用于研究矩形通道内两相脉动流流动特性的实验与测量装置

技术领域

本发明涉及的是一种研究两相脉动流流动特性的实验及测量装置。

背景技术

两相流动现象在热能动力装置及核动力装置中经常发生，其中，气液两相流的脉动现象 对于许多工业设备和系统的设计和运行来说尤为重要，因此国内外许多学者对此做出了大量 的研究。这些研究多基于矩形通道内两相流的流动特性和脉动工况下单相流的流动特性的实 验，例如王广飞等发表在2011年第11期《原子能科学技术》上的《摇摆状态下窄矩形通道 内两相流流型特性研究》，此文中采用的是使用摇摆实验系统，实验中产生了流量波动（一种 脉动流），这种方法需要搭建摇摆实验台，不仅造价昂贵，搭建周期长，操作复杂，而且需要 耗费大量的人力物力进行维护；再如贾辉等发表在2011年02期《原子能科学技术》上的《不 稳定条件下水平管单相水流动阻力特性实验研究》，此文中采用了变频器与离心泵相结合的形 式来模拟脉动流，但是文中的实验装置仅能对单相流的流动特性做出研究，无法对两相流进 行研究。现今已有的研究所用气体工质一般有两种来源：第一种是采用空气压缩机，这种方 法会产生很大的噪音和振动，对实验数据的准确性会产生很大的影响，同时还会遇到压力不 稳定的问题；第二种是采用加热使水沸腾的方法，专门用于研究流动沸腾换热、蒸汽-水两相 流动。如果将第二种方法仅用于研究两相流的流动特性，则不但因为需要耗费大量的电能而 提高了成本，还加大了实验回路的复杂性，同时也对实验管路的绝缘性能和安全性提出了较 高的要求。这两种方法都很费时费力，花费不菲。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不但研究范围广，分析方法多，测量数据精度高，结果分析 准确，而且造价低廉，搭建方便，操作简单，同时也很环保的用于研究矩形通道内两相脉动 流流动特性的实验与测量装置。

本发明的目的是这样实现的：

包括由水箱、离心泵、液体流量计和温度计依次连接构成的水支路，由氮气瓶、两级减 压装置、气体流量计和逆止阀依次连接构成的气支路，实验段和采集系统；储存在水箱中的 去离子水由离心泵抽出、经过液体流量计和温度计后进入气水混合装置；氮气瓶中的氮气的 经两级减压装置减压后、再经过气体流量计和逆止阀进入气水混合装置；进入气水混合装置 的去离子水和氮气经过充分混合后进入实验段，实验段上连接有差压变送器，实验段正上方 设置摄像机，去离子水由实验段返回水箱循环使用，氮气则直接排入大气；所述采集系统包 括数据采集板和计算机，液体流量计、差压变送器和气体流量计连接数据采集板，数据采集 板和摄像机连接计算机，计算机中的正弦波生成软件生成一个正弦波信号传送给变频器，变 频器模拟实际中的各种脉动流控制离心泵。

本发明的用于研究矩形通道内两相脉动流流动特性的实验与测量装置还可以包括：

1、水支路设置有用于调节水流量的旁通管路，所述旁通管路包括连接于水箱与离心泵出 口之间的第一旁通管路，连接于液体流量计进出口之间的第二旁通管路。

2、所述气水混合装置由两个外形一样、大小不一的梭形圆筒套装组合而成，两个梭形圆 筒的半径相差2mm，即两个套筒之间有一个厚度为2mm的圆环形空间，外侧梭形圆筒与上、 下两个法兰焊接，内侧梭形圆筒与上法兰连接、与下法兰留有一个环形空隙，气体由进气口 进入圆环形空间，然后向下由环形空隙与由进水口进入的去离子水一同进入混合腔，经过充 分混合后经出口进入实验段，在出口处设有高目数筛网。

3、在实验段下方设置白色常亮光源和毛玻璃。

本发明是为了研究矩形通道内两相脉动流流动特性而设计的一种实验及测量系统，本发 明的优势在于：（1）采用变频器与离心泵结合的方法，来模拟实际工业设备和系统中的脉动 流。采用这种方法，再配以正弦波生成软件，可以模拟任意一种实际中的脉动流动工况，方 便、快捷，而且造价低廉；（2）本发明中所采用的气水混合装置可以达到很好的气水混合效 果，从而减少实验段入口段部分的长度，使流型发展更加充分，同时为防止混合过程中产生 较大的气泡，在出口处设有筛网，将大气泡打碎，使气水进一步混合；（3）本发明中，不仅 采用流量计和压差计来采集实验数据，还使用了高清摄像机拍摄实时的实验画面，从而可以 采用多种分析方法对矩形通道内的两相流动特性进行分析研究。同时在实验段下方设置有毛 玻璃和白色常亮光源，这样不但可以得到较亮的图像，同时还消除了画面中的暗痕；（4）本 发明中，采用氮气作为气体工质，不但价格低廉，安装和操作方便，而且非常安全环保，并 且为了得到压力稳定且精确的气体工质，采用了两级减压装置；（5）本发明中，采用实验数 据处理和实验录像分析相结合的方式来研究矩形通道内两相脉动流流动特性，可以使研究结 论更准确。

附图说明

图1为本发明的基本结构示意图；

图2为本发明的详细结构示意图；

图3a为本发明的脉动流生成系统示意图，图3b为脉动流示意图；

图4为本发明的气水混合装置示意图；

图5为本发明中采用的数据采集系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

结合图2，包括水支路、气支路、实验段和采集系统四个部分。其中水支路中的主要设 备包括带有排污管2的水箱1、旁通回路3、离心泵4、变频器5、液体流量计6和温度计7； 气支路中的主要设备有逆止阀12、气体流量计13、两级减压装置14和氮气瓶15；实验段部 分主要包括气水混合装置8，差压变送器9以及实验段10；采集系统部分主要包括一台高清 摄像机11、一台电脑16和一套NI数据采集板17，其中高清摄像机11架设于实验段的正上 方，实时拍摄流动画面。

储存在水箱1中的去离子水被离心泵4抽送进实验回路，经过液体流量计6和温度计7 后进入气水混合装置8；与此同时，储存在氮气瓶15中的氮气经两级减压装置14减压后进 入实验回路，再经过气体流量计13和逆止阀12进入气水混合装置8。进入气水混合装置8 的去离子水和氮气经过充分混合后进入实验段10，最后去离子水返回水箱1循环使用，氮气 则直接排入大气。在水支路中，可以加入旁通管路，用于调节水流量；采用多个液体流量计 分流区测量流量。

结合图3，在本发明中，采用离心泵4与变频器5结合的方法，来模拟实际工业设备和 系统中的脉动流。在实验时，首先由电脑中的正弦波生成软件生成一个正弦波信号传送给变 频器5，然后变频器5就会按照所接受的正弦信号控制离心泵4，使其转速按照正弦波的形式 变化，而流量与离心泵4的转速是成正比的，由此得到实验所需的脉动流，使用这种方法， 可以方便快捷地模拟任意一种实际中的脉动流动工况，而且造价低廉。

结合图4，在本发明中，去离子水和减压后的氮气在竖直放置的气水混合装置8中混合。 其中去离子水经由下法兰20进入混合腔，而氮气从气体入口21进入由内套管22和外套管 23构成的圆环形空间，然后向下在环形空隙出口与进入的去离子水一同进入梭形混合腔混合， 在经过充分混合后由上法兰24排出，进入实验段10。其中为了防止混合过程中产生较大的 气泡，在出口处设有高目数的筛网25，将大气泡打碎，使气水进一步混合。采用本发明中的 气水混合装置，可以减少混合中产生的大气泡，使气水更加充分的混合，从而减少实验段入 口段的长度，使流型发展得更加充分。实验段可以根据需要更换成不同长度、当量直径的矩 形管道。

结合图5，本发明中，液体流量计6、差压变送器9和气体流量计13所测得的数据信号， 均由NI数据采集板17采集，并同高清摄像机11所拍摄的流动画面一起存入电脑16中待处 理，其中，为了提高摄像机的拍摄效果，在实验段10下方设置了白色常亮光源18和毛玻璃 19。

在实验中采用氮气作为实验工质，由氮气瓶经两级减压后得到，第一级减压器高端压力 为15MPa，低端压力为0.1～1.6MPa，精度为0.1MPa；第二级减压器高端压力为0.9MPa， 低端压力为0.05MPa，精度为0.02MPa。