一种注入式的高分子聚合物溶液全流态减阻特性测量装置的制作方法

本发明涉及高分子聚合物溶液的流动减阻特性研究领域，特别涉及了一种注入式的高分子聚合物溶液全流态减阻特性测量装置。

背景技术：

在流体中加入少量的添加剂就可以使其摩擦阻力大幅减小，这一现象被称为添加剂减阻。自添加剂减阻发现以来，经多年研究，已成功应用到石油开采及输运、农田灌溉、船舶航运、工程消防、泄洪排涝以及医学工程等领域内；而在全球能源危机，倡导节能减排的大环境下，减阻剂的工程应用研究也将越来越受关注。目前发现的减阻剂主要可分为表面活性剂和高分子聚合物。虽然大多数表面活性剂减阻性能良好、抗降解性好，但是由于本身的化学性质，这使得其很难应用于一些特殊领域。而高分子聚合物由于自身的优点，特别是天然高分子聚合物，近来得到广大科研工作者的重视。因此，针对不同应用领域，通过高分子聚合物减阻特性的实验研究，寻找性能最佳的减阻剂，就显得尤为重要。

在现有的高分子聚合物溶液的减阻特性实验中，多采用预混式、单管路闭式循环系统进行实验，而通过从管壁或中心注入高分子聚合物溶液的减阻实验并不多。虽然有些实验装置考虑到这一问题，但采用的多是闭式循环，忽略了伴随着高分子聚合物溶液的注入，循环流体中所含高分子聚合物的影响，降低了实验结果的准确性。此外，众多研究也已表明注入式减阻效果要明显优于预混式减阻，因此设计一种添加剂注入式的减阻实验装置来研究其减阻机理也变得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种注入式的高分子聚合物溶液全流态减阻特性测量装置，从而达到既可进行预混式实验又可以进行注入式实验，便于进一步探索高分子聚合物的减阻机理。

为了解决以上技术问题，在发明人课题组之前设计的实验装置（专利号：201320028552.4）上进行了完善，改进的目的在于原实验装置只能进行高分子聚合物溶液的预混式实验，而改进之后即可以进行预混式实验又可以进行注入式实验，便于进一步的探索高分子聚合物溶液的减阻机理。考虑到注入式实验的管径效应较小，因此本改进仅在管径为20mm的测试管上进行实施。本发明采用的具体技术方案如下：

一种注入式的高分子聚合物溶液全流态减阻特性测量装置，包括储液装置、动力装置、稳压装置、注入装置、测试装置以及连接各装置的管路系统；储液装置和动力装置通过进液管a（3）连接；动力装置和稳压装置通过进液管b（7）连接；稳压装置和测试装置通过测试管（21）连接；注入装置和测试装置通过不锈钢弯管（16）连接；

所述储液装置包括储液箱a（1）和接水盒（25），储液箱a（1）和接水盒（25）由出液管（29）连接；

所述动力装置包括离心泵（4）和变频器（5），离心泵（4）和储液箱a（1）通过进液管a（3）连接；

所述稳压装置包括一个进液箱（10）以及设置在回流管（8）上的阀门b（9）、设置在进液箱上的阀门c（13）和压力表（14），进液箱（10）和离心泵（4）通过进液管b（7）连接，进液箱（10）和储液箱a（1）通过回流管（8）连接；

所述注入装置包括储液箱b（19）、微型螺杆泵（18）和阀门e（17），储液箱b（19）通过不锈钢弯管（16）与测试管（21）相连；

所述测试装置包括测试管（21）、差压变送器（22）、流量计（6）、数据采集处理器（23）和计算机（24），流量计（6）设置在进液管b（7）上；

所述测试管（21）的管壁布有多个测压孔（20）。

所述进液箱（10）由原来的方形改成圆柱形，以提高承压能力。

所述注入装置既可用来注入高分子聚合物溶液，又可用来向流体中注入墨水以观察层流向湍流的转捩；注入装置通过连接在储液箱b（19）上的不锈钢弯管（16）与测试管（21）相连，且不锈钢弯管（16）末端可上下调动，以按实验要求进行壁面注入或中心注入。

所述接水盒（25）后接出液管（29），所述出液管（29）在原有的基础上加装了排水管（27），以便在做注入式实验时，水直接排出，而不再循环至储液箱a（1）；出液管（29）后面并未接排水管（27），而是直接通过接水盒（25）循环至储液箱a（1），形成闭式循环系统。

所述20mm测试管（21）的有机玻璃管分为四段：入口段、检测段、出流段和尾段，入口段与注入装置通过不锈钢弯管（16）连通，检测段与差压变送器（22）相连，且设有多个测压孔（20）。

本发明的具体措施和效果说明如下：本发明是在一个液体单循环系统内，实验过程中，通过在出液管上接排水管，直接将水排出，不再循环至储液箱a。实验方法为，在不同测压位置，通过数据采集处理器检测：（1）在不同流量下，注入相同浓度的减阻剂时，连接两个不同测压位置的差压变送器读数；（2）在相同流量下，注入不同浓度的减阻剂时，连接两个不同测压位置的的差压变送器读数。最终通过汇总分析，来评价减阻剂的减阻特性。

实验过程中，首先由流量计实时传送流量数据给变频器，通过变频器来调节离心泵的转速，从而控制管道中的溶液流量。数据采集处理器采集流量计和差压变送器的数据，传输给计算机，经过特定程序转换，得出减阻剂的减阻特性。

测试回路设计中，在流体进入到测试段前，要先进入进液箱，使进入测试管的流体不会产生较大的波动。在流体从进液管b进入到进液箱时，由于流速很大，冲击也很大，这种情况下会对测试管的稳定性造成一定的影响。本发明在进液箱中设置溢流板和整流栅，并将进液管b伸入到进液箱中溢流板与整流栅之间，且尽量靠近溢流板，从而降低进液管b中流出的高速流体对进液箱中溶液的冲击，以及对布置在进液箱下部的测试管入口处的影响，保证了进入测试管的流体的流速稳定。

附图说明

图1为本发明一种注入式的高分子聚合物溶液全流态减阻特性测量装置示意图。

图2为进液箱示意图。

图3为不锈钢弯管与测试管的连接示意图。

图4为测压孔示意图。

图中：1储液箱a，2阀门a，3进液管a，4离心泵，5变频器，6流量计，7进液管b，8回流管，9阀门b，10进液箱，11溢流板，12整流栅，13阀门c，14压力表，15阀门d，16不锈钢弯管，17阀门e，18微型螺杆泵，19储液箱b，20测压孔，21测试管，22差压变送器，23数据采集处理器，24计算机，25接水盒，26阀门f，27排水管，28阀门g，29出液管，30固定孔，31不锈钢管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

对照图1，一种注入式的高分子聚合物溶液全流态减阻特性测量装置，包括储液装置、动力装置、稳压装置、注入装置、测试装置以及连接各装置的管路系统。所述储液装置包括储液箱a1和接水盒25，储液箱a1和接水盒25由出液管29连接；所述动力装置包括离心泵4和变频器5，离心泵4和储液箱a1通过进液管a3连接；所述稳压装置包括一个进液箱10以及设置在回流管8上的阀门b9、设置在进液箱10上的阀门c13和压力表14，进液箱10和离心泵4通过进液管b7连接，进液箱10和储液箱a1通过回流管8连接；所述注入装置包括储液箱b19、微型螺杆泵18和阀门e17，储液箱b19通过不锈钢弯管16与测试管21相连；所述测试装置包括测试管21、差压变送器22、流量计6、数据采集处理器23和计算机24，流量计6设置在进液管b7上，所述测试管21装有多个测压孔20。本实例中，测试管（21）的管径为20mm，不锈钢弯管（16）的管径为3mm，进液管a（3）和进液管b（7）的管径均为25mm，回流管（8）的管径为20mm。

对照图2，进液箱10设计为圆柱形，其顶部为球形，尺寸为高50cm，直径45cm，溢流板11高度为30cm，把进液管b7伸入到进液箱10内部的溢流板11和整流栅12之间，伸入长度为溢流板11高度的70%。

对照图3，不锈钢弯管16通过测试管21上的固定孔30与测试管21连接。所述不锈钢弯管16的管径为3mm，上下可调，便于根据实验要求进行壁面注入或中心注入；所述固定孔30最外层为密封用橡胶塞，以防止管内流体溢出。

对照图4，测压孔20通过不锈钢管31固定在局部加厚的测试管21的管壁上。

采用本装置进行实验的具体过程：

层流状态：

配制好一定浓度减阻剂溶液，加入储液箱b19中。根据实验要求，将不锈钢弯管16通过固定孔30固定在管道中心或壁面，同时打开阀门b9、阀门c13和阀门g28，溶液由离心泵4提供动力，从储液箱a1经进液管a3和进液管b7进入进液箱10中，当溶液出现溢流时，打开阀门d15，溶液流经测试管21，经接水盒25，出液管29，最终回到储液箱a1，其中进液箱10溢流的溶液，将通过回流管8流到储液箱a1。待循环稳定后，关上阀门g28，打开阀门f26，启动微型螺杆泵18，并打开阀门e17，可通过调节阀门e17的开度，来调节注入流速，同样水的流量，也可通过阀门d15的开度来调节，随后开始实验。此时，通过差压变送器22测得不同位置测压孔20与第一个测压孔20的压降数据。摆动软管de到接水盒25中部的测量槽，并用秒表计时，以测量流量，测量结束后，摆动软管de到接水盒25左右任意一侧的排水槽，使溶液从排水槽沿着排水管27排出。在此实验状态下，进液箱10为一个恒压水箱，调节阀门d15可以有效平稳的控制测试管21中液体的流速。

湍流状态：

流态从层流过渡到湍流之后，进液箱10已不足以提供足够的流量，使流态达到更高雷诺数，此时关闭阀门b9和阀门d15，溶液由离心泵4提供动力经进液管b7，进入进液箱10中，当溶液充满进液箱10，保证进液箱10中的气体排尽之后，关闭阀门c13，选择20mm测试管21，打开其上的阀门d15以及接水盒25下面的阀门g28，随后溶液流经测试管21，经接水盒25和出液管29，回到储液箱a1。待循环稳定后，同层流状态一样，关上阀门g28，打开阀门f26，启动微型螺杆泵18，打开阀门e17，并通过调节阀门e17的开度，来调节注入流速，随后开始实验。此时，流量计6将所测数据实时传输到变频器5，通过变频器5来调节离心泵4的转速，从而控制流量，数据采集处理器23采集流量计6和差压变送器22的数据，并传输给计算机24，经过特定程序转换，得出减阻剂的减阻特性。

当需要进行预混式减阻实验时，将不锈钢弯管16固定在管壁，同时关闭阀门e17、阀门f26、阀门g28，便可以按实验步骤进行相关实验。

采用本实例所示的高分子聚合物溶液注入式的全流态减阻特性实验装置进行实验。真正做到了一种装置多种用途，既可以满足不同管径的快速切换，清晰地观察流态从层流到湍流的转捩，又可以进行注入式减阻实验。本实例适用雷诺数范围为0＜re＜50000（定义re=vd/v，v为管道内平均流速，d是管道直径，v为溶液的运动粘度）。