一种基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的装置和方法，所述装置包括超重力旋转床装置和PIV装置；超重力旋转床装置包括环形筛板旋转床、储液槽、风机、泵、流量计、阀门，其中环形筛板旋转床包括透明壳体、液体分布器、装有透明环形筛板的转子、进液管与出液管；PIV装置包括计算机、同步器、激光发生器、CCD相机。测试方法：激光器产生脉冲激光经过片光源射入到环形筛板选装床内的气液接触面，CCD相机垂直向下拍摄流场形态，同步器将图像传输到计算机中运用互相关算法得到流场的速度信息。本发明专利技术利用PIV技术获得旋转床内的流体速度场图像，同时利用数值模拟技术研究环形筛板旋转床的流场特性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的装置和方法
本专利技术涉及一种基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的装置和方法。
技术介绍
环形筛板旋转床是一种过程强化装置，它将内部密实的填料简化为同心圆环筛板，转子稳定性得到极大地提升，且清洗维护简便，设备制造费用及运维费用较低；液体经分布器初始分布后喷洒在最内缘网板内侧，通过高速旋转的筛板剪切、撕裂后，液体被分散为液滴、液丝等形态，增大了气液接触面积，且两相间相对速度很大，气液界面湍动程度得到强化，对吸收、解吸等化工过程都有显著的影响。目前，普通旋转填料床填料密实、内部流道复杂，难以借助现有PIV技术对其内部流场进行可视化研究，也就无法直观获得液相流体的速度场、液滴大小等信息，难以进一步深入研究旋转床内传质、传热现象。针对于此问题，如何将PIV技术引用到旋转填料床内流体的测量上，已经成为一个亟待解决的问题。因此必须对原有的旋转填料床进行结构创新与设计，便于PIV技术测量其内部流场特性。通过测量旋转床的流场信息，可以得到旋转填料床流体力学的基础理论，同时为优化传质模型和反应器结构提供基础数据。文献1“SangL,LuoY,ChuG,etal.Liquidflowpatterntransition,dropletdiameterandsizedistributioninthecavityzoneofarotatingpackedbed:Avisualstudy[J].ChemicalEngineeringScience,2017,158:429-438.”采用高速摄像机对旋转填料床外缘填料进行了拍摄研究，结果表明液体从填料表面进入空腔区时，出现了液膜-液滴的断裂与液膜-液线-液滴的断裂两种方式；文献2“GuoK,FengY,etal.SynchronousvisualandRTDstudyonliquidflowinrotatingpackedbedcontactor1[J].ChemicalEngineeringScience,2000,55(9):1699-1706.”采用测量电导率的方法研究了旋转床内液体的停留时间分布及平均停留时间。上述文献使用的流场测量方法为非接触式全流场流量，具有测量精度高、空间分辨率高、测速范围广、灵敏度高、动态响应快等优点；但是这些方法流场干扰大、流体形态必须相对稳定，可变性不足，且每次只能在一个或几个位置测量，无法对全流场进行测量，需要进行不同位置的多次测量，通过平均化给出流场结果，以免给分析带来不便。粒子图像测速技术（PIV）是利用粒子的成像来测量流体速度的一种测速系统，它突破了以往技术的局限性，能够对同一瞬时的流动图像分析获得测试区域内整个流场的速度分布，反应出真实的流场信息；该技术克服了以往流场中单点测量的局限性，能够对平面二维流场或三维流场进行测试，是一种无扰动测量技术。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的装置和方法。首先，设计了一种新型超重力旋转床，使得利用PIV技术对其内流场进行测量时，能够高速准确的得到流场信息。本专利技术解决了旋转床内部流场难以测量的问题，可用于探索旋转填料床的强化机理，优化传质模型和结构；为利用PIV技术测量超重力旋转床内流场信息提供了一种途径，是一种实现瞬态、多点、无接触式的技术方法。本专利技术通过对旋转填料床内部的转子结构进行结构创新与设计，设计出了环形筛板旋转填料床，该设备大部分部件采用有机玻璃或石英玻璃制成。将PIV技术应用到旋转填料床内的流体拍摄研究中，探究出来了一种完整的PIV技术测量旋转填料床流场特性研究的方法。本专利技术提供了一种基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的装置，包括超重力旋转床装置和PIV装置；所述超重力旋转床装置包括环形筛板旋转床、风机、阀门、流量计、储液槽、泵；其中环形筛板旋转床包括透明壳体、液体分布器、进液管、出液管、转子、迷宫密封圈；进液管置于透明壳体上盖中央，与透明壳体中央的液体分布器相连；出液管置于透明壳体底部，透明壳体安装于水平台上；转子由上层盖板、透明环形筛板层、下层盖板以及转轴组成，转子在电机作用下进行高速旋转；透明环形筛板层放置在透明壳体中央，通过转轴带动旋转；转轴与电机连接，通过变频器来调节环形筛板旋转床的转速；储液槽通过泵与环形筛板旋转床的进液管连接，在进液管路中安装转子流量计调节流量，环形筛板旋转床的出液管与储液槽上方入口连接，形成一个水循环系统；风机与环形筛板旋转床的进气口相连，气体通过风机加压后进入旋转填料床内，通过气体流量计调节风量，气体在填料内与液体逆流接触后，从旋转填料床中间的气体出口排出。所述PIV装置包括激光发射器、CCD相机、同步器、计算机；CCD相机放置于环形筛板旋转床的上方或者侧面，能够对旋转床内的流体状况进行多方位测量；CCD相机通过支架来调节高度和拍摄目标区域；激光发射器安装在环形筛板旋转床的一侧，通过导光臂来连接片光源进行光源传输，片光源能够调节光源入射角度和光源照射厚度，光源入射角度在0~360°范围内可调，且满足光源入射角度垂直于相机；同步器分别与激光发射器、计算机以及CCD相机连接，计算机通过同步器来控制激光发射器和CCD相机；CCD相机拍摄的图像通过同步器的转换储存在计算机上。上述装置中，所述环形筛板旋转床的透明环形筛板为圆环结构，由2~8层不同直径的环形筛板组成，每层环形筛板的上下排列有2~6层呈周向分布的圆形筛孔，圆形筛孔直径为2~6mm，筛板层材质为有机玻璃或石英玻璃。上述透明环形筛板的上方设有一个3~10mm厚度的圆形透明盖板，与下层盖板共同作用下固定筛板层。上层盖板连接迷宫密封圈，以防止气体短路。上述装置中，所述环形筛板旋转床的液体分布器下端设有3个垂直分布的小孔，液体经进液管进入液体分布器上端，最后从下端小孔喷洒在填料内缘。上述装置中，所述环形筛板旋转床的壳体为圆筒结构，两端为法兰，其材质均为有机玻璃，壳体与旋转床的不锈钢底座采用法兰连接。上述装置中，所述PIV装置，为了减少折射、散射的局部强光进入摄像机，将不锈钢转子底部盖板均匀涂抹一层黑色油性漆（糙面）；在每层筛板上端面使用黑色的纸带进行遮挡；为了使得拍摄的图像尽量清晰，在整个实验过程中尽量保持只有激光摄入，因此当没有激光照射时，整个实验环境为黑暗条件。本专利技术提供了一种采用上述基于PIV技术测量环形筛板旋转床流场特性的装置进行的测量方法，所述实验以去离子水为介质，旋转床分散后的液滴本身作为示踪粒子；包括以下步骤：（1）向储液槽中加入去离子水，开启环形筛板旋转床装置，设置转子转速为100~1500rpm、液体初始速度为0.5~4m/s、气量为0~8m3/h，进入到水循环状态。在旋转填料床装置进行工作时，液体经液体分布器初始分布后喷洒在最内缘填料，通过高速旋转的填料剪切、撕裂后，液体被剪切分散为液滴、液丝等形态，在填料中与气体逆流接触。两相之间接触面积大，且两相间相对速度很大，使得气液界面湍动程度得到强化。（2）开启PIV装置。依次开启激光发射器，同步器，最后打开Insight4G软件。调节导光臂使激光束照射到目标区域；将CCD相机悬挂于旋转床上空，通过调节杆调节相机至目标拍摄区域；在外触发模式下，调节相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的装置，其特征在于：包括超重力旋转床装置和PIV装置；所述超重力旋转床装置包括环形筛板旋转床、风机、阀门、流量计、储液槽、泵；其中环形筛板旋转床包括透明壳体、液体分布器、进液管、出液管、转子、迷宫密封圈；进液管置于透明壳体上盖中央，与透明壳体中央的液体分布器相连；出液管置于透明壳体底部，透明壳体安装于水平台上；转子由上层盖板、透明环形筛板层、下层盖板以及转轴组成，转子在电机作用下进行高速旋转；透明环形筛板层放置在透明壳体中央，通过转轴带动旋转；储液槽通过泵与环形筛板旋转床的进液管连接，在进液管路中安装转子流量计调节流量，环形筛板旋转床的出液管与储液槽上方入口连接，形成一个水循环系统；风机与环形筛板旋转床的进气口相连，气体通过风机加压后进入旋转填料床内，通过气体流量计调节风量，气体在填料内与液体逆流接触后，从环形筛板旋转床中间的气体出口排出；所述PIV装置包括激光发射器、CCD相机、同步器、计算机；CCD相机放置于环形筛板旋转床的上方或者侧面，能够对旋转床内的流体状况进行多方位测量；激光发射器安装在环形筛板旋转床的一侧，通过导光臂来连接片光源进行光源传输，片光源能够调节光源入射角度和光源照射厚度，光源入射角度在0~360°范围内可调，且满足光源入射角度垂直于相机；同步器分别与激光发射器、计算机以及CCD相机连接；计算机通过同步器来控制激光发射器和CCD相机。...

【技术特征摘要】
1.一种基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的装置，其特征在于：包括超重力旋转床装置和PIV装置；所述超重力旋转床装置包括环形筛板旋转床、风机、阀门、流量计、储液槽、泵；其中环形筛板旋转床包括透明壳体、液体分布器、进液管、出液管、转子、迷宫密封圈；进液管置于透明壳体上盖中央，与透明壳体中央的液体分布器相连；出液管置于透明壳体底部，透明壳体安装于水平台上；转子由上层盖板、透明环形筛板层、下层盖板以及转轴组成，转子在电机作用下进行高速旋转；透明环形筛板层放置在透明壳体中央，通过转轴带动旋转；储液槽通过泵与环形筛板旋转床的进液管连接，在进液管路中安装转子流量计调节流量，环形筛板旋转床的出液管与储液槽上方入口连接，形成一个水循环系统；风机与环形筛板旋转床的进气口相连，气体通过风机加压后进入旋转填料床内，通过气体流量计调节风量，气体在填料内与液体逆流接触后，从环形筛板旋转床中间的气体出口排出；所述PIV装置包括激光发射器、CCD相机、同步器、计算机；CCD相机放置于环形筛板旋转床的上方或者侧面，能够对旋转床内的流体状况进行多方位测量；激光发射器安装在环形筛板旋转床的一侧，通过导光臂来连接片光源进行光源传输，片光源能够调节光源入射角度和光源照射厚度，光源入射角度在0~360°范围内可调，且满足光源入射角度垂直于相机；同步器分别与激光发射器、计算机以及CCD相机连接；计算机通过同步器来控制激光发射器和CCD相机。2.根据权利要求1所述的基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的装置，其特征在于：所述环形筛板旋转床的透明环形筛板为圆环结构，由2~8层不同直径的圆环形筛板组成，每层环形筛板上下排列有2~6层直径为2~6mm的圆形筛孔，筛板层材质为有机玻璃或石英玻璃。3.根据权利要求1所述的基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的装置，其特征在于：透明环形筛板的上方设有一个3~10mm薄的圆形透明盖板，与筛板层下层盖板共同作用固定筛板层；上层盖板连接迷宫密封圈，以防止气体短路。4.根据权利要求1所述的基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的装置，其特征在于：所述环形筛板旋转床中间的液体分布器下端设有3个垂直分布的小孔，液体分布器上端连接着进液管；液体经进液管进入液体分布器均匀喷洒在填料内缘。5.根据权利要求1所述的基于PIV技术测量超重力旋转床流场特性的装置，其特征在于：所述环形筛板旋转床的壳体为圆筒结构，两端为法兰，其材质均为有机玻璃，壳体与旋转床的不锈钢底座采用法...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁志国，刘有智，李航天，张巧玲，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西,14