槽道泡状流改进型加气装置的制作方法

本发明涉及涉及流体力学多相流气泡生成技术领域，特别涉及一种槽道泡状流改进型加气装置。

背景技术：

生成均一、稳定的气泡群以及控制气泡群中气泡的尺寸是研究气泡动力学的基础，对定性乃至定量研究气液两相流中气泡的水动力学行为具有重要意义。尽管目前实验研究中的加气方式有很多，比如微孔法、电解法、针孔法、空化法、低功率法、加压容器法，但微孔法、电解法和针孔法使用得较多且技术也相对比较成熟。

对于传统的微孔法，主要有单孔和多孔两种：对于单孔加气，虽然可以产生大小均一、稳定的气泡，但生产的气泡量较少；对于多孔加气，由于气泡易在出气孔处发生合并，故很难均一、稳定地产生所需尺寸的气泡。对于电解法，其主要是用于生成直径小于0.1毫米的微气泡，较难产生直径大于1毫米的中等尺度气泡；而对于针孔法，由于是将气管直接插入液体中，会破坏流域内的流形，故一般用于静止的工况，不用于流动的工况。

因此，根据实际研究工况的需要，生成均一、稳定的气泡群以及控制气泡群中气泡的尺寸对气泡在流域中的动力学研究非常重要。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：为了克服传统加气装置无法产生均一、稳定的气泡群，以及无法通过调节使其既能产生微气泡群也能产生中等尺度气泡群，本发明提供一种槽道泡状流改进型加气装置，适用于根据实际研究工况的需要，选择加气类型或合适微孔尺寸的微孔板，并产生均一、稳定的不同直径的气泡群。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种槽道泡状流改进型加气装置，包括槽道系统、加气装置和管路系统，所述的槽道系统包括槽道，所述槽道具有进水口和出水口，所述的加气装置安装在槽道进水口附近，且加气装置包括微孔加气装置和电解加气装置。

所述的电解加气装置包括电解板、导线、直流电源、密封垫、夹板和夹具；所述的槽道具有塞入口，所述的电解板从槽道法向壁面的塞入口塞入槽道内，塞入口与密封垫、夹板和夹具相连；所述导线一端与电解板相连，导线另一端穿过密封垫和夹板后，与直流电源相连。

为了确保不影响流形，电解板的一面嵌入槽道内，另一面与槽道内壁面严格成一直线。

所述的微孔加气装置包括加气槽、微孔板、槽盖、通气管、压力计、压力控制器和空气压缩机；所述的加气槽从槽道壁面嵌入并固定，加气槽底部开有槽孔，槽孔上方盖有微孔板；加气槽上部与槽盖相连，槽盖上接有通气管，通气管上先后连接所述的压力计、压力控制器和空气压缩机。

所述的槽道包括竖直槽道和水平槽道，对于水平槽道，微孔加气装置装于水平槽道的上壁面，电解加气装置装于水平槽道的下壁面。

所述的管路系统包括管道、法兰、进水箱、出水箱和大水箱，进水箱与槽道进水口相连，出水箱与槽道出水口相连，工作时，液体从大水箱通过离心泵经管道、进水箱、槽道、出水箱、管道，最后回到大水箱，形成循环回路。

管道中，流回大水箱的那段水平管道向下倾斜3°至5°。

导线一端通过锡焊固定在电解板上，另一端穿过密封垫和夹板与直流电源连接；夹板上穿过导线的开孔周围涂有硅胶密封胶。

为了确保不影响流形，加气槽嵌入槽道后其底部外壁面与槽道内壁面成一直线，并通过密封圈和螺钉固定在槽道上。

加气槽底部的槽孔沿液体流动方向呈正三角形排列，相邻两孔的最小间距为10毫米，且开孔直径为200微米。

加气槽底部的槽孔上方装有厚度为1毫米的不锈钢微孔板，微孔板上开设有微孔，微孔与加气槽上的槽孔呈同心圆。

微孔板的开孔尺寸具有三种，开孔直径分别为80微米、100微米和120微米。据文献统计，一般研究1mm左右的气泡；根据公式，静止时80um的孔径能产生1mm的气泡，120um的孔径能产生1.5mm的气泡；由于流体的剪切作用，流动时80um的孔径产生的气泡必小于1mm；研究所需流动有快有慢，故取微孔板的开孔直径为80-120um。

槽孔与微孔的孔壁的斜度均为45°。槽孔与微孔的孔壁均具有斜度，可以减小气泡生成时的阻力，斜度为45°便于加工。

压力控制器将气压控制成时间的脉动函数。

本发明的有益效果是，首先，本发明的槽道泡状流改进型加气装置将电解法和微孔法耦合，能根据实际研究工况选择一种加气方式，使其产生微气泡或者中等尺度气泡；其次，微孔加气装置配有多种尺寸的微孔板，可以通过更换微孔板产生多种尺寸的中尺度气泡；再次，微孔加气装置的微孔板和的加气槽开孔处带有倒角，可以减小气泡生成的阻力以及增大气泡生成时与液体的接触面积，避免气泡在出气孔处的附着与合并，从而产生均一、稳定的气泡群。使用时，可选用电解加气装置来产生微气泡，微孔加气装置来产生中等尺度气泡，并能根据具体所需气泡的直径更换微孔板。本发明不同于常规槽道加气方式，使用灵活方便，能产生不同尺度的气泡，并能有效控制气泡的均匀程度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的槽道泡状流改进型加气装置的结构示意图。

图2是电解加气装置的结构示意图；

图3是电解加气装置的侧视图；

图4是微孔加气装置的结构示意图；

图5是加气槽的结构示意图；

图6是微孔板的结构示意图；

图7是微孔板与加气槽配合的侧视图。

其中：1.竖直槽道，2.水平槽道，3.进水箱，4.出水箱，5.大水箱，6.搅拌桨，7.离心泵，8.电磁流量计，9.滤板，10.渐扩段，11.微孔加气装置，12.电解加气装置，13.管道，14.电解板，15.密封垫，16.夹板，17.导线，18.直流电源，19.夹具，20.加气槽，21.槽盖，22.螺钉，23.螺纹连接段，24.通气管，25.压力控制器，26.空气压缩机，27.槽孔，28.微孔板，29.微孔，30.压力计，31.密封圈。

图2和图5中，空心框体箭头所示为液体流向。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，一种槽道泡状流改进型加气装置，包括槽道、加气装置和管路系统。槽道系统包括槽道，所述槽道具有进水口和出水口，槽道包括竖直槽道1和水平槽道2。加气装置安装在槽道进水口附近，且加气装置包括微孔加气装置11和电解加气装置12。对于水平槽道2，微孔加气装置11装于槽道下壁面，电解加气装置12装于槽道上壁面。

管路系统包括管道13、法兰、进水箱3、出水箱4和大水箱5，进水箱3与槽道进水口相连，出水箱4与槽道出水口相连。工作时，液体从大水箱5通过离心泵7经管道13、进水箱3、槽道、出水箱4、管道13，最后回到大水箱5，形成循环回路。管道13中，流回大水箱5的那段水平管道向下倾斜3°至5°。进水箱3内设有滤板9，出水箱4内具有渐扩段10。大水箱5内具有搅拌桨6，大水箱5与进水箱3相连的管道13上设有离心泵7和电磁流量计8。

如图2和图3所示，电解加气装置，包括电解板14、密封垫15、夹板16、导线17、直流电源18和夹具19；电解板14需两块，如泡沫铜板或泡沫镍板，其长度为223毫米，宽度为100毫米，靠近槽道进水口的一块作为阴极，另一块作为阳极，两块电解板14的距离为10毫米，其材料为泡沫铜或泡沫镍，厚度为2毫米；安放电解板14的槽道面需铣一个2毫米深的凹槽，使插入的电解板14的上壁面与槽道1/2内壁面严格成一直线，此凹槽的长度为223毫米，宽度为100毫米，其两端中的一端直接铣到边缘；槽道具有塞入口，电解板14一侧壁面从槽道法向壁面的塞入口塞入槽道内，插入后用锡焊将导线17一端焊在电解板14的侧壁上，另一端穿过密封装置上的小孔与直流电源18相连；密封装置为密封垫15和夹板16，密封垫15和夹板16密封上需开一个与导线17直径相同的小孔，密封垫15垫在里面，夹板16靠在外面，导线17穿过夹板16后需在夹板16上小孔的周围涂上硅胶密封胶，密封垫15和夹板16的长度为电解板14的宽度和槽道外壁的法向高度；最后用夹具19将密封装置与槽道夹紧。

为了确保电解板更换方便：①密封装置选用密封垫15和夹板16，②固定装置选用夹具19，③导线17与电解板14的连接采用锡焊。为了确保密封性，夹板16上的小孔周围需涂上硅胶密封胶。

如图4所示，微孔加气装置，包括加气槽20、槽盖21、微孔板28、通气管24、压力计30、压力控制器25、空气压缩机26、密封圈31和螺钉22；在槽道面正中央开一个贯穿壁厚的边长为50毫米的正方形天窗，其中心到槽道进水口的距离为155毫米；将一个外部边长为50毫米，高度为30毫米，壁厚为2毫米的正方形不锈钢加气槽20嵌入槽道开孔内，其固定肩下部面到底部的距离为21毫米；固定肩四个对角上开四个螺钉孔，并通过3毫米厚的密封圈31和螺钉22固定在槽道上，选用的螺钉22长度不超过14毫米，螺钉22深度为槽道壁面的一半。槽盖21的材料也为不锈钢，其与加气槽20通过螺纹连接段23相连；通气管24分为两段，两段间通过螺纹连接23相连，其一端与加气槽20顶部通过螺纹连接段23固定，另一端先后与压力计30、压力控制器25和空气压缩机26相连；工作时，压力控制器25将气压控制成时间的脉动函数。加气槽20嵌入槽道后其底部外壁面与槽道内壁面成一直线，并通过密封圈31和螺钉22固定在槽道上。

为了确保装置的密封性：①加气槽20与槽道的螺钉22连接处垫有密封圈31；②槽盖21与加气槽20，通气管24与槽盖21、两段通气管24间的螺纹连接上加有一圈防水胶布。采用两段通气管24，可以方便槽盖21的拆装，通气管24通常比较长，并且又是金属管，下半段连接有压力控制器25、空气压缩机26和压力计30。

如图5所示，加气槽20的底部开有直径为200微米的槽孔27，沿液体流动方向，槽孔27呈正三角形排列；槽孔27上盖有一块厚度为1毫米的微孔板28，相邻两孔的最小间距为10毫米，且开孔直径为200微米。微孔板28通过螺钉固定在加气槽20上，螺钉的长度为3毫米，螺钉深度为微孔板的厚度与加气槽的厚度之和，即3毫米。

如图6所示，微孔板28上开有若干微孔29，微孔板28固定后，上面的微孔29与加气槽20上的槽孔27呈同心圆；微孔板28有三种尺寸，微孔29直径分别为80微米、100微米和120微米。为了确保能产生多种尺寸的中等尺度气泡，采用多种孔径的微孔板29，使用时根据工况选择一块微孔板29固定在加气槽20上。

如图7所示，加气槽20上的槽孔27壁面与微孔板28上的微孔29壁面均有为45°的斜度，且槽孔27与微孔29相互小口对小口呈沙漏型设置。开孔直径定义为上下两壁面上较小的那个开孔直径。

本发明中，为了确保能生成均一、稳定的气泡，防止气泡在出气孔处发生附着和合并：①对于水平槽道2，电解加气装置12装在槽道上表面，微孔加气装置11装在槽道下表面；②加气槽20的槽孔27和微孔板28上的微孔29沿流动方向呈三角形排列以增加沿流动方向上的孔间距以及固定开孔区域内的孔数；③加气槽20的槽孔27和微孔板28的微孔29壁面呈斜角，以减小气泡生成时的阻力；④压力控制器25将气压控制成时间的脉动函数，以进一步优化气泡在出气孔处的脱落情况。

以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。