本发明涉及一种两相流上升气泡流体流动显示实验方法及实验装置。
背景技术：
在许多工业装置中，如鼓泡塔、精馏塔中，气体通常以气泡的形式与液相接触传质。目前，大多工业装置性能参数计算模型是基于理想的气液接触状态提出的，而由于在不同的液相环境中，受到液相性质等因素的影响，气泡行为具有较强的复杂性，建立客观性强的计算模型十分困难。此外，对上升气泡在液相中运动的观察实验一直未能有较大的突破，尤其是对于上升气泡内部流体流动情况，近几十年来未能开发出一种合适的实验装置及实验方法以显示其运动状况。因此，开发一种上升气泡流体流动显示实验装置及方法，以准确反映上升气泡流体流动情况是十分重要的。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，采用高速摄像技术，将复杂的上升气泡行为准确捕捉；结合piv系统，对上升气泡流体流动行为进行深入分析；依靠双通道套管注射针在气泡内形成烟线以反映泡内流场，进而提供一种能够准确反映两相流上升气泡流体流动情况的显示实验装置及方法。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：
本发明的第一个目的是提供一种两相流上升气泡流体流动显示实验方法，首先在气泡运动观察器中通入纯气体进行鼓泡，在气泡运动观察器中加入液体至一定液位，然后通入示踪剂和气体的混合物，再观察气泡流体流动状态。与现有技术相比，本发明在示踪剂进入气泡运动观察器之前首先采用纯气体鼓泡，后通入示踪剂与气体混合物，使气泡内流体流动情况可视化。
优选的是：摄像记录开始时，在持续形成的气泡内注入示踪剂形成烟线，观察气泡内部流体流动状态。在气泡离开细管顶端后，烟线亦被包裹在气泡内，由于气泡上升过程受到液相的粘性力等作用，气泡内部气体与气液界面不滑脱，故气泡内气相将随之运动。此时，烟线会随着气体一起流动，经过激光发生器照射及高速摄像机捕捉记录，可实现气泡内流体流动显示。根据文献检索结果，现有技术鲜有提出对于气泡内部流体流动状态显示的装置，本发明的提出对两相流气泡内流动状态深入了解具有重要的意义。
本发明的第二个目的是提供实现上述方法的双通道套管注射针，包括第一细管、第二细管、纯气体进口和扩大室，扩大室与气泡运动观察器法兰盘螺纹连接，第一细管固定在气泡运动观察器底部的法兰盘上，上端延伸至气泡运动观察器内，下端延伸至扩大室中部，第二细管插入并贯穿扩大室、第一细管，延伸至气泡运动观察器内，扩大室16底部设置纯气体进口15；第二细管通入示踪剂和气体的混合物，纯气体进口通入纯气体。这种双通道套管注射针的设计可实现纯气体与示踪剂-气体混合物的分离注入，保证气泡内注入烟线量可根据实验条件控制，进而确保泡内流体流动显示效果最优。扩大室的设置方便了第二细管14的插入以及纯气体的进入。
本发明的第三个目的是设计上述两相流上升气泡流体流动显示实验装置，包括一个透明的气泡运动观察器、双通道套管注射针、示踪剂流态化器、高压气瓶、气室以及由高速摄像机、图像处理计算机、激光发生器构成的piv系统；双通道套管注射针与气泡运动观察器底部连接(见说明书附图2)，双通道套管注射针第一通道分别与气泡运动观察器和示踪剂流态化器连接，第二通道与气室连接；示踪剂流态化器与高压气瓶连接，正对气泡运动观察器一侧放置高速摄像机，高速摄像机与图像处理计算机通过数据线连接，在气泡运动观察器另一侧且与高速摄像机呈90°方位放置激光发生器。示踪剂流态化器可将其内部装载的示踪剂通过高压气瓶气体流态化，与一定流量的气体一起进入气泡运动观察器，既保证了示踪剂的注入效果，又防止个别大粒径示踪剂或团聚的示踪剂阻塞管路。利用高速摄像机可连续捕捉气泡运动图像，且在一定高度上，由于激光发生器投射出的激光面能够切过气泡，气泡内气体与示踪剂的反光性不同，故气泡内部的流体流动显示效果进一步增强。
优选的是：双通道套管注射针包括第一细管、第二细管、纯气体进口和扩大室，扩大室与气泡运动观察器法兰盘螺纹连接，第一细管固定在气泡运动观察器底部的法兰盘上，上端延伸至气泡运动观察器内，下端延伸至扩大室中部，第二细管插入并贯穿扩大室、第一细管，延伸至气泡运动观察器内，扩大室16底部设置纯气体进口15；第二细管通入示踪剂和气体的混合物，纯气体进口通入纯气体。第二细管为第一通道，纯气体进口15为第二通道。
优选的是：第一细管内径为3mm～6mm，第二细管内径为1mm～2mm，纯气体进口内径为3mm～6mm，扩大室内径为10mm～40mm。
优选的是：双通道套管注射针的纯气体进口通过第二单向阀与可调节蠕动泵、气室依次连接。
优选的是：双通道套管注射针的第二细管通过第一单向阀与示踪剂流态化器、针型阀、高压气瓶依次连接。
由于在向气泡运动观察器中注入液体的过程中，会导致液体倒灌至输送气体和示踪剂的管路中，进而影响气体注入的准确性和示踪剂注入的可行性。因此，本发明在装置设置上，采用第二单向阀和第一单向阀防止倒灌现象的发生。
进一步的，先用可调节蠕动泵注入气体，然后向气泡运动观察器中注入液体的方式，进一步确保液体不会倒灌。
本发明可用于研究不同工况下的上升气泡流体流动，通过可调节蠕动泵与针型阀的配合，实现不同的气泡注入初始速度，并可通过安装带有不同直径第一细管的法兰盘并螺纹连接带有不同直径第二细管的扩大室，实现注入气泡的不同初始直径。
本发明的第四个目的是提供采用上述实验装置进行实验的方法，包括以下步骤：
①打开可调节蠕动泵，使气室中的空气或惰性气体由双通道套管注射针的纯气体进口顺利注入气泡运动观察器中；
②在气泡运动观察器中加入液体至一定液位，在示踪剂流态化器中加入适量的微米级示踪剂硅粉或白炭黑；加入液体优选为水或甘油或两者的混合物；
③待上升气泡稳定后，缓慢打开针型阀，使高压气瓶内的惰性气体逐渐进入示踪剂流态化器中使示踪剂呈流态化，并随惰性气体通过双通道套管注射针的第二细管进入气泡运动观察器中；
④打开piv系统的激光发生器，调节其位置，使其形成的激光面在一定拍摄高度上能切过上升气泡；
⑤打开piv系统的高速摄像机和图像处理计算机，将高速摄像机放置在拍摄高度上进行图像捕捉，所得图像由图像处理计算机进行处理；
⑥实验结束后，关闭高速摄像机、激光发生器和针型阀，将气泡运动观察器中液体排出，然后关闭可调节蠕动泵。
本发明与现有技术相比，主要有以下有益效果：
(1)气体与示踪剂物质经由双通道套管注射针实现分离式注入，大幅提高了加入气泡内示踪剂浓度的可控性，提高了气泡内流动显示清晰度；
(2)实验装置设置上，在双通道套管注射针的两个通道上设置单向阀；在实验方法步骤上，先往气体运动观察器中注入气体后注入液体；通过以上两方面确保液体不会倒灌至管路中；
(3)通过可调节蠕动泵与针型阀的配合，可灵活调节气泡初始注入速度，并通过安装带有不同直径第一细管的法兰盘并螺纹连接带有不同直径第二细管的扩大室，可实现不同的上升气泡初始直径；
(4)结合piv系统，对上升气泡流体流动行为进行深入分析，利用激光发生器投射激光面，并使该面在一定高度上切过气泡，可进一步提高气泡内流动显示清晰度；
(5)利用piv系统的高速摄像机和图像处理计算机对气泡上升运动行为进行记录与分析，能够准确的获取气泡参数。
附图说明
图1是本发明的两相流上升气泡流体流动显示实验装置示意图。
图2是双通道套管注射针的放大图。
图中：1-气泡运动观察器；2-双通道套管注射针；3-第二单向阀；4-第一单向阀；5-示踪剂流态化器；6-针型阀；7-高压气瓶；8-可调节蠕动泵；9-气室；10-高速摄像机；11-图像处理计算机；12-激光发生器；13-第一细管；14-第二细管；15-纯气体进口；16-扩大室。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步地说明。
实施例一：
本发明的上升气泡流体流动显示实验装置用于模拟大直径精馏塔板上气泡的运动，双通道套管注射针2中第一细管13内径为6mm，第二细管14内径为2mm，纯气体进口15内径为6mm，扩大室16内径为40mm。
实验步骤如下：
①打开可调节蠕动泵8，使气室9中的空气由双通道套管注射针2的纯气体进口15顺利注入气泡运动观察器1中；
②在气泡运动观察器1中加入水至液位高于双通道套管注射针28cm处，在示踪剂流态化器5中加入适量的微米级示踪剂硅粉；
③待上升气泡稳定后，缓慢打开针型阀6，使高压气瓶7内的惰性气体逐渐进入示踪剂流态化器5中使示踪剂呈流态化，并随惰性气体通过双通道套管注射针2的第二细管14进入气泡运动观察器1中，上升气泡初始直径为10mm，初始上升速度为4m/s；
④打开piv系统的激光发生器12，调节其位置，使其形成的激光面在双通道套管注射针2以上4cm处能切过上升气泡；
⑤打开piv系统的高速摄像机10和图像处理计算机11，将高速摄像机10放置在双通道套管注射针2以上4cm处进行图像捕捉，所得图像由图像处理计算机11进行处理；
⑥实验结束后，关闭高速摄像机10、激光发生器12和针型阀6，将气泡运动观察器1中液体排出，然后关闭可调节蠕动泵8。
实施例二：
本发明的上升气泡流体流动显示实验装置用于模拟鼓泡塔内气泡的运动，双通道套管注射针2中第一细管13内径为3mm，第二细管14内径为1mm，纯气体进口15内径为3mm，扩大室16内径为10mm。
实验步骤如下：
①打开可调节蠕动泵8，使气室9中的惰性气体由双通道套管注射针2的纯气体进口15顺利注入气泡运动观察器1中；
②在气泡运动观察器1中加入水与甘油的混合物至液位高于双通道套管注射针260cm处，在示踪剂流态化器5中加入适量的微米级示踪剂白炭黑；
③待上升气泡稳定后，缓慢打开针型阀6，使高压气瓶7内的惰性气体逐渐进入示踪剂流态化器5中使示踪剂呈流态化，并随惰性气体通过双通道套管注射针2的第二细管14进入气泡运动观察器1中，上升气泡初始直径为6mm，初始上升速度为2m/s；
④打开piv系统的激光发生器12，调节其位置，使其形成的激光面在双通道套管注射针2以上30cm处能切过上升气泡；
⑤打开piv系统的高速摄像机10和图像处理计算机11，将高速摄像机10放置在双通道套管注射针2以上30cm处进行图像捕捉，所得图像由图像处理计算机11进行处理；
⑥实验结束后，关闭高速摄像机10、激光发生器12和针型阀6，将气泡运动观察器1中液体排出，然后关闭可调节蠕动泵8。
实施例三：
本发明的上升气泡流体流动显示实验装置用于实验室气泡的运动参数测定实验，双通道套管注射针2中第一细管13内径为5mm，第二细管14内径为1.5mm，纯气体进口15内径为5mm，扩大室16内径为30mm。
实验步骤如下：
①打开可调节蠕动泵8，使气室9中的空气由双通道套管注射针2的纯气体进口15顺利注入气泡运动观察器1中；
②在气泡运动观察器1中加入甘油至液位高于双通道套管注射针215cm处，在示踪剂流态化器5中加入适量的微米级示踪剂硅粉；
③待上升气泡稳定后，缓慢打开针型阀6，使高压气瓶7内的惰性气体逐渐进入示踪剂流态化器5中使示踪剂呈流态化，并随惰性气体通过双通道套管注射针2的第二细管14进入气泡运动观察器1中，上升气泡初始直径为8.5mm，初始上升速度为0.05m/s；
④打开piv系统的激光发生器12，调节其位置，使其形成的激光面在双通道套管注射针2以上10cm处能切过上升气泡；
⑤打开piv系统的高速摄像机10和图像处理计算机11，将高速摄像机10放置在双通道套管注射针2以上10cm处进行图像捕捉，所得图像由图像处理计算机11进行处理；
⑥实验结束后，关闭高速摄像机10、激光发生器12和针型阀6，将气泡运动观察器1中液体排出，然后关闭可调节蠕动泵8。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的技术人员而言，基于本发明做出的任何改进也应视为本发明的保护范围。