專利名稱：不規(guī)則外形顆粒曳力系數(shù)的測量裝置和測量方法
不規(guī)則外形顆粒曳力系數(shù)的測量裝置和測量方法本發(fā)明涉及一種氣固兩相流中，用于測量不規(guī)則外形顆粒曳力系數(shù)的裝置及方法，屬于流化床和多相流測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
可燃固體廢棄物資源化利用是緩解傳統(tǒng)化石能源供給壓力，促進(jìn)多元化能源結(jié)構(gòu)形成，以及減少固體廢棄物污染的有效途徑?？扇脊腆w廢棄物主要包括可燃工業(yè)固體廢棄物，可燃生活垃圾和可燃農(nóng)林廢棄物三類，對以上三類可燃固體廢棄物的處理以熱化學(xué)方法為主，即將這些固體廢棄物顆粒在流化狀況下，通過燃燒，氣化和熱解等方式轉(zhuǎn)化為燃料或化工原料。與常規(guī)的燃煤流化床相比，固體廢棄物流化床在氣固流動與傳遞方面具有自身的 特點和難度，顆粒形狀、大小和尺寸奇異，如柱狀、條狀、錐狀、環(huán)狀、片狀、塊狀等。顆粒的形狀改變了顆粒與湍流的相互作用，特別是顆粒在流場中的受力、運(yùn)動和傳遞機(jī)制變得異常復(fù)雜。曳力是顆粒受到流場的攜帶力，是氣固相互作用關(guān)鍵特征參數(shù)之一，是描述氣固間動量和能量傳遞的核心參數(shù)，對氣固流態(tài)化反應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計、計算和優(yōu)化具有重要的意義。然而，由于缺乏科學(xué)的測量裝置與測量方法，不規(guī)則外形顆粒的曳力機(jī)制至今未被完全掌握，固體廢棄物熱處理反應(yīng)器的設(shè)計計算缺乏可靠的異型顆粒曳力系數(shù)模型，如在固體廢棄物流化床的設(shè)計計算或數(shù)值模擬優(yōu)化時，通常的做法是采用“球形系數(shù)”來修正經(jīng)典的球形顆粒曳力模型。這種近似處理，在設(shè)計計算和科學(xué)研究上常常會帶來的很大的誤差甚至是錯誤。亟需發(fā)明不規(guī)則外形顆粒曳力系數(shù)的測量裝置和測量方法。一直以來，流化床和多相流測量技術(shù)領(lǐng)域的測量裝置和測量方法大多被國外科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的專利所壟斷。針對國家重大需求，發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的不規(guī)則外形顆粒曳力系數(shù)的測量裝置和測量方法具有重要的現(xiàn)實意義。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明旨在提出一種不規(guī)則外形顆粒曳力系數(shù)的測量裝置和測量方法。采用兩個CCD高速相機(jī)聯(lián)用成像，同時捕捉顆粒的運(yùn)動狀態(tài)和投影面積變化，
實現(xiàn)對各種不規(guī)則外形顆粒曳力測量的普遍適應(yīng)性。技術(shù)方案本發(fā)明的不規(guī)則外形顆粒曳力系數(shù)的測量裝置，使用透明材質(zhì)制作一方形管道，方形管道外水平布置一臺橫向CXD高速攝相機(jī)，拍攝方向與方形管道壁面垂直；在方形管道正上方同時布置一臺豎向CCD高速攝相機(jī)，拍攝方向豎直向下；在豎向CCD高速攝相機(jī)的一側(cè)布置有一個顆粒電磁夾持裝置，橫向CCD高速攝相機(jī)依次與控制器、XOY方向視頻采集裝置、計算機(jī)相串聯(lián)，豎向CCD高速攝相機(jī)依次與控制器、XOZ方向視頻采集裝置、計算機(jī)相串聯(lián)；顆粒電磁夾持裝置依次與一臺控制器、計算機(jī)相串聯(lián)；橫向CCD高速攝相機(jī)和豎向CCD高速攝相機(jī)分別配備有廣角鏡頭與遠(yuǎn)攝鏡頭。所述的顆粒電磁夾持裝置由鋁材制成，總長度在0. 3-1米之間，夾持爪張角在100-120度之間，夾持爪間夾持力在1-10公斤之間且可調(diào)節(jié)，固定于可升降裝置上，由控制器控制；通過控制電磁鐵吸合銜鐵的動作，使夾持爪發(fā)生聯(lián)動，進(jìn)而實現(xiàn)對顆粒的加持和釋放。方形管道外水平布置且拍攝方向與方形管道壁面垂直的橫向CCD高速攝相機(jī)，透過方形管道透明壁面，高速記錄下顆粒的下降過程，幀速率大于500幀每秒，以便獲得顆粒下降過程中的實時速度與加速度；在方形管道正上方布置且拍攝方向豎直向下的豎向CCD高速攝相機(jī)，也同時高速記錄下顆粒的下降過程，幀速率大于500幀每秒，以便獲得顆粒下降過程中的實時投影面積；通過曳力系數(shù)的數(shù)學(xué)模型最終求得實時的顆粒曳力系數(shù)。顆粒曳力系數(shù)的測量過程如下被測顆粒首先由顆粒電磁夾持裝置牢固加持，計算機(jī)由串口向控制器發(fā)出測量開始指令后，控制器首先啟動豎向CCD高速攝相機(jī)、第二 CCD高速相機(jī)、XOY方向視頻采集裝置和XOZ方向視頻采集裝置，在以上四個設(shè)備啟動成功后延 時約0. 5-1秒后，控制器控制顆粒電磁夾持裝置做出釋放動作，精確控制顆粒的釋放時間和釋放姿態(tài)。顆粒釋放后，在方形管道中逆氣流方向下落，豎向CCD高速攝相機(jī)和橫向CCD高速攝相機(jī)以相同幀速率同步將顆粒的運(yùn)動過程拍攝下來，拍攝幀速率約為500-750幀每秒。由豎向CCD高速攝相機(jī)拍攝的XOY平面投影圖象序列和由橫向CCD高速攝相機(jī)拍攝的XOZ平面投影圖象序列分別被XOY方向視頻采集裝置與XOZ方向視頻采集裝置捕獲，傳入計算機(jī)中，并被計算機(jī)顯示、分析和存儲。XOY平面投影圖象序列中包含有實時的顆粒投影面積S的信息，而XOZ平面投影圖象序列中包含有實時的顆粒運(yùn)動速度r和加速度a信息。在已知顆粒的體積K、顆粒的密度P、流體的密度P f，重力加速度^ ，管道中氣流速度Vf的情況下，就可以根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型求出G。測量用的數(shù)學(xué)模型如下
如圖3所不，圖中為顆粒12的運(yùn)動和受力狀態(tài)。K為顆粒運(yùn)動速度，a為運(yùn)動加速度，4為氣流速度。顆粒所受到的重力-.G=P Vg 顆粒所受到的浮力=Fb=^f呍
顆粒所受到的曳力FD=0.vf)2
顆粒的受力分析Va=G- Fb -Fd 有上述式可得
Cb = 2v{pg -- p fg - pa)j pf\v + vfJs
由此可以計算得出顆粒的實時曳力系數(shù)。上述模型只是一種可用的計算方法，不是唯一方法，可根據(jù)實際情況進(jìn)行簡化或修改。有益效果本發(fā)明提出的不規(guī)則外形顆粒曳力系數(shù)測量方法具有如下的特色及優(yōu)
占-
^ \\\
(I)非接觸式測量，測量過程不干擾方形管道內(nèi)的氣固流動，較之介入式測量準(zhǔn)確。(2)可應(yīng)用的氣速范圍廣。相較傳統(tǒng)的沉降測量法，該裝置可以方便的調(diào)節(jié)氣速，實現(xiàn)不同雷諾數(shù)下的測量，從而方便得出較為普適曳力系數(shù)規(guī)律。(3)顆粒適應(yīng)范圍廣。因為運(yùn)用俯視投影圖象實現(xiàn)了顆粒投影面積的實時測量，克服了以往不規(guī)則外形顆粒投影面積難測導(dǎo)致的不規(guī)則外形顆粒曳力系數(shù)測量困難的問題。(4)豎向CXD高速攝相機(jī)和橫向CXD高速攝相機(jī)拍攝速度可達(dá)500-750幀每秒，可以捕捉0. 002-0. 0013秒內(nèi)的顆粒的運(yùn)動過程，滿足了對顆粒速度和加速度的實時測量。
(5)使用電子控制的顆粒電磁夾持裝置，有效實現(xiàn)了對顆粒釋放時間和釋放姿態(tài)準(zhǔn)確控制，減少了人工釋放對測量過程的影響。(6)使用計算機(jī)控制整個測量過程，并自動完成后期數(shù)據(jù)處理，提高了曳力測量過程的自動化程度，提高了效率和準(zhǔn)確性。


圖I是本發(fā)明的顆粒曳力測量裝置示意圖。圖2是本發(fā)明中使用的顆粒電磁夾持裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為測量方法示意圖。以上圖中有其中有方形管道I、布風(fēng)板2、豎向CXD高速攝相機(jī)3、遠(yuǎn)攝鏡頭4、橫向CCD高速攝相機(jī)5、廣角鏡頭6、顆粒電磁夾持裝置7、控制器8、XOY方向視頻采集裝置9、XOZ方向視頻采集裝置10、計算機(jī)11、顆粒12、外殼13、支撐柱14、夾持爪15、活動連桿16、復(fù)位彈簧17、彈簧限位擋板18、銜鐵19和電磁鐵20。G、Fb、Fd分別為顆粒12所受到的重力，浮力和曳力和a為顆粒12運(yùn)動的速度和加速度；4為氣流速度。
具體實施例方式本發(fā)明方法的基本思路如下測量過程在一使用透明材質(zhì)制作的方形管道中進(jìn)行，方形管道下部放有一布風(fēng)板，使自管道下部流出的氣流均勻流動。在方形管道正上方同時布置一臺豎向(XD高速攝相機(jī)3,拍攝方向豎直向下；在方形管道外水平布置一臺橫向CCD高速攝相機(jī)5，拍攝方向與方形管道壁面垂直。豎向CCD高速攝相機(jī)3 —側(cè)同時布置有一顆粒電磁夾持裝置。豎向C⑶高速攝相機(jī)3、橫向C⑶高速攝相機(jī)5和顆粒電磁夾持裝置同時與一控制器相連?？刂破魍ㄟ^串口被計算機(jī)控制，并且擁有兩個視頻信號輸出端口，分別接入XOY方向視頻采集裝置和XOZ方向視頻采集裝置，XOY方向視頻采集裝置和XOZ方向視頻采集裝置也與計算機(jī)相連。為增大橫向CCD高速攝相機(jī)5的拍攝視野，以便捕捉更長時間的顆粒運(yùn)動過程，橫向CCD高速攝相機(jī)5配備了廣角鏡頭6，相對的，為了增大豎向CCD高速攝相機(jī)3的拍攝遠(yuǎn)度，以準(zhǔn)確捕捉遠(yuǎn)去的顆粒圖象，豎向CCD高速攝相機(jī)3配備了遠(yuǎn)攝鏡頭4。用于加持和釋放顆粒的顆粒電磁夾持裝置總長度約為0. 5-1米，由外殼，支撐柱，夾持爪，活動連桿，復(fù)位彈簧，彈簧限位擋板，銜鐵和電磁鐵幾部分組成。夾持爪最大張角在100-120度之間，夾持爪間加持力在1-10公斤之間且可調(diào)節(jié)，整個顆粒電磁夾持裝置可以固定在可升降的支架上。電磁鐵未通電時，在復(fù)位彈簧的作用下，活動連桿向前推動夾持爪的后端，使夾持爪前端呈放松狀態(tài)，便于顆粒的安置。安置好顆粒后開啟控制器，顆粒電磁夾持裝置的電磁鐵上電，吸引位于活動連桿末端的銜鐵，在電磁力的作用下，活動連桿向后拉動夾持爪的后端，使夾持爪前端呈加緊狀態(tài)，顆粒被加緊。通過調(diào)節(jié)活動連桿上的彈簧限位擋板，可以調(diào)節(jié)夾持爪的加持力度。釋放指令由計算機(jī)發(fā)出，通過串口傳遞給控制器，控制器停止向電磁鐵供電，夾持爪快速張開，顆粒被釋放。
下面參照圖I和圖2具體說明本發(fā)明的技術(shù)路線和目標(biāo)的實現(xiàn)
如圖I所示，在一個豎直布置的方形管道I下部放入布風(fēng)板2，布風(fēng)板孔直徑為5毫米，孔間距為8毫米。方形管道I的正上方出口和正前方分別布置豎向CXD高速攝相機(jī)3和橫向CCD高速攝相機(jī)5，拍攝方向分別為豎直向下和垂直于方形管道I正壁面。選用直徑約為8毫米，長度為15毫米的環(huán)氧樹脂圓柱顆粒12作為被測顆粒，顆粒電磁夾持裝置7使用3003號鋁合金材料制成，長度為0. 5米，夾持爪15最大張角為100度，夾持爪15間加持力調(diào)整在2公斤。使用鑷子夾住被測顆粒12，將顆粒最大截面面向來流氣體并置于放松的顆粒電磁夾持裝置7的夾持爪15之間，之后開啟控制器8，顆粒電磁夾持裝置7的電磁鐵20上電，夾持爪15收緊加持住顆粒。測量實驗開始前首先開啟方形管道I的空氣A，使方形管道I中有氣流勻速流過，氣速調(diào)節(jié)至2米每秒。與此同時開啟安放在方形管道I上方和正面的豎向CCD高速攝相機(jī)3和橫向CXD高速攝相機(jī)5，以及XOY方向視頻采集裝置9、XOZ方向視頻采集裝置10和計算機(jī)11。設(shè)置拍攝速度為700幀每秒，豎向CXD高速攝相機(jī)3前則配有80毫米的遠(yuǎn)攝鏡頭4，橫向CCD高速攝相機(jī)5前安裝有28毫米的廣角鏡頭6。計算機(jī)11首先向控制器8發(fā)出測量開始指令，控制器8即同時向豎向CCD高速攝相機(jī)3和橫向CCD高速攝相機(jī)5發(fā)出開始拍攝信號，兩臺相機(jī)開始同步拍攝，輸出的數(shù)字視頻信號經(jīng)由控制器8之后分別被XOY方 向視頻采集裝置9和XOZ方向視頻采集裝置10捕獲和緩存之后，傳輸至計算機(jī)11進(jìn)行顯示，分析和存儲。經(jīng)過約500毫秒的延時之后，控制器8停止向顆粒電磁夾持裝置7的電磁鐵20供電，夾持爪15放松，以特定姿態(tài)釋放顆粒12。橫向CCD高速攝相機(jī)5拍攝顆粒12的下降軌跡，由計算機(jī)11通過每幀間的時間間隔獲得顆粒12下落過程中的實時加速度a和速度r，豎向CCD高速攝相機(jī)3拍攝遠(yuǎn)去的顆粒12,由計算機(jī)11通過分析每巾貞中顆粒成像大小，判斷顆粒實時的投影面積S。曳力系數(shù)Cd即可通過數(shù)學(xué)模型計算出來。
權(quán)利要求
1.一種不規(guī)則外形顆粒曳力系數(shù)的測量裝置，其特征在于使用透明材質(zhì)制作一方形管道(1)，方形管道(I)外水平布置一臺橫向CXD高速攝相機(jī)(5)，拍攝方向與方形管道(I)壁面垂直；在方形管道(I)正上方同時布置一臺豎向(XD高速攝相機(jī)(3),拍攝方向豎直向下；在豎向CXD高速攝相機(jī)(3)的一側(cè)布置有一個顆粒電磁夾持裝置(7)，橫向CXD高速攝相機(jī)(5 )依次與控制器(8 )、XOY方向視頻采集裝置(9 )、計算機(jī)(11)相串聯(lián)，豎向CXD高速攝相機(jī)(3)依次與控制器(8)、XOZ方向視頻采集裝置(10)、計算機(jī)(11)相串聯(lián)；顆粒電磁夾持裝置(7 )依次與一臺控制器(8 )、計算機(jī)(11)相串聯(lián)；橫向CXD高速攝相機(jī)(5 )和豎向CCD高速攝相機(jī)(3)分別配備有廣角鏡頭(6)與遠(yuǎn)攝鏡頭(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的不規(guī)則外形顆粒曳力系數(shù)的測量裝置，其特征在于所述的顆粒電磁夾持裝置(7)由鋁材制成，總長度在0. 3-1米之間，夾持爪(15)張角在100-120度之間，夾持爪(15)間夾持力在1-10公斤之間且可調(diào)節(jié)，固定于可升降裝置上，由控制器(8)控制；通過控制電磁鐵(20)吸合銜鐵的動作，使夾持爪(15)發(fā)生聯(lián)動，進(jìn)而實現(xiàn)對顆粒的加持和釋放。
3.—種如權(quán)利要求I所述的不規(guī)則外形顆粒曳力系數(shù)的測量裝置的測量方法，其特征在于方形管道(I)外水平布置且拍攝方向與方形管道(I)壁面垂直的橫向CXD高速攝相機(jī)(5)，透過方形管道(I)透明壁面，高速記錄下顆粒(12)的下降過程，幀速率大于500幀每秒，以便獲得顆粒(12)下降過程中的實時速度與加速度；在方形管道(I)正上方布置且拍攝方向豎直向下的豎向CCD高速攝相機(jī)(3 ),也同時高速記錄下顆粒(12 )的下降過程,巾貞速率大于500幀每秒，以便獲得顆粒(12)下降過程中的實時投影面積；通過曳力系數(shù)的數(shù)學(xué)模型最終求得實時的顆粒曳力系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種不規(guī)則外形顆粒曳力系數(shù)的精確測量方法，在透明的方形管道正上方布置一臺拍攝方向豎直向下的豎向CCD高速攝相機(jī)，同時在方形管道外水平布置一臺拍攝方向與方形管道壁面垂直的橫向CCD高速攝相機(jī)。使用顆粒電磁夾持裝置逆方形管道氣流方向自由釋放一個顆粒，通過分析兩個CCD高速相機(jī)拍攝的XOY平面投影圖象序列和XOZ平面投影圖象序列，獲得顆粒的曳力系數(shù)。在對流場無干擾的情況下，實現(xiàn)對顆粒曳力系數(shù)實時和準(zhǔn)確測量。
文檔編號G01N15/00GK102661912SQ20121013357
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月3日
發(fā)明者任冰, 邵應(yīng)娟, 金保昇, 鐘文琪, 陳曦 申請人:東南大學(xué)