，选取合适的时间控制图像采集模块停止拍摄；将拍摄的图像信息保存至计算机模块中，以供后续图像处理；根据采集的碰撞力和图像的时间序列的对应关系实现图形信息和碰撞力信息的同步采集。
下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更加详尽的描述，以便能容易理解本发明的特征和优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下文中将对本发明实施例的附图进行简单介绍。其中，附图仅仅用于展示本发明的一些实施例，而非将本发明的全部实施例限制于此。
图1为根据本发明其中一个实施例的气固两相流中湿颗粒粘附和脱附可视化试验装置的结构原理图；
图2为根据本发明其中另一个实施例的气固两相流中湿颗粒粘附和脱附可视化试验装置的结构原理图；
图3为根据本发明其中再一个实施例的气固两相流中湿颗粒粘附和脱附可视化试验装置的结构原理图。
附图标记列表：
试验装置100；
供给模块110；
流量泵111；
给料组件112；
颗粒准备器1121；
进口端11211；
出口端11212；
自动进液器1122；
进液口11221；
出液口11222；
脉动蝶阀1123；
碰撞模块120；
碰撞室121；
入料端1211；
进气端1212；
颗粒供给管122；
滴液针123；
力学参数采集模块130；
力传感器131；
探针132；
激光头133；
激光采集器134；
图像采集模块140；
第一光源141；
第一高倍相机142；
第二光源143；
滤镜片144；
光学显微镜145；
第二高倍相机146；
计算机模块150；
湿度控制模块160；
加湿器161；
湿度传感器162；
第一流量计163；
真空度控制模块170；
真空泵171；
真空计172；
第二流量计180。
具体实施方式
为了使得本发明的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本发明具体实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。附图中相同的附图标记代表相同部件。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
根据本发明第一方面的一种气固两相流中湿颗粒粘附和脱附可视化试验装置，如图1至图3所示，包括：
供给模块110，包括流量泵111和与之相连通的给料组件112，其中，所述给料组件112在流量泵111的作用下提供待测颗粒或者待测液体；
碰撞模块120，包括碰撞室121，所述碰撞室121与所述给料组件112相连通，用于给待测颗粒或者待测液体提供发生碰撞的场所；
力学参数采集模块130，用于采集所述碰撞模块120内待测颗粒之间形成的颗粒间的碰撞力信息或者待测液体之间形成的液滴间的碰撞力信息；
图像采集模块140，包括第一光源141和第一高倍相机142，其中，所述第一光源141配置在所述碰撞室121的一侧，用于照射碰撞颗粒或者碰撞液滴，所述第一高倍相机142配置在所述碰撞室121的另一侧，用于采集碰撞颗粒或者碰撞液滴的图像信息；所述第一光源141、碰撞室121、第一高倍相机142通过激光定位仪安装在一条直线上。
计算机模块150，与所述力学参数模块、图像采集模块140相耦接，用于接收所述碰撞力信息和所述图像信息并根据采集的碰撞力和图像的时间序列的对应关系实现图形信息和碰撞力信息的同步采集。
由流量泵111向给料组件112中输入气体流量，从而带动位于给料组件112中的待测颗粒或者待测液体向碰撞模块120中注入，待测颗粒或者待测液体在碰撞室121中分别形成颗粒碰撞和液滴碰撞，其中，颗粒碰撞会形成颗粒团聚/聚团现象；再由力学参数采集模块130采集所述碰撞模块120内颗粒之间的碰撞力信息或者采集液滴之间的碰撞力信息，与此同时由图像采集模块140中的第一高倍相机142采集颗粒或者液滴之间碰撞的图像信息，最后由计算机模块150接收所述碰撞力信息和所述图像信息并根据采集的碰撞力和图像的时间序列的对应关系实现图形信息和碰撞力信息的同步采集；该试验装置100不仅可以实现不同条件下的微细颗粒碰撞过程的图像与碰撞力的同步采集，还可以实现不同碰撞速度，不同直径液滴等条件下微液滴与不同湿润性表面碰撞过程图像与碰撞力的同步采集，能够有效地模拟在制药、造粒、矿石烧结等工业应用中颗粒碰撞，同时可用于研究颗粒碰撞粘附与反弹机制、液滴反弹与铺展以及铺展过程中与界面的相互作用等，为颗粒聚团形成过程的理论研究提供有效的支撑。
在本发明的一个示例中，所述给料组件112包括：颗粒准备器1121，
其包括进口端11211和与所述进口端11211相连通的出口端11212，所述进口端11211适于与所述流量泵111相连通，所述出口端11212与所述碰撞室121的入料端1211相连通；
具体地，在碰撞室121的顶端还配置有颗粒供给管122，所述出口端11212与所述颗粒供给管122相连通，由颗粒供给管122向碰撞室121内注入颗粒实现颗粒之间的碰撞；
优选地，所述颗粒供给管122的角度为可调节的，且角度调节范围在30°至90°之间，从而实现颗粒在不同角度的碰撞；
优选地，所述颗粒供给管122的内径为1mm。所述碰撞室121上下部开孔20mm，用于安装颗粒供给管122和下文所述的探针132。
优选地，所述颗粒准备器1121上具有阀门，通过阀门可以控制颗粒进入碰撞室121内的量。
优选地，所述给料组件112还包括调节机构，用于调节给料组件112的高度，在碰撞室121上设有三个石英玻璃视窗，其中相对的两个用于拍摄碰撞图像，另外一个用于实验人员观察；碰撞室121安装在高度调节机构上，所述调节机构可以通过电动精准调节，也可以手动调节。通过激光定位仪，使第一光源141、碰撞室121相对的石英玻璃视窗、第一高倍相机142安装在一条直线上，第一高倍相机142连接计算机模块150，从而实现碰撞过程的图像采集。
在本发明的一个示例中，还包括：湿度控制模块160，其包括：
加湿器161，其一端与所述流量泵111相连通，其另一端与所述碰撞室121的进气端1212相连通，用于调节所述碰撞室121内的湿度；
通过设置加湿器161可以在碰撞室121内形成湿度环境，从而模拟部实际颗粒碰撞的湿度环境，使得该试验装置100更加准确、可靠。
在本发明的一个示例中，所述湿度控制模块160还包括：
湿度传感器162，其配置在所述加湿器161与所述碰撞室121之间，被配置为用于检测所述碰撞室121的进气端1212的湿度；
湿度传感器162可以实时显示当前的湿度值，使得在试验过程中实时获得真实的湿度情况，提高试验的准确性。
第一流量计163，其设置在所述流量泵111与所述碰撞室121之间，被配置为用于检测和调节所述加湿器161的入口的流量；
第一流量计163能够检测加湿器161的入口流量并通过调节第一流量计163来实现碰撞过程中不同的湿度环境，提高试验的适应性和灵活性。
在本发明的一个示例中，还包括：真空度控制模块170，其包括：
真空泵171，其与所述碰撞室121相连通，用于抽取所述碰撞室121内的空气形成真空环境；所述真空泵171的真空管内设有滤网，滤网孔径为0.045mm。
真空计172，连接在所述真空泵171与所述碰撞室121之间，被配置为用于检测所述碰撞室121的排气口的真空度；
也就是说，由真空泵171抽取碰撞室121内的空气从而形成真空环境，在此过程中，真空计172实时数值显示当前的真空数值，从而便于调控碰撞室121的真空度。
在本发明的一个示例中，所述力学参数采集模块130包括：
探针132，安装在所述碰撞室121内，且所述探针132的端头粘附待测颗粒；优选地，探针132针尖直径为0.5mm。
力传感器131，与所述探针132相连接，且与所述计算机模块150相耦接，用于检测待测颗粒在探针132上的碰撞力信息；
具体地，探针132的制备在显微镜下进行，使用探针132蘸取微量胶水，在显微镜观察下将探针132与选取的颗粒粘附在一起，从而实现微细颗粒与不同颗粒或表面的碰撞，将探针132安装在基座上，并置于力传感器131上，将探针132从碰撞室121下方开孔螺母伸入碰撞室121中，力传感器131连接计算机模块150，从而实现碰撞过程力的采集。
在本发明的一个示例中，所述入料端1211、所述探针132以及所述力传感器131三者位于同一直线上；
也就是说，待测颗粒由入料端1211（颗粒供给管122）进入碰撞室121内会优选同与其在同一直线上探针132端头上的颗粒进行碰撞，上述结构设计可以大大提高颗粒碰撞的几率，从而使得该试验所达到的效果更佳。
在本发明的一个示例中，所述给料组件112包括：脉动蝶阀1123，
其设置在所述出口端11212与所述入料端1211之间，被配置为产生不同脉动频率的气流；
具体地，在碰撞试验结束过后，颗粒准备器1121不再向碰撞室内注入颗粒（颗粒准备器1121内的颗粒使用完毕），在探针132上已经形成颗粒团聚/聚团现象，此时通过脉动蝶阀1122产生不同脉动频率的气流可以模拟颗粒的脱附试验，即可以实现不同脉动气流下颗粒脱附过程的图像采集。
在本发明的一个示例中，所述给料组件112包括：
自动进液器1122，包括进液口11221和与所述进液口11221相连通的出液口11222，所述进液口11221适于与所述流量泵111相连通，所述出液口11222与所述碰撞室121的入料端1211相连通；
所述自动进液器1122可储存液体，并通过控制进液速率来实现液滴大小均匀控制，一般地，进液速率为0.02~2.00ml/min；
通过自动进液器1122可以实现向碰撞室121内注入液体，继而为实现液滴间的碰撞提供环境。
需要说明的是，在该液滴碰撞试验下，碰撞室121可以为一个液滴碰撞平台。
在本发明的一个示例中，所述给料组件112还包括：
滴液针123，与所述出液口11222相连通，且适于悬置在所述碰撞室121的上端；
所述滴液针123固定在调节结构上，能够在垂直方向上移动，使液滴获得不同的释放高度，并且滴液针123针尖可拆卸更换，内径为0.25~1.50mm；此时，碰撞室121为一个液滴碰撞平台，所述液滴碰撞平台为特制平台，该平台具有弹性，并且一段光学透明，一段光学不透明。
在本发明的一个示例中，所述力学参数采集模块130包括：
激光头133，配置在背离所述碰撞室121用于滴待测液滴的端面的一侧，用于向所述碰撞室121发射激光信号并接收经由所述碰撞室121反射的反射激光信号，
激光采集器134，其一端与所述激光头133相耦接，其另一端与所述计算机模块150相耦接；
具体地，液滴撞击碰撞室121内的平台时，平台会发生轻微形变，激光头133发射的激光照射在液滴碰撞平台的光学不透明段，并把反射光反馈到激光采集器134中，激光采集器134连接计算机模块150，能够发射和接受反射的激光信号，根据反射时间长短的变化，可以测量液滴碰撞平台移动的距离，该移动距离和碰撞力的关系，可以通过公式 (Euler—Bernoulli Equation)进行计算，从而实现碰撞过程图像与碰撞力的同步采集。
在本发明的一个示例中，所述图像采集模块140还包括：
第二光源143；
滤镜片144，其一端靠近所述第二光源143设置，用于将第二光源143进行分光处理形成分光信号；
光学显微镜145，倒置配置在所述滤镜片144的另一端，用于接收所述分光信号；
第二高倍相机146，与所述计算机模块150相耦接，用于基于获取的分光信号而采集碰撞室121内的液滴碰撞的图像信息；
图像采集模块140中的第二光源143采用点光源，通过分光棱镜照射到倒置的光学显微镜145，给观测、图像采集提供充足的照明条件，倒置的光学显微镜145集成到液滴碰撞平台下方，主要用于观测与采集液滴碰撞平台后，液滴与平台接触界面的流动特性，例如空气泡、接触线的运动行为等，第二高倍相机146连接计算机模块150，用于采集接触面图像。第二光源143、碰撞室122、第二高倍相机146安装在一条直线上。
由此可知，在液滴碰撞模拟的试验中，图像采集模块140主要包括两部分，除了上述部分外还包括前述的第一光源141和第一高倍相机142，图像采集模块140中的第一光源141采用点光源，与液滴碰撞平台，第一高倍相机142在一条直线上，第一高倍相机142连接计算机模块150，用于拍摄微液滴碰撞后反弹、破碎以及飞溅的图像，也可通过碰撞前两帧图像确定碰撞速度。当为液滴碰撞试验时，碰撞室121为一个液滴碰撞平台，且该平台为特制平台，具有弹性，并且一段光学透明，一段光学不透明。光学透明段用于液滴碰撞段以及底部观测与拍摄，光学不透明段用于反射入射激光。另外，可通过改变平台表面的湿润性等特征，模拟液滴与不同表面的碰撞。
在本发明的一个示例中，还包括：
第二流量计180，其设置在所述流量泵111与所述碰撞模块120之间，被配置为用于检测和调节所述给料组件112的入口处的流量；
通过设置第二流量计180可以控制进入给料组件112入口处的流量，从而调节给料组件112的给料量，使得该试验装置100的适应性和灵活性更强。
在本发明的一个示例中，还包括：
调节机构，配置在所述碰撞室121的下端，用于调节碰撞室121的高度，通过调节机构可以在进行液滴碰撞试验和颗粒碰撞试验时能够灵活地调节碰撞室121的高度。
需要指出的是，该试验装置100为也可以是单独的用于颗粒碰撞的试验装置100，也可以是用于液滴碰撞的试验装置100，当然由于各个模块之间为可拆卸地结构，故而上述两个装置之间可以转换；可以理解的是，该试验装置100也可以同时实现颗粒碰撞和液滴碰撞的，即将两个装置组装在一起。
采用上述的技术方案，试验装置100由微细颗粒碰撞试验系统、微液滴碰撞试验系统组成。其中微细颗粒碰撞试验系统，流量泵111里面的气体为空气，气体分为两路，可分别通过流量计精确控制其流量；一路气体流经一个颗粒准备器1121，携带颗粒准备器1121中的微细颗粒进入一个颗粒供给管122，同时进入碰撞室121，从而实现微细颗粒的供给；其中，颗粒准备器1121带有阀门，可控制进入碰撞室121的微细颗粒量；颗粒供给管122通过碰撞室121上方的开孔螺母伸入碰撞室121，并且颗粒供给管122角度可在与水平线夹角30~90度范围内调节，从而实现不同角度碰撞；一路气体流经一台加湿器161，产生湿气体，湿气体通过一台湿度传感器162，进入到碰撞室121，湿度传感器162可实时显示当前湿度值，并调控湿度，从而为碰撞过程提供湿度环境。此外，真空泵171通过一个数显真空计172连接到碰撞室121，数显真空计172可实时显示并调控真空度，从而实现对当前环境真空度的控制；对于微液滴碰撞试验系统，流量泵111里面的气体为空气，气体通过流量计精确控制其流量，气体流经自动进液器1122，携带液体进入一个滴液针123，通过滴液针123不同直径针尖实现不同直径液滴的产生，从而实现微液滴的供给，自动进液器1122可控制进液速率，进而控制液滴均匀产生。滴液针123安装在电动调节结构上，可在垂直方向上移动，使液滴获得不同的释放高度，从而实现不同速度的碰撞。
该气固两相流中湿颗粒碰撞粘附/脱附可视化试验装置100，一方面可以通过调节湿度传感器162、数显真空计172、流量计、高度调节支架、颗粒供给管122以及更换碰撞颗粒、平面，实现不同湿度、不同真空度环境下，不同角度、不同碰撞速度条件下的微细颗粒碰撞过程的图像与碰撞力的同步采集；另一方面，可以通过改变微液滴的直径、种类、碰撞高度，以及碰撞平台的湿润性等特征，实现不同碰撞速度下的微液滴碰撞过程的图像与碰撞力的同步采集。可有效地模拟在制药、造粒、矿石烧结等工业应用中颗粒碰撞，同时可用于研究颗粒碰撞粘附与反弹机制、液滴反弹与铺展以及铺展过程中与界面的相互作用等，为颗粒聚团形成过程的理论研究提供有效的支撑。
根据本发明第二方面的一种气固两相流中湿颗粒粘附和脱附可视化试验装置100的试验方法，包括如下步骤：
S10：将待测颗粒（如磁铁矿粉/煤粉）置于光学显微镜145下观察，选取合适的颗粒，截取图像使用分析软件获取其粒径、球形度等信息；将微小力传感器131开机预热，并与计算机连接，打开配套控制软件，调零校准；将探针132安装在基座上，并固定在微小力传感器131上；将探针132从碰撞室121下方开孔螺母伸入碰撞室121中，使探针132位于颗粒供给管122正下方，并与颗粒供给管122中心处于同一直线；
S20：通过探针132蘸取微量胶水，将探针132与上述选取的颗粒粘附在一起；
S30：打开第一光源141，通过与计算机模块150相耦接的第一高倍相机142配套控制软件观察拍摄区域，调整第一高倍相机142的焦距，使拍摄区域内成像清晰；根据针尖位置使用调节机构调节第一高倍相机142高度，调整第一高倍相机142的焦距，使拍摄区域内成像清晰；
S40：打开真空泵171及所述的加湿器161，并根据实验工况条件调节合适参数；
S50：开启流量泵111（将微量（≤0.5g）事先干燥过的磁铁矿粉/煤粉颗粒放入颗粒准备器1121内），根据试验工况条件，迅速调节气流流量，待气流稳定后，由第一高倍相机142采集颗粒碰撞的图像信息，同时力传感器131采集颗粒碰撞力信息，并保存至计算机模块150内；即力传感器131控制软件自动采集颗粒碰撞力数据，并保存至后台计算机模块150的表格文件内。
S60：观察计算机模块150上显示的图像信息，选取合适的时间控制图像采集模块140停止拍摄；将拍摄的图像信息保存至计算机模块150中，以供后续图像处理；根据采集的碰撞力和图像的时间序列的对应关系实现图形信息和碰撞力信息的同步采集。
根据本发明第三方面的一种气固两相流中湿颗粒粘附和脱附可视化试验装置100的试验方法，包括如下步骤：
Q10：将待测液体加入自动进液器1122中，依次打开流量泵111和自动进液器1122，在不安装滴液针123的情况下，清洗试验装置100待测液体由自动进液器1122流出直至无固体颗粒杂质为止；
Q20：在清洗之后，安装滴液针123，并对碰撞室121进行清洁干燥处理，保证碰撞室121内的碰撞表面无异物，不影响液滴碰撞；
Q30：打开第一光源141，通过与计算机模块150相耦接的第一高倍相机142配套控制软件观察拍摄区域，调整第一高倍相机142的焦距，使拍摄区域内成像清晰；使用调节机构调节第一高倍相机142高度，调整第一高倍相机142的焦距，利用参照物使拍摄区域内成像清晰。
Q40：依次打开第二光源143和光学显微镜145，通过与计算机模块150相耦接的第二高倍相机146配套控制软件观察拍摄区域，驱动倒置光学显微镜145调焦，调整第二高倍相机146的焦距，利用参照物使拍摄区域内成像清晰；与此同时打开激光头133、激光采集器134，保证其正常工作；
Q50：打开流量泵111并调节气流流量，待气流稳定后，调节自动进液器1122，使得滴液针123的针尖稳定均匀产生液滴；由第一高倍相机142采集液滴碰撞的图像信息，同时力学参数采集模块130采集液滴的碰撞力信息，并保存至计算机模块150内；即点击第一高倍相机142控制软件的拍摄按钮，进行拍摄；同时激光采集器134发射和接受反射的激光信号，并保存。
Q60：观察计算机模块150上显示的图像信息，选取合适的时间控制图像采集模块140停止拍摄；将拍摄的图像信息保存至计算机模块150中，以供后续图像处理；根据采集的碰撞力和图像的时间序列的对应关系实现图形信息和碰撞力信息的同步采集。
上述两种试验方法（颗粒碰撞、液滴碰撞）不仅可以实现不同条件下的微细颗粒碰撞过程的图像与碰撞力的同步采集，还可以实现不同碰撞速度，不同直径液滴等条件下微液滴与不同湿润性表面碰撞过程图像与碰撞力的同步采集，能够有效地模拟在制药、造粒、矿石烧结等工业应用中颗粒碰撞，同时可用于研究颗粒碰撞粘附与反弹机制、液滴反弹与铺展以及铺展过程中与界面的相互作用等，为颗粒聚团形成过程的理论研究提供有效的支撑。
上文中参照优选的实施例详细描述了本发明所提出的气固两相流中湿颗粒粘附和脱附可视化试验装置100与方法的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各种技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。
Claims (7)
1.一种气固两相流中湿颗粒粘附和脱附可视化试验装置，其特征在于，包括：
供给模块（110），包括流量泵（111）和与之相连通的给料组件，其中，所述给料组件（112）在流量泵（111）的作用下提供待测颗粒；
碰撞模块（120），包括碰撞室（121），所述碰撞室（121）与所述给料组件（112）相连通，用于给待测颗粒提供发生碰撞的场所；其中，由流量泵（111）向给料组件（112）中输入气体流量，从而带动位于给料组件（112）中的待测颗粒向碰撞模块（120）中注入；
力学参数采集模块（130），用于采集所述碰撞模块（120）内待测颗粒之间形成的颗粒间的碰撞力信息；
图像采集模块（140），包括第一光源（141）和第一高倍相机（142），其中，所述第一光源（141）配置在所述碰撞室（121）的一侧，用于照射碰撞颗粒或者碰撞液滴，所述第一高倍相机（142）配置在所述碰撞室（121）的另一侧，用于采集碰撞颗粒或者碰撞液滴的图像信息；
计算机模块（150），与所述力学参数模块、图像采集模块（140）相耦接，用于接收所述碰撞力信息和所述图像信息并根据采集的碰撞力和图像的时间序列的对应关系实现图形信息和碰撞力信息的同步采集；
其中，所述力学参数采集模块（130）包括：探针（132），安装在所述碰撞室（121）内，且所述探针（132）的端头粘附待测颗粒；力传感器（131），与所述探针（132）相连接，且与所述计算机模块（150）相耦接，用于检测待测颗粒在探针（132）上的碰撞力信息。
2.根据权利要求1所述的气固两相流中湿颗粒粘附和脱附可视化试验装置，其特征在于，所述给料组件（112）包括：颗粒准备器（1121），
其包括进口端（11211）和与所述进口端（11211）相连通的出口端（11212），所述进口端（11211）适于与所述流量泵（111）相连通，所述出口端（11212）与所述碰撞室（121）的入料端（1211）相连通。
3.根据权利要求2所述的气固两相流中湿颗粒粘附和脱附可视化试验装置，其特征在于，还包括：湿度控制模块（160），其包括：
加湿器（161），其一端与所述流量泵（111）相连通，其另一端与所述碰撞室（121）的进气端（1212）相连通，用于调节所述碰撞室（121）内的湿度。
4.根据权利要求3所述的气固两相流中湿颗粒粘附和脱附可视化试验装置，其特征在于，所述湿度控制模块（160）还包括：
湿度传感器（162），其配置在所述加湿器（161）与所述碰撞室（121）之间，被配置为用于检测所述碰撞室（121）的进气端（1212）的湿度；
第一流量计（163），其设置在所述流量泵（111）与所述碰撞室（121）之间，被配置为用于检测和调节所述加湿器（161）的入口的流量。
5.根据权利要求2所述的气固两相流中湿颗粒粘附和脱附可视化试验装置，其特征在于，还包括：真空度控制模块（170），其包括：
真空泵（171），其与所述碰撞室（121）相连通，用于抽取所述碰撞室（121）内的空气形成真空环境；
真空计（172），连接在所述真空泵（171）与所述碰撞室（121）之间，被配置为用于检测所述碰撞室（121）的排气口的真空度。
6.根据权利要求2所述的气固两相流中湿颗粒粘附和脱附可视化试验装置，其特征在于，所述给料组件（112）包括：脉动蝶阀（1122），
其设置在所述出口端（11212）与所述入料端（1211）之间，被配置为产生不同脉动频率的气流。
7.一种如权利要求3所述的气固两相流中湿颗粒粘附和脱附可视化试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
S10：将待测颗粒置于光学显微镜（145）下观察，选取合适的颗粒，截取图像使用分析软件获取其粒径、球形度信息；
S20：通过探针（132）蘸取微量胶水，将探针（132）与上述选取的颗粒粘附在一起；
S30：打开第一光源（141），通过与计算机模块（150）相耦接的第一高倍相机（142）配套控制软件观察拍摄区域，调整第一高倍相机（142）的焦距，使拍摄区域内成像清晰；
S40：打开真空泵（171）及所述的加湿器（161），并根据实验工况条件调节合适参数；
S50：开启流量泵（111），根据试验工况条件，迅速调节气流流量，待气流稳定后，由第一高倍相机（142）采集颗粒碰撞的图像信息，同时力传感器（131）采集颗粒碰撞力信息，并保存至计算机模块（150）内；
S60：观察计算机模块（150）上显示的图像信息，选取合适的时间控制图像采集模块（140）停止拍摄；将拍摄的图像信息保存至计算机模块（150）中，以供后续图像处理；根据采集的碰撞力和图像的时间序列的对应关系实现图形信息和碰撞力信息的同步采集。
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Legal Events
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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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