一种用于测量固液两相流动力学信息的装置及方法

本发明涉及一种用于测量固液两相流动力学信息的装置及方法，属于流体测量。

背景技术：

1、固液两相流动在自然界以及工程界中都广泛存在，例如泥石流、滑坡等大规模自然灾害，河流底床演化、沙丘运移等自然流动过程，以及工业过程中常用的流化床、旋流器等等，其流动介质大多是颗粒–液体两相的混合流动。合理测量固液两相流的流动特征，例如两相的运动学信息、液相的压强以及流动介质对于壁面的作用力信息，对于深入研究此类固液两相流动的流动规律，进而服务于灾害预防和防护、提高工业过程效率等具有重要意义。

2、传统流体实验可以通过安装压强传感器测量液体压强，需要设法避免颗粒对于液体压强测量的影响；对于不含液体的干颗粒流可以通过力传感器测量颗粒物质对壁面的作用力信息，但是在固液两相流中测量壁面受力时需要避免颗粒堵塞或者液体泄露导致壁面受力测量失真；传统流场观测可以通过将激光通过玻璃壁面射入流场并结合高速摄影和图像处理手段获得运动学信息，但是在固液两相流动中，如何在实验的特定区域内同时获得流动的运动学信息和动力学信息是一大难点。

3、因此需要设计一种装置来集成多种传感器以合理测量固液两相流动的动力学信息，且允许光路通过从而结合外部设备进行运动学测量。

技术实现思路

1、本发明技术解决问题：针对现有技术的以上缺陷或改进需求，提供用于测量固液两相流动力学信息的装置及方法，能够合理测量固液两相流对壁面的作用力以及液体组分的压强，同时不影响激光光路以便于运动观测。

2、第一方面，本发明提供一种用于测量固液两相流动力学信息的装置，包括：测量板1、玻璃板2、孔压传感器3、过滤网4、三轴力传感器5、受力板6、外压条7、内压条8、密封薄膜9和传感器托架10，所述动力学信包括两相流中液体组分的压强及流动介质整体对受力板6的作用力，其中：

3、所述测量板1两侧布置有两个通孔11，两个通孔内分别放置用于测量两相流中的液体组分的压强的孔压传感器3；每个通孔11上有一个尺寸大于所述通孔11的滤网槽12，每个滤网槽12内放置所述过滤网4，所述过滤网4能够阻挡两相流中的固体组分，使所述孔压传感器3能够精确测量到液体组分的压力；

4、所述三轴力传感器5与所述受力板6固定，用于测量所述受力板6的所受作用力；所述三轴力传感器5下方固定在所述传感器托架10上，所述传感器托架10上安装在所述测量板1下方；

5、所述测量板1与所述受力板6之间留有间隙；同时所述测量板1和所述受力板6之间的间隙需要密封，避免流体泄露；所述内压条8将所述密封薄膜9压在所述受力板6上，所述外压条7将所述密封薄膜9压在所述测量板1上，即所述密封薄膜9被所述内压条8和所述外压条7压紧，密封薄膜9起到密封作用。

6、进一步，所述装置还用于测量固液两相流运动学信息，可在所述玻璃板2下方设置激光发射装置，将激光通过所述玻璃板2照射进待测介质，配合高速摄像机测量固液两相流的运动学信息。

7、进一步，所述密封薄膜9被所述内压条8和所述外压条7压紧时，所述内压条8和所述外压条7之间的所述密封薄膜9留有富余量，而不是伸展状态，保证所述受力板6在一定范围内能够自由活动，避免对所述三轴力传感器5产生初始应力，保证所述三轴力传感器5能正常测量所述受力板7的作用力。

8、进一步，所述三轴力传感器5通过焊接或螺栓方式与所述受力板6固定，下方通过焊接或螺栓方式固定在所述传感器托架上10，所述传感器托架10为整体形状为u型的金属板，所述传感器托架10通过螺栓固定在所述测量板1下方，保证所述三轴力传感器5能够精测量所述受力板6的作用力。

9、进一步，所述受力板6和所述测量板1的上表面齐平，所述装置测量时不影响两相流流动。

10、进一步，所述密封薄膜9与外压条7、内压条8的形状保护一致。

11、第二方面，本发明的提供一种用于测量固液两相流动力学信息的方法，实现如下：

12、1)将孔压传感器3通过通孔11固定在以测量板1为例的固液两相流流动装置壁面上，将过滤网4安装在滤网槽12中从而隔离流动的固体组分且保证壁面高度不发生改变，从而实现固液两相流中液体组分压强的测量；

13、2)将三轴力传感器5通过传感器托架10固定在以测量板1为例的固液两相流流动装置壁面上，受力板6和测量板1存有一定间隙，从而保证所述受力板6在一定范围内能够自由活动，使得与其固连的三轴力传感器5能够合理测量流动介质对以受力板6为例的壁面的三维作用力信息；同时为了避免液体组分在间隙泄露，需要通过外压条7、内压条8以及密封薄膜9将间隙密封，且保证密封薄膜9留有富余量，避免产生初始应力干扰三轴力传感器5的准确测量；

14、3)还集成透明玻璃板2以允许激光光路通过，结合外部高速摄影装置观测测量区域的运动学信息(例如速度等)，从而实现流动运动学信息和动力学信息的同时测量。

15、本发明与现有技术相比的优点如下：

16、1)本发明可以集成传感器以实现对固液两相流动力学信息的直接测量，包括流动介质对壁面的三维作用力以及液体组分的压强。优点在于采用了巧妙的密封手段避免液体泄露，从而使传统的受力元件可以直接测量固液两相流对壁面的作用力；采用滤网隔离固体组分，使传统水压传感器可以直接测量固液两相流中液体组分压强。

17、2)本发明中力学传感器配合高速摄像技术可以实现流体运动学和动力学信息的同时测量。

18、3)本发明中所述密封薄膜结构可以实现所述受压板处流体的密封。

19、4)所述密封薄膜在所述内外压条之间留有富余量，不会影响对所述三轴力传感器的测量产生影响。

20、5)所述测量板表面可以作为固液两相流流域壁面，配合各种实验流道使用，应用场景广泛。

技术特征：

1.一种用于测量固液两相流动力学信息的装置，其特征在于，包括：测量板(1)、玻璃板(2)、孔压传感器(3)、过滤网(4)、三轴力传感器(5)、受力板(6)、外压条(7)、内压条(8)、密封薄膜(9)、传感器托架(10)、通孔(11)和滤网槽(12)，所述动力学信息包括两相流中液体组分的压强及整体对受力板(6)的作用力，其中：

2.根据权利要求1所述的用于测量固液两相流动力学信息的装置，其特征在于，所述装置还用于测量固液两相流运动学信息，可在所述玻璃板(2)下方设置激光发射装置，将激光通过所述玻璃板(2)照射进待测介质，配合高速摄像机测量固液两相流的运动学信息。

3.根据权利要求1或2所述的用于测量固液两相流动力学信息的装置，其特征在于：所述密封薄膜(9)被所述内压条(8)和所述外压条(7)压紧时，所述内压条(8)和所述外压条(7)之间的所述密封薄膜(9)留有富余量，保证所述受力板(6)在一定范围内能够自由活动，避免对所述三轴力传感器(5)产生初始应力，保证所述三轴力传感器(5)能正常测量所述受力板(6)的所受作用力。

4.根据权利要求1或2所述的用于测量固液两相流动力学信息的装置，其特征在于：所述三轴力传感器(5)通过焊接或螺栓方式与所述受力板(6)固定，下方通过焊接或螺栓方式固定在所述传感器托架上(10)，所述传感器托架(10)为整体形状为u型的金属板，所述传感器托架(10)通过螺栓固定在所述测量板(1)下方，保证所述三轴力传感器(5)能够精测量所述受力板(6)的作用力。

5.根据权利要求1或2所述的用于测量固液两相流动力学信息的装置，其特征在于：所述受力板(6)和所述测量板(1)的上表面齐平，所述装置测量时不影响两相流流动。

6.根据权利要求1或2所述的用于测量固液两相流动力学信息的装置，其特征在于：所述密封薄膜(9)与外压条(7)、内压条(8)的形状保持一致。

7.一种用于测量固液两相流动力学信息的方法，其特征在于，实现如下：

技术总结
本发明涉及一种用于测量固液两相流动力学信息的装置及方法，包括测量板、玻璃板、孔压传感器、过滤网、三轴力传感器、受力板、外压条、内压条、密封薄膜、传感器托架，动力学信息包括两相流中液体组分的压强及整体对受力板的作用力；本发明能够使力学传感器在合理测量动力学信息时保证流体密封；同时本发明还能够通过力学传感器配合高速摄像技术实现固液两相流运动学和动力学信息的同时测量。

技术研发人员：刘青泉,孙云辉,焦佳珺,秦志文
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13