一种管束间高温高压汽液两相流型实验装置及流型判别方法
【专利摘要】本发明涉及一种管束间高温高压汽液两相流型实验装置及流型判别方法，实验装置压力容器前后两侧对称开有上、下2个可视化视窗；与可视化视窗对应设有激光发生器、高速摄像机；压力容器内设有电加热管，电加热管上设有热电偶传感器，压力容器上装有压力传感器、液位传感器、双头电导探针，压力容器进口管和出口管处设有流量计和铠装热电偶；电加热控制系统导线穿过压力容器外壳与电加热管连接，数据采集系统导线与测量传感器及高速摄像机连接。数据采集系统采集拍摄的图像及传感器信号；对拍摄的图像进行数字化处理得到汽液两相流型图谱；建立流体参数与汽液两相流型之间的定量关系。
【专利说明】一种管束间高温高压汽液两相流型实验装置及流型判别方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种管束间高温高压汽液两相流型实验装置及流型判别方法。
【背景技术】
[0002]多相流流动的现象在自然界和现代工业生产过程中广泛存在，而且与人类的生活和生产活动息息相关。汽液两相流动现象常见于化学工业和动力工程的换热设备以及油气集输管路中，不同环境下两相流具有不同的流动形态，即流型。两相流流型极大地影响着汽液两相流的流动特性和传热传质特性，同时对流动参数的准确测量以及两相流系统的运行特性也有很大影响。在汽液两相流研究工作的早期，由于缺乏此方面的知识，曾经发生过不少工业事故。因此对于气液两相流流型识别的研究应该给予高度重视，此方面研究不仅具有重要的学术意义和实用价值，也为相关工业生产设备经济、安全的设计和运行提供了强有力的技术支持。正因为如此，汽液两相流流型识别的研究一直是两相流研究领域的一个重要课题。
[0003]目前，国内外学者对两相流进行了广泛的研究，发现两相在流动过程中均发生变形，两相界面及两相介质的分布状态不断变化，导致流型的复杂化和多样化。流型划分方法一般分为两类:一是直接法，即根据两相流流动图像的形式直接确定流型；二是间接法，即通过对反映流型特性的参数进行特征提取，通过其他的识别系统以达到流型识别的目的。已有的流型划分方法均受到实验条件、操作者的经验及流型识别技术的限制，所以只能对特定条件下的两相流流型进行定性分析，而且已有的研究多局限于低压绝热工况的管内流动，没有涉及高压管束间沸腾传热汽液两相流动，而管束间沸腾传热汽液两相流流型判别对工业用蒸汽发生器、沸腾管、锅炉、核反应堆等大型换热设备的安全经济运行具有重要意义。
【发明内容】
[0004]本发明目的在于提供一种管束间高温高压汽液两相流型实验装置，能够在高温高压状态下实现实验测定，并获得汽液两相流型变化图像；利用该实验装置，提供一种可视化的流型判别方法。
[0005]本发明基于同一发明构思，具有两个独立的技术方案:
[0006]1、一种管束间高温高压汽液两相流型实验装置，包括压力容器，压力容器外接有进口管和出口管，其特征在于:压力容器前后两侧对称开有上、下2个可视化视窗；还包括激光发生器、高速摄像机，激光发生器位于压力容器的后侧，与压力容器后侧可视化视窗位置相对应，高速摄像机位于压力容器的前侧，与压力容器前侧可视化视窗位置相对应；
[0007]压力容器内设有电加热管，并在电加热管上设有热电偶传感器，压力容器上装有压力传感器、液位传感器、双头电导探针，压力容器进口管和出口管处设有流量计和铠装热电偶；[0008]电加热控制系统导线穿过压力容器外壳与电加热管连接，数据采集系统导线与测量传感器及高速摄像机连接。
[0009]压力容器内均匀设有多根电加热管，电加热管为直管。
[0010]电加热管为单端引出，引出棒并行元件，其内部根据引出棒布置合金电阻丝，外部引出棒与电加热控制系统导线连接，根据流体流量及入口温度改变电阻丝两端的电压以调节加热量。
[0011]压力容器内均匀设有16根电加热管，选取其中5根电加热管，每根加热管沿竖向均匀设有5个热电偶。
[0012]压力容器设有3个压力传感器，分别在压力容器左侧上、中、下三个位置设置；1个液位传感器在压力容器右侧的上部设置；2个双头电导探针分别布置在压力容器左侧上部和中部。
[0013]激光发生器、高速摄像机均安装于支架上，激光发生器、高速摄像机可上、下移动。
[0014]数据采集系统导线与测量传感器及高速摄像机连接，数据采集系统采集拍摄的图像及传感器信号
[0015]2、一种利用上述管束间高温高压汽液两相流型实验装置的流型判别方法，其特征在于:激光发生器通过压力容器后侧的可视化视窗提供光源，高速摄像机通过压力容器前侧的可视化视窗拍摄两相流型变化图像；对拍摄的图像进行数字化处理和边缘检测得到边缘检测图像；
[0016]根据边缘检测图像的边缘灰度特征，对管束通道每一位置处汽泡的数量、尺寸进行统计分析，得到管束通道内两相流型随时间和空间的变化规律；根据每张图像中汽泡的尺寸计算含汽率及汽相体积流量，结合流域截面积计算汽液两相表观速度；对流型过渡区域进行汽泡动力学分析，得到流型变化与汽泡行为、受力、数量及空间尺寸的关系；根据表观速度及含汽率结合图像中汽泡数量和尺寸建立流型图谱；前述的管束通道为电热管在压力容器内所形成的流体通道。
[0017]通过压力容器内的热电偶传感器测得电加热管壁温度；通过压力容器上的压力传感器、液位传感器、双头电导探针，测得流体压力、液面位置、截面含汽率和汽相表观流速；通过压力容器进口管和出口管处流量计和铠装热电偶测得压力容器进出口流量和温度。
[0018]根据测得的参数，利用截面含汽率和汽相表观速度验证图像处理法建立的流型图谱；在一定压力、流体流量和加热量下，由电加热管管壁温度计算电加热管表面传热系数，结合边缘检测图像，得到电加热管表面传热系数与含汽率及汽相表观速度的关系，进而得到流型随电加热管表面传热系数的变化规律，并分析沿传热管不同传热阶段流型的分布规律；通过改变压力、流体流量或加热量得到不同条件下流型演变规律及其与流体物理参数间的定量关系。
[0019]本发明具有的有益效果:
[0020]本发明压力容器两侧开有可视化视窗，激光发生器通过可视化视窗提供光源，高速摄像机通过可视化视窗拍摄两相流型变化图像，基于系列图像提供一种可视化的流型判别方法，以更合理、更精确的数值化手段确定流型的分类及演变规律，实现借助图像数字化技术和量化指标来描述两相流的特征，建立管束间汽液两相流流型图谱。
[0021]本发明压力容器上装有压力传感器、液位传感器、双头电导探针，压力容器进口管和出口管内设有流量计和铠装热电偶，可对流体流量、温度、压力、液位、含气率及汽相表观速度进行测量，由测得的各物理参数结合管束间汽液两相流流型图谱可更加方便地建立两相流流型与各参数间的定量关系。
[0022]本发明电加热管压力容器内设有电加热管，电加热管为单端引出，引出棒并行元件，其内部根据引出棒布置合金电阻丝，外部引出棒与电加热控制系统导线连接，在额定工作压力为4.0MPa的情况下，以电加热的方式研究管束间狭窄空间内的沸腾传热汽液两相流动，可以通过改变加热管电阻丝两端电压的方式调节加热量，从而根据流体流量及入口温度等参数在可视化区域获得不同类型流型。
[0023]本发明压力容器内均匀设有16根电加热管，选取其中5根电加热管，每根加热管沿竖向均匀设有5个热电偶，可更加方便可靠地实现液体加热和电加热管管壁温度的测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明装置结构示意图；
[0025]图2为本发明压力容器部分结构示意图；
[0026]图3为本发明压力容器视窗部分的剖视图；
[0027]图4为本发明电加热管分布示意图；
[0028]图5为本发明测点分布示意图。
【具体实施方式】
[0029]如图1、图2所示，压力容器I前后两侧对称开有上、下2个可视化视窗4，如图3所不，视窗截面呈外方内圆形，窗口设有视窗玻璃，实施时，窗口高398mm,宽100mm,上下窗口间距368mm。如图1所示，激光发生器3位于压力容器I的后侧，与压力容器后侧可视化视窗位置相对应，高速摄像机2位于压力容器I的前侧，与压力容器前侧可视化视窗位置相对应，激光发生器、高速摄像机均安装于支架上，激光发生器、高速摄像机可上、下移动。如图4所不,压力容器内设有均勻设有多根电加热管5,电加热管为直管,实施时，压力容器内均匀设有16根电加热管，电加热管为单端引出，引出棒并行元件，其内部根据引出棒布置合金电阻丝，外部引出棒与电加热控制系统导线连接，根据流体流量及入口温度等参数可改变电阻丝两端的电压以调节加热量。选取其中5根电加热管，如图5所示，每根加热管沿竖向均匀设有5个热电偶6。如图5所示，压力容器上装有压力传感器7、液位传感器8、双头电导探针9，其中，压力容器设有3个压力传感器7，分别在压力容器上、中、下三个位置设置。如图1所示，压力容器进口管和出口管内设有流量计10和铠装热电偶11。
[0030]给水经预热后由给水泵输进口管送至压力容器下端的进口 14 (见图1)，通过给水环分配到电加热管外壁与压力容器内壁之间的实验段通道内，在管束间通道内由电加热管均匀加热至沸腾，产生蒸汽，从而出现两相流动。激光发生器3通过压力容器I后侧的可视化视窗提供光源，高速摄像机2通过压力容器前侧的可视化视窗拍摄两相流型变化图像，高速摄像机2和各传感器的信号输出端接数据采集装置12，数据采集装置接计算机13。
[0031]对拍摄的图像进行数字化处理后，首先对其进行滤波处理，以抑制图像噪声；对滤波后的图像计算图像梯度的幅值和方向；对梯度幅值进行非极大值抑制，寻找图像梯度的局部最大值以此来确定图像边缘，检测并连接有效边缘进而得到边缘检测图像。
[0032]根据边缘检测图像的边缘灰度特征，对管束通道每一位置处汽泡的数量、尺寸进行统计分析，得到管束通道内两相流型随时间和空间的变化规律；根据每张图像中汽泡的尺寸计算含汽率及汽相体积流量，结合流域截面积计算两相表观速度；对流型过渡区域进行汽泡动力学分析，得到流型变化与汽泡行为、受力、数量及空间尺寸的关系；根据表观速度及含汽率结合图像中汽泡数量和尺寸建立流型图谱；前述的管束通道为电热管在压力容器内所形成的流体通道。
[0033]通过压力容器内的热电偶传感器测得电加热管壁温度；上、下位置的压力传感器接压差传感器，测量流体压降，中间位置的压力传感器测量流体压力，双头电导探针测量截面含汽率和汽相表观流速；液位传感器布置在压力容器右侧的上部，测量容器中液面位置；通过压力容器进口管和出口管处流量计和铠装热电偶测得压力容器进出口流量和温度。
[0034]根据测得的参数，利用截面含汽率和汽相表观速度验证边缘检测法建立的流型图谱；在一定压力、流体流量和加热量下，由电加热管管壁温度计算电加热管表面传热系数，结合边缘检测图像，得到电加热管表面传热系数与截面含汽率及汽相表观速度的关系，进而得到流型随电加热管表面传热系数的变化规律，并分析沿管束通道不同换热阶段流型分布特点；通过改变压力、流体流量或加热量得到不同条件下流型演变规律及其与各流体物理参数间的定量关系。
【权利要求】
1.一种管束间高温高压汽液两相流型实验装置，包括压力容器，压力容器外接有进口管和出口管，其特征在于:压力容器前后两侧对称开有上、下2个可视化视窗；还包括激光发生器、高速摄像机，激光发生器位于压力容器的后侧，与压力容器后侧可视化视窗位置相对应，高速摄像机位于压力容器的前侧，与压力容器前侧可视化视窗位置相对应； 压力容器内设有电加热管，电加热管上设有热电偶传感器，压力容器上装有压力传感器、液位传感器、双头电导探针，压力容器进口管和出口管处设有流量计和铠装热电偶； 电加热控制系统导线穿过压力容器外壳与电加热管连接，数据采集系统导线与测量传感器及高速摄像机连接。
2.根据权利要求1所述的管束间高温高压汽液两相流型实验装置，其特征在于:压力容器内均匀设有多根电加热管，电加热管为直管。
3.根据权利要求2所述的管束间高温高压汽液两相流型实验装置，其特征在于:电加热管为单端引出，引出棒并行元件，其内部根据引出棒布置合金电阻丝，外部引出棒与电加热控制系统导线连接，根据流体流量及入口温度改变电阻丝两端的电压以调节加热量。
4.根据权利要求3所述的管束间高温高压汽液两相流型实验装置，其特征在于:压力容器内均匀设有16根电加热管，选取其中5根电加热管,每根加热管沿竖向均匀设有5个热电偶。
5.根据权利要求4所述的管束间高温高压汽液两相流型实验装置，其特征在于:压力容器设有3个压力传感器，分别在压力容器左侧上、中、下三个位置设置；I个液位传感器在压力容器右侧的 上部设置；2个双头电导探针布置在压力容器左侧上部和中部。
6.根据权利要求5所述的管束间高温高压汽液两相流型实验装置，其特征在于:激光发生器、高速摄像机均安装于支架上，激光发生器、高速摄像机可上、下移动。
7.根据权利要求6所述的管束间高温高压汽液两相流型实验装置，其特征在于:数据采集系统导线与测量传感器及高速摄像机连接，数据采集系统采集拍摄的图像及传感器信号。
8.一种利用权利要求1所述管束间高温高压汽液两相流型实验装置的流型判别方法，其特征在于:激光发生器通过压力容器后侧的可视化视窗提供光源，高速摄像机通过压力容器前侧的可视化视窗拍摄两相流型变化图像；对拍摄的图像进行数字化处理和边缘检测得到边缘检测图像； 根据边缘检测图像的边缘灰度特征，对管束通道每一位置处汽泡的数量、尺寸进行统计分析，得到管束通道内两相流型随时间和空间的变化规律；根据每张图像中汽泡的尺寸计算含汽率及汽相体积流量，结合流域截面积计算汽液两相表观速度；对流型过渡区域进行汽泡动力学分析，得到流型变化与汽泡行为、受力、数量及空间尺寸的关系；根据表观速度及含汽率结合图像中汽泡数量和尺寸建立流型图谱；前述的管束通道为电热管在压力容器内所形成的流体通道。
9.根据权利要求8所述的流型判别方法，其特征在于:通过压力容器内的热电偶传感器测得电加热管壁温度；通过压力容器上的压力传感器、液位传感器、双头电导探针，测得流体压力、液面位置、截面含汽率和汽相表观流速；通过压力容器进口管和出口管内设有流量计和铠装热电偶测得压力容器进出口流量和温度； 根据测得的参数，利用截面含汽率和汽相表观速度验证图像处理法建立的流型图谱；在一定压力、流体流量和加热量下，由电加热管管壁温度计算电加热管表面传热系数，结合边缘检测图像，得到电加热管表面传热系数与截面含汽率及汽相表观速度的关系，进而得到流型随电加热管表面传热系数的变化规律，并分析沿管束通道不同换热阶段流型分布特点；通过改变压力、流体流量或加热量得到不同条件下流型演变规律及其与各流体物理参数间的定量关系。`
【文档编号】G01M10/00GK103698102SQ201310689886
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月17日 优先权日:2013年12月17日
【发明者】孙宝芝, 郑陆松, 李彦军, 杨龙滨, 张国磊, 李晓明, 张鹏, 宋福元, 杨柳, 韩文静, 张宇, 史建新 申请人:哈尔滨工程大学