一种针孔喷射式两相流动态观测装置的制作方法

本发明涉及两相流动态观测技术领域，特别涉及一种针孔喷射式两相流动态观测装置。

背景技术：

气液两相流的运动规律以及该形态与其他运动形态之间的相互作用是两相流体力学的主要研究内容之一。针对气液两相流的研究是随着工业技术的需要而发展起来的，特别是在21世纪，由于化工、冶金、航空航天、热能工程、水力工程，甚至核能工程、环境保护等领域的兴起和发展，气液两相流的研究日益得到重视，从而促使其形成为一门完整的应用基础学科。但是由于气液两相流问题固有的复杂性、多样性以及测试方法的局限性，所以至今对于气液两相流的流型形成、流动机理、阻力特性、动量和能量传递等还不十分清楚，并且对许多相关现象的分析存在较多的分歧。因此，对气液两相流流型的研究非常关键，是两相流研究的首要任务。另外，气液两相流流型研究在工程中也具有重要的应用价值。

两相流的理论分析比单相流困难得多，描述两相流的通用微分方程组至今尚未建立。大量理论工作采用的是两类简化模型-均相模型与分相模型；均相模型是将两相介质看成一种混合得非常均匀的混合物，并且假定处理单相流动的概念和方法仍然适用于两相流，同时仍需要对它的物理性质及传递性质也做出合理的假定；而分相模型认为单相流的概念和方法能够用于两相系统的各个相，且还需同时考虑两相之间的相互作用。虽然以上两种模型的应用都还存在不少困难，但随着计算技术的发展，其应用也有所进展。

与两相流的理论分析相比，两相流的实验研究则是掌握两相流规律的基本方法。目前广泛应用光学法(包括光吸收、散射、干涉、折射等)、其他辐射吸收和散射法、示踪法以及电容和电导法等测定两相流中的重要参数，如压力、空隙率、平均膜厚、液滴直径、运动速度等参数。而在某种意义上说，对两相流规律更深入的了解，更有赖于实验技术的进步。

技术实现要素：

鉴于上述内容，有必要提供一种针孔喷射式两相流动态观测装置，该针孔喷射式两相流动态观测装置能够直接观测气液两相流的动态流型，并对该流型进行实时拍摄记录，从而便于对气液两相流的动态分析和静态分析。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种针孔喷射式两相流动态观测装置，包括恒压气瓶、减压阀、储液池、液泵、第一压力表、第一控制阀、第二控制阀、针孔喷射式两相流模拟装置和摄影装置，所述恒压气瓶依次连接减压阀、第一压力表和第一控制阀，所述储液池依次连接液泵和第二控制阀，所述第二控制阀再和第一控制阀共同连接针孔喷射式两相流模拟装置，所述针孔喷射式两相流模拟装置的一侧放置所述摄影装置，且所述摄影装置的镜头朝向针孔喷射式两相流模拟装置；

所述针孔喷射式两相流模拟装置包括两玻璃片和至少两塞尺，两玻璃片平行且相对设置，所有塞尺间隔设置在两玻璃片之间，且每一塞尺的相对两侧均与两玻璃片紧贴；相邻两塞尺和两玻璃片形成一微通道，所有微通道互不连通，每一微通道具有与外界相通的入口端和出口端，所述入口端连接第一控制阀和第二控制阀。

进一步地，两两塞尺平行设置；每一塞尺沿所述微通道流通方向上的尺寸相同。

进一步地，所述针孔喷射式两相流模拟装置包括压紧组件；所述压紧组件包括两压紧条和紧锁件，两压紧条分设在两玻璃片上，且每一压紧条所在侧均与塞尺所在侧相对；两压紧条还与同一塞尺相对设置；每一压紧条的两端均延伸出玻璃片外侧，并在两端位于玻璃片外侧的部分上安装将两压紧条互连的所述紧锁件。

进一步地，所述压紧组件设置的数量等于塞尺设置的数量。

进一步地，每一微通道的入口端处设置中空的V型针头装置，所述针头装置具有两进口端和喷射端，两进口端分别连通所述第一控制阀和第二控制阀，所述喷射端伸入微通道内。

进一步地，所述液泵为蠕动泵。

进一步地，所述第一控制阀和第二控制阀均为电磁阀。

进一步地，所述摄影装置的镜头朝向微通道所在处；所述摄影装置为高速摄像机，并与电脑设备连接。

进一步地，所述针孔喷射式两相流动态观测装置还包括触发开关，所述触发开关同时连接第一控制阀、第二控制阀和摄影装置。

进一步地，所述针孔喷射式两相流动态观测装置还包括光照装置，所述光照装置放置在针孔喷射式两相流模拟装置一侧。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明通过针孔喷射式两相流模拟装置来提供气液两相流动的通道-微通道，并在该针孔喷射式两相流模拟装置中采用透明材质的玻璃片来构成其组成部件，从而便于试验者透过玻璃片观测气液两相的流动状态，该观测较为直观，且观测的准确性和可行性较好；另外，本发明还通过恒压气瓶、减压阀等的设置来提供和输送气体，并与由储液池、液泵等构成的液体管道配合，共同为针孔喷射式两相流模拟装置提供气体和液体，从而使得整个观测装置能够完整的模拟气液两相流；本发明整体结构简单可靠，方案切实可行。

2.本发明在针孔喷射式两相流模拟装置一侧设置的摄影装置可实时拍摄并记录试验过程气液两相的流动状态，进而有利于试验者后期对气液两相流进行动态分析和静态分析。

【附图说明】

图1是本发明一种针孔喷射式两相流动态观测装置的结构简图。

图2是图1中针孔喷射式两相流模拟装置的结构爆炸图。

图3是图1中针孔喷射式两相流模拟装置的结构示意图。

主要元件符号说明

图中，恒压气瓶1、减压阀2、第一压力表3、第一控制阀4、储液池5、液泵6、第二压力表7、第二控制阀8、针孔喷射式两相流模拟装置9、玻璃片91、塞尺92、压紧组件93、压紧条931、微通道94、针头装置95、触发开关10、摄影装置20、电脑设备30、光照装置40。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

【具体实施方式】

请参阅图1至图3，在本发明的一种较佳实施方式中，一种针孔喷射式两相流动态观测装置，包括一恒压气瓶1、一减压阀2、一储液池5、一液泵6、一第一压力表3、一第一控制阀4、一第二控制阀8、一针孔喷射式两相流模拟装置9和一摄影装置20，恒压气瓶1依次连接减压阀2、第一压力表3和第一控制阀4，储液池5依次连接液泵6和第二控制阀8，第二控制阀8再和第一控制阀4共同连接针孔喷射式两相流模拟装置9，针孔喷射式两相流模拟装置9的一侧放置摄影装置20，且摄影装置20的镜头朝向针孔喷射式两相流模拟装置9；针孔喷射式两相流模拟装置9包括两玻璃片91和至少两塞尺92，两玻璃片91平行且相对设置，所有塞尺92间隔设置在两玻璃片91之间，且每一塞尺92的相对两侧均与两玻璃片91紧贴；相邻两塞尺92和两玻璃片91形成一微通道94，所有微通道94互不连通，每一微通道94具有与外界相通的入口端和出口端，其中，入口端连接第一控制阀4和第二控制阀8。

本发明通过设计针孔喷射式两相流模拟装置9来形成气液两相流的流动通道-微通道94，并通过设置摄影装置20来拍摄并记录该微通道94中气液流动时的流动情况，从而便于试验者后期对气液两相流的动态分析和静态分析；在该针孔喷射式两相流模拟装置9中，其所设置的玻璃片91为透明材质，可利于试验者使用摄影装置20来实时拍摄、记录气液两相流的流动状态，同时也能够便于试验者更为直观的观测实验过程气液流动时的流动状态；而在试验过程所使用到的气体则由恒压气瓶1提供，并通过与恒压气瓶1连接的减压阀2、第一压力表3和第一控制阀4所形成的气体管道流入微通道94中，液体则是由储液池5提供，该储液池5与液泵6及第二控制阀8形成液体管道，液体通过该液体管道后与气体管道内流出的气体一同喷射入微通道94中，形成气液两相流的形态。

在本实施方式中，所用的恒压气瓶1为CO₂恒压气瓶1，能够为针孔喷射式两相流模拟装置9提供恒定气压的CO₂气体；减压阀2用于调节从恒压气瓶1流出的气体的压力，以适应试验者对气体压力的要求；第一压力表3用于检测经过减压阀2后气体管道内气体的压力，以便于试验者查看气体的压力，而为了便于试验者能够掌握液体管道内液体流通时的压力情况，本发明在液体管道上也设置一压力表即第二压力表7，优选将该第二压力表7设置在液泵6和第二控制阀8之间；第一控制阀4和第二控制阀8分别用于控制气体管道和液体管道的通断。

进一步地，请参阅图2和图3，针孔喷射式两相流模拟装置9中，两两塞尺92之间平行设置，每一塞尺92沿微通道94流通方向上的尺寸相同，以形成规整的微通道94，降低气液流动过程因通道发生改变而使气液流动发生突变的可能性，进而利于试验者更为准确的分析气液两相流的流动情况；优选地，玻璃片91沿微通道94流通方向上的尺寸与塞尺92沿微通道94流通方向上的尺寸相同。另外，在本实施方式中，塞尺92数量为两个，但是本发明塞尺92的数量不局限于两个，以通过多塞尺92的设置来使针孔喷射式两相流模拟装置9具有多个微通道94，从而便于试验者同时进行多个气液两相流的对比研究。

在本发明中，为了保证针孔喷射式两相流模拟装置9中塞尺92与玻璃片91连接处的密封性，针孔喷射式两相流模拟装置9还设置了压紧组件93。压紧组件93包括两压紧条931和紧锁件，两压紧条931分设在两玻璃片91上，且每一压紧条931所在侧均与塞尺92所在侧相对；两压紧条931还与同一塞尺92相对设置；每一压紧条931的两端均延伸出玻璃片91外侧，并在两端位于玻璃片91外侧的部分上安装将两压紧条931互连的一紧锁件，以通过两压紧条931覆盖在塞尺92相对两侧上及紧锁件赋予压紧条931的压紧力来实现塞尺92与玻璃片91之间的相互紧贴，从而保证塞尺92和玻璃片91之间的密封性，降低气液流动过程气液泄漏的可能性。优选地，紧组件设置的数量等于塞尺92设置的数量，以使每一塞尺92对应设置一压紧组件93，保证微通道94的密封性。

另外，请参阅图1，本发明在每一微通道94的入口端处设置中空的一V型针头装置95，以使气体和液体能够充分混合后混入微通道94中，该针头装置95具有两进口端和一喷射端，两进口端分别连通第一控制阀4和第二控制阀8，即两进口端分别与气体管道出口、液体管道出口连通，喷射端伸入微通道94内，以将在喷射端混合后的气液喷射至微通道94内。

优选地，本发明的液泵6选用蠕动泵，以调节试验过程中液体的流速及使液体平稳的输送至微通道94内，提高气液两相流流动时的稳定性和试验的准确性。

优选地，摄影装置20的镜头朝向微通道94所在处，以便于摄影装置20更好的拍摄微通道94内气液两相流的流动状况。进一步地，为了提高摄影装置20的瞬态高速观测能力，本发明的摄影装置20采用的是高速摄像机，并将该高速摄像机连接电脑设备30，以通过高速摄像机更清晰的拍摄微通道94内气液流动情况，且利于电脑设备30在试验过程实时监控与观察微通道94内气液两相流的流动情况，及后期对高速摄像机所拍摄的图像进行处理和分析。其中，电脑设备30在对图像进行处理时是通过电脑设备30上所安装在matlab软件进行处理，该处理是基于阈值分割法对RGB图像进行分割及边界提取来分析图像的，其具体运行过程如下：首先，读入高速摄像机所拍摄的图像视频，并查找该图像视频文件的帧数，及将图像视频转化为单张图像；然后将所获得的RGB图像转换为灰度图像，并对灰度值进行均衡化；再行列扫描图像，对图像进行阈值分割；将分割后的图像进行二值化，并对二值化后的图像提取边界，且对边界内进行白色填充；对处理图像进行范围缩小，去除图中多余白点，即可。

进一步地，请继续参阅图1，为了使摄影装置20的拍摄与微通道94内气液两相流的同步进行，本发明的针孔喷射式两相流动态观测装置还包括一触发开关10，该触发开关10同时连接第一控制阀4、第二控制阀8和摄影装置20，且优选选用电磁阀作为本发明的第一控制阀4和第二控制阀8，以通过电磁阀的形式实现第一控制阀4和第二控制阀8的自动控制。

在本发明中，所述针孔喷射式两相流动态观测装置还包括一光照装置40，该光照装置40放置在针孔喷射式两相流模拟装置9一侧，以在气液两相流试验过程提高针孔喷射式两相流模拟装置9的光照强度，进而提高摄影装置20拍摄的质量。

所述针孔喷射式两相流动态观测装置的工作原理为：首先，打开恒压气瓶1，并调节减压阀2的开度，同时观察第一压力表3上的压力读数，当第一压力表3的压力读数等于气压预设值时，停止调节减压阀2的开度，并维持此时减压阀2的开度大小；同时，打开储液池5，并调节蠕动泵的开度，同时观察蠕动泵上的流速读数，当蠕动泵上的流速读数等于液体流速预设值时，停止调节蠕动泵的开度，并维持此时蠕动泵的开度大小；然后，按下触发开关10，第一控制阀4、第二控制阀8和摄影装置20同时开启，气体和液体分别通过针头装置95进入微通道94中，同时，摄影装置20也开始对微通道94进行录像，并将录像情况实时发于电脑设备30，直至观测试验结束。

本发明为了实现观测试验过程的自动化，在所述针孔喷射式两相流动态观测装置中还设置了控制器，该控制器分别连接恒压气瓶1、减压阀2、第一压力表3、蠕动泵和触发开关10，其内设一气体预设值和和液体流速的预设值，能够接收第一压力表3检测气体通道内气体的压力值和蠕动泵所测得的液体实时流速，当控制器所接收的气体压力值等于气体预设值时，控制器控制减压阀2停止调节开度，当控制器所接收的液体实时流速等于液体流速的预设值时，控制器控制蠕动泵停止调节开度，当减压阀2和蠕动泵均停止调节开度时，控制器向触发开关10发出关闭指令。优选地，将控制器集成在电脑设备30中。

此时，所述针孔喷射式两相流动态观测装置试验过程的控制原理如下：

1)控制器控制恒压气瓶1开启，同时调节减压阀2、蠕动泵的开度；

2)第一压力表3检测气体通道内气体的压力值，并将生成的气体压力值信号发于控制器；同时，蠕动泵检测其出口处液体的实时流速，并生成相应的液体实时流速信号发于控制器；

3)控制器对比分析气体压力值和内设的气体预设值，当结果显示气体压力值等于气体预设值时，控制器停止调节减压阀2的开度，并进入步骤4)；反之，进入步骤4)；

4)控制器对比分析液体实时流速和内设的液体流速的预设值，当结果显示液体实时流速不等于液体流速的预设值时，返回步骤2)；反之，控制器停止调节蠕动泵的开度，并进入步骤5)；

5)当控制器对比分析结构显示气体压力值等于气体预设值且液体实时流速等于液体流速的预设值时，控制器控制触发开关10关闭；反之，返回步骤2)。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。