一种用于非牛顿流体管道循环流动研究的模拟装置及方法与流程

本发明涉及新型储能试验装置相关技术，尤其是一种用于非牛顿流体管道循环流动研究的模拟装置及方法。

背景技术：

1、当前，随着全球能源转型和碳减排的加速推进，新型储能技术飞速发展。相比“新型储能”，以抽水蓄能为代表的传统重力储能，虽具备低能耗、无污染、技术成熟等优势，但也存在选址灵活性较低、建设周期长、能量转化效率不高等不足。若能采用密度高于水的流体代替传统抽蓄所用水体，则可实现在达成相同发电能效的情况下降低上下库高差、减小上下库库容，增加布置灵活性，节约建设成本、缩短建设工期。此技术可极大革新传统重力储能，是对常规抽水蓄能的发展与补充，经济社会效益巨大。

2、对于高密度流体重力储能，理论上可采用的流体很多，例如高密度海水、石油、泥浆、矿浆、液态金属、聚合物溶液、高科技化学材料等，上述流体的密度、粘度、悬浮物含量等与清水迥异，形态上也不限于液体，部分属于浆体、胶体、膏体，但上述天然或工业流体有一共同特点，均属于非牛顿流体。非牛顿流体凭借其独特的流变特性和较高的密度，有望在相同发电能效条件下显著降低重力储能所需的高差，该技术不仅可以弥补传统抽水蓄能电站在选址和建设周期方面的局限性，还可能为矿山尾矿资源化利用、工业废液处理等领域提供新的解决方案。因此，深入研究非牛顿流体在重力储能系统的密闭管道的流动特性和能量转化规律，对于推动新型储能技术发展和革新现有能源结构具有重要意义；利用非牛顿流体进行重力储能也已成为业内极具潜力的研究方向之一。

3、目前，非牛顿流体重力储能的研究主要集中在理论模型构建和小规模实验验证两个方面。在理论研究方面，学者们已经建立了一些考虑非牛顿流体流变特性的数学模型，如herschel-bulkley模型和bingham模型等，用于描述非牛顿流体在管道中的流动行为和能量损失。在实验研究方面，一些研究团队采用改进的落管实验装置或小型循环系统，对特定非牛顿流体(如cmc溶液、聚丙烯酰胺溶液等)在垂直管道中的流动特性进行了初步探究。然而，这些研究多局限于单一流体、单一工况的流动特性分析，难以全面模拟实际重力储能系统中的复杂工况和多种影响因素。此外，现有研究对非牛顿流体在重力储能过程中的能量转化效率、流动性调控、稳定性保持等关键问题的探讨还很不充分。

4、现有的非牛顿流体重力储能研究面临以下几个主要问题：首先，缺乏能够系统模拟重力储释能全过程的实验装置，特别是难以实现对不同高差、角度、管型、管径等复杂工况的灵活模拟。其次，现有装置普遍缺乏对非牛顿流体流动性的有效调控手段，无法在同一平台上对不同种类非牛顿流体进行模拟，难以研究非牛顿流体流变特性变化对储能系统性能的影响；由于流动性参数无法调节，也就无法应用于不同类型的非牛顿流体，限制了装置的适用范围，也无法通过装置制备遴选高密度低粘度的高潜力重力储能流体或测试流体的可用范围。再次，多数实验装置的测控系统不够全面，未必能适用于非牛顿流体复杂试验环境，无法对非牛顿流体流动参数进行实时、有效、多维度监测。最后，现有研究方法往往难以准确、全面地评估非牛顿流体在重力储能过程中的流动特性、管道输移能量转化和系统损耗。

技术实现思路

1、发明目的，提供一种用于非牛顿流体管道循环流动研究的模拟装置及方法，以期能够解决上述问题。

2、技术方案，一种用于非牛顿流体管道循环流动研究的模拟装置，包括：

3、复合式流动性调控蓄液池，储存非牛顿流体，通过内置调控装置从不同维度对不同类型的非牛顿流体的流动性进行调控；

4、主管道系统，包括试验段、过渡段和软管段；

5、多功能储液罐，放置于移动升降工作台上；

6、旁路管道系统，所述复合式流动性调控蓄液池通过主管道系统和旁路管道系统与多功能储液罐相连，形成闭环循环系统；

7、多通道水泵系统，设置在旁路管道系统上，用于驱动非牛顿流体在系统中循环；

8、集成式在线采集系统，布置在复合式流动性调控蓄液池和主管道系统的预定位置，用于实时采集流体参数；

9、终端控制系统，与集成式在线采集系统中的各个子系统相连，用于控制整个系统的运行和数据处理。

10、根据本申请的另一个方面，还包括：

11、外接式水轮机发电机模块，包含水轮机及发电机，接入主管道系统的下游与蓄液池之间，用于测定试验流体的发电功率。

12、根据本申请的另一个方面，还提供一种使用上述模拟装置的非牛顿流体流动特性及能量转化规律研究方法，包括以下步骤：

13、步骤1、在复合式流动性调控蓄液池中准备非牛顿流体试样；

14、步骤2、通过调节工作参数，包括温度、浓度、外加剂含量、压差和剪切力，调节非牛顿流体的流动性，使其能在有压管道内往复循环；

15、步骤3、通过移动升降工作台调节多功能储液罐的位置，设置不同的试验工况，包括高差、角度和管型；

16、步骤4、启动多通道水泵系统，使非牛顿流体在管道系统中循环流动；

17、步骤5、利用集成式在线采集系统采集非牛顿流体的流动参数，包括温度、压力脉动、流量、密度、流速、压强、浓度和粘度；

18、步骤6、通过终端控制系统实时监控试验过程，并对采集的数据进行处理和分析；

19、步骤7、分析不同工况下非牛顿流体的流动特性和能量转化规律。

20、有益效果：构建了一种用于非牛顿流体管道循环流动研究的模拟装置，适用于绝大多数天然或人工非牛顿流体，该装置是一个科研性质的非牛顿流体动力学综合试验平台：通过一套装置即可对温度、浓度、外加剂含量、压差、剪切力等多要素实时调控，改变流体的密度、粘度、悬浮物含量等；试验管道系统可灵活模拟不同高差、角度、管径、管型等多种复杂工况；实现对流态、流速、压强、压力脉动等多种流体动力学要素的全面研究。发明所述的方法：通过对不同非牛顿流体的流动性调控实现其在有压管道内稳定循环流动，有效模拟了流体的重力储释能过程；同时也有助于推动非牛顿流体有压管道输移的系统研究，支撑了非牛顿流体新型重力储能的可行性论证，有助于非牛顿流体动力学试验学科的发展。

技术特征：

1.一种用于非牛顿流体管道循环流动研究的模拟装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述复合式流动性调控蓄液池(a)包括：

3.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述主管道系统(b)的试验段(13)采用透明材质制成，用于观察流体流动状态；所述过渡段(14)采用可伸缩材料制作，以适应不同的实验工况；所述软管段(15)连接过渡段(14)与多功能储液罐(c)及复合式流动性调控蓄液池(a)，实现柔性连接。

4.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述多功能储液罐(c)包括：

5.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述移动升降工作台(d)包括：升降机平台(23)；

6.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述多通道水泵系统(f)包括：

7.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述集成式在线采集系统(g)包括：

8.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述终端控制系统(h)包括：

9.一种使用权利要求1至8任一项所述模拟装置的用于非牛顿流体管道循环流动研究的方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括在试验结束后，通过排水阀(12)和漏斗(20)对管道系统进行清洗和排空的步骤。

技术总结本发明公开了一种用于非牛顿流体管道循环流动研究的模拟装置及方法，该装置包括复合式流动性调控蓄液池、主管道系统、多功能储液罐、旁路管道系统、多通道水泵系统、集成式在线采集系统和终端控制系统。其中复合式流动性调控蓄液池通过主管道系统和旁路管道系统与多功能储液罐相连，形成闭环循环系统；多通道水泵系统设置在旁路管道系统上，用于驱动非牛顿流体在系统中循环；集成式在线采集系统，布置在预定位置，用于实时采集流体参数；终端控制系统与集成式在线采集系统相连，用于控制系统的运行和数据处理。本发明实现了不同类型非牛顿流体在有压管道内的流动性调节及循环控制，可用于非牛顿流体管道流动的系统研究和非牛顿流体重力储能论证。技术研发人员：吴修锋,高昂,孙诗游,李君,吴时强,陈祥,邢建营,薛万云,王芳芳,许听雨,樊顾飞,彭潜受保护的技术使用者：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院技术研发日：技术公布日：2024/12/2