一种粘弹性两相流体减阻实验系统及实验方法技术方案

一种粘弹性两相流体减阻实验系统及实验方法，通过管路与气源(1)连通的气液混合器(9)，在其连通的管路上设置空气压缩机(2)，离心泵(5)设置在循环液箱与气液混合器连通的管路上；电子阀Ⅰ的一端接在离心泵与气液混合器连通的管路上，电子阀Ⅰ的另一端接在与取样皿入口端连通的管路上；取样皿的出口端装有隔流板，液体通过隔流板流至流变仪内；在管路Ⅰ、管路Ⅱ、管路Ⅲ的进口端至出口端管路上安装有电子阀Ⅱ、电子压差表、温度传感器；过渡水池通过管路Ⅳ与循环液箱连通；本发明专利技术可以实现气液两相流体减阻实验，同时可以大幅度提高两相流体减阻的实验效率，实验数据准确，降低实验数据偏差率，该系统结构简单、工艺操作方便。

An experimental system and method for drag reduction of viscoelastic two-phase fluid

An experimental system and method for viscoelastic two-phase fluid drag reduction are presented. An air compressor (2) and a centrifugal pump (5) are installed in the pipeline connected with the gas-liquid mixer (9) through the pipeline connected with the gas source (1). One end of the electronic valve I is connected with the pipeline connected with the centrifugal pump and the gas-liquid mixer, and the other end of the electronic valve I is connected with the pipeline connected with the centrifugal pump and the gas-liquid mixer. The inlet end of the sampling dish is connected with the pipeline; the outlet end of the sampling dish is equipped with a baffle, and the liquid flows into the rheometer through the baffle; the pipeline from the inlet end to the outlet end of the pipeline I, pipeline II and pipeline III is equipped with an electronic valve II, an electronic differential pressure meter and a temperature sensor; the transition pool is connected with the circulating liquid tank through pipeline IV; the gas-liquid two-phase fluid drag reduction solid can be realized by the present invention. At the same time, the experimental efficiency of drag reduction of two-phase fluid can be greatly improved. The experimental data are accurate and the deviation rate of experimental data can be reduced. The system has simple structure and convenient operation.

【技术实现步骤摘要】
一种粘弹性两相流体减阻实验系统及实验方法
本专利技术涉及一种粘弹性流体减阻实验系统，具体是一种粘弹性两相流体减阻实验系统及实验方法，属于流体力学中的湍流减阻

技术介绍
高瓦斯矿井和突出矿井治理一直是世界难题，因此治理瓦斯是保证煤矿开采安全的重要手段之一。瓦斯抽釆设备的抽釆能力是影响矿井抽釆效果的重要因素之一，目前大部分研究均是从抽釆设备本身考虑，通过改善抽釆设备结构进而提高抽釆效率，然而这种仅仅通过改善设备结构的方法目前已经达到了瓶颈。在流体力学中，高分子聚合物减阻作为粘弹性流体减阻是较为可靠且有潜力的研究方向，可大大提高抽釆设备的效率；由于目前的抽釆设备为水环真空泵，其内部运行基于气液两相流体流动机理，因此，研究粘弹性两相流体减阻特性，对防治煤与瓦斯突出具有重要的理论和现实意义。目前，研究粘弹性流体减阻最常见的就是聚合物减阻，由于中国石油的开采，大部分研究都基于油溶性聚合物湍流减阻效率，且以上研究基本上都是在实验中进行，系统中仅仅包含一种粘弹性流体，或者用系统监测粘弹性流体内生成气泡的情况；中国专利技术专利2018年06月19日公开的一种公开号为CN108181205A的“一种油溶性聚合物湍流减阻效率测量装置”，通过圆盘旋转动力测量圆盘旋转的抗扭矩，进而推算聚合物湍流减阻率，此种设计方式类似于旋转流变仪；旋转流变仪测粘弹性流体流变性质参数，为开发创新结构和功能性材料提供必要的数据，虽然功能比较全面，但未能测定气液两相流体混合后的相关减阻参数，尚未能对其探明粘弹性两相流体减阻的特性；另外还有一种使用毛细管流变仪的湍流减阻测量法，能够测量流出固定容积的含添加剂和不含添加剂溶液流出毛细管的时间，从而计算减阻效率，也未涉及两相流体。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种粘弹性两相流体减阻实验系统及实验方法，可以实现气液两相流体减阻实验，同时可以大幅度提高两相流体减阻的实验效率，实验数据准确，降低实验数据偏差率，该系统结构简单、工艺操作方便。为了实现上述目的，本专利技术提供一种粘弹性两相流体减阻实验系统，包括粘弹性流体属性调节系统、气液混合系统、粘弹性流体流变性测试系统、粘弹性流体减阻测试系统、粘弹性流体循环系统、数据转换与控制系统，所述粘弹性流体属性调节系统包括循环液箱以及设置在循环液箱中的搅拌器、恒温加热系统，所述气液混合系统包括气源以及通过管路与气源连通的气液混合器，在其连通的管路上设置空气压缩机，离心泵设置在循环液箱与气液混合器连通的管路上；所述粘弹性流体流变性测试系统包括电子阀Ⅰ、带有隔流板的取样皿以及流变仪；电子阀Ⅰ的一端接在离心泵与气液混合器连通的管路上，电子阀Ⅰ的另一端接在与取样皿入口端连通的管路上；隔流板装在取样皿的出口端，液体通过隔流板流至流变仪内；所述粘弹性流体减阻测试系统包括管路Ⅰ、管路Ⅱ、管路Ⅲ；粘弹性流体循环系统包括过渡水池、管路Ⅳ；管路Ⅰ、管路Ⅱ、管路Ⅲ的进口端均连通气液混合器的出口端，其出口端均与过渡水池连通；在管路Ⅰ、管路Ⅱ、管路Ⅲ的进口端至出口端管路上分别依次安装有电子阀Ⅱ、电子压差表、温度传感器Ⅰ；过渡水池通过管路Ⅳ与循环液箱连通；在离心泵和气液混合器的连接管路上装有液体流量计，在空气压缩机和气液混合器的连接管路上装有气体流量计，在气液混合器与电子阀Ⅱ连通的管路上装有温度传感器Ⅱ；所述数据转换与控制系统包括中央控制器、数字化调控系统，数字化调控系统将控制信号传给中央控制器，由中央控制器控制液体流量计、气体流量计、电子阀Ⅰ、温度传感器Ⅱ、电子阀Ⅱ、电子压差表、温度传感器Ⅰ以及恒温加热系统的信号变化；TR-PIV粒子图像速度场仪通过中央控制器与数字化调控系统连接进行数据采集和处理，监测系统中的流体瞬时流态。作为本专利技术的进一步改进，管路Ⅰ、管路Ⅱ、管路Ⅲ均为可变直径、形状的管路，管路Ⅰ、管路Ⅱ、管路Ⅲ的直径均在8-15mm之间，长度均在3500-4500mm之间，形状为直线型、波浪形、螺旋形中的一种；在与其连接的气液混合器出口端的管路上装有变径接头管；管路Ⅳ的直径为15mm，存在5°倾斜角；其它管路的直径均为12mm。作为本专利技术的进一步改进，气液混合器为类倒梯台形，上下底为圆形，上底面面积大于下底面面积，垂直于底面的截面形状分为两部分，上半部分的高度为35mm，下半部分的高度为15mm。作为本专利技术的进一步改进，所述的气体流量计的测量范围为0-15L/min，精度为0.001L/min；液体流量计的测量范围为0-20L/min，精度为0.01L/min；电子压差表的测量范围为0-10pa，精度为0.001pa；温度传感器Ⅰ、温度传感器Ⅱ的测量范围以及温度调节范围为0-80℃，搅拌器的转速范围为0-1000r/min。作为本专利技术的进一步改进，所述过渡水池的底面设置成凹面形状。作为本专利技术的进一步改进，所述的电子阀Ⅱ装在距离气液混合器出口端的800-1000mm处，电子压差表装在距离电子阀Ⅱ出口端的200-500mm处；温度传感器Ⅰ装在距离过渡水池入口端的300-800mm处。一种粘弹性两相流体减阻实验方法，包括以下步骤：①称量好要实验的高分子材料，设计不同配比的高分子溶液；②将水溶液加入循环液箱中，启动搅拌器，设定好其转速，待其转速稳定后，将高分子材料缓慢倒入其搅拌形成的漩涡中，至全部倒完后，再等待几分钟使其搅拌均匀后，关闭搅拌器；③打开中央控制器以及数字化调控系统，调节恒温加热系统的温度值，待其加热至指定温度；④打开离心泵、电子阀Ⅱ，调节其设计的实验抽液速度，使数字化调控系统中液体流量计的数值达到设计值；⑤关闭隔流板，打开电子阀Ⅰ，待高分子溶液流至取样皿一定高度后，关闭电子阀Ⅰ；⑥打开空气压缩机，调节其设计的实验抽气速度，使数字化调控系统中气体流量计的数值达到设计值；同时打开隔流板，使高分子溶液适量流入流变仪中，关闭隔流板；⑦运行两分钟后，待管路Ⅰ、管路Ⅱ、管路Ⅲ中充满待测流体，即各监测数值基本稳定后，开始记录数据，同时打开TR-PIV粒子图像速度场仪，记录系统流体流态；在运行过程中，可同时打开流变仪测试高分子溶液的流变属性；⑧观察数字化调控系统中液体流量计、气体流量计、温度传感器、电子压差表的数值；按照一定频率记录多组数据，以确保数据误差最小；⑨停止实验，关闭TR-PIV粒子图像速度场仪，同时通过数字化调控系统关闭实验系统，再次打开空气压缩机，加快实验系统中的废液流动，待管路Ⅰ、管路Ⅱ、管路Ⅲ的液体全部流入过渡水池中，关闭空气压缩机，同时清洗隔流板、取样皿、流变仪；⑩等待实验系统中的废液全部流入循环水池中，处理其内部废液，换入清水，打开离心泵，使清水在系统中形成循环，进而对实验系统进行清洗五分钟，之后换水再次清洗，共清洗三次；结束实验。与现有技术相比，本专利技术由中央控制器以及数字化调控系统构成的数据转换与控制系统统一控制各个系统之间的协调运行，首先通过调节粘弹性流体属性调节系统中的流体属性，待恒温加热系统加热至指定温度，为实验创设稳定的环境；再通过数字化调控系统打开气液混合系统中的离心泵、粘弹性流体减阻测试系统中的电子阀Ⅱ，调节其设计的实验抽液速度，使数字化调控系统中液体流量计的数值达到设计值；手动关闭隔流板，通过数字化调控系统打开电子阀Ⅰ，待高分子溶液流至取样皿一定高度后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种粘弹性两相流体减阻实验系统，其特征在于，包括粘弹性流体属性调节系统、气液混合系统、粘弹性流体流变性测试系统、粘弹性流体减阻测试系统、粘弹性流体循环系统、数据转换与控制系统，所述粘弹性流体属性调节系统包括循环液箱(6)以及设置在循环液箱(6)中的搅拌器(7)、恒温加热系统(20)，所述气液混合系统包括气源(1)以及通过管路与气源(1)连通的气液混合器(9)，在其连通的管路上设置空气压缩机(2)，离心泵(5)设置在循环液箱(6)与气液混合器(9)连通的管路上；所述粘弹性流体流变性测试系统包括电子阀Ⅰ(8)、带有隔流板(22)的取样皿(21)以及流变仪(23)；电子阀Ⅰ(8)的一端接在离心泵(5)与气液混合器(9)连通的管路上，电子阀Ⅰ(8)的另一端接在与取样皿(21)入口端连通的管路上；隔流板(22)装在取样皿(21)的出口端，液体通过隔流板(22)流至流变仪(23)内；所述粘弹性流体减阻测试系统包括管路Ⅰ(11)、管路Ⅱ(12)、管路Ⅲ(13)；粘弹性流体循环系统包括过渡水池(16)、管路Ⅳ(19)；管路Ⅰ(11)、管路Ⅱ(12)、管路Ⅲ(13)的进口端均连通气液混合器(9)的出口端，其出口端均与过渡水池(16)连通；在管路Ⅰ(11)、管路Ⅱ(12)、管路Ⅲ(13)的进口端至出口端管路上分别依次安装有电子阀Ⅱ(14)、电子压差表(15)、温度传感器Ⅰ(10)；过渡水池(16)通过管路Ⅳ(19)与循环液箱(6)连通；在离心泵(5)和气液混合器(9)的连接管路上装有液体流量计(4)，在空气压缩机(2)和气液混合器(9)的连接管路上装有气体流量计(3)，在气液混合器(9)与电子阀Ⅱ(14)连通的管路上装有温度传感器Ⅱ(25)；所述数据转换与控制系统包括中央控制器(17)、数字化调控系统(18)，数字化调控系统(18)将控制信号传给中央控制器(17)，由中央控制器(17)控制液体流量计(4)、气体流量计(3)、电子阀Ⅰ(8)、温度传感器Ⅱ(25)、电子阀Ⅱ(14)、电子压差表(15)、温度传感器Ⅰ(10)以及恒温加热系统(20)的信号变化；TR‑PIV粒子图像速度场仪(24)通过中央控制器(17)与数字化调控系统(18)连接进行数据采集和处理，监测系统中的流体瞬时流态。...

【技术特征摘要】
1.一种粘弹性两相流体减阻实验系统，其特征在于，包括粘弹性流体属性调节系统、气液混合系统、粘弹性流体流变性测试系统、粘弹性流体减阻测试系统、粘弹性流体循环系统、数据转换与控制系统，所述粘弹性流体属性调节系统包括循环液箱(6)以及设置在循环液箱(6)中的搅拌器(7)、恒温加热系统(20)，所述气液混合系统包括气源(1)以及通过管路与气源(1)连通的气液混合器(9)，在其连通的管路上设置空气压缩机(2)，离心泵(5)设置在循环液箱(6)与气液混合器(9)连通的管路上；所述粘弹性流体流变性测试系统包括电子阀Ⅰ(8)、带有隔流板(22)的取样皿(21)以及流变仪(23)；电子阀Ⅰ(8)的一端接在离心泵(5)与气液混合器(9)连通的管路上，电子阀Ⅰ(8)的另一端接在与取样皿(21)入口端连通的管路上；隔流板(22)装在取样皿(21)的出口端，液体通过隔流板(22)流至流变仪(23)内；所述粘弹性流体减阻测试系统包括管路Ⅰ(11)、管路Ⅱ(12)、管路Ⅲ(13)；粘弹性流体循环系统包括过渡水池(16)、管路Ⅳ(19)；管路Ⅰ(11)、管路Ⅱ(12)、管路Ⅲ(13)的进口端均连通气液混合器(9)的出口端，其出口端均与过渡水池(16)连通；在管路Ⅰ(11)、管路Ⅱ(12)、管路Ⅲ(13)的进口端至出口端管路上分别依次安装有电子阀Ⅱ(14)、电子压差表(15)、温度传感器Ⅰ(10)；过渡水池(16)通过管路Ⅳ(19)与循环液箱(6)连通；在离心泵(5)和气液混合器(9)的连接管路上装有液体流量计(4)，在空气压缩机(2)和气液混合器(9)的连接管路上装有气体流量计(3)，在气液混合器(9)与电子阀Ⅱ(14)连通的管路上装有温度传感器Ⅱ(25)；所述数据转换与控制系统包括中央控制器(17)、数字化调控系统(18)，数字化调控系统(18)将控制信号传给中央控制器(17)，由中央控制器(17)控制液体流量计(4)、气体流量计(3)、电子阀Ⅰ(8)、温度传感器Ⅱ(25)、电子阀Ⅱ(14)、电子压差表(15)、温度传感器Ⅰ(10)以及恒温加热系统(20)的信号变化；TR-PIV粒子图像速度场仪(24)通过中央控制器(17)与数字化调控系统(18)连接进行数据采集和处理，监测系统中的流体瞬时流态。2.根据权利要求1所述的一种粘弹性两相流体减阻实验系统，其特征在于，管路Ⅰ(11)、管路Ⅱ(12)、管路Ⅲ(13)均为可变直径、形状的管路，管路Ⅰ(11)、管路Ⅱ(12)、管路Ⅲ(13)的直径均在8-15mm之间，长度均在3500-4500mm之间，形状为直线型、波浪形、螺旋形中的一种；在与其连接的气液混合器(9)出口端的管路上装有变径接头管；管路Ⅳ(19)的直径为15mm，存在5°倾斜角；其它管路的直径均为12mm。3.根据权利要求1或2所述的一种粘弹性两相流体减阻实验系统，其特征在于，气液混合器(9)为类倒圆台形，上下底为圆形，上底面面积大于下底面面积，垂直于底面的截面形状分为两部分，上...

【专利技术属性】
技术研发人员：康建宏，周福宝，张帝，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32