[发明专利]一种螺旋溜槽中流膜厚度及流态分布测试系统与方法

权利要求书

1.一种螺旋溜槽中流膜厚度及流态分布测试系统的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在盛有蒸馏水的接料桶(11)中加入微量示踪粒子并使其均匀分布，开启蠕动泵(9)，将接料桶(11)中的液流输送至高位水箱(8)，此时回流阀(5)、出水阀(6)和流量阀(7)均为关闭状态；当高位水箱(8)中的水位与回流阀(5)平齐时，将回流阀(5)、出水阀(6)、流量阀(7)调至全通状态，此时高位水箱(8)中的水会经过给料管(3)进入给料装置(2)，水流受重力作用向下自流，流至螺旋溜槽(1)第五圈末端时经导流装置(10)引入接料桶(11)；在蠕动泵(9)的抽吸作用下，接料桶(11)中的液流重返高位水箱(8)从而形成闭路循环；

S2、通过调节蠕动泵(9)的转速和高位水箱(8)的流量阀(7)确定适宜的给料流量，当高位水箱(8)的水位在一段时间内始终与回流阀(5)持平且回流管(4)中一直有微量水流溢出时，即给料流量达到稳定循环状态；

S3、给料流量稳定后，开启激光多普勒测速仪，测量螺旋溜槽(1)末端槽面不同径向位置的流膜厚度；

S4、调节激光多普勒测速仪激光光轴所在直线垂直于螺旋溜槽(1)末端槽面的横断面，将激光焦点聚焦于螺旋溜槽(1)外缘处的槽底附近；通过坐标架(13)带动激光探头(12)沿垂直方向上移，此时流速会从0变为一定值，将流速变化前的流速零值处定为水层最低点，当激光焦点逐渐上移到水层表面时，监测的多普勒信号明显变弱，此时将该点作为气液界面；从而获得流膜厚度D₁，依次沿径向向内每隔2mm测量一次液膜厚度，进而测得不同径向位置处的流膜厚度D₂、D₃……Di；

S5、调节激光多普勒测速仪激光光轴所在直线垂直于螺旋溜槽(1)末端截面，根据所述步骤S4中测出的流膜厚度设置测量起点和终点，测量路径为自下而上，测量步长为0.01mm；测量过程中，四束激光同时开启，其中左右两束激光用于测量径向速度，上下两束激光用于测量轴向速度，从而测得不同径向位置处的径向速度V_x和轴向速度V_y沿水深方向的分布情况，并将不同水深处的径向速度和轴向速度分别取平均值；

S6、调节激光多普勒测速仪激光光轴所在直线重合于螺旋溜槽(1)末端截面，考虑到槽体会在一定程度上阻挡激光入射，需在一定范围内调整激光探头(12)角度，并使其不影响切向速度的测量，根据所述步骤S4中测出的流膜厚度设置测量起点和终点，测量路径为自下而上，测量步长为0.01mm；测量过程中，打开左右两束激光测量切向速度，从而测得不同径向位置处的切向速度V_z沿水深方向的分布情况，并将不同水深处的切向速度取平均值；

S7、根据步骤S5、S6中测得的三维速度，计算不同径向位置处的液流总速度，其计算公式如下：

式中，V为流体总流速，为径向速度平均值，为轴向速度平均值，为切向速度平均值；

S8、计算雷诺数分布，确定流态分布范围，其计算公式如下：

式中，Re为流体雷诺数；V为流体总流速，单位为m/s；D为流膜厚度，m；ρ为流体密度，单位为kg/m³，蒸馏水的密度为1000kg/m³；μ为流体黏度，单位为Pa·s，蒸馏水的黏度为1×10^-3Pa·s；

所述螺旋溜槽中流膜厚度及流态分布测试系统包括：螺旋溜槽分选装置、流体输送与循环装置和流速测试装置；

所述螺旋溜槽分选装置包括螺旋溜槽(1)、给料装置(2)和导流装置(10)；所述给料装置(2)与所述螺旋溜槽(1)的顶部端口螺栓连接，所述导流装置(10)与所述螺旋溜槽(1)的末端螺栓连接；

所述流体输送与循环装置包括高位水箱(8)、接料桶(11)和蠕动泵(9)；所述蠕动泵(9)连接接料桶(11)，用于将所述接料桶(11)中的流体输送至所述高位水箱(8)；

所述流速测试装置包括计算机处理器(15)、坐标控制器(16)、激光控制器(14)、坐标架(13)和激光探头(12)，所述计算机处理器(15)、坐标控制器(16)、激光控制器(14)、坐标架(13)和激光探头(12)实现电连接；所述坐标控制器(16)控制所述坐标架(13)三维移动，所述激光控制器(14)控制所述激光探头(12)发射激光的数量及强弱，所述计算机处理器(15)处理测试数据。