一种各向同性湍流场中液滴尺寸测量装置及方法

本发明属于湍流作用下液-液两相流动，具体涉及一种各向同性湍流场中液滴尺寸测量装置及方法。

背景技术：

1、湍流场中液滴的分散在许多工程中存在，湍流对界面的作用决定着分散过程中液滴的尺寸分布。例如，油水分离器中油滴的分离效率、化学反应器中化合物的反应速度、燃料雾化中油滴的分散程度等工程问题都与液滴尺寸密切相关。准确预测湍流中液滴的尺寸分布对石油、化学和燃烧等设备性能的提高具有重要意义。

2、目前，湍流中液滴尺寸测量大多集中于利用高速摄像对微尺度湍流设备(搅拌器或管段)内单液滴进行捕捉，存在较多问题：(1)实验流场为各向异性湍流，液滴在流场中运动受到一系列湍流涡或流动剪切作用的影响，实验数据与实验条件紧密相关，实验数据难以借鉴；(2)根据上述实验数据建立的液滴尺寸预测模型的原理是基于各向同性湍流假设，而采用的数据又是各向异性湍流场中数据，模型的适用性较差，精度难以供工程使用；(3)实验采用设备尺寸较小，与工程尺寸相差较多，且高速摄像费用较昂贵，操作复杂，难以推广工程使用。为了测量和预测湍流场中液滴尺寸分布，为石油、化学和燃烧等设备性能的提供数据支撑，有必要设计一种以各向同性湍流场为实验条件的实验装置及方法，以深入研究湍流作用对液滴尺寸分布的影响过程。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种各向同性湍流场中液滴尺寸测量装置。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种各向同性湍流场中液滴尺寸测量装置，其特征在于：包括湍流实验筒、用于驱动湍流实验筒工作的伺服电机、给湍流实验筒供液且控制液滴受湍流场作用时间的供液机构、从湍流实验筒中取样的取样机构和用于测量液滴在不同湍流条件下尺寸分布的激光粒度仪；

3、所述湍流实验筒包括外筒和可旋转设置在外筒内的内筒，外筒和内筒的底部设置有底座法兰，外筒和内筒的顶部设置有上盖法兰，联轴器的一端穿过上盖法兰伸入至内筒底部，联轴器的另一端与伺服电机连接，联轴器位于上盖法兰内的轴段上设置有轴承，上盖法兰与联轴器通过o型圈和油封进行密封，上盖法兰内设置与内筒连通的顶部环形出口，底座法兰内设置与内筒连通的底部环状出口，外筒的不同筒高处设置三个切向取样口，外筒在半高处设置一个全尺寸切向的入口。

4、上述的一种各向同性湍流场中液滴尺寸测量装置，其特征在于：所述外筒和内筒之间具有间隙。

5、上述的一种各向同性湍流场中液滴尺寸测量装置，其特征在于：所述间隙尺寸在外筒的半径的8％～15％范围内，所述入口和三个切向取样口的直径均等于外筒和内筒之间的间隙。

6、上述的一种各向同性湍流场中液滴尺寸测量装置，其特征在于：所述顶部环形出口和底部环状出口的环状尺寸在内外筒的间隙尺寸的40％～100％范围内。

7、上述的一种各向同性湍流场中液滴尺寸测量装置，其特征在于：所述供液机构包括搅拌样品储罐，搅拌样品储罐给湍流实验筒供液的油水入口管线上依次设置有过滤器、蠕动泵、第一液体涡轮流量计和第一流量调节阀，油水入口管线与入口连通。

8、上述的一种各向同性湍流场中液滴尺寸测量装置，其特征在于：所述取样机构包括入口取样机构和出口取样装置；

9、所述入口取样机构包括第一等动量取样装置，第一等动量取样装置通过等动量取样装置管线与油水入口管线连通；

10、所述出口取样装置包括回收罐，顶部环形出口通过顶部出口管线与回收罐连通，底部环状出口通过底部出口管线与回收罐连通，三个切向取样口分别通过环状出口管线与回收罐连通；

11、顶部出口管线上设置有第二流量调节阀、第二液体涡轮流量计和电子天平；

12、底部出口管线上设置有第三流量调节阀和第三液体涡轮流量计；

13、由上至下的三个所述环状出口管线依次与第二等动量取样装置、第三等动量取样装置和第四等动量取样装置连接；

14、第一液体涡轮流量计、第二液体涡轮流量计和第三液体涡轮流量计均通过数据采集仪与计算机连接。

15、上述的一种各向同性湍流场中液滴尺寸测量装置，其特征在于：所述第一等动量取样装置、第二等动量取样装置、第三等动量取样装置和第四等动量取样装置均包括取样室、设置在取样室进液侧的第一三通和设置在取样室出液侧的第二三通，第一三通的第一端与进液端，第一三通的第二端连接有第一球阀，第一三通的第三端通过第二球阀与取样室的进液口连通，取样室的出液口与第二三通的第一端连通，第二三通的第二端连接有流量调节阀，第二三通的第三端连接有第三球阀；激光粒度仪用于测量取样室内液滴直径。

16、上述的一种各向同性湍流场中液滴尺寸测量装置，其特征在于：所述底座法兰、蠕动泵和计算机均设置在工作台上。

17、同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理、可进行各向同性湍流场中液滴尺寸测量的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

18、步骤一、待测液的配制：

19、按照设计配比将待测液加入搅拌样品储罐中，打开搅拌器进行搅拌，待测液分布均匀后，全开第一流量调节阀、第二流量调节阀和第三流量调节阀，打开蠕动泵，调节至实验流量后，观察第一液体涡轮流量计，待读数稳定后，利用第一等动量取样装置进行取样，利用激光粒度仪测量第一等动量取样装置内液滴直径，当三次测量结果满足误差要求时，说明待测液的配制完成；

20、步骤二、各向同性湍流场中液滴尺寸的测量：

21、根据要求调节内筒旋转的目标转速，通过第二流量调节阀调节顶部环状出口的流量，通过第三流量阀调节调节底部环状出口的流量，待第二液体涡轮流量计、第三液体涡轮流量计读数稳定后，依次通过第二等动量取样装置、第三等动量取样装置和第四等动量取样装置取样，取样后15s内进行液滴尺寸分布测量，每次测量周期为1min，每组实验中各个取样口重复取样三次，测量结果取平均值，测量数据自动保存在计算机中，完成各向同性湍流场中液滴尺寸的测量；

22、步骤三、废液处理：

23、待测量完成，控制内筒停止旋转，关闭蠕动泵，将回收罐内液体回收，进行废液处理。

24、上述的一种各向同性湍流场中液滴尺寸测量的方法，其特征在于：步骤一中第一等动量取样装置取样、以及步骤二中第二等动量取样装置、第三等动量取样装置和第四等动量取样装置取样的过程均包括以下步骤：

25、步骤a、设定液体涡轮流量计读数，打开第二球阀，随意调节流量调节阀开度；

26、步骤b、关闭第一球阀，调节流量调节阀开度，直至液体涡轮流量计读数与所述设定液体涡轮流量计读数相同，将待测液样品流入取样室内；

27、步骤c、待2s～3s后，打开第一球阀，关闭第二球阀，打开第三球阀，通过取样烧杯取样，每次取样时开启的球阀需全开、关闭的球阀需全关，且每次取样结束后需排空取样室内所有样品，保证测量的准确性。

28、本发明与现有技术相比具有以下优点：

29、1、本发明采用的装置，可以根据需求控制湍流作用强弱，调整液滴在湍流场中的停留时间，实验不受油品种类限制，保证实验变量的多样性，实验功能全面；实验测量范围广，可调整湍动能耗散率在几至几百m2·s-3以内，液滴停留时间在几秒至几分钟以内，入口流量在1～10l·min-1以内，上部环形出口流量在0.2～5l·min-1以内，下部环形出口流量在0.5～10l·min-1以内，实验可选各类油品，包括原油。

30、2、本发明采用的装置，可以避免各向异性湍流作用、拉伸剪切流场作用、液滴变形历史等因素对液滴尺寸的影响，保证实验结果的精准性，液滴尺寸测量准确。

31、3、本发明采用的方法，步骤简单，即可以获得不同湍流作用下的液滴尺寸分布，还可为湍流作用下液滴尺寸预测模型提供准确的数据支撑，有助于深入湍流作用下液滴尺寸分布预测的研究，便于推广使用。

32、综上所述，本发明设计新颖合理，伺服电机可精准控制实验筒内湍流强弱程度，继而产生不同尺寸分布的液滴，实验筒侧面不同高度开设三个取样口，以实现不同湍流作用和不同位置的液滴尺寸测量；蠕动泵与流量调节阀控制入口和上下环出口流量，可在较大范围内控制液滴受湍流场作用时间，激光粒度仪测量液滴在不同湍流条件下的尺寸分布，数据采集仪记录液滴在各向同性湍流场中流量变化，以保证液滴尺寸仅与惯性子区湍流场中的湍动能耗散率有关，保证液滴尺寸预测结果的精确性，以保证液滴尺寸仅与惯性子区湍流场中的湍动能耗散率有关，保证液滴尺寸预测结果的精确性、实验变量的多样性，便于推广使用。

33、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。