CN103792164A - 一种气泡运动特征对液相粘度影响规律的测试方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及动力工程气液两相泡状流体粘度测量技术领域，公开了一种气液两相泡状流粘度测量方法和装置，属于流体粘性及流变特性测量技术，特别适用于气泡存在不稳定变形时气液两相泡状流粘度的测量。本方法是依据自由下落钢质小球通过不同粘性流体时，由于粘性阻力的影响，所花费的时间不同而提出的。本装置是由气液两相泡状流体生成、存储装置，钢质小球释放装置和气泡动态记录装置三部分组成。

Description

一种气泡运动特征对液相粘度影响规律的测试方法和装置

技术领域

本发明涉及动力工程气液两相流体粘度测量技术领域，适用于气液两相泡状流瞬态粘度的测量，特别适用于气泡存在不稳定变形时气液两相泡状流粘度的测量。

背景技术

为了改善单相液体环境的传质和传热特性，不同直径的气泡常被用作添加剂注入液相中实现这一目的。气泡的注入不仅改善了单相环境的传质和传热特性，也对液相自身的流变特性造成了巨大的影响。因此，理解气泡注入对液相流变特性造成的影响对于准确理解和预测气泡注入对液相物理特性和流动特性的影响是非常必要的。尽管，目前国内外已开发了多种粘度测量仪和流变仪，但均无法直接用于泡状流粘度的测量，由于液相中气泡的不稳定性。特别是当液相所含气泡的尺寸较大、存在不稳定变形时，现有的粘度计和流变仪更是无法直接测量其粘度。因此，要想深入理解泡状流的物理和流动特性以及控制其为工业生产更好的服务，气液两相泡状流瞬态粘度的测量是亟待解决的问题。

发明内容

为了克服现有粘度仪和流变仪测量气液两相泡状流粘度存在的困难，本发明的目的在于提供一种气液相两相泡状流粘度测量的方法和装置，在测量方法和装置简便易于实施的情况下，实现准确测量气液两相泡状流的瞬态粘度，同时能够测量和分析气泡不同物理参数度（诸如气泡直径、瞬态变形和聚合***）对液相粘度的影响规律。

本发明的理论原理是：将钢质小球以初速度为零的状态，在液体储槽里自由释放，受重力的影响，钢质小球将会在液相中作自上而下的自由下落运动。由于液体具有一定的粘性，势必会影响小球的下落速度。正是利用这一性质，可以测定气液两相泡状流的粘度。详见下述：

如图1所示，密度为ρ_球、半径为r的钢质小球在气液两相泡状流里下落运动时，受到垂直向上的浮力（F_B）和阻力（F_D）以及垂直向下的重力（G）的作用。由于钢质小球所受的阻力与其运动速度（u）有关，刚释放时其做向下加速运动，但很快受力达到平衡改为匀速运动。受力平衡方程为：G=F_B+F_D。其中各力的表达式为：

重力G=ρ_球.g.4πr³/3；

浮力F_B=ρ_液.g.4πr³/3；

阻力F_D=6π.r.u.η。

经化简，给出计算两相流粘度的公式：η=2r².g.(ρ_球-ρ_液)/9u。

根据上式，只要知道钢质小球的终端下落速度，即可计算出被测流体的粘度。如钢质小球在时间t内匀速下降通过的距离为H，即可计算出u=H/t。这样对于给定的测量装置，只要测试出轻质小球上升距离H所需的时间t，也可计算出被测液体的粘度：η=2r².g.(ρ_液-ρ_球).t/9H。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种气液两相泡状流瞬态粘度测量装置由气液两相泡状流生成、存储装置，钢质小球释放装置以及气泡动态记录装置三大部分组成。气液两相流生成和存储装置由储气罐1、调节阀2、塑料软管3、气泡发生器4、金属丝网5、液相储槽7组成。储气罐1的气体经调节阀2由塑料软管3送到气泡发生器4内，气泡发生器4是用玻璃胶固定在液体储槽底部的内表面上，金属丝网5放置于储液槽7的丝网架21上。钢质小球释放装置由钢质小球10、管状电磁铁11、执行器13和同步器16组成。钢质小球10吸附在管状电磁铁11内表面的末端处，管状电磁铁11和执行器13由电缆12连接在一起。再用电缆12将执行器13与电源15和同步器16连接在一起。气泡动态记录装置由支架6、光源7、高速相机14、同步器16和计算机17组成。用支架6将光源7和高速相机14固定在相应的测试位置上，高速相机14由电缆12连接在电源15和同步器16上，用电缆12将同步器16连接在计算机17上，同时将光源7和计算机17用电缆12与电源15接通。

本发明装置的工作原理是：

为了测量气液两相泡状流的瞬态粘度，测量时，先将被测液相9注入储液槽8内，然后将储气罐1上的调节阀2打开，气流经塑料软管3流到气泡发生器4内，气体再由气泡发生器4盖板30上的注射器针头32释放到液相9内，形成将要被测粘度的气液两相泡状流。为了使泡状流变的均匀，在气泡发生器4的上方设置了金属丝网5。同时金属丝网5也可以避免下落钢质小球10对气泡发生器4造成的破坏。随后，操作计算机17发信号给同步器16，同步器16同时将信号传给执行器13和高速相机14，让其同时工作。执行器13切断电流停止给管状电磁铁11供电，管状电磁铁11随即失去磁性，钢质小球10由静止开始向下运动。同时，高速相机14开始工作，记录储液槽8内钢质小球10和气液两相泡状流瞬态的运动状态，并将所记录的数据传给计算机17给予存储。为了能够清晰的拍摄气液两相泡状流内气泡的运动状态，在储液槽8正对高速相机14的另一侧设置了背景光源7。最后根据计算机17存储不同时刻气泡的运动状态和小球下落的位置，便可计算出小球的速度，根据下式

η=2r².g.(ρ_球-ρ_液)/9u

得到被测泡状流的瞬态粘度。如不关心气液两相泡状流瞬态的运动状态，不需使用高速相机14拍摄气泡的运动状态，可手动操作让钢质小球下落，并使用秒表直接测量钢质小球10通过给定距离H所需的时间t，然后依据下式

η=2r².g.(ρ_液-ρ_球).t/9H

计算出被测泡状流的瞬态粘度。

本发明的特点在于：

（1）一种气液两相泡状流瞬态粘度测量方法，其特征在于，由于液相（或液体）粘性的不同，导致钢质小球在不同液相（或液体）内自由下落时通过一定距离所耗费的时间不同来实现的。

（2）一种气液两相泡状流瞬态粘度测量装置，基于气液两相泡状流瞬态粘度测量方法，其特征在于，测量装置本身不会影响气泡在液相内的运动和分布特征，不会影响被测气液两相泡状流粘度测量的准确性。。

本发明装置的进一步特点在于：当被测气液两相流粘度变化范围较大时，为了提高粘度测量的准确性，可以选用不同直径的钢质小球进行准确测量。

本发明装置的进一步特点在于：通过调节储气罐上的调节阀和更换气泡发生器上的钢针来产生不同体积分数和不同尺寸气泡的气液两相流，进行粘度测量。

本发明具有显明的优点，具有显著的创造性。

本发明的优点之一是：测量原理简单，易于实施，且测量装置本身不会影响气液两相泡状流的质量，即气泡的分布状态和运动状态。

本发明的优点之二是：测量装置结构简单，仅需测出钢质小球在气液两相泡状流内的下降速度，即可给出所测两相流的瞬态粘度。

本发明一种气液两相泡状流粘度测量装置还具有如下特点：制造简单、安装方便、易于操作、切实可行；不论是对于单相液体，还是对于气液两相泡状流，都可进行粘度准确的测量。

附图说明

图1测量原理图

图2测量装置示意图

图3储液槽示意图

图4储液槽顶盖示意图

图5气泡发生器示意图

具体实施方式

参见图2，一种气液两相泡状流瞬态粘度测量装置包括气液两相流产生、存储装置，钢质小球释放装置以及气泡动态记录装置三大部分组成。气液两相流生成和存储装置由储气罐1、调节阀2、塑料软管3、气泡发生器4、金属丝网5、液相储槽7组成。用塑料软管3将储气罐1顶部调节阀2的末端和液相储槽8底座18下部的供气接管20连接在一起，给气泡发生器4供气。气泡由气泡发生器4上的注射针头32释放到液相7内，形成被测的泡状流流。气量的大小由调节阀2来控制。用玻璃胶将气泡发生器4固定在液体储槽7底板18的上表面。使用玻璃胶胶接一方面可以保证气泡发生器与液体储槽之间的密封性；另一方面由于玻璃胶易于切割，这样便于更换和清洗气泡发生器4。在储液槽8内部、气泡发生器4的正上方设置一张金属丝网5来均匀气泡在液相内的分布。便于金属丝网5的更换，仅靠重力的作用将其搁置在液体储槽8的丝网架21上，不需另外加固。

钢质小球释放装置由钢质小球10、管状电磁铁11、执行器13和同步器16组成。首先用玻璃胶将管状电磁铁11固定在储液槽8顶盖23预留的电磁铁预留孔28内，安装时要确保电磁铁的末端浸在液相中，确保钢质小球10能在液相中从静止状态（初速为零）开始做下落运动。钢质小球10的直径可根据被测泡状流粘度的大小进行更换。然后用电缆12将管状电磁铁11和执行器13连接在一起，起初执行器13保证管状电磁铁为通路状态，以便钢质小球10能被吸附在管状电磁铁11内表面的下端。再用电缆12将执行器13和同步器16和电源15接通。

气泡动态记录装置由支架6、光源7、高速相机14、同步器16和计算机17组成。光源7和高速相机14由支架5分别固定在储液槽8的两侧。光源7和高速相机14的高度可通过调节支架6作相应的调节。高速相机14由电缆12分别与电源15和同步器16相连。然后再用电缆12将同步器16接在计算机上17，计算机17再与电源15相连。

参见图3，所述的储液槽8由下底板18、金属丝网支架21、竖直槽道22、顶盖23和刻度标志24组成。为了便于观察和记录气液两相泡状流的运动情况、以及便于制造，储液槽8的所有部件由透明的有机玻璃制造而成。竖直槽道22是由四块带折边的有机玻璃板由树脂胶粘接而成。丝网支架21由树脂胶粘贴在竖直槽道22的内壁上，而刻度标志24粘贴在竖直槽道22的外壁上。竖直槽道22与底板18用螺钉19可拆连接。为了保证密封不漏，在底板18与竖直槽道22相接触的面涂上硅胶。为了便于给气泡发生器4供气，在底板18的中心位置设有供气接管20。同样供气接管20与底板18用树脂胶粘接在一起。为了便于塑料软管3与供气接管20相连，底板18的下部留有贯穿底板宽度的凹槽。

参见图4，所述的储液槽顶盖23由卡条25、盖板26、透气孔27和管状电磁铁预留孔28组成。为了使储液槽顶盖23能牢固的盖在储液槽竖直槽道22上，在其下表面粘有2条卡条25以便卡在槽道22的内部。为了便于将管状电磁铁11固定在顶盖23上，在顶盖23的盖板26上留有管状电磁铁预留孔28。为了便于气泡气体的排出，在顶盖23的盖板26上开有4个排气孔27。

参见图5，所述的气泡发生器4是由壁板29、盖板30、注射器针头接头31和注射器针头32组成。4块壁板29由树脂胶粘贴在一起行成一个方形状腔。在盖板30上开有一定数量的通孔并胶接上注射器针头接头31，并将其用树脂胶粘贴在方形空腔上。将购置好的注射器针头31压紧在缠有生胶带的注射器针头接头31上，生胶带的作用是为了保证密封。为了尽可能得使每根注射器针头32喷出的气体流量相等，方形空腔的容积不宜太小。注射器针头32的型号可根据所测气液两相流气泡直径的大小来更换。

需要注意的是，安装时，先将供气接管20粘在底板18上，然后将气泡发生器4粘在底板上，再用螺钉将竖直槽道22与底板18连接、并在二者的接触面上涂上硅胶保证密封。

Claims (6)

1.一种气液两相泡状流体粘度测量方法，其特征在于，仅需测量钢质小球在液相中下落终端速度或者下落给定距离所耗费的时间，即可给出被测流体的粘性；同时，可以分析和给出气泡瞬态运动特征对液相粘度的影响规律。

2.一种气液两相泡状流体粘度测量装置，基于上述气液两相泡状流体粘度测量方法，其特征在于，该装置由气液两相泡状流生成、储槽装置，钢质小球释放装置和气泡动态记录装置三部分组成。

3.根据权利要求2所述的一种气液两相泡状流体粘度测量装置的气液两相泡状流生成、储槽装置，其特征在于气液两相泡状流生成和存储装置主要由储气罐、气泡发生器和液相储槽组成，在气泡发生器的上方设有金属丝网，且气泡发生器与液相储槽为可拆连接。

4.根据权利要求3所述的一种气液两相泡状流体粘度测量装置的气泡发生器，其特征在于该气泡发生器主体为一个方形空腔，空腔盖板上设有一定数量的注射器针头，注射器针头与盖板间为可拆连接。

5.根据权利要求2所述的一种气液两相泡状流体粘度测量装置的钢质小球释放装置，其特征在于，钢质小球的固定和释放由管状电磁铁和执行器来控制，可手动或计算机控制小球的释放。

6.根据权利要求2所述的一种气液两相泡状流体粘度测量装置的钢质小球释放装置，其特征在于小球的速度可由高速相机拍摄的钢质小球的图像进行计算，也可以通过人工使用秒表计时得出。

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