[发明专利]一种气泡运动特征对液相粘度影响规律的测试方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及动力工程气液两相流体粘度测量技术领域，适用于气液两相泡状流瞬态粘度的测量，特别适用于气泡存在不稳定变形时气液两相泡状流粘度的测量。

背景技术

为了改善单相液体环境的传质和传热特性，不同直径的气泡常被用作添加剂注入液相中实现这一目的。气泡的注入不仅改善了单相环境的传质和传热特性，也对液相自身的流变特性造成了巨大的影响。因此，理解气泡注入对液相流变特性造成的影响对于准确理解和预测气泡注入对液相物理特性和流动特性的影响是非常必要的。尽管，目前国内外已开发了多种粘度测量仪和流变仪，但均无法直接用于泡状流粘度的测量，由于液相中气泡的不稳定性。特别是当液相所含气泡的尺寸较大、存在不稳定变形时，现有的粘度计和流变仪更是无法直接测量其粘度。因此，要想深入理解泡状流的物理和流动特性以及控制其为工业生产更好的服务，气液两相泡状流瞬态粘度的测量是亟待解决的问题。

发明内容

为了克服现有粘度仪和流变仪测量气液两相泡状流粘度存在的困难，本发明的目的在于提供一种气液相两相泡状流粘度测量的方法和装置，在测量方法和装置简便易于实施的情况下，实现准确测量气液两相泡状流的瞬态粘度，同时能够测量和分析气泡不同物理参数度（诸如气泡直径、瞬态变形和聚合分裂）对液相粘度的影响规律。

本发明的理论原理是：将钢质小球以初速度为零的状态，在液体储槽里自由释放，受重力的影响，钢质小球将会在液相中作自上而下的自由下落运动。由于液体具有一定的粘性，势必会影响小球的下落速度。正是利用这一性质，可以测定气液两相泡状流的粘度。详见下述：

如图1所示，密度为ρ_球、半径为r的钢质小球在气液两相泡状流里下落运动时，受到垂直向上的浮力（F_B）和阻力（F_D）以及垂直向下的重力（G）的作用。由于钢质小球所受的阻力与其运动速度（u）有关，刚释放时其做向下加速运动，但很快受力达到平衡改为匀速运动。受力平衡方程为：G=F_B+F_D。其中各力的表达式为：

重力G=ρ_球.g.4πr³/3；

浮力F_B=ρ_液.g.4πr³/3；

阻力F_D=6π.r.u.η。

经化简，给出计算两相流粘度的公式：η=2r².g.(ρ_球-ρ_液)/9u。

根据上式，只要知道钢质小球的终端下落速度，即可计算出被测流体的粘度。如钢质小球在时间t内匀速下降通过的距离为H，即可计算出u=H/t。这样对于给定的测量装置，只要测试出轻质小球上升距离H所需的时间t，也可计算出被测液体的粘度：η=2r².g.(ρ_液-ρ_球).t/9H。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种气液两相泡状流瞬态粘度测量装置由气液两相泡状流生成、存储装置，钢质小球释放装置以及气泡动态记录装置三大部分组成。气液两相流生成和存储装置由储气罐1、调节阀2、塑料软管3、气泡发生器4、金属丝网5、液相储槽7组成。储气罐1的气体经调节阀2由塑料软管3送到气泡发生器4内，气泡发生器4是用玻璃胶固定在液体储槽底部的内表面上，金属丝网5放置于储液槽7的丝网架21上。钢质小球释放装置由钢质小球10、管状电磁铁11、执行器13和同步器16组成。钢质小球10吸附在管状电磁铁11内表面的末端处，管状电磁铁11和执行器13由电缆12连接在一起。再用电缆12将执行器13与电源15和同步器16连接在一起。气泡动态记录装置由支架6、光源7、高速相机14、同步器16和计算机17组成。用支架6将光源7和高速相机14固定在相应的测试位置上，高速相机14由电缆12连接在电源15和同步器16上，用电缆12将同步器16连接在计算机17上，同时将光源7和计算机17用电缆12与电源15接通。

本发明装置的工作原理是：