测量粗颗粒固体物自由沉降速度的装置和方法与流程

本发明涉及一种测量粗颗粒固体物自由沉降速度的装置和方法，属于超常颗粒沉降特性的实验流体力学领域。

背景技术：

在深海采矿、水利输煤、石油开采、液固流化床、河流挟砂、疏浚工程、粉体工程、陆地竖井采矿等工程领域中，存在大量带有超常颗粒的多相流动，所谓超常颗粒是指形状复杂的非球形颗粒和尺寸极小的纳米颗粒。在上述的多相流动中，粗颗粒沉降是最简单的一种运动形式，粗颗粒沉降试验装置是上述工程领域的基本试验装置之一，能够简单、快速、准确地测量确定粗颗粒固体物的自由沉降速度，进而可为工业设计和优化提供科学依据。

目前在对测量粗颗粒固体物自由沉降速度的装置及方法中，经检索发现，中国专利申请《确定絮体/污泥颗粒物自由沉降速度的方法及其系统》（申请号：200810222184.0；公开号：CN 101672861 A）以及中国专利《煤浆沉降速度测定装置》（申请号：201220059432.6；公开号：CN 202421206 U）提供了两种测定颗粒或类颗粒自由沉降速度的试验装置系统及其测量方法，该两种试验装置能够简单、快捷地测定单个粗颗粒的自由沉降速度，但是在科研与工程实际测量中如果对同一粗颗粒只测量一次就确定其自由沉降速度，有可能存在很大的人为操作误差，致使测定的粗颗粒自由沉降速度不够准确，为消除可能存在的人为操作误差对粗颗粒自由沉降速度的影响，需要对同一粗颗粒进行多次测量取均值。因此，上面两套专利试验装置在对多个具有固定编号的粗颗粒进行一次测量或对同一个粗颗粒进行多次测量其自由沉降速度时，将存在以下缺陷：对多个具有固定编号的粗颗粒进行一次测量时，测量完一个颗粒就要将沉降筒中的清水全部排出，取出该颗粒后再对下一个颗粒进行测量，重复该步骤，直至测量完所有颗粒为止，试验过程费时费力；对同一粗颗粒进行多次测量时，测完一次就要将沉降筒中的清水全部排出，取出该颗粒后再对该颗粒进行第二次测量，重复该步骤，直至测量多次为止，试验过程依然费时费力。

对于中国专利申请《确定絮体/污泥颗粒物自由沉降速度的方法及其系统》中的沉降装置的高度为350mm，只能测量自由沉降速度较小的粗颗粒固体物，而对于等效粒径为毫米级、密度较大的粗颗粒固体物自由沉降速度的测量误差很大，甚至无法测量，因为该沉降装置高度太小，不能保证粗颗粒固体物达到匀速运动状态，测量的可能是粗颗粒正在加速运动阶段的平均速度，将导致计算的粗颗粒固体物的自由沉降速度偏小。

中国专利《一种测定风传植物种子垂直沉降速度的装置及方法》（申请号：201110163256.0；公开号：CN 102353805 A）是基于光电检测技术，可以选择不同内径和长度的沉降管对风传植物种子垂直沉降速度进行多次重复测量，而且对测量同一颗植物种子的垂直沉降速度具有测量精度高、稳定性高以及重复性好等优点，但是由于该测定装置的沉降管下端是敞开的，因此，无法使用该装置对粗颗粒固体物在流体（清水）中的自由沉降速度进行测量。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种测量粗颗粒固体物自由沉降速度的装置，解决了现有的测定颗粒或类颗粒自由沉降速度的试验装置在对多个具有固定编号的粗颗粒进行一次测量或对同一个粗颗粒进行多次测量其自由沉降速度时存在试验过程费时费力、测量精度不高的问题，本发明具有装置简单、造价低、经济实用、操作便捷、测量精度高等特点。

本发明的另一个目的是提供一种测量粗颗粒固体物自由沉降速度的方法。

本发明的技术方案是：

一种测量粗颗粒固体物自由沉降速度的装置，主要由沉降筒1、高速摄像机11和面光源13组成；沉降筒1是内径不小于150mm的透明圆柱形容器，可消除沉降筒边壁对粗颗粒自由沉降速度的影响，在距筒口至少0.5m处，设有长度不小于0.5m的刻度，刻度的分度值为1mm，刻度下方设有蝶阀3，蝶阀3下方的筒壁一侧设有开口，开口上设有带螺纹的盲盖4，另一侧设有上下两个开口，上开口接有“L”型侧支管7，与空气连通，“L”型侧支管7出口位置高于蝶阀3的位置，下开口接有水平侧支管8，水平侧支管8通过塑料排水软管9与集水容器10连接，“L”型侧支管7和水平侧支管8上各安装一个截止阀6；沉降筒1底部设有底座5；

高速摄像机11与面光源13分别设置在沉降筒1的两侧，且正对沉降筒1设有刻度部分；面光源13与沉降筒1间设有均光纸14；面光源13亮度可调节。

所述沉降筒1为亚克力有机玻璃或PVC材质；沉降筒1可以为一个整体，也可以是由可拆卸的多段沉降筒组成。

所述设有带螺纹的盲盖4的开口的下边缘位置略高于连接水平侧支管8的下开口的下边缘位置。

一种测量粗颗粒固体物自由沉降速度的方法，包括以下步骤：

1）打开蝶阀3、拧紧带螺纹的盲盖4、关闭截止阀6；

2）向沉降筒1注入清水，直至沉降筒1被灌满为止；

3）调整高速摄像机支架12的高度，使高速摄像机11镜头正对沉降筒1刻度的中部位置；打开面光源13，在面光源13与沉降筒1间放置一张均光纸14，并根据高速摄像机11镜头画面的清晰度调节其亮度；

4）将粗颗粒固体物从沉降筒1的筒口中心位置自由落下，用高速摄像机11对粗颗粒固体物在沉降筒1中的运动轨迹进行高速拍照，获得粗颗粒固体物在不同时间点运动的多帧图像；

5）对粗颗粒固体物运动轨迹以间隔相等的时间△t，以及将拍摄照片所示的粗颗粒自由沉降的距离△s绘制在s-t坐标纸上，s-t坐标纸上直线段的斜率值就是粗颗粒固体物的自由沉降速度；

6）待粗颗粒固体物落到沉降筒1底部后，关闭蝶阀3、打开截止阀6让沉降筒1中蝶阀3以下的清水从水平侧支管8通过塑料排水软管9排到集水容器10中暂时储存，再拧开带螺纹的盲盖4，取出该粗颗粒固体物；然后拧紧带螺纹的盲盖4，升高集水容器10，使集水容器10中的水流回沉降筒1中，关闭截止阀6；

7）如果要对多个有固定编号的粗颗粒进行一次测量或同一个粗颗粒进行多次测量其自由沉降速度时，重复步骤4）～6）即可。

与现有测量粗颗粒固体物自由沉降速度的装置相比，本发明的有益效果是：具有装置简单、造价低、经济实用、操作便捷、测量精度高等特点；可以对等效粒径为毫米级、甚至厘米级的粗颗粒固体物进行自由沉降速度的测定；特别是能够对多个具有固定编号的粗颗粒进行一次测量或对同一个粗颗粒进行多次测量实现简单、快速、准确、省时省力的测定，可为工业设计和优化提供科学依据。

附图说明

图1为本发明所述沉降筒为一个整体的装置示意图；

图2为本发明所述沉降筒由可拆卸的多段沉降筒组成的装置示意图。

图中：1-沉降筒，2-法兰，3-蝶阀，4-带螺纹的盲盖，5-底座，6-截止阀，7-“L”型侧支管，8-水平侧支管，9-塑料排水软管，10-集水容器，11-高速摄像机，12-高速摄像机支架，13-面光源，14-均光纸。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

如图1所示，一种测量粗颗粒固体物自由沉降速度的装置，主要由沉降筒1、高速摄像机11和面光源13组成；

沉降筒1是内径为150mm的整体亚克力有机玻璃透明圆柱形容器，长1.5m；在距筒口0.5m处，设有长0.5m的刻度，刻度的分度值为1mm，刻度下方设有蝶阀3，蝶阀3下方的筒壁一侧设有直径为100mm的开口，开口上设有带螺纹的盲盖4，另一侧设有上下两个开口，上开口接有“L”型侧支管7，与空气连通，“L”型侧支管7出口位置高于蝶阀3的位置，下开口接有水平侧支管8，水平侧支管8通过塑料排水软管9与集水容器10连接，设有带螺纹的盲盖4的开口的下边缘位置略高于连接水平侧支管8的下开口的下边缘位置；“L”型侧支管7和水平侧支管8上各安装一个截止阀6；沉降筒1底部设有底座5；

高速摄像机11与面光源13分别设置在沉降筒1的两侧，且正对沉降筒1设有刻度部分；面光源13与沉降筒1间设有均光纸14。

实施例2

如图2所示，一种测量粗颗粒固体物自由沉降速度的装置，主要由沉降筒1、高速摄像机11和面光源13组成；

沉降筒1是内径为500mm的PVC透明圆柱形容器，长5.5m，由可拆卸的四段沉降筒组成，各段沉降筒之间通过法兰2连接在一起；最上面的一段沉降筒长2.0m，第二段沉降筒长1.5m且筒壁设有刻度，刻度的分度值为1mm，第三段沉降筒上设有蝶阀3，最下面的一段沉降筒筒壁上一侧设有直径为100mm的开口，开口上设有带螺纹的盲盖4，另一侧设有上下两个开口，上开口接有“L”型侧支管7，与空气连通，“L”型侧支管7出口位置高于蝶阀3的位置，下开口接有水平侧支管8，水平侧支管8通过塑料排水软管9与集水容器10连接，设有带螺纹的盲盖4的开口的下边缘位置略高于连接水平侧支管8的下开口的下边缘位置；“L”型侧支管7和水平侧支管8上各安装一个截止阀6；沉降筒1底部设有底座5；

高速摄像机11与面光源13分别设置在沉降筒1的两侧，且正对沉降筒1设有刻度部分；面光源13与沉降筒1间设有均光纸14。

实施例3

一种测量粗颗粒固体物自由沉降速度的方法，包括以下步骤：

1）所有的试验设备架设、安装、连接准备完毕后，打开蝶阀3、拧紧带螺纹的盲盖4、关闭截止阀6；

2）向沉降筒1注入清水，直至沉降筒1被灌满为止；

3）调整高速摄像机支架12的高度，使高速摄像机11镜头正对沉降筒1刻度的中部位置；打开面光源13，在面光源13与沉降筒1间放置一张均光纸14，并根据高速摄像机11镜头画面的清晰度调节其亮度；

4）将粗颗粒固体物从沉降筒1的筒口中心位置自由落下，用高速摄像机11对粗颗粒固体物在沉降筒1中的运动轨迹进行高速拍照，获得粗颗粒固体物在不同时间点运动的多帧图像；

5）对粗颗粒固体物运动轨迹以间隔相等的时间△t，以及将拍摄照片所示的粗颗粒自由沉降的距离△s绘制在s-t坐标纸上，s-t坐标纸上直线段的斜率值就是粗颗粒固体物的自由沉降速度；

6）待粗颗粒固体物落到沉降筒1底部后，关闭蝶阀3、打开截止阀6，让沉降筒1中蝶阀3以下的清水从水平侧支管8通过塑料排水软管9排到集水容器10中暂时储存，再拧开带螺纹的盲盖4用手伸入沉降筒1中取出该粗颗粒固体物；然后拧紧带螺纹的盲盖4，升高集水容器10，使集水容器10中的水流回沉降筒1中，关闭截止阀6；

7）测量其他编号的粗颗粒自由沉降速度时，重复步骤4）～6）即可。

实施例4

一种测量粗颗粒固体物自由沉降速度的方法，包括以下步骤：

1）所有的试验设备架设、安装、连接准备完毕后，打开蝶阀3、拧紧带螺纹的盲盖4、关闭截止阀6；

2）向沉降筒1注入清水，直至沉降筒1被灌满为止；

3）调整高速摄像机支架12的高度，使高速摄像机11镜头正对沉降筒1刻度的中部位置；打开面光源13，在面光源13与沉降筒1间放置一张均光纸14，并根据高速摄像机11镜头画面的清晰度调节其亮度；

4）将粗颗粒固体物从沉降筒1的筒口中心位置自由落下，用高速摄像机11对粗颗粒固体物在沉降筒1中的运动轨迹进行高速拍照，获得粗颗粒固体物在不同时间点运动的多帧图像；

5）对粗颗粒固体物运动轨迹以间隔相等的时间△t，以及将拍摄照片所示的粗颗粒自由沉降的距离△s绘制在s-t坐标纸上，s-t坐标纸上直线段的斜率值就是粗颗粒固体物的自由沉降速度；

6）待粗颗粒固体物落到沉降筒1底部后，关闭蝶阀3、打开截止阀6让沉降筒1中蝶阀3以下的清水从水平侧支管8通过塑料排水软管9排到集水容器10中暂时储存，再拧开带螺纹的盲盖4取出该粗颗粒固体物；然后拧紧带螺纹的盲盖4，升高集水容器10，使集水容器10中的水流回沉降筒1中，关闭截止阀6；

7）重复4）～6）步骤，可对此粗颗粒进行多次测量。