專利名稱：一種高分子聚合物溶液的全流態(tài)減阻特性實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高分子聚合物溶液的流動減阻特性研究領(lǐng)域，特別涉及了一種高分子聚合物溶液的全流態(tài)減阻特性實驗裝置。
背景技術(shù)：
在流體中加入少量的添加劑就可以使得其摩擦阻力大幅度減小，這一現(xiàn)象被稱為添加劑減阻。自添加劑減阻發(fā)現(xiàn)以來，經(jīng)過多年研究，已成功應(yīng)用到石油開采及輸運、農(nóng)田灌溉、船舶航運、工程消防、泄洪排澇以及醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域內(nèi)。目前，在全球能源危機，倡導(dǎo)節(jié)能減排的大環(huán)境下，減阻劑的工程應(yīng)用研究將越來越受關(guān)注。目前發(fā)現(xiàn)的減阻劑主要可分為表面活性劑和高分子聚合物。雖然大多數(shù)表面活性劑減阻性能良好、抗降解性好，但是由于本身的化學(xué)性質(zhì)，這使得其很難應(yīng)用于一些特殊領(lǐng)域。而高分子聚合物由于自身的優(yōu)點，特別是天然高分子聚合物，近來得到廣大科研工作者的廣泛重視。針對不同應(yīng)用領(lǐng)域，通過高分子聚合物減阻特性的實驗研究，尋找性能最佳的減阻劑，顯得尤為重要。在現(xiàn)有的高分子聚合物溶液的減阻特性實驗中，采用單管路閉式循環(huán)回路系統(tǒng)進行實驗，忽略了不同管徑對于減阻特性的影響，雖然有些實驗裝置考慮到這一問題，但采用更換管路的方法，增加了實驗操作的復(fù)雜性，提高了實驗臺的搭建成本，而由于多次的拆卸，會降低實驗設(shè)備的精確度和穩(wěn)定性，對實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生很大影響。此外，現(xiàn)有實驗裝置都只能研究在湍流狀態(tài)下，流體中加入添加劑后的減阻特性，很少有實驗涉及到添加劑對于流態(tài)轉(zhuǎn)捩的影響，而這一現(xiàn)象對于添加劑減阻機理的研究也是至關(guān)重要的。國內(nèi)減阻特性實驗裝置，大多很少考慮到管徑效應(yīng)對于減阻特性的影響，如專利號:CN200910022073.X和CN200710117757.9，均只采用單管路閉式循環(huán)回路，忽略了對不同管徑下添加劑減阻特性的實驗研究。此外，這些實驗裝置無一例外只研究了湍流狀態(tài)下的添加劑減阻特性，忽略了添加劑對于流態(tài)從層流向湍流的轉(zhuǎn)捩的影響。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種高分子聚合物溶液的全流態(tài)減阻特性實驗裝置，能夠滿足在不更換管路的前提下，在多種不同管徑中進行減阻特性實驗，且能夠在同一個實驗裝置中，使得流體流態(tài)平穩(wěn)的從層流過渡到湍流。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn):
一種高分子聚合物溶液的全流態(tài)減阻特性實驗裝置，包括儲液裝置、動力裝置、穩(wěn)壓裝置、測試裝置以及連接各裝置的管路系統(tǒng)，所述儲液裝置包括儲液箱和接水盒，儲液箱和接水盒由出液管連接，所述動力裝置包括離心泵和變頻器，離心泵和儲液箱通過第一進液管連接，所述穩(wěn)壓裝置包括進液箱以及設(shè)置在進液箱上的第一閥門、第二閥門和壓力表，進液箱和離心泵通過第二進液管連接，所述進液箱上的第二閥門通過回流管與儲液箱連接，所述測試裝置包括測試管、差壓變送器、流量計以及數(shù)據(jù)采集處理器，流量計設(shè)置在第二進液管上并與變頻器連接，差壓變送器與流量計和數(shù)據(jù)采集處理器電路相連，所述差壓變送器與測試管相連，所述測試管由三根不同管徑的有機玻璃管并聯(lián)布置。本發(fā)明的進一步改進和特點在于:
所述儲液箱內(nèi)部由溢流板分隔成左右兩個腔室，兩個腔室的下部均設(shè)置了放空閥；所述接水盒內(nèi)部分為三個部分:左右兩邊為排水槽，中間為測量槽，這三個部分的下部均由管路與出液管連通，所述出液管伸入到儲液箱的右腔室中。所述進液箱內(nèi)部設(shè)置有溢流擋板和整流柵，所述第二進液管伸入進液箱。所述測試管的每根有機玻璃管分為四段:入口穩(wěn)定段、檢測段、出流段和尾段，入口穩(wěn)定段與墨水盒通過毛細(xì)管連通，檢測段與差壓變送器相連，出流段設(shè)置有閥門，尾段后部接軟管。所述數(shù)據(jù)采集處理器為計算機。流量計實時傳輸流量數(shù)據(jù)給變頻器，由變頻器控制離心泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)管路流量。本發(fā)明的具體措施和效果說明如下:
本發(fā)明的實驗方法，是在一個液體循環(huán)系統(tǒng)中，在測試管段加裝差壓變送器，通過計算機檢測:⑴相同減阻劑濃度不同流量下差壓變送器讀數(shù)；⑵相同流量不同減阻劑濃度下差壓變送器讀數(shù)；⑶相同減阻劑濃度相同流量不同剪切時間下差壓變送器讀數(shù)，并將其與相同條件下對照液體檢測的差壓變送器讀數(shù)進行對比，以此來評價減阻劑的減阻特性。實驗過程中，首先由流量計實時傳送流量數(shù)據(jù)給變頻器，通過變頻器來調(diào)節(jié)離心泵的轉(zhuǎn)速，從而控制管道中的溶液流量，計算機采集流量計和差壓變送器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過特定程序轉(zhuǎn)換，得出減阻劑的減阻特性。測試回路設(shè)計中，在流體進入到測試段前，要先進入進液箱，使進入測試管的流體不會產(chǎn)生較大的波動。在流體從第二進液管進入到進液箱時，由于流速很大，沖擊也很大，這種情況下會對測試管的穩(wěn)定性造成一定的影響。本發(fā)明在進液箱中設(shè)置溢流板和整流柵，并將第二進液管伸入到進液箱中溢流板與整流柵之間，且盡量靠近溢流板，從而降低進液管中流出的高速流體對進液箱中溶液的沖擊，以及對布置在進液箱下部的測試管入口處的影響，保證了進入測試管的流體的流速穩(wěn)定。本裝置在層流狀態(tài)時，進入進液箱的溶液只有一部分會流入測試管，另一部分將流過溢流板，沿著回流管回到儲液箱中，因此，布置在進液管上的流量計此時所測得的流量值不能作為實驗數(shù)據(jù)，為了測量流過測試管的準(zhǔn)確流量值，在測試管之后布置接水盒，其又細(xì)分為左右兩個排水槽，中間一個測量槽，其下部均有管路與出液管連接，測量槽上標(biāo)有刻度值，其下部管路上設(shè)置一個閥門，關(guān)閉閥門，將測試管的DE段擺動到測量槽，秒表計時，則可以測的一定時間內(nèi)流過測試管的流量。測試結(jié)束，將DE段擺動到接水盒左右任意一側(cè)的排水槽，溶液從排水槽沿著出液管流入儲液箱。打開測量槽下部的閥門，排出溶液。液體在連續(xù)的循環(huán)剪切下溫度會不斷升高，而溫度對于添加劑的減阻性能有一定的影響，因此，實驗過程中應(yīng)盡量避免溫度的變化。而本發(fā)明在儲液箱中設(shè)置了溢流擋板，將儲液箱分為左右兩個腔室，將出液管伸入到右腔室中，這樣可以讓剛剛回流的溫度較高的液體先停留在右腔室內(nèi)，而不是直接進入儲液箱的整體溶液中，這樣就可以使正常溫度的溶液被離心泵吸入，進行下一次循環(huán)，而回流的較高溫度溶液也有時間降低溫度。


圖1為本發(fā)明一種高分子聚合物溶液的全流態(tài)減阻特性實驗裝置示意圖。圖2為測試管示意圖。圖3為儲液箱示意圖。圖4為進液箱不意圖。圖5為接水盒示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細(xì)的說明。對照圖1，一種高分子聚合物溶液的全流態(tài)減阻特性實驗裝置，包括:儲液裝置、動力裝置、穩(wěn)壓裝置、測試裝置以及連接各裝置的管路系統(tǒng)。所述儲液裝置包括儲液箱I和接水盒20，儲液箱I和接水盒20由出液管21連接，所述動力裝置包括離心泵6和變頻器5，離心泵6和儲液箱I通過第一進液管4連接，所述穩(wěn)壓裝置包括一個進液箱11以及設(shè)置在進液箱11上的第一閥門10、第二閥門14和壓力表15，進液箱11和離心泵6通過第二進液管8連接，進液箱11和儲液箱I通過回流管9連接，所述測試裝置包括測試管16、差壓變送器18、流量計7以及數(shù)據(jù)采集處理器，流量計7設(shè)置在第二進液管8上，所述測試管16由三根不同管徑的有機玻璃管并聯(lián)布置。本實例中，第一進液管4、第二進液管8和回流管9的管徑均為25mm。對照圖2，連通進液箱11和接水盒20的測試管16，由三根不同管徑的有機玻璃管并聯(lián)組成。本實例中，其管徑分別為:1#管5mm, 2#管IOmm, 3#管20mm。為保證溶液充分發(fā)展，入口穩(wěn)定段長度應(yīng)滿足L彡138D，因此三根管子測試段又細(xì)分為:1#管AB段0.7m, BC段 2m，CD 段 0.3m, DE 段 2m ；2# 管 AB 段 1.5m, BC 段 2m，CD 段 0.3m, DE 段 1.2m ；3# 管 AB 段
2.8m, BC段2m，⑶段0.lm, DE段0.1m,三根管子的測試段總長均為5m。其中AB段為入口穩(wěn)定段，BC段為檢測段，CE段為出流段。其中DE段后部接軟管，可以左右擺動，保證使用接水盒20測量流量。對照圖3，儲液箱I設(shè)計為立方體，尺寸為60cmX50cmX80cm。溢流板2布置在儲液箱I中部，距左側(cè)30cm處，高度為50cm，出液管21伸入到儲液箱I右腔室的高度為溢流板高度的80%。在儲液箱底部設(shè)置放空閥3，方便排出溶液，清洗裝置。對照圖4，進液箱11設(shè)計為立方體，尺寸為35CmX50CmX50Cm，溢流板高度為45cm，把進液管8伸入到恒壓水箱11內(nèi)部，溢流板12和整流柵13之間，伸入長度為溢流板12高度的70%。對照圖5，接水盒20設(shè)計為立方體，尺寸為40cmX50cmX20cm，接水盒20內(nèi)部分為三個部分:左右兩邊為排水槽22，尺寸為40cmX15cmX 20cm，下部排水管無需安裝閥門。中間為測量槽23，尺寸為40CmX20CmX20Cm，下部排水管需安裝閥門，且盡量靠近測量槽23底部，測量槽23壁面需標(biāo)定刻度，以便測量流量。圖示接水盒20上方三根管子下部為軟管，可以左右擺動。采用本裝置進行實驗的具體過程:
層流狀態(tài):
配制好一定濃度減阻劑溶液，加入儲液箱I中。同時打開第一閥門10和第二閥門14，溶液由離心泵6提供動力，從儲液箱I經(jīng)第一進液管4和第二進液管8，進入進液箱11中，溶液開始溢流之后，選擇并聯(lián)的三根管子中的任意一根，打開其上的閥門19，溶液流經(jīng)測試管16，經(jīng)接水盒20，出液管21，最終回到儲液箱1，其中進液箱溢流的溶液，將通過管路回到儲液箱I。循環(huán)穩(wěn)定一段時間后，開始進行實驗。通過調(diào)節(jié)閥門19的開度，來調(diào)節(jié)流量，讀取差壓變送器18測得的數(shù)據(jù)，并用秒表計時，擺動軟管DE到接水盒20中部的測量槽23，測量流量，測量結(jié)束后，擺動軟管到接水盒20左右任意一側(cè)的排水槽22，使溶液從排水槽22沿著出液管21排入儲液箱I。在實驗過程中，可通過墨水盒17向測試管16注入墨水來觀測流體從層流向湍流的轉(zhuǎn)捩。在此實驗狀態(tài)下，進液箱11為一個恒壓水箱，調(diào)節(jié)閥門可以有效平穩(wěn)的控制測試管16中液體的流速，使得流體流態(tài)平穩(wěn)的從層流向湍流轉(zhuǎn)捩。湍流狀態(tài):
流態(tài)從層流過渡到湍流之后，進液箱11已不足以提供足夠的流量，使流態(tài)達(dá)到更高雷諾數(shù)，此時關(guān)閉第一閥門10和閥門19，溶液由離心泵6提供動力經(jīng)進液管，進入進液箱11中，當(dāng)溶液充滿進液箱11，保證進液箱11中的氣體排盡之后，關(guān)閉第二閥門14，選擇并聯(lián)的三根管子中的任意一根，調(diào)節(jié)其上的閥門19，溶液流經(jīng)測試管16，經(jīng)接水盒20和出液管21，最終回到儲液箱I。循環(huán)穩(wěn)定一段時間后，開始實驗。流量計7將所測數(shù)據(jù)實時的傳輸?shù)阶冾l器5，通過變頻器5來調(diào)節(jié)離心泵6的轉(zhuǎn)速，從而控制流量，計算機采集流量計7和差壓變送器18的數(shù)據(jù)，經(jīng)過特定程序轉(zhuǎn)換，得出減阻劑的減阻特性。當(dāng)一種管徑的實驗結(jié)束之后，只需要關(guān)閉相應(yīng)管路的閥門19，打開另一根管路上的閥門19，便可以進行另一種管徑的減阻特性實驗。儲液箱I底部設(shè)計了放空閥3，方便在實驗結(jié)束之后排出溶液，清洗裝置。采用本實例所示的高分子聚合物溶液的全流態(tài)減阻特性實驗裝置進行實驗。真正做到了一個裝置多種用途，既可以滿足不同管徑的快速切換，又可以使實驗從一個很小的雷諾數(shù)開始，清晰的觀察流態(tài)從層流到湍流的轉(zhuǎn)捩，本實例適用雷諾數(shù)范圍為O < Re< 50000 (定義Re=Kd/ F，K為管道內(nèi)平均流速，d是管道直徑，F(xiàn)為溶液的運動粘度)。
權(quán)利要求
1.一種高分子聚合物溶液的全流態(tài)減阻特性實驗裝置，包括儲液裝置、動力裝置、穩(wěn)壓裝置、測試裝置以及連接各裝置的管路系統(tǒng)，其特征在于，所述儲液裝置包括儲液箱(I)和接水盒(20)，儲液箱(I)和接水盒(20)由出液管(21)連接，所述動力裝置包括離心泵(6)和變頻器(5)，離心泵(6)和儲液箱(I)通過第一進液管(4)連接，所述穩(wěn)壓裝置包括進液箱(11)以及設(shè)置在進液箱(11)上的第一閥門(10)、第二閥門(14)和壓力表(15)，進液箱(11)和離心泵(6)通過第二進液管(8)連接，所述進液箱(11)上的第二閥門(14)通過回流管(9)與儲液箱(I)連接，所述測試裝置包括測試管(16)、差壓變送器(18)、流量計(7)以及數(shù)據(jù)采集處理器，流量計(7)設(shè)置在第二進液管(8)上并與變頻器(5)連接，差壓變送器(18)與流量計(7)和數(shù)據(jù)采集處理器電路相連，所述差壓變送器(18)與測試管(16)相連，所述測試管(16)由三根不同管徑的有機玻璃管并聯(lián)布置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高分子聚合物溶液的全流態(tài)減阻特性實驗裝置，其特征在于，所述儲液箱(I)內(nèi)部由溢流板(2)分隔成左右兩個腔室，兩個腔室的下部均設(shè)置了放空閥(3);所述接水盒(20)內(nèi)部分為三個部分:左右兩邊為排水槽，中間為測量槽，這三個部分的下部均由管路與出液管(21)連通，所述出液管(21)伸入到儲液箱(I)的右腔室中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高分子聚合物溶液的全流態(tài)減阻特性實驗裝置，其特征在于，所述進液箱(11)內(nèi)部設(shè)置有溢流擋板(12)和整流柵(13)，所述第二進液管(8)伸入進液箱(11)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種高分子聚合物溶液的全流態(tài)減阻特性實驗裝置，其特征在于，所述測試管(16)的每根有機玻璃管分為四段:入口穩(wěn)定段、檢測段、出流段和尾段，入口穩(wěn)定段與墨水盒(17)通過毛細(xì)管連通，檢測段與差壓變送器(18)相連，出流段設(shè)置有閥門(19 )，尾段后部接軟管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高分子聚合物溶液的全流態(tài)減阻特性實驗裝置，包括儲液裝置、動力裝置、穩(wěn)壓裝置、測試裝置以及連接各裝置的管路系統(tǒng)。其中，儲液裝置包括儲液箱和接水盒，儲液箱和接水盒由出液管連接，動力裝置包括離心泵和變頻器，離心泵和儲液箱通過進液管連接，穩(wěn)壓裝置包括進液箱、閥門和壓力表，進液箱和離心泵通過進液管連接，進液箱上的閥門通過回流管與儲液箱連接，測試裝置包括測試管、差壓變送器、流量計以及數(shù)據(jù)采集處理器，測試管由三根不同管徑的有機玻璃管并聯(lián)布置。本發(fā)明的實驗裝置能夠滿足在不更換管路的前提下，在多種不同管徑中進行減阻特性實驗，且能夠在同一個實驗裝置中，使得流體流態(tài)平穩(wěn)的從層流過渡到湍流。
文檔編號G01N11/08GK103115849SQ20131001988
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月21日
發(fā)明者禹燕飛, 李昌烽, 趙文斌, 李明義, 郭付軍, 侯金亮 申請人:江蘇大學(xué)