CN115561119A - 一种垂直管道内固液两相流动特性测量的实验装置及方法 - Google Patents

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张旭辉
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任万龙
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Abstract

本发明公开一种垂直管道内固液两相流动特性测量的实验装置及方法，主要包括循环水箱、流体输送控制模块、颗粒堆积模块、温度和压力测量模块、图像采集模块。本发明可以实时测量垂直管道内固液两相流动的流量变化、温压变化、颗粒群运动形态变化，为垂直管颗粒物料输送规律的研究提供科学依据和技术支持。本发明也为垂直管道固液两相流动研究提供新的实验系统和测试技术，应用场景包括但不限于深海采矿、深海天然气水合物输送、食品工业、煤炭工业等。

Description

一种垂直管道内固液两相流动特性测量的实验装置及方法
技术领域
本发明属于深海采矿领域，具体涉及一种垂直管道内固液两相流动特性测量的实验装置及方法。
背景技术
垂直管道内的固液两相流动问题广泛存在于各个领域，如深海矿石的集矿机与管道结合的水力提升开采方法、深海天然气水合物的固态流化开采方法。管道内的固液两相流动规律与实际工程的开采效率息息相关。因此，研究垂直管道内的颗粒与流体相互作用规律至关重要。但是，这是一个多尺度流动结构间相互耦合协调的复杂动力学过程，并且受到多种因素的影响。此外，由于颗粒尺寸较大，管道壁面限制效应增强，从而产生更加复杂的流动形态。目前针对此问题的研究还很缺乏。因此，本发明提出一种垂直管道内两相流动(颗粒与流体)的实验测量装置。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种垂直管道内固液两相流动特性测量的实验装置及方法，以精细化控制循环流动流量以及清楚显示透明管道两相流动过程的相态变化。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种垂直管道内固液两相流动特性测量的实验装置，包括循环水箱、流体输送控制模块、颗粒堆积模块、温压测量模块和图像采集模块；循环水箱连接到流体输送控制模块，流体输送控制模块与颗粒堆积模块相连；温压测量模块与颗粒堆积模块相连，用于记录颗粒与流体相互作用过程中温度和压力的变化；所述图像采集模块用于采集颗粒运动图像；
所述流体输送控制模块包括变频计、变频泵、电磁流量计、开度阀；所述电磁流量计与变频计相连，所述变频计与变频泵相连，所述变频泵与开度阀相连；
所述颗粒堆积模块包括第一垂直管道、第二垂直管道和第三垂直管道；第一垂直管道、第二垂直管道和第三垂直管道从上到下顺次连接，第一垂直管道安装有电磁流量计；
循环水箱的上部开有两个进水孔，所述进水孔连接到第一垂直管道的上方形成闭环回路；循环水箱连接出水管，出水管通过变频泵、开度阀、水平管段连接第三垂直管道。
进一步地，所述第一垂直管道、第二垂直管道和第三垂直管道的长度分别为1.0m、0.5m和1.5m。
进一步地，所述第二垂直管道为可拆卸段，实验开始前拆开第二垂直管道装入一定数量的颗粒。
进一步地，所述第三垂直管道的底部装有一块金属滤网，起到支撑颗粒和使得流体通过金属滤网形成稳定的输送水流的作用。
进一步地，所述循环水箱用于为所述实验装置供应循环水，所述循环水箱的尺寸为1m×1m×1m，所述循环水箱的下方安装有储水阀门，出水管连接到变频泵上以控制出水量的大小。
进一步地，所述第三垂直管道与下部的水平管段用一快装法兰连接，拆卸方便。
进一步地，所述变频计与变频泵相连，控制变频泵的转速，转速范围为1-50转/秒；所述电磁流量计与变频计相连反馈当前流量并动态调整变频泵转速；用户输入设定的流量控制变频泵的转速，实现实时调整。
进一步地，所述温压测量模块在第三垂直管道共安装有4个温度测量传感器和4个压力测量传感器。
进一步地，所述图像采集模块包括控制电脑和摄像机，用于拍摄颗粒运动图像，所述摄像机包括长时摄像机。
本发明还提供一种垂直管道内固液两相流动特性测量的实验装置的实验方法，包括如下步骤：
步骤(1)开启开度阀，设定变频泵频率，实验装置预循环1分钟，清除管道内可能杂质；
步骤(2)关闭变频泵和开度阀，拆开第二垂直管道，向第三垂直管道内装入颗粒材料，将第二垂直管道装回；
步骤(3)开启开度阀，阶梯增大变频泵频率，直到电磁流量计显示为设定流量；
步骤(4)开启图像采集模块的摄像机，记录颗粒运动图像；
步骤(5)阶梯降低变频泵的频率至0，关闭开度阀，拆开水平管段上部法兰，取出颗粒材料，装回法兰；
步骤(6)从流体输送控制模块中导出流量、温度、压力数据用于后分析；
步骤(7)关闭电源。
有益效果：
本发明面向我国深海采矿领域的关键问题——长距离管道输送——提出一种管道内大尺寸颗粒与流体相互作用测量以及颗粒流态分析的实验装置。本发明的装置可精细化控制循环流动流量以及清楚显示透明管道内两相流动过程的相态变化。此外，该装置安装、拆卸方便，各部分模块化集成，使得实验效率得到提升且易于后续优化。再者，该装置可实时存储实验过程关键变量，实现了数据自动化高效采集。
附图说明
图1为本发明的一种垂直管道内固液两相流动特性测量的实验装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的垂直管道内固液两相流动特性测量的实验装置包括循环水箱1、流体输送控制模块2、颗粒堆积模块3、温压测量模块4和图像采集模块5。循环水箱1连接到流体输送控制模块2，流体输送控制模块2再与颗粒堆积模块3相连。温压测量模块4与颗粒堆积模块3相连。图像采集模块5独立，用于采集颗粒运动图像。
所述循环水箱1用于为整个实验装置供应循环水，所述循环水箱1的尺寸为1m×1m×1m。循环水箱1的下方安装有储水阀门，出水管6连接到变频泵上以控制出水量的大小。循环水箱1的上部开有两个进水孔，所述进水孔连接到第一垂直管道7、第二垂直管道8和第三垂直管道9的上方形成闭环回路。循环水箱1连接出水管6，出水管6通过变频泵、开度阀、水平管段10连接第三垂直管道9，第一垂直管道7再与循环水箱1相连。此设计可保证循环水系统不会受到外界干扰。
所述流体输送控制模块2主要包括变频计、变频泵、电磁流量计、开度阀。所述变频计与变频泵相连，控制变频泵的转速，转速范围为1-50转/秒。所述电磁流量计与变频计相连反馈当前流量并动态调整变频泵转速。用户只需输入设定的流量即可控制变频泵的转速，实现实时调整。所述开度阀的开度一般在30％-100％，主要作用一是防止实验装置在空闲时，循环水箱1内的水进入到垂直管道内，出现金属元器件锈蚀等问题。二是防止初始实验启动时，循环水箱1内的静水压过大使得流量不可控。因此实验开始前需把所述开度阀设定到最小值，随着输送循环流量稳定后再逐步增大开度阀的开度。变频计、变频泵、电磁流量计、开度阀的位置如图1所示，所述电磁流量计与变频计相连，所述变频计与变频泵相连，所述变频泵与开度阀相连。
所述颗粒堆积模块3包括金属滤网以及第一垂直管道7、第二垂直管道8和第三垂直管道9。所述第一垂直管道7内径为50mm，因此可根据体积、空隙率以及初始堆积高度换算得到实验所需的颗粒数量。第一垂直管道7、第二垂直管道8和第三垂直管道9从上到下顺次连接，长度自分别为1.0m、0.5m和1.5m。所述第三垂直管道9设置为1.5m，主要是因为两相流动相互作用段位于此区间且此区间图像记录也更为方便。中间的第二垂直管道8为可拆卸段，实验开始前拆开此段管道装入一定数量的颗粒。上部的第一垂直管道7安装有电磁流量计。由于电磁流量计的测量精度会受到颗粒物的影响，而此区间颗粒较少，因此可得到更为精确的管道内流体流量值。所述电磁流量计的测量范围为2-40m3/h，响应时间小于5ms，完全满足测量管段的需求。颗粒堆积区域位于第三垂直管道9的底部，底部安装有一块金属滤网。一方面起到支撑颗粒的作用，另一方面流体通过金属滤网形成稳定的输送水流。第三垂直管道9与下部的水平管段10用一快装法兰连接，拆卸方便。完成试验后可打开此快装法兰，取出管道内的颗粒。优选的，所述水平管段10为金属的。
所述温压测量模块4在第三垂直管道9共安装有4个温度测量传感器和4个压力测量传感器。所述压力测量传感器的测量范围为0-1Mpa，响应时间小于1.5ms。所述温度测量传感器的测量范围为10-100摄氏度。所述温压测量模块4主要记录颗粒与流体相互作用过程中温度和压力的变化。
所述图像采集模块5包括控制电脑和摄像机，用于拍摄颗粒运动图像。实验过程中，颗粒群的运动形态也是重要的物理量，因此本发明实验装置还安装有一台长时摄像机，其为型号为海康威视DS-2CE16C3T-IT3彩色摄像机，最长记录时长为12小时。每组实验中两相流的运动图像都完整记录用于后期分析。
本发明的垂直管道内固液两相流动特性测量的实验装置的使用过程为：(1)开启开度阀，设定变频泵频率，实验装置预循环1分钟，清除管道内可能杂质；(2)关闭变频泵和开度阀，拆开第二垂直管道8，向第三垂直管道9内装入颗粒材料，将第二垂直管道8装回；(3)开启开度阀，阶梯增大变频泵频率，直到电磁流量计显示为设定流量；(4)开启图像采集模块5的摄像机，记录颗粒运动图像；(5)阶梯降低变频泵的频率至0，关闭开度阀，拆开水平管段10上部法兰，取出颗粒材料，装回法兰；(6)从流体输送控制模块2中导出流量、温度、压力数据用于后分析；(7)关闭电源。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种垂直管道内固液两相流动特性测量的实验装置，其特征在于：包括循环水箱、流体输送控制模块、颗粒堆积模块、温压测量模块和图像采集模块；循环水箱连接到流体输送控制模块，流体输送控制模块与颗粒堆积模块相连；温压测量模块与颗粒堆积模块相连，用于记录颗粒与流体相互作用过程中温度和压力的变化；所述图像采集模块用于采集颗粒运动图像；
所述流体输送控制模块包括变频计、变频泵、电磁流量计、开度阀；所述电磁流量计与变频计相连，所述变频计与变频泵相连，所述变频泵与开度阀相连；
所述颗粒堆积模块包括第一垂直管道、第二垂直管道和第三垂直管道；第一垂直管道、第二垂直管道和第三垂直管道从上到下顺次连接，第一垂直管道安装有电磁流量计；
循环水箱的上部开有两个进水孔，所述进水孔连接到第一垂直管道的上方形成闭环回路；循环水箱连接出水管，出水管通过变频泵、开度阀、水平管段连接第三垂直管道。
2.根据权利要求1所述的一种垂直管道内固液两相流动特性测量的实验装置，其特征在于：所述第一垂直管道、第二垂直管道和第三垂直管道的长度分别为1.0m、0.5m和1.5m。
3.根据权利要求1所述的一种垂直管道内固液两相流动特性测量的实验装置，其特征在于：所述第二垂直管道为可拆卸段，实验开始前拆开第二垂直管道装入一定数量的颗粒。
4.根据权利要求1所述的一种垂直管道内固液两相流动特性测量的实验装置，其特征在于：所述第三垂直管道的底部装有一块金属滤网，起到支撑颗粒和使得流体通过金属滤网形成稳定的输送水流的作用。
5.根据权利要求1所述的一种垂直管道内固液两相流动特性测量的实验装置，其特征在于：所述循环水箱用于为所述实验装置供应循环水，所述循环水箱的尺寸为1m×1m×1m，所述循环水箱的下方安装有储水阀门，出水管连接到变频泵上以控制出水量的大小。
6.根据权利要求1所述的一种垂直管道内固液两相流动特性测量的实验装置，其特征在于：所述第三垂直管道与下部的水平管段用一快装法兰连接，拆卸方便。
7.根据权利要求1所述的一种垂直管道内固液两相流动特性测量的实验装置，其特征在于：所述变频计与变频泵相连，控制变频泵的转速，转速范围为1-50转/秒；所述电磁流量计与变频计相连反馈当前流量并动态调整变频泵转速；用户输入设定的流量控制变频泵的转速，实现实时调整。
8.根据权利要求1所述的一种垂直管道内固液两相流动特性测量的实验装置，其特征在于：所述温压测量模块在第三垂直管道共安装有4个温度测量传感器和4个压力测量传感器。
9.根据权利要求1所述的一种垂直管道内固液两相流动特性测量的实验装置，其特征在于：所述图像采集模块包括控制电脑和摄像机，用于拍摄颗粒运动图像，所述摄像机包括长时摄像机。
10.根据权利要求1-9之一所述的一种垂直管道内固液两相流动特性测量的实验装置的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)开启开度阀，设定变频泵频率，实验装置预循环1分钟，清除管道内可能杂质；
步骤(2)关闭变频泵和开度阀，拆开第二垂直管道，向第三垂直管道内装入颗粒材料，将第二垂直管道装回；
步骤(3)开启开度阀，阶梯增大变频泵频率，直到电磁流量计显示为设定流量；
步骤(4)开启图像采集模块的摄像机，记录颗粒运动图像；
步骤(5)阶梯降低变频泵的频率至0，关闭开度阀，拆开水平管段上部法兰，取出颗粒材料，装回法兰；
步骤(6)从流体输送控制模块中导出流量、温度、压力数据用于后分析；
步骤(7)关闭电源。
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