一种多参数可调的雾状流实验系统技术方案

本发明专利技术涉及一种多参数可调的雾状流实验系统，包括气源模块、流量调节阀、涡街流量计、储水罐、计量泵、变频器、雾化混合段、液膜收集装置、消光法颗粒测量仪和节流阀，其中，气源模块提供的空气经由流量调节阀后送入雾化混合段，气相流量由涡街流量计计量；储水罐提供的水，经过计量泵和变频器的调节后再经过高压喷嘴后雾化后形成微米级液滴进入雾化混合段，水流量由计量泵控制，计量泵通过调频和调行程两种方式组合进行流量调节，其中频率由变频器进行连续调节；气相和液相在雾化混合段形成雾状流后，进入液膜收集装置，通过节流阀对排气量的控制与计量，经由液膜收集装置后管路里的液滴粒径和浓度由消光法颗粒测量仪测量。

【技术实现步骤摘要】
一种多参数可调的雾状流实验系统
本专利技术属于气液两相流参数测量领域，涉及一种多参数可调的雾状流实验系统。
技术介绍
气液两相流广泛存在于现代工业设备。雾状流作为气液两相流的一种重要流型，以气相为连续相、液相为离散相，液相大部分或全部以液滴形式被气相夹带。常用于灭火器、各种发动机燃烧室以及水下推进装置中，其流量、干度、压降、截面含率等对工业设备运行的安全、经济和节能具有重要意义[1]。由于雾状流型在工业生产中的重要性，人们对雾状流动及其流量测量开展了深入研究。对于雾状流动的研究，人们普遍关注两相压降[2]、截面含率、液滴沉积、流动稳定性[3]以及体积含气率[4]等。关于雾状流的流量测量，主要有分离法和在线测量方法，其中利用传统单相流量仪表进行在线测量的方法应用广泛，但在两相流中，液相会对流量计量特性产生较大影响，需对其进行针对性修正[5]。对于上述研究，无论是理论建模还是数值模拟，都需要实流试验进行验证，并发现可能存在的新问题。目前大部分雾状流实验都是在多相流装置上进行，其中气液两相多通过引射器进行混合[5]-[8]。在引射器内形成雾状流需要严格的条件，且液滴沿程易发生沉积，这将影响雾状流型的形成。另外，大多数雾状流实验是在常压下进行[5][6][8]，忽略了压力变化对流量计量的影响，导致修正模型适应性变差，无法从根本上解决流量修正问题。对于雾状流型的参数调节，由于其影响参数较多，各个参数之间又相互耦合，这给流动参数调节与控制造成困难。参考文献[1]付英杰,魏英杰,张嘉钟,等.喷管内雾状气液两相流场计算分析[J].哈尔滨工业大学学报,2010,42(9):1363-1368.[2]吴宁,宿淑春,葛铁辉,等.水平井筒变质量气液两相环空雾状流压降的分析模型[J].石油地质与工程,2001,15(2):35-37.[3]高庆华,李天太,赵亚杰,等.井筒气液两相流流动特性模拟试验研究[J].长江大学学报(自科版),2014(14):84-87.[4]方立德,张涛,徐英,等.利用U形管测量低压环雾状流与液束环状流体积含气率[J].化工学报,2008,59(5):1131-1135.[5]贾云飞,孔德仁.基于波理论的涡街流量计雾状流测量模型[J].化工学报,2009,60(3):601-607.[6]NederveenNWashingtonGVBatstraFHWetgasflowmeasurement[A]SPEAnnualTechnicalConference[C]SanAntonioTX1989.[7]AndrewHall,RichardSteven.Adiscussiononvortexmetertechnologieswithwetgasflows.7thSouthEasrAsiaHydrocardonFlowMeasurementWorkshop,5th-7thMarch,2008.[8]JiaYF,ZhangT,ZhangQP.Anexperimentalstudyofvortexflowmeterusedinwetgas[J].JiliangXuebao/actaMetrologicaSinica,vol30(3),pp.225-229,2009.
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种多参数可调的雾状流实验系统，该装置可形成稳定的雾状流型，并对气相流量、压力和液滴浓度进行精确控制。为此，本专利技术采用如下的技术方案：一种多参数可调的雾状流实验系统，包括气源模块、流量调节阀、涡街流量计、储水罐、计量泵、变频器、雾化混合段、液膜收集装置、消光法颗粒测量仪和节流阀，其中，气源模块提供的空气经由流量调节阀后送入雾化混合段，气相流量由涡街流量计计量；储水罐提供的水，经过计量泵和变频器的调节后再经过高压喷嘴后雾化后形成微米级液滴进入雾化混合段，水流量由计量泵控制，计量泵通过调频和调行程两种方式组合进行流量调节，其中频率由变频器进行连续调节；气相和液相在雾化混合段形成雾状流后，进入液膜收集装置，通过节流阀对排气量的控制与计量，液膜收集装置实现对液膜的完全收集，经由液膜收集装置后管路里的液滴粒径和浓度由消光法颗粒测量仪测量；为实现对雾状流动参数的调节，采用多参数控制系统，通过流量调节阀和节流阀组合，将压力-流量耦合控制分为两部分：压力-流量调节阀控制部分和流量-节流阀控制部分，对压力和流量采用前馈-反馈控制，以消除气相压力和流量对液滴浓度的干扰；设R3(s)为液滴浓度设定值，Gc3(s)为浓度控制器，Gff(s)为前馈控制器，Gv(s)为变频器和计量泵，Gp3(s)为液膜收集装置，H3(s)为消光法颗粒测量仪，Gd1(s)和Gd2(s)为扰动通道传递函数，Y3(s)为液滴浓度测量值，e3(s)为液滴浓度设定值与测量值偏差，前馈信号存在于浓度控制器Gc3(s)之后，用以克服气相压力Y1(s)和流量Y2(s)对液滴浓度的扰动作用，反馈控制克服回路中其他不可测扰动的影响，最终使液滴浓度达到设定值R3(s)。优选地，液膜收集装置，包括渗透收集系统、流量控制系统和计量称重系统三部分，其中，渗透收集系统，包括多孔渗透管道、套管、排污阀、三通阀、控制阀，所述的多孔渗透管道的中间段为多孔段，位于套管内，在套管的下部开设有导流孔，通过多孔段渗透出的流体经由导流孔流出后，先流经三通阀，再经由控制阀后进入计量称重系统的储水容器，在储水容器中进行气液分离后，气体经流量控制系统计量并排出，液体则存储于储水容器中；三通阀的旁端通过排污阀通向外界；流量控制系统包括浮子流量计和排气阀，由排气阀控制气体的排出，排气量由浮子流量计进行计量。多孔段由多孔滤芯烧结材料制成。计量称重系统包括储水容器、桶盖、干燥剂、支架、电子秤、排水阀，储水容器通过支架固定在电子秤的上方，进入储水容器的气体由桶盖连接的导管排出，进入流量控制系统。本专利技术的实质性特点和有益效果如下：1)通过雾化混合方式。空气由气源模块提供，压力和空气流量由调节阀和节流阀组合控制，压力调节范围0.1～0.7MPa，流量调节范围5～25m3/h。由涡街流量计进行流量计量，标定测量精度为±1.0％。水由储水罐提供，水流量由计量泵进行精确控制，流量范围为0～17L/h，标定测量精度为±2.0％。经高压水喷嘴雾化后的微米级液滴，在混合段与气流进行混合。对于混合段的管路设计，为避免喷出的液滴直接撞击管壁，在DN50段进行混合，之后扩径为DN100，保证液滴与气相充分混合，随后管径渐缩减至DN15实验段。通过液膜收集装置，对液滴沉积形成的液膜进行分离，之后由消光法粒度测量仪进行液滴粒径和液滴浓度测量。2)在以上实验装置的基础上，为实现对雾状流动参数的准确调节，设计基于PLC的多参数控制系统。通过调节阀和节流阀组合，将压力-流量耦合系统分为两部分：压力-调节阀控制系统和流量-节流阀控制系统，以达到压力、流量的快速调节。气相压力和流量会影响液滴的沉积过程，进而影响雾状流的液滴浓度。采用前馈-反馈控制，消除气相压力和流量对液滴浓度的干扰，以实现液滴浓度的快速、准确调节。附图说明图1：多参数可调的雾状流实验系统结构图图2：雾化混合段结构图图3：液膜收集装置结构图图4：雾状流动参数控制系统框图图5：Speddin本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多参数可调的雾状流实验系统，包括气源模块、流量调节阀、涡街流量计、储水罐、计量泵、变频器、雾化混合段、液膜收集装置、消光法颗粒测量仪和节流阀，其中，气源模块提供的空气经由流量调节阀后送入雾化混合段，气相流量由涡街流量计计量；储水罐提供的水，经过计量泵和变频器的调节后再经过高压喷嘴后雾化后形成微米级液滴进入雾化混合段，水流量由计量泵控制，计量泵通过调频和调行程两种方式组合进行流量调节，其中频率由变频器进行连续调节；气相和液相在雾化混合段形成雾状流后，进入液膜收集装置，通过节流阀对排气量的控制与计量，液膜收集装置实现对液膜的完全收集，经由液膜收集装置后管路里的液滴粒径和浓度由消光法颗粒测量仪测量；为实现对雾状流动参数的调节，采用多参数控制系统，通过流量调节阀和节流阀组合，将压力‑流量耦合控制分为两部分：压力‑流量调节阀控制部分和流量‑节流阀控制部分，对压力和流量采用前馈‑反馈控制，以消除气相压力和流量对液滴浓度的干扰；设R3(s)为液滴浓度设定值，Gc3(s)为浓度控制器，Gff(s)为前馈控制器，Gv(s)为变频器和计量泵，Gp3(s)为液膜收集装置，H3(s)为消光法颗粒测量仪，Gd1(s)和Gd2(s)为扰动通道传递函数，Y3(s)为液滴浓度测量值，e3(s)为液滴浓度设定值与测量值偏差，前馈信号存在于浓度控制器Gc3(s)之后，用以克服气相压力Y1(s)和流量Y2(s)对液滴浓度的扰动作用，反馈控制克服回路中其他不可测扰动的影响，最终使液滴浓度达到设定值R3(s)。...

【技术特征摘要】
1.一种多参数可调的雾状流实验系统，包括气源模块、流量调节阀、涡街流量计、储水罐、计量泵、变频器、雾化混合段、液膜收集装置、消光法颗粒测量仪和节流阀，其中，气源模块提供的空气经由流量调节阀后送入雾化混合段，气相流量由涡街流量计计量；储水罐提供的水，经过计量泵和变频器的调节后再经过高压喷嘴后雾化后形成微米级液滴进入雾化混合段，水流量由计量泵控制，计量泵通过调频和调行程两种方式组合进行流量调节，其中频率由变频器进行连续调节；气相和液相在雾化混合段形成雾状流后，进入液膜收集装置，通过节流阀对排气量的控制与计量，液膜收集装置实现对液膜的完全收集，经由液膜收集装置后管路里的液滴粒径和浓度由消光法颗粒测量仪测量；为实现对雾状流动参数的调节，采用多参数控制系统，通过流量调节阀和节流阀组合，将压力-流量耦合控制分为两部分：压力-流量调节阀控制部分和流量-节流阀控制部分，对压力和流量采用前馈-反馈控制，以消除气相压力和流量对液滴浓度的干扰；设R3(s)为液滴浓度设定值，Gc3(s)为浓度控制器，Gff(s)为前馈控制器，Gv(s)为变频器和计量泵，Gp3(s)为液膜收集装置，H3(s)为消光法颗粒测量仪，Gd1(s)和Gd2(s)为扰动通道传递函数，Y3(s)为液滴...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁红兵，李一鸣，王超，李金霞，张哲晓，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12