一种可调节注气流量和气泡参数的文丘里气水掺混实验台的制作方法

本实用新型涉及气液两相流技术领域，特别是涉及一种可调节注气流量和气泡参数的文丘里气水掺混实验台。

背景技术：

气液两相流是指液相流体与气相流体间的混合流动。气液两相流是自然界及人类生产和生活中应用广泛的多相流形式，是最为普遍的多相流动方式。气液两相流在电力、石化、冶炼和制冷等领域具有非常广阔的应用空间。

文丘里管具有结构简单和稳定耐用等诸多优点，在生产生活等多种工程实践领域具有广泛的应用前景，比如测量速度和流量等。目前，国内外科研工作者的研究多侧重于参数测量和射流装置方面。虽然有文丘里管用于混合的研究，但是多为燃气与空气的预混合，用于互不相容的气液混合方面的研究则相对较少。针对经典文丘里管喉部开孔而成的文丘里混合器用于气液掺混方面的探究，多采用空压机作为气源进行注气压力实验研究，无法实现以注气流量和掺混气泡参数为变量的实验探究，制约气液掺混效果的改善和流动特性机理的全面分析；同时，空压机设备的使用也大幅度增加了实验台的制造成本。因此一种可调节注气流量和气泡参数的文丘里气水掺混实验台成为本领域的技术关键之一。

技术实现要素：

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种可调节注气流量和气泡参数的文丘里气水掺混实验台，能够稳定地向文丘里管内注气，可以调节管内注气流量、注气位置和气泡大小，在多个变量下实现对气泡在文丘里管内流动特性的实验探究。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：

一种可调节注气流量和气泡参数的文丘里气水掺混实验台，包括水箱1、水箱出水管道2、水泵3、水泵出水管道4、电磁阀5、连接管道a6、弯头a7、连接管道b8、电磁流量计9、连接管道c10、弯头b11、压力表12、实验文丘里管段13、连接管道d14、弯头c15、连接管道e16、弯头d17、水箱回水管道18、气泡注射组19、步进电机20、实验桌a21、实验桌b22、计算机23、电磁阀控制器24、数据采集卡25和步进电机控制器26；水箱1的出水口、水箱出水管道2、水泵3的入水口依次通过法兰连接，构成实验系统水回路前半部分，水泵3的入水口、水泵出水管道4、电磁阀5、连接管道a6、弯头a7、连接管道b8、电磁流量计9、连接管道c10、弯头b11、压力表12、实验文丘里管段13、连接管道d14、弯头c15、连接管道e16、弯头d17、水箱回水管道18、水箱1的回水口依次通过法兰连接，构成实验系统水回路后半部分，上述两部分共同构成整个实验系统水回路；计算机23、电磁阀控制器24和电磁阀5通过双绞线相连，计算机23、数据采集卡25通过转换线相连，数据采集卡25通过双绞线分别和电磁流量计9和压力表12相连，计算机23、步进电机控制器26和步进电机20通过双绞线相连；步进电机20顶端的螺帽201与气泡注射器活塞芯杆底部配合相接，气泡注射器顶部穿入实验文丘里管段13的注射孔131，作为整个实验台的气泡发生装置。

所述步进电机20包含螺帽201、转轴202、电机箱203和固定支架204；螺帽201内含钢珠，转轴202侧面攻有螺纹，结构与螺杆相近，螺帽201与转轴202共同构成滚珠丝杠结构，将转轴202的周向转动转化为螺帽201的轴向位移；电机箱203外形为长方体，底座四角设置固定支架204，实现对整个步进电机20的位置固定。

所述气泡注射组19包括气泡注射器a191、气泡注射器b192、气泡注射器c193和气泡注射器d194；气泡注射器a191包括针头a1911、针筒a1912和活塞芯杆a1913，气泡注射器b192包括针头b1921、针筒b1922和活塞芯杆b1923，气泡注射器c193包括针头c1931、针筒c1932和活塞芯杆c1933，气泡注射器d194包括针头d1941、针筒d1942和活塞芯杆d1943；上述针头的外径均为0.5cm，其中，针头a1911、针头c1931和针头d1941内径均为0.4cm，针头b1921内径为0.25cm，针头a1911、针头b1921和针头d1941长度均为12cm，针头c1931长度为9cm；上述针筒均为圆柱形，其中，顶部圆面中心带有注射头，底部带有含四个通孔的圆盘，针筒a1912、针筒b1922和针筒c1932的内径均为5cm，外径均为6cm，针筒d1942的内径为2.5cm，外径为3.5cm；各活塞芯杆的底部均为结构相同的圆盘，各活塞芯杆的中间连接结构与对应针筒内壁无接触，其中，活塞芯杆a1913、活塞芯杆b1923、活塞芯杆c1933的顶部均为结构相同的圆盘，直径均为5cm，活塞芯杆d1943的顶部圆盘直径为2.5cm。

所述实验文丘里管段13包括注射孔131、螺纹杆a132、螺纹杆b133、螺纹杆c134和螺纹杆d135；整个文丘里管段为一个喉部带有注射孔131的文丘里圆柱形有机玻璃管，注射孔131为圆柱形孔，直径与气泡注射器针头外径相同；螺纹杆a132、螺纹杆b133、螺纹杆c134和螺纹杆d135为沿文丘里管圆柱形外侧壁面伸出的四个圆柱体形螺纹杆，上述螺纹杆轴心线到文丘里管段12喉部引射孔轴线的距离相等，直径与气泡注射器针筒底面圆盘通孔直径相同，并且均设有相匹配的螺母。

所述计算机23通过步进电机控制器26控制步进电机20运行，转轴202转动带动螺帽201匀速轴向上升，推动与其相连的气泡注射器的活塞芯杆匀速上升，推动针筒内的气体经针头注入文丘里管段13内，实现气泡注射器向实验文丘里管段13喉部内的定流量注气。

所述注射气泡组19中的各气泡注射器可以相互替换地与步进电机20的螺帽201相连接，各气泡注射器的针头内径、针头长度和针筒内径不尽相同，替换与步进电机20的转轴202相连的气泡注射器，可以改变实验文丘里管段13中产生气泡的大小、位置和数量。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型一种可调节注气流量和气泡参数的文丘里气水掺混实验台，相较常规文丘里采用空压机的气泡实验台，通过步进电机和气泡注射器替代空压机作为各工况下的气泡发生器，既实现额定注气流量下的实验，又降低实验的采购及运行成本；并且通过替换与步进电机相连接的气泡注射器，改变文丘里管内产生气泡的各项参数，完成在各个工况下变气泡参数的流动特性实验。

附图说明

图1为本实用新型一种可调节注气流量和气泡参数的文丘里气水掺混实验台的正视三维图；

图2为本实用新型一种可调节注气流量和气泡参数的文丘里气水掺混实验台的后视三维图；

图3为本实用新型一种可调节注气流量和气泡参数的文丘里气水掺混实验台的步进电机、气泡注射器和实验文丘里管段连接后的三维视图；

图4为本实用新型一种可调节注气流量和气泡参数的文丘里气水掺混实验台的步进电机、气泡注射器和实验文丘里管段连接后的第一主视图(文丘里管剖面)；

图5为本实用新型一种可调节注气流量和气泡参数的文丘里气水掺混实验台的步进电机、气泡注射器和实验文丘里管段连接后的第二主视图(文丘里管剖面)；

图6为本实用新型一种可调节注气流量和气泡参数的文丘里气水掺混实验台的步进电机、气泡注射器和实验文丘里管段连接后的第三主视图(文丘里管剖面)；

图7为本实用新型一种可调节注气流量和气泡参数的文丘里气水掺混实验台的步进电机的三维视图；

图8为本实用新型一种可调节注气流量和气泡参数的文丘里气水掺混实验台的气泡注射器组的三维视图；

图9为本实用新型一种可调节注气流量和气泡参数的文丘里气水掺混实验台的实验文丘里管段的三维视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本实用新型为一种可调节注气流量和气泡参数的文丘里气水掺混实验台，包括水箱1、水箱出水管道2、水泵3、水泵出水管道4、电磁阀5、连接管道a6、弯头a7、连接管道b8、电磁流量计9、连接管道c10、弯头b11、压力表12、实验文丘里管段13、连接管道d14、弯头c15、连接管道e16、弯头d17、水箱回水管道18、气泡注射组19、步进电机20、实验桌a21、实验桌b22、计算机23、电磁阀控制器24、数据采集卡25和步进电机控制器26。步进电机20包含螺帽201、转轴202、电机箱203和固定支架204。气泡注射组19包括气泡注射器a191、气泡注射器b192、气泡注射器c193和气泡注射器d194；气泡注射器a191包括针头a1911、针筒a1912和活塞芯杆a1913，气泡注射器b192包括针头b1921、针筒b1922和活塞芯杆b1923，气泡注射器c193包括针头c1931、针筒c1932和活塞芯杆c1933，气泡注射器d194包括针头d1941、针筒d1942和活塞芯杆d1943。实验文丘里管段13包括注射孔131、螺纹杆a132、螺纹杆b133、螺纹杆c134和螺纹杆d135。

参照图1和图2，水箱1的出水口、水箱出水管道2、水泵3的入水口依次通过法兰连接，构成实验系统水回路前半部分，水泵3的出水口、水泵出水管道4、电磁阀5、连接管道a6、弯头a7、连接管道b8、电磁流量计9、连接管道c10、弯头b11、压力表12、实验文丘里管段13、连接管道d14、弯头c15、连接管道e16、弯头d17、水箱回水管道18、水箱1的回水口依次通过法兰连接，构成实验系统水回路后半部分，上述两部分共同构成整个实验系统水回路，并且水回路中各弯头均为不锈钢直角弯头，各部件间均采用带有柔性密封垫的圆盘形法兰连接。计算机23、电磁阀控制器24和电磁阀5之间通过双绞线相连，计算机23和数据采集卡25之间通过转换线相连，数据采集卡25通过双绞线分别和电磁流量计9及压力表12相连，计算机23、步进电机控制器26和步进电机20之间通过双绞线相连。如图3，为整个实验台的气泡产生及观测机构，步进电机20顶端的螺帽201与气泡注射器活塞芯杆底部配合相接，气泡注射器顶部针头穿入实验文丘里管段13的注射孔131，作为整个实验台的气泡发生装置。

作为本实用新型的优选实施方式，如图1和图2所示，水箱1的水经出水口进入出水管道2，吸入水泵3入水口后自水泵3出水口流出，依次流经水泵出水管道4、电磁阀5、连接管道a6、弯头a7、连接管道b8、电磁流量计9、连接管道c10、弯头b11和压力表12后进入实验文丘里管段13中完成文丘里气泡实验，再经连接管道d14、弯头c15、连接管道e16、弯头d17、水箱回水管道18、水箱1的回水口顺次流回至水箱，此为整个实验水回路的工作过程。计算机23通过调节电磁阀控制器24进而实现对电磁阀5的控制，达到调节实验水流量的效果；电磁流量计9、压力表12通过双绞线将实时测量流量值和压力值传送至数据采集卡25，数据采集卡25再将测量值经转换线传至计算机中；计算机23作用于步进电机控制器26，通过步进电机控制器26控制步进电机20的启停，借助步进电机控制器26的分频作用改变步进电机20每步的转角，进而改变与其相连的螺帽201的推进速度。如图4，步进电机20受到步进电机控制器26控制作用启动后，转轴202开始匀速转动，转轴202和螺帽201形成滚珠丝杠结构，螺帽201在转轴202的带动下沿图中线框箭头标识方向开始匀速上升；如图5，螺帽201上升的过程中带动与其相连接的气泡注射器a191的活塞芯杆a1913匀速上升，随着活塞芯杆a1913的推进，针筒a1912内的气体经针头a1911定流量地排入实验文丘里管段13喉部内，形成如图所示的接近喉部流动中心的气泡，可以调节实验水流量，在各工况下观察大注气量时大气泡在文丘里管喉部湍流区内的流动特性；如图6，若将气泡注射器a191替换为气泡注射器c193与步进电机20顶部螺帽201相连接，由于针头c1932长度较短，实验过程中形成如图所示的接近喉部边界的气泡，可以调节实验水流量，在各工况下观察大注气量时大气泡在文丘里管喉部边界层内层流区的流动特性；同理，若将气泡注射器a191替换为气泡注射器b192，可以观察定大注气量时小气泡在文丘里管喉部湍流区内的流动特性，若将气泡注射器a191替换为气泡注射器d194，可以观察定小注气量时大气泡在文丘里管喉部湍流区内的流动特性，进而可以实现各工况下变气泡参数的流动特性实验。

如图7，步进电机20包含螺帽201、转轴202、电机箱203和固定支架204；螺帽201内含钢珠，转轴202侧面攻有螺纹，结构与螺杆相近，螺帽201与转轴202共同构成滚珠丝杠结构，将转轴202的周向转动转化为螺帽201的轴向位移；电机箱203外形为长方体，底座四角设置固定支架204，实现对整个步进电机20的位置固定。

如图8，气泡注射组19包括气泡注射器a191、气泡注射器b192、气泡注射器c193和气泡注射器d194；气泡注射器a191包括针头a1911、针筒a1912和活塞芯杆a1913，气泡注射器b192包括针头b1921、针筒b1922和活塞芯杆b1923，气泡注射器c193包括针头c1931、针筒c1932和活塞芯杆c1933，气泡注射器d194包括针头d1941、针筒d1942和活塞芯杆d1943。其中，气泡注射器a191的针头a1911外径为0.5cm，内径为0.4cm，长度为12cm，针筒a1912外径为6cm，内径为5cm，活塞芯杆a1913顶部圆盘直径为5cm，中间十字连接部分宽度为4.5cm，底部圆盘直径为7.5cm；气泡注射器b192的针头b1921外径为0.5cm，内径为0.25cm，长度为12cm，针筒b1922外径为6cm，内径为5cm，活塞芯杆b1923顶部圆盘直径为5cm，中间十字连接部分宽度为4.5cm，底部圆盘直径为7.5cm；气泡注射器c193的针头c1931外径为0.5cm，内径为0.4cm，长度为9cm，针筒c1932外径为6cm，内径为5cm，活塞芯杆c1933顶部圆盘直径为5cm，中间十字连接部分宽度为4.5cm，底部圆盘直径为7.5cm；气泡注射器d194的针头d1941外径为0.5cm，内径为0.4cm，长度为12cm，针筒d1942外径为3cm，内径为2.5cm，活塞芯杆d1943顶部圆盘直径为2.5cm，中间十字连接部分宽度为2.2cm，底部圆盘直径为7.5cm，即气泡注射器b192、气泡注射器c193和气泡注射器d194分别是气泡注射器a191的针头内径单一变量对比实验件、针头长度单一变量对比实验件和针筒内径单一变量对比实验件。

如图9，实验文丘里管段13包括注射孔131、螺纹杆a132、螺纹杆b133、螺纹杆c134和螺纹杆d135；整个文丘里管段为一个喉部带有注射孔131的文丘里圆柱形有机玻璃管，注射孔131为圆柱形孔，直径为0.5cm，与气泡注射器针头外径相同；螺纹杆a132、螺纹杆b133、螺纹杆c134和螺纹杆d135为沿文丘里管圆柱形外侧壁面伸出的四个圆柱体形螺纹杆，上述螺纹杆轴心线到文丘里管段12喉部引射孔轴线的距离相等，直径与气泡注射器针筒底面圆盘通孔直径相同，并且均设有相匹配的螺母。

综上所述，本实用新型通过步进电机和气泡注射器替代空压机作为各工况下的气泡发生器，既实现注气流量的稳定不变，又降低整体的实验成本；替换与步进电机相连接的气泡注射器，可以改变文丘里管内产生气泡的各项参数，完成在各个工况下变气泡参数的流动特性实验。