[发明专利]基于激光消光法的小通道液固两相流参数测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及多相流测量领域，尤其涉及一种基于激光消光法的小通道液固两相流参数测量装置及方法。

背景技术

小通道液固两相流广泛存在于医药、化工、材料制备等领域，对其流动特性和参数的检测具有重要的理论意义和实用价值。在常规管径下对于液固两相流的流动参数和特性的检测方法主要有显微镜法、沉降法、超声波法、电感应法等。但是，现有文献中对于不同的颗粒大小、尺寸分布、浓度等参数下的液固两相流在小通道中流动特性和参数测量方法的研究鲜有报道。显微镜法是一种最基本最实际的测量方法，常被用来作为对其他测量方法的一种标定，但由于通过人眼直接观察，人为误差较大，且测量时间长；沉降法是基于颗粒沉降原理，测量的仪器和种类多，但对于做布朗运动的细微颗粒测量精度不高；超声法利用超声波强穿透力，对高浓度颗粒的测量特点突出，但实验条件影响因素多，机理复杂；电感应法有很高的测量速度和精度，重复性好，但是该方法属于接触式测量方法，且当测试颗粒有较宽的粒径分布时，测量孔口极易被堵塞。然而，激光的方法以其快速、准确、便捷以及对流体的非接触的优点受到重视和迅速发展，并推广应用，其中，通过透射光强来测试颗粒参数的方法主要有消光法，光脉动法，消光起伏频谱法。本发明将激光消光法引入到小通道液固两相流参数检测中，搭建一套基于激光消光法与相关法测量技术相结合的毫米级管径液固两相流中细微颗粒流动参数检测的实验装置，可以对颗粒的浓度和平均流速进行实验研究，因此该方法和装置对于小通道液固两相流参数的测量具有相当的参考价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有小通道中液固两相流参数检测技术的不足，提供一种基于激光消光法的小通道液固两相流参数测量装置及方法。

基于激光消光法测量小通道液固两相流参数的测量系统包括激光器、扩束镜、狭缝、分光棱镜、反光镜、液固小管径透明测试管段、第一光电池传感器、第二光电池传感器、光电转换电路板、数据采集模块、微型计算机、第一积分球装置、第二积分球装置；在液固小管径透明测试管段的一侧设有相连接的分光棱镜、反光镜，在液固小管径透明测试管段的另一侧设有与分光棱镜、反光镜相对应的第一积分球装置、第二积分球装置，第一积分球装置通过第一光电池传感器与光电转换电路板相连，第二积分球装置通过第二光电池传感器与光电转换电路板相连，光电转换电路板、数据采集模块、微型计算机顺次相连，激光器、扩束镜、狭缝、分光棱镜顺次相连。

基于激光消光法测量小通道液固两相流参数的测量方法包括两相流颗粒截面浓度的测量方法和两相流颗粒平均流速的测量方法：

1)两相流颗粒截面浓度的测量方法为：

激光器发出的激光通过扩束镜、狭缝、分光棱镜、反光镜获得两束光强为I0的平行激光光束，由第一积分球装置、第二积分球装置收集两束平行激光光束经过测试管道衰减后的出射光束，使出射光分别均匀分布在第一积分球装置、第二积分球装置上，通过第一光电池传感器、第二光电池传感器分别检测第一积分球装置、第二积分球装置出射口处的光强，即可得到两束平行激光光束经过测试管道衰减后光束的光强I，测试管道的管径为毫米级，检测第一积分球装置、第二积分球装置的直径为1厘米，

混合均匀的液固两相流在小通道中颗粒的截面浓度

其中L为介质颗粒的厚度即管径大小，K为消光系数可表示为K(λ，m，D)，其中λ为激光波长，m为颗粒的复数折射率，D为颗粒的直径大小，首先在已知N的情况下，根据上式测得颗粒浓度N与光强I之间的关系曲线,即可依据实验测得的实际情况来反演求出消光系数K；在测得消光系数K之后，将每种粒径的颗粒分别配成不同浓度的混合液，通过实验测得衰减后光束的光强I，即可计算出颗粒的截面浓度(N)；

2）两相流颗粒平均流速的测量方法为：

激光器发出的激光通过扩束镜、狭缝、分光棱镜、反光镜获得两束光强为I0的平行激光光束，由第一积分球装置、第二积分球装置收集两束平行激光光束经过测试管道衰减后的出射光束，使出射光分别均匀分布在第一积分球装置、第二积分球装置上，通过第一光电池传感器、第二光电池传感器分别检测第一积分球装置、第二积分球装置出射口处的光强，即可得到两束平行激光光束经过测试管道衰减后光束的光强随时间t变化相互独立的信号x(t1)和y(t2),将该信号进行互相关计算得到液固两相流中颗粒流经上下游传感器的时间τ₀；最后由于上下游光束之间的距离(d)是固定的，则按下式计算出颗粒在液固两相流中的平均流速