气相和固相速度场同步测量装置和方法与流程

本发明涉及气固两相流测量技术领域，尤其是一种气力输送系统中气相和固相速度场同步测量装置和方法。

背景技术：

气力输送是指在密闭的管道中借用空气动力沿气流方向使固体颗粒悬浮并进行输送，输送对象范围为从微米量级的粉体到毫米大小的颗粒，是一种典型的气固两相流。在气力输送过程中，气固两相之间存在着十分复杂的相互运动，如何研究两相流的流体动力学特性也成为国内外专家争相探索的重要课题。目前针对两相流的研究主要集中于固相浓度、固相流速以及流型等参数，这些参数的成功测量对理论研究和提高生产效率有着十分重要的意义。近年来，以粒子图像测速技术(PIV)为代表的全流场非接触测量方法被广泛地应用于两相流中固相浓度场和速度场测量，提供了丰富的固相颗粒动力学信息。在实际的输送过程中，固相颗粒的动力学行为同气相流场和颗粒间的相互作用息息相关，为了更深入的研究两相流的运动规律，在研究固相颗粒动力学特性的同时，也应该充分考虑气相流场和固相流场的相互作用。目前针对气相和固相相互作用的研究主要采用的是数值模拟计算的方法，而实验方面主要针对的是固相参数的测量，尚缺少针对固相和气相的同步测量。

技术实现要素：

为了实现气力输送系统中固相和气相参数的同步测量，本发明结合气力输送系统和粒子图像测速技术而提供了一种气相和固相速度场同步测量装置和方法。

为达到技术效果，本发明采用的技术方案是：

一种气相和固相速度场同步测量装置，其特征在于，包括：

粒子输送管道；

设置在所述粒子输送管道进口端的第一鼓风机；

设置在所述粒子输送管道进口侧的示踪粒子发生器，所述示踪粒子发生器产生气相示踪粒子，所述示踪粒子发生器通过其下端的气相示踪粒子入口与所述粒子输送管道连通；

设置在所述粒子输送管道进口侧的送料罐，所述送料罐内装有固相粒子，所述送料罐下端通过固相粒子入口与所述粒子输送管道连通，所述固相粒子在自身重力的作用下进入所述送料罐；所述第一鼓风机将高速空气流吹向粒子输送管道，带动气相示踪粒子和固相粒子向所述粒子输送管道的出口端运动；

设置在所述粒子输送管道出口端的分离器；

设置在所述分离器下方的回收罐；所述分离器将气相示踪粒子和固相粒子分离后，固相粒子进入回收罐；

与所述回收罐的底端连通的粒子回收管道；所述粒子回收管道的一端与所述送料罐连接；

连接在所述粒子回收管道另一端的第二鼓风机，所述第二鼓风机通过高速空气流将所述回收罐内的固相粒子沿所述粒子回收管道吹向所述送料罐内对所述固相粒子回收利用；

以及用于拍摄固相粒子和气相示踪粒子的瞬态图像的PIV测量系统，所述PIV测量系统设置在所述粒子输送管道的测量位置处，所述测量位置位于所述粒子输送管道的出口侧。

进一步地，所述PIV测量系统包括激光光源和高速摄像机。

进一步地，所述固相粒子采用的材料为聚乙烯，其当量直径为2.3mm。

进一步地，所述气相示踪粒子采用的材料为氧化铝粉末，其直径大小为60～150μm。

进一步地，所述PIV测量系统包括激光光源(10)和高速摄像机(9)，所述高速摄像机在测量域内以1024×1024的分辨率连续拍摄2000张粒子运动图像。

进一步地，所述高速摄像机的快门速度为0.2ms，帧速率为500fps。

更进一步地，所述粒子输送管道和粒子回收管道的直径均为80mm。

一种气相和固相速度场同步测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用PIV测量系统在测量域内拍摄多张粒子输送管道内的固相粒子和气相示踪粒子图像；

S2、对图像进行灰度拉伸和滤波处理以提高图像质量，保证粒子识别的准确率；

S3、对滤波后的图像进行二值化处理，提取粒子的轮廓，在此基础上根据固相粒子和气相示踪粒子大小的不同分别对两种粒子进行轮廓提取，分别获取固相粒子和气相示踪粒子的轮廓图像；

S4、把固相粒子图像导入SigmascanPro5软件,根据固相粒子大小和测量域的大小设置计算区域，计算出固相粒子的速度场；

S5、把气相粒子图像导入ProVision软件，根据气相粒子大小和测量域的大小设置计算区域，获取气相示踪粒子速度场分布。

进一步地，所述高速摄像机在测量域内以1024×1024的分辨率连续拍摄2000张粒子运动图像。

更进一步地，所述高速摄像机的快门速度为0.2ms，帧速率为500fps。

相对于现有技术，本发明显而易见地具有的有益效果是：针对固相粒子和气相示踪粒子大小不同的特点，分别提取图像中气固两相的粒子，在此基础上分别应用PIV软件对固相和气相流场进行计算，实现了稀相气固两相流中气相和固相速度场的同步测量，为深入研究气固两相流中气相和固相间相互作用机制提供了一种定性和定量分析的新手段。

附图说明

图1是本发明气相和固相速度场同步测量装置示意图；

图2是PIV测量系统测量拍摄粒子示意图；

图3是固相粒子速度场分布图；

图4是气相粒子速度场分布图。

图中，1、粒子输送管道，2、第一鼓风机，3、示踪粒子发生器，31、示踪粒子入口，4、送料罐，41、固相粒子入口，5、分离器，6、回收罐，7、粒子回收管道，8、第二鼓风机，9、高速摄像机，10、激光光源，11、气相示踪粒子，12、固相粒子，A、测量位置。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“径向”、“轴向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1和图2所示的气相和固相速度场同步测量装置，包括粒子输送管道1、第一鼓风机2、示踪粒子发生器3、送料罐4、分离器5、回收罐6、粒子回收管道7、第二鼓风机8以及PIV测量系统。粒子输送管道1水平设置，其内径为80mm，粒子输送管道1的入口端连接第一鼓风机2，另一端连接分离器5；示踪粒子发生器3设置在靠近第一鼓风机2位置的粒子输送管道1上，并通过气相示踪粒子入口31与粒子输送管道1连通，示踪粒子发生器3内装有氧化铝粉末，其直径为60～150μm，可代表气相示踪粒子11；送料罐4也设置在粒子输送管道1入口侧(图中为右侧)，位于示踪粒子发生器3的左侧，送料罐4内装有聚乙烯颗粒，其当量直径为2.3mm，聚乙烯颗粒代表固相粒子12，送料罐4通过其下端的固相粒子入口41与粒子输送管道1连通，固相粒子12靠自身重力进入粒子输送管道1，第一鼓风机2是整个气力输送系统的动力源，第一鼓风机2将高速空气流吹入粒子输送管道1，高速空气流带动气相示踪粒子11和固相粒子12向粒子输送管道1的出口端运动，测量气相示踪粒子11和固相粒子12速度场的测量位置A位于粒子输送管道1出口端附近。

气相示踪粒子11和固相粒子12通过测量位置A后流入设置在粒子输送管道1出口端的分离器5中，固相粒子12被分离器5分离出后进入回收罐6。

回收罐6的底端与粒子回收管道7连通，粒子回收管道7的内径也为80mm，粒子回收管道7的一端连接有第二鼓风机8，另一端与送料罐4连接，第二鼓风机8通过高速空气流将其回收罐6内落入粒子回收管道7内的固相粒子12沿粒子回收管道7吹向送料罐4内，实现对固相粒子12的回收利用。

PIV测量系统用于拍摄固相粒子12和气相示踪粒子11的瞬态图像，PIV测量系统设置在粒子输送管道1的测量位置A处，本实施例中，测量位置A处的空气速度为13m/s，固相粒子的质量流量为0.4kg/s。PIV测量系统包括激光光源10和高速摄像机9，激光光源10产生的光束用于照亮沿粒子输送管道1轴向运动的固相粒子12和气相示踪粒子11，高速摄像机9在测量域内以1024×1024的分辨率连续拍摄2000张粒子运动图像，其中本实施例中，高速摄像机9的快门速度为0.2ms，帧速率为500fps。

借助以上装置，本发明的气相和固相速度场同步测量方法为：

(1)搭建气力输送平台和布置PIV测量系统；

(2)启动第一鼓风机2，将高速空气、气相示踪粒子11和固相粒子12送入粒子输送管道1；并启动第二鼓风机8，将回收罐6中的固相粒子12回收到送料罐4中；

(3)利用PIV测量系统在测量位置A处的测量域内进行两相流粒子的图像拍摄；高速摄像机9在测量域内以1024×1024的分辨率连续拍摄2000张粒子运动图像，其中，高速摄像机9的快门速度为0.2ms，帧速率为500fps；

(4)对图像进行灰度拉伸和滤波处理以提高图像质量，保证粒子识别的准确率；

(5)对滤波后的图像进行二值化处理，提取粒子的轮廓，在此基础上根据固相粒子12和气相示踪粒子11大小的不同分别对两种粒子进行轮廓提取，分别获取固相粒子12和气相示踪粒子11的轮廓图像；

(6)把固相粒子12图像导入SigmascanPro5软件,根据固相粒子12大小和测量域的大小设置计算区域，计算出固相粒子12的速度场；

(7)把气相示踪粒子11图像导入ProVision软件，根据气相粒子大小和测量域的大小设置计算区域，获取气相示踪粒子11速度场分布。

本实施例中针对固相粒子12和气相示踪粒子11大小不同的特点，选用PIV软件中的SigmascanPro5软件和ProVision软件分别对固相粒子12和气相示踪粒子11的速度场进行计算，通过上述步骤本发明能够实现稀相气固两相流中气相和固相速度场的同步测量。图3表示的是通过SigmascanPro5软件分析的固相速度场分布情况，从图中可以看出在管底处固相粒子12的速度较小，固相粒子12越接近管顶部，其速度值也越大，这同利用LDA和PDA测量的结果相符，这也证明了该方法的可行性。图4表示的是利用ProVision软件分析的气相示踪粒子11速度场分布情况，同固相粒子12的速度分布不同，从图中可以发现在离管底较近处出现了小范围的流动分离现象，这也反映了固相粒子12对气相流场的影响。

上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。