本發(fā)明涉及兩相流動態(tài)觀測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種針孔噴射式兩相流動態(tài)觀測裝置。

背景技術(shù)：

氣液兩相流的運動規(guī)律以及該形態(tài)與其他運動形態(tài)之間的相互作用是兩相流體力學(xué)的主要研究內(nèi)容之一。針對氣液兩相流的研究是隨著工業(yè)技術(shù)的需要而發(fā)展起來的，特別是在21世紀(jì)，由于化工、冶金、航空航天、熱能工程、水力工程，甚至核能工程、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的興起和發(fā)展，氣液兩相流的研究日益得到重視，從而促使其形成為一門完整的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科。但是由于氣液兩相流問題固有的復(fù)雜性、多樣性以及測試方法的局限性，所以至今對于氣液兩相流的流型形成、流動機(jī)理、阻力特性、動量和能量傳遞等還不十分清楚，并且對許多相關(guān)現(xiàn)象的分析存在較多的分歧。因此，對氣液兩相流流型的研究非常關(guān)鍵，是兩相流研究的首要任務(wù)。另外，氣液兩相流流型研究在工程中也具有重要的應(yīng)用價值。

兩相流的理論分析比單相流困難得多，描述兩相流的通用微分方程組至今尚未建立。大量理論工作采用的是兩類簡化模型-均相模型與分相模型；均相模型是將兩相介質(zhì)看成一種混合得非常均勻的混合物，并且假定處理單相流動的概念和方法仍然適用于兩相流，同時仍需要對它的物理性質(zhì)及傳遞性質(zhì)也做出合理的假定；而分相模型認(rèn)為單相流的概念和方法能夠用于兩相系統(tǒng)的各個相，且還需同時考慮兩相之間的相互作用。雖然以上兩種模型的應(yīng)用都還存在不少困難，但隨著計算技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用也有所進(jìn)展。

與兩相流的理論分析相比，兩相流的實驗研究則是掌握兩相流規(guī)律的基本方法。目前廣泛應(yīng)用光學(xué)法(包括光吸收、散射、干涉、折射等)、其他輻射吸收和散射法、示蹤法以及電容和電導(dǎo)法等測定兩相流中的重要參數(shù)，如壓力、空隙率、平均膜厚、液滴直徑、運動速度等參數(shù)。而在某種意義上說，對兩相流規(guī)律更深入的了解，更有賴于實驗技術(shù)的進(jìn)步。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于上述內(nèi)容，有必要提供一種針孔噴射式兩相流動態(tài)觀測裝置，該針孔噴射式兩相流動態(tài)觀測裝置能夠直接觀測氣液兩相流的動態(tài)流型，并對該流型進(jìn)行實時拍攝記錄，從而便于對氣液兩相流的動態(tài)分析和靜態(tài)分析。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種針孔噴射式兩相流動態(tài)觀測裝置，包括恒壓氣瓶、減壓閥、儲液池、液泵、第一壓力表、第一控制閥、第二控制閥、針孔噴射式兩相流模擬裝置和攝影裝置，所述恒壓氣瓶依次連接減壓閥、第一壓力表和第一控制閥，所述儲液池依次連接液泵和第二控制閥，所述第二控制閥再和第一控制閥共同連接針孔噴射式兩相流模擬裝置，所述針孔噴射式兩相流模擬裝置的一側(cè)放置所述攝影裝置，且所述攝影裝置的鏡頭朝向針孔噴射式兩相流模擬裝置；

所述針孔噴射式兩相流模擬裝置包括兩玻璃片和至少兩塞尺，兩玻璃片平行且相對設(shè)置，所有塞尺間隔設(shè)置在兩玻璃片之間，且每一塞尺的相對兩側(cè)均與兩玻璃片緊貼；相鄰兩塞尺和兩玻璃片形成一微通道，所有微通道互不連通，每一微通道具有與外界相通的入口端和出口端，所述入口端連接第一控制閥和第二控制閥。

進(jìn)一步地，兩兩塞尺平行設(shè)置；每一塞尺沿所述微通道流通方向上的尺寸相同。

進(jìn)一步地，所述針孔噴射式兩相流模擬裝置包括壓緊組件；所述壓緊組件包括兩壓緊條和緊鎖件，兩壓緊條分設(shè)在兩玻璃片上，且每一壓緊條所在側(cè)均與塞尺所在側(cè)相對；兩壓緊條還與同一塞尺相對設(shè)置；每一壓緊條的兩端均延伸出玻璃片外側(cè)，并在兩端位于玻璃片外側(cè)的部分上安裝將兩壓緊條互連的所述緊鎖件。

進(jìn)一步地，所述壓緊組件設(shè)置的數(shù)量等于塞尺設(shè)置的數(shù)量。

進(jìn)一步地，每一微通道的入口端處設(shè)置中空的V型針頭裝置，所述針頭裝置具有兩進(jìn)口端和噴射端，兩進(jìn)口端分別連通所述第一控制閥和第二控制閥，所述噴射端伸入微通道內(nèi)。

進(jìn)一步地，所述液泵為蠕動泵。

進(jìn)一步地，所述第一控制閥和第二控制閥均為電磁閥。

進(jìn)一步地，所述攝影裝置的鏡頭朝向微通道所在處；所述攝影裝置為高速攝像機(jī)，并與電腦設(shè)備連接。

進(jìn)一步地，所述針孔噴射式兩相流動態(tài)觀測裝置還包括觸發(fā)開關(guān)，所述觸發(fā)開關(guān)同時連接第一控制閥、第二控制閥和攝影裝置。

進(jìn)一步地，所述針孔噴射式兩相流動態(tài)觀測裝置還包括光照裝置，所述光照裝置放置在針孔噴射式兩相流模擬裝置一側(cè)。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1.本發(fā)明通過針孔噴射式兩相流模擬裝置來提供氣液兩相流動的通道-微通道，并在該針孔噴射式兩相流模擬裝置中采用透明材質(zhì)的玻璃片來構(gòu)成其組成部件，從而便于試驗者透過玻璃片觀測氣液兩相的流動狀態(tài)，該觀測較為直觀，且觀測的準(zhǔn)確性和可行性較好；另外，本發(fā)明還通過恒壓氣瓶、減壓閥等的設(shè)置來提供和輸送氣體，并與由儲液池、液泵等構(gòu)成的液體管道配合，共同為針孔噴射式兩相流模擬裝置提供氣體和液體，從而使得整個觀測裝置能夠完整的模擬氣液兩相流；本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)簡單可靠，方案切實可行。

2.本發(fā)明在針孔噴射式兩相流模擬裝置一側(cè)設(shè)置的攝影裝置可實時拍攝并記錄試驗過程氣液兩相的流動狀態(tài)，進(jìn)而有利于試驗者后期對氣液兩相流進(jìn)行動態(tài)分析和靜態(tài)分析。

【附圖說明】

圖1是本發(fā)明一種針孔噴射式兩相流動態(tài)觀測裝置的結(jié)構(gòu)簡圖。

圖2是圖1中針孔噴射式兩相流模擬裝置的結(jié)構(gòu)爆炸圖。

圖3是圖1中針孔噴射式兩相流模擬裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

主要元件符號說明

圖中，恒壓氣瓶1、減壓閥2、第一壓力表3、第一控制閥4、儲液池5、液泵6、第二壓力表7、第二控制閥8、針孔噴射式兩相流模擬裝置9、玻璃片91、塞尺92、壓緊組件93、壓緊條931、微通道94、針頭裝置95、觸發(fā)開關(guān)10、攝影裝置20、電腦設(shè)備30、光照裝置40。

如下具體實施方式將結(jié)合上述附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。

【具體實施方式】

請參閱圖1至圖3，在本發(fā)明的一種較佳實施方式中，一種針孔噴射式兩相流動態(tài)觀測裝置，包括一恒壓氣瓶1、一減壓閥2、一儲液池5、一液泵6、一第一壓力表3、一第一控制閥4、一第二控制閥8、一針孔噴射式兩相流模擬裝置9和一攝影裝置20，恒壓氣瓶1依次連接減壓閥2、第一壓力表3和第一控制閥4，儲液池5依次連接液泵6和第二控制閥8，第二控制閥8再和第一控制閥4共同連接針孔噴射式兩相流模擬裝置9，針孔噴射式兩相流模擬裝置9的一側(cè)放置攝影裝置20，且攝影裝置20的鏡頭朝向針孔噴射式兩相流模擬裝置9；針孔噴射式兩相流模擬裝置9包括兩玻璃片91和至少兩塞尺92，兩玻璃片91平行且相對設(shè)置，所有塞尺92間隔設(shè)置在兩玻璃片91之間，且每一塞尺92的相對兩側(cè)均與兩玻璃片91緊貼；相鄰兩塞尺92和兩玻璃片91形成一微通道94，所有微通道94互不連通，每一微通道94具有與外界相通的入口端和出口端，其中，入口端連接第一控制閥4和第二控制閥8。

本發(fā)明通過設(shè)計針孔噴射式兩相流模擬裝置9來形成氣液兩相流的流動通道-微通道94，并通過設(shè)置攝影裝置20來拍攝并記錄該微通道94中氣液流動時的流動情況，從而便于試驗者后期對氣液兩相流的動態(tài)分析和靜態(tài)分析；在該針孔噴射式兩相流模擬裝置9中，其所設(shè)置的玻璃片91為透明材質(zhì)，可利于試驗者使用攝影裝置20來實時拍攝、記錄氣液兩相流的流動狀態(tài)，同時也能夠便于試驗者更為直觀的觀測實驗過程氣液流動時的流動狀態(tài)；而在試驗過程所使用到的氣體則由恒壓氣瓶1提供，并通過與恒壓氣瓶1連接的減壓閥2、第一壓力表3和第一控制閥4所形成的氣體管道流入微通道94中，液體則是由儲液池5提供，該儲液池5與液泵6及第二控制閥8形成液體管道，液體通過該液體管道后與氣體管道內(nèi)流出的氣體一同噴射入微通道94中，形成氣液兩相流的形態(tài)。

在本實施方式中，所用的恒壓氣瓶1為CO₂恒壓氣瓶1，能夠為針孔噴射式兩相流模擬裝置9提供恒定氣壓的CO₂氣體；減壓閥2用于調(diào)節(jié)從恒壓氣瓶1流出的氣體的壓力，以適應(yīng)試驗者對氣體壓力的要求；第一壓力表3用于檢測經(jīng)過減壓閥2后氣體管道內(nèi)氣體的壓力，以便于試驗者查看氣體的壓力，而為了便于試驗者能夠掌握液體管道內(nèi)液體流通時的壓力情況，本發(fā)明在液體管道上也設(shè)置一壓力表即第二壓力表7，優(yōu)選將該第二壓力表7設(shè)置在液泵6和第二控制閥8之間；第一控制閥4和第二控制閥8分別用于控制氣體管道和液體管道的通斷。

進(jìn)一步地，請參閱圖2和圖3，針孔噴射式兩相流模擬裝置9中，兩兩塞尺92之間平行設(shè)置，每一塞尺92沿微通道94流通方向上的尺寸相同，以形成規(guī)整的微通道94，降低氣液流動過程因通道發(fā)生改變而使氣液流動發(fā)生突變的可能性，進(jìn)而利于試驗者更為準(zhǔn)確的分析氣液兩相流的流動情況；優(yōu)選地，玻璃片91沿微通道94流通方向上的尺寸與塞尺92沿微通道94流通方向上的尺寸相同。另外，在本實施方式中，塞尺92數(shù)量為兩個，但是本發(fā)明塞尺92的數(shù)量不局限于兩個，以通過多塞尺92的設(shè)置來使針孔噴射式兩相流模擬裝置9具有多個微通道94，從而便于試驗者同時進(jìn)行多個氣液兩相流的對比研究。

在本發(fā)明中，為了保證針孔噴射式兩相流模擬裝置9中塞尺92與玻璃片91連接處的密封性，針孔噴射式兩相流模擬裝置9還設(shè)置了壓緊組件93。壓緊組件93包括兩壓緊條931和緊鎖件，兩壓緊條931分設(shè)在兩玻璃片91上，且每一壓緊條931所在側(cè)均與塞尺92所在側(cè)相對；兩壓緊條931還與同一塞尺92相對設(shè)置；每一壓緊條931的兩端均延伸出玻璃片91外側(cè)，并在兩端位于玻璃片91外側(cè)的部分上安裝將兩壓緊條931互連的一緊鎖件，以通過兩壓緊條931覆蓋在塞尺92相對兩側(cè)上及緊鎖件賦予壓緊條931的壓緊力來實現(xiàn)塞尺92與玻璃片91之間的相互緊貼，從而保證塞尺92和玻璃片91之間的密封性，降低氣液流動過程氣液泄漏的可能性。優(yōu)選地，緊組件設(shè)置的數(shù)量等于塞尺92設(shè)置的數(shù)量，以使每一塞尺92對應(yīng)設(shè)置一壓緊組件93，保證微通道94的密封性。

另外，請參閱圖1，本發(fā)明在每一微通道94的入口端處設(shè)置中空的一V型針頭裝置95，以使氣體和液體能夠充分混合后混入微通道94中，該針頭裝置95具有兩進(jìn)口端和一噴射端，兩進(jìn)口端分別連通第一控制閥4和第二控制閥8，即兩進(jìn)口端分別與氣體管道出口、液體管道出口連通，噴射端伸入微通道94內(nèi)，以將在噴射端混合后的氣液噴射至微通道94內(nèi)。

優(yōu)選地，本發(fā)明的液泵6選用蠕動泵，以調(diào)節(jié)試驗過程中液體的流速及使液體平穩(wěn)的輸送至微通道94內(nèi)，提高氣液兩相流流動時的穩(wěn)定性和試驗的準(zhǔn)確性。

優(yōu)選地，攝影裝置20的鏡頭朝向微通道94所在處，以便于攝影裝置20更好的拍攝微通道94內(nèi)氣液兩相流的流動狀況。進(jìn)一步地，為了提高攝影裝置20的瞬態(tài)高速觀測能力，本發(fā)明的攝影裝置20采用的是高速攝像機(jī)，并將該高速攝像機(jī)連接電腦設(shè)備30，以通過高速攝像機(jī)更清晰的拍攝微通道94內(nèi)氣液流動情況，且利于電腦設(shè)備30在試驗過程實時監(jiān)控與觀察微通道94內(nèi)氣液兩相流的流動情況，及后期對高速攝像機(jī)所拍攝的圖像進(jìn)行處理和分析。其中，電腦設(shè)備30在對圖像進(jìn)行處理時是通過電腦設(shè)備30上所安裝在matlab軟件進(jìn)行處理，該處理是基于閾值分割法對RGB圖像進(jìn)行分割及邊界提取來分析圖像的，其具體運行過程如下：首先，讀入高速攝像機(jī)所拍攝的圖像視頻，并查找該圖像視頻文件的幀數(shù)，及將圖像視頻轉(zhuǎn)化為單張圖像；然后將所獲得的RGB圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，并對灰度值進(jìn)行均衡化；再行列掃描圖像，對圖像進(jìn)行閾值分割；將分割后的圖像進(jìn)行二值化，并對二值化后的圖像提取邊界，且對邊界內(nèi)進(jìn)行白色填充；對處理圖像進(jìn)行范圍縮小，去除圖中多余白點，即可。

進(jìn)一步地，請繼續(xù)參閱圖1，為了使攝影裝置20的拍攝與微通道94內(nèi)氣液兩相流的同步進(jìn)行，本發(fā)明的針孔噴射式兩相流動態(tài)觀測裝置還包括一觸發(fā)開關(guān)10，該觸發(fā)開關(guān)10同時連接第一控制閥4、第二控制閥8和攝影裝置20，且優(yōu)選選用電磁閥作為本發(fā)明的第一控制閥4和第二控制閥8，以通過電磁閥的形式實現(xiàn)第一控制閥4和第二控制閥8的自動控制。

在本發(fā)明中，所述針孔噴射式兩相流動態(tài)觀測裝置還包括一光照裝置40，該光照裝置40放置在針孔噴射式兩相流模擬裝置9一側(cè)，以在氣液兩相流試驗過程提高針孔噴射式兩相流模擬裝置9的光照強(qiáng)度，進(jìn)而提高攝影裝置20拍攝的質(zhì)量。

所述針孔噴射式兩相流動態(tài)觀測裝置的工作原理為：首先，打開恒壓氣瓶1，并調(diào)節(jié)減壓閥2的開度，同時觀察第一壓力表3上的壓力讀數(shù)，當(dāng)?shù)谝粔毫Ρ?的壓力讀數(shù)等于氣壓預(yù)設(shè)值時，停止調(diào)節(jié)減壓閥2的開度，并維持此時減壓閥2的開度大小；同時，打開儲液池5，并調(diào)節(jié)蠕動泵的開度，同時觀察蠕動泵上的流速讀數(shù)，當(dāng)蠕動泵上的流速讀數(shù)等于液體流速預(yù)設(shè)值時，停止調(diào)節(jié)蠕動泵的開度，并維持此時蠕動泵的開度大小；然后，按下觸發(fā)開關(guān)10，第一控制閥4、第二控制閥8和攝影裝置20同時開啟，氣體和液體分別通過針頭裝置95進(jìn)入微通道94中，同時，攝影裝置20也開始對微通道94進(jìn)行錄像，并將錄像情況實時發(fā)于電腦設(shè)備30，直至觀測試驗結(jié)束。

本發(fā)明為了實現(xiàn)觀測試驗過程的自動化，在所述針孔噴射式兩相流動態(tài)觀測裝置中還設(shè)置了控制器，該控制器分別連接恒壓氣瓶1、減壓閥2、第一壓力表3、蠕動泵和觸發(fā)開關(guān)10，其內(nèi)設(shè)一氣體預(yù)設(shè)值和和液體流速的預(yù)設(shè)值，能夠接收第一壓力表3檢測氣體通道內(nèi)氣體的壓力值和蠕動泵所測得的液體實時流速，當(dāng)控制器所接收的氣體壓力值等于氣體預(yù)設(shè)值時，控制器控制減壓閥2停止調(diào)節(jié)開度，當(dāng)控制器所接收的液體實時流速等于液體流速的預(yù)設(shè)值時，控制器控制蠕動泵停止調(diào)節(jié)開度，當(dāng)減壓閥2和蠕動泵均停止調(diào)節(jié)開度時，控制器向觸發(fā)開關(guān)10發(fā)出關(guān)閉指令。優(yōu)選地，將控制器集成在電腦設(shè)備30中。

此時，所述針孔噴射式兩相流動態(tài)觀測裝置試驗過程的控制原理如下：

1)控制器控制恒壓氣瓶1開啟，同時調(diào)節(jié)減壓閥2、蠕動泵的開度；

2)第一壓力表3檢測氣體通道內(nèi)氣體的壓力值，并將生成的氣體壓力值信號發(fā)于控制器；同時，蠕動泵檢測其出口處液體的實時流速，并生成相應(yīng)的液體實時流速信號發(fā)于控制器；

3)控制器對比分析氣體壓力值和內(nèi)設(shè)的氣體預(yù)設(shè)值，當(dāng)結(jié)果顯示氣體壓力值等于氣體預(yù)設(shè)值時，控制器停止調(diào)節(jié)減壓閥2的開度，并進(jìn)入步驟4)；反之，進(jìn)入步驟4)；

4)控制器對比分析液體實時流速和內(nèi)設(shè)的液體流速的預(yù)設(shè)值，當(dāng)結(jié)果顯示液體實時流速不等于液體流速的預(yù)設(shè)值時，返回步驟2)；反之，控制器停止調(diào)節(jié)蠕動泵的開度，并進(jìn)入步驟5)；

5)當(dāng)控制器對比分析結(jié)構(gòu)顯示氣體壓力值等于氣體預(yù)設(shè)值且液體實時流速等于液體流速的預(yù)設(shè)值時，控制器控制觸發(fā)開關(guān)10關(guān)閉；反之，返回步驟2)。

上述說明是針對本發(fā)明較佳可行實施例的詳細(xì)說明，但實施例并非用以限定本發(fā)明的專利申請范圍，凡本發(fā)明所提示的技術(shù)精神下所完成的同等變化或修飾變更，均應(yīng)屬于本發(fā)明所涵蓋專利范圍。