專利名稱：用于研究矩形通道內兩相脈動流流動特性的實驗與測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種研究兩相脈動流流動特性的實驗及測量裝置。
背景技術：
兩相流動現(xiàn)象在熱能動力裝置及核動力裝置中經常發(fā)生，其中，氣液兩相流的脈動現(xiàn)象對于許多工業(yè)設備和系統(tǒng)的設計和運行來說尤為重要，因此國內外許多學者對此做出了大量的研究。這些研究多基于矩形通道內兩相流的流動特性和脈動工況下單相流的流動特性的實驗，例如王廣飛等發(fā)表在2011年第11期《原子能科學技術》上的《搖擺狀態(tài)下窄矩形通道內兩相流流型特性研究》，此文中采用的是使用搖擺實驗系統(tǒng)，實驗中產生了流量波動(一種脈動流)，這種方法需要搭建搖擺實驗臺，不僅造價昂貴，搭建周期長，操作復雜，而且需要耗費大量的人力物力進行維護；再如賈輝等發(fā)表在2011年02期《原子能科學技術》上的《不穩(wěn)定條件下水平管單相水流動阻力特性實驗研究》，此文中采用了變頻器與離心泵相結合的形式來模擬脈動流，但是文中的實驗裝置僅能對單相流的流動特性做出研究，無法對兩相流進行研究?，F(xiàn)今已有的研究所用氣體工質一般有兩種來源第一種是采用空氣壓縮機，這種方法會產生很大的噪音和振動，對實驗數(shù)據(jù)的準確性會產生很大的影響，同時還會遇到壓力不穩(wěn)定的問題；第二種是采用加熱使水沸騰的方法，專門用于研究流動沸騰換熱、蒸汽-水兩相流動。如果將第二種方法僅用于研究兩相流的流動特性，則不但因為需要耗費大量的電能而提高了成本，還加大了實驗回路的復雜性，同時也對實驗管路的絕緣性能和安全性提出了較高的要求。這兩種方法都很費時費力，花費不菲。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種不但研究范圍廣，分析方法多，測量數(shù)據(jù)精度高，結果分析準確，而且造價低廉，搭建方便，操作簡單，同時也很環(huán)保的用于研究矩形通道內兩相脈動流流動特性的實驗與測量裝置。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的包括由水箱、離心泵、液體流量計和溫度計依次連接構成的水支路，由氮氣瓶、兩級減壓裝置、氣體流量計和逆止閥依次連接構成的氣支路，實驗段和采集系統(tǒng)；儲存在水箱中的去離子水由離心泵抽出、經過液體流量計和溫度計后進入氣水混合裝置；氮氣瓶中的氮氣的經兩級減壓裝置減壓后、再經過氣體流量計和逆止閥進入氣水混合裝置；進入氣水混合裝置的去離子水和氮氣經過充分混合后進入實驗段，實驗段上連接有差壓變送器，實驗段正上方設置攝像機，去離子水由實驗段返回水箱循環(huán)使用，氮氣則直接排入大氣；所述采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集板和計算機，液體流量計、差壓變送器和氣體流量計連接數(shù)據(jù)采集板，數(shù)據(jù)采集板和攝像機連接計算機，計算機中的正弦波生成軟件生成一個正弦波信號傳送給變頻器，變頻器模擬實際中的各種脈動流控制離心泵。本發(fā)明的用于研究矩形通道內兩相脈動流流動特性的實驗與測量裝置還可以包括I、水支路設置有用于調節(jié)水流量的旁通管路，所述旁通管路包括連接于水箱與離心泵出口之間的第一旁通管路，連接于液體流量計進出口之間的第二旁通管路。2、所述氣水混合裝置由兩個外形一樣、大小不一的梭形圓筒套裝組合而成，兩個梭形圓筒的半徑相差2mm,即兩個套筒之間有一個厚度為2mm的圓環(huán)形空間，外側梭形圓筒與上、下兩個法蘭焊接，內側梭形圓筒與上法蘭連接、與下法蘭留有一個環(huán)形空隙，氣體由進氣口進入圓環(huán)形空間，然后向下由環(huán)形空隙與由進水口進入的去離子水一同進入混合腔，經過充分混合后經出口進入實驗段，在出口處設有高目數(shù)篩網。3、在實驗段下方設置白色常亮光源和毛玻璃。本發(fā)明是為了研究矩形通道內兩相脈動流流動特性而設計的一種實驗及測量系統(tǒng)，本發(fā)明的優(yōu)勢在于(I)采用變頻器與離心泵結合的方法，來模擬實際工業(yè)設備和系統(tǒng)中的脈動流。采用這種方法，再配以正弦波生成軟件，可以模擬任意一種實際中的脈動流動工況，方便、快捷，而且造價低廉；(2)本發(fā)明中所采用的氣水混合裝置可以達到很好的氣水混合效果，從而減少實驗段入口段部分的長度，使流型發(fā)展更加充分，同時為防止混合過程中產生較大的氣泡，在出口處設有篩網，將大氣泡打碎，使氣水進一步混合；(3)本發(fā)明中，不僅采用流量計和壓差計來采集實驗數(shù)據(jù)，還使用了高清攝像機拍攝實時的實驗畫面，從而可以采用多種分析方法對矩形通道內的兩相流動特性進行分析研究。同時在實驗段下方設置有毛玻璃和白色常亮光源，這樣不但可以得到較亮的圖像，同時還消除了畫面中的暗痕；(4)本發(fā)明中，采用氮氣作為氣體工質，不但價格低廉，安裝和操作方便，而且非常安全環(huán)保，并且為了得到壓力穩(wěn)定且精確的氣體工質，采用了兩級減壓裝置；(5)本發(fā)明中，采用實驗數(shù)據(jù)處理和實驗錄像分析相結合的方式來研究矩形通道內兩相脈動流流動特性，可以使研究結論更準確。


圖I為本發(fā)明的基本結構示意圖；圖2為本發(fā)明的詳細結構示意圖；圖3a為本發(fā)明的脈動流生成系統(tǒng)不意圖，圖3b為脈動流不意圖；圖4為本發(fā)明的氣水混合裝置示意圖；圖5為本發(fā)明中采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細的描述結合圖2，包括水支路、氣支路、實驗段和采集系統(tǒng)四個部分。其中水支路中的主要設備包括帶有排污管2的水箱I、旁通回路3、離心泵4、變頻器5、液體流量計6和溫度計7 ;氣支路中的主要設備有逆止閥12、氣體流量計13、兩級減壓裝置14和氮氣瓶15 ;實驗段部分主要包括氣水混合裝置8，差壓變送器9以及實驗段10 ;采集系統(tǒng)部分主要包括一臺高清攝像機11、一臺電腦16和一套NI數(shù)據(jù)采集板17,其中高清攝像機11架設于實驗段的正上方，實時拍攝流動畫面。儲存在水箱I中的去離子水被離心泵4抽送進實驗回路，經過液體流量計6和溫度計7后進入氣水混合裝置8 ;與此同時，儲存在氮氣瓶15中的氮氣經兩級減壓裝置14減壓后進入實驗回路，再經過氣體流量計13和逆止閥12進入氣水混合裝置8。進入氣水混合裝置8的去離子水和氮氣經過充分混合后進入實驗段10，最后去離子水返回水箱I循環(huán)使用，氮氣則直接排入大氣。在水支路中，可以加入旁通管路，用于調節(jié)水流量；采用多個液體流量計分流區(qū)測量流量。結合圖3，在本發(fā)明中，采用離心泵4與變頻器5結合的方法，來模擬實際工業(yè)設備和系統(tǒng)中的脈動流。在實驗時，首先由電腦中的正弦波生成軟件生成一個正弦波信號傳送給變頻器5，然后變頻器5就會按照所接受的正弦信號控制離心泵4，使其轉速按照正弦波的形式變化，而流量與離心泵4的轉速是成正比的，由此得到實驗所需的脈動流，使用這種方法，可以方便快捷地模擬任意一種實際中的脈動流動工況，而且造價低廉。結合圖4，在本發(fā)明中，去離子水和減壓后的氮氣在豎直放置的氣水混合裝置8中混合。其中去離子水經由下法蘭20進入混合腔，而氮氣從氣體入口 21進入由內套管22和外套管23構成的圓環(huán)形空間，然后向下在環(huán)形空隙出口與進入的去離子水一同進入梭形混合腔混合，在經過充分混合后由上法蘭24排出，進入實驗段10。其中為了防止混合過程中產生較大的氣泡，在出口處設有高目數(shù)的篩網25，將大氣泡打碎，使氣水進一步混合。采用本發(fā)明中的氣水混合裝置，可以減少混合中產生的大氣泡，使氣水更加充分的混合，從而減少實驗段入口段的長度，使流型發(fā)展得更加充分。實驗段可以根據(jù)需要更換成不同長度、當量直徑的矩形管道。結合圖5，本發(fā)明中，液體流量計6、差壓變送器9和氣體流量計13所測得的數(shù)據(jù)信號，均由NI數(shù)據(jù)采集板17采集，并同高清攝像機11所拍攝的流動畫面一起存入電腦16中待處理，其中，為了提高攝像機的拍攝效果，在實驗段10下方設置了白色常亮光源18和毛玻璃19。在實驗中采用氮氣作為實驗工質，由氮氣瓶經兩級減壓后得到，第一級減壓器高端壓力為15MPa，低端壓力為O. I 1.6MPa，精度為O. IMPa ;第二級減壓器高端壓力為O. 9MPa，低端壓力為O. 05MPa，精度為O. 02MPa。
權利要求
1.一種用于研究矩形通道內兩相脈動流流動特性的實驗與測量裝置，其特征是包括由水箱、離心泵、液體流量計和溫度計依次連接構成的水支路，由氮氣瓶、兩級減壓裝置、氣體流量計和逆止閥依次連接構成的氣支路，實驗段和采集系統(tǒng)；儲存在水箱中的去離子水由離心泵抽出、經過液體流量計和溫度計后進入氣水混合裝置；氮氣瓶中的氮氣的經兩級減壓裝置減壓后、再經過氣體流量計和逆止閥進入氣水混合裝置；進入氣水混合裝置的去離子水和氮氣經過充分混合后進入實驗段，實驗段上連接有差壓變送器，實驗段正上方設置攝像機，去離子水由實驗段返回水箱循環(huán)使用，氮氣則直接排入大氣；所述采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集板和計算機，液體流量計、差壓變送器和氣體流量計連接數(shù)據(jù)采集板，數(shù)據(jù)采集板和攝像機連接計算機，計算機中的正弦波生成軟件生成一個正弦波信號傳送給變頻器，變頻器模擬實際中的各種脈動流控制離心泵。
2.根據(jù)權利要求I所述的用于研究矩形通道內兩相脈動流流動特性的實驗與測量裝置，其特征是水支路設置有用于調節(jié)水流量的旁通管路，所述旁通管路包括連接于水箱與離心泵出口之間的第一旁通管路，連接于液體流量計進出口之間的第二旁通管路。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的用于研究矩形通道內兩相脈動流流動特性的實驗與測量裝置，其特征是所述氣水混合裝置由兩個外形一樣、大小不一的梭形圓筒套裝組合而成，兩個梭形圓筒的半徑相差2_，即兩個套筒之間有一個厚度為2_的圓環(huán)形空間，外側梭形圓筒與上、下兩個法蘭焊接，內側梭形圓筒與上法蘭連接、與下法蘭留有一個環(huán)形空隙，氣體由進氣口進入圓環(huán)形空間，然后向下由環(huán)形空隙與由進水口進入的去離子水一同進入混合腔，經過充分混合后經出口進入實驗段，在出口處設有高目數(shù)篩網。
4.根據(jù)權利要求I或2所述的用于研究矩形通道內兩相脈動流流動特性的實驗與測量裝置，其特征是在實驗段下方設置白色常亮光源和毛玻璃。
5.根據(jù)權利要求3所述的用于研究矩形通道內兩相脈動流流動特性的實驗與測量裝置，其特征是在實驗段下方設置白色常亮光源和毛玻璃。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種用于研究矩形通道內兩相脈動流流動特性的實驗與測量裝置。儲存在水箱中的去離子水由離心泵抽出、經過液體流量計和溫度計后進入氣水混合裝置；氮氣的經兩級減壓裝置減壓后、再經過氣體流量計和逆止閥進入氣水混合裝置；去離子水和氮氣經過充分混合后進入實驗段，實驗段上連接有差壓變送器、正上方設置攝像機；液體流量計、差壓變送器和氣體流量計連接數(shù)據(jù)采集板，數(shù)據(jù)采集板和攝像機連接計算機，計算機中的正弦波生成軟件生成一個正弦波信號傳送給變頻器控制離心泵。本發(fā)明用于研究矩形通道內兩相脈動流流動特性的實驗及測量。不但研究范圍廣，分析方法多，測量數(shù)據(jù)精度高，結果分析準確，而且造價低廉，搭建方便，操作簡單。
文檔編號G01N11/00GK102928319SQ20121040298
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月22日 優(yōu)先權日2012年10月22日
發(fā)明者高璞珍, 田競達, 周豹, 譚思超, 田瑞峰 申請人:哈爾濱工程大學