本發(fā)明涉及氣固兩相流測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種氣力輸送系統(tǒng)中氣相和固相速度場(chǎng)同步測(cè)量裝置和方法。

背景技術(shù)：

氣力輸送是指在密閉的管道中借用空氣動(dòng)力沿氣流方向使固體顆粒懸浮并進(jìn)行輸送，輸送對(duì)象范圍為從微米量級(jí)的粉體到毫米大小的顆粒，是一種典型的氣固兩相流。在氣力輸送過(guò)程中，氣固兩相之間存在著十分復(fù)雜的相互運(yùn)動(dòng)，如何研究?jī)上嗔鞯牧黧w動(dòng)力學(xué)特性也成為國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家爭(zhēng)相探索的重要課題。目前針對(duì)兩相流的研究主要集中于固相濃度、固相流速以及流型等參數(shù)，這些參數(shù)的成功測(cè)量對(duì)理論研究和提高生產(chǎn)效率有著十分重要的意義。近年來(lái)，以粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)為代表的全流場(chǎng)非接觸測(cè)量方法被廣泛地應(yīng)用于兩相流中固相濃度場(chǎng)和速度場(chǎng)測(cè)量，提供了豐富的固相顆粒動(dòng)力學(xué)信息。在實(shí)際的輸送過(guò)程中，固相顆粒的動(dòng)力學(xué)行為同氣相流場(chǎng)和顆粒間的相互作用息息相關(guān)，為了更深入的研究?jī)上嗔鞯倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律，在研究固相顆粒動(dòng)力學(xué)特性的同時(shí)，也應(yīng)該充分考慮氣相流場(chǎng)和固相流場(chǎng)的相互作用。目前針對(duì)氣相和固相相互作用的研究主要采用的是數(shù)值模擬計(jì)算的方法，而實(shí)驗(yàn)方面主要針對(duì)的是固相參數(shù)的測(cè)量，尚缺少針對(duì)固相和氣相的同步測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了實(shí)現(xiàn)氣力輸送系統(tǒng)中固相和氣相參數(shù)的同步測(cè)量，本發(fā)明結(jié)合氣力輸送系統(tǒng)和粒子圖像測(cè)速技術(shù)而提供了一種氣相和固相速度場(chǎng)同步測(cè)量裝置和方法。

為達(dá)到技術(shù)效果，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種氣相和固相速度場(chǎng)同步測(cè)量裝置，其特征在于，包括：

粒子輸送管道；

設(shè)置在所述粒子輸送管道進(jìn)口端的第一鼓風(fēng)機(jī)；

設(shè)置在所述粒子輸送管道進(jìn)口側(cè)的示蹤粒子發(fā)生器，所述示蹤粒子發(fā)生器產(chǎn)生氣相示蹤粒子，所述示蹤粒子發(fā)生器通過(guò)其下端的氣相示蹤粒子入口與所述粒子輸送管道連通；

設(shè)置在所述粒子輸送管道進(jìn)口側(cè)的送料罐，所述送料罐內(nèi)裝有固相粒子，所述送料罐下端通過(guò)固相粒子入口與所述粒子輸送管道連通，所述固相粒子在自身重力的作用下進(jìn)入所述送料罐；所述第一鼓風(fēng)機(jī)將高速空氣流吹向粒子輸送管道，帶動(dòng)氣相示蹤粒子和固相粒子向所述粒子輸送管道的出口端運(yùn)動(dòng)；

設(shè)置在所述粒子輸送管道出口端的分離器；

設(shè)置在所述分離器下方的回收罐；所述分離器將氣相示蹤粒子和固相粒子分離后，固相粒子進(jìn)入回收罐；

與所述回收罐的底端連通的粒子回收管道；所述粒子回收管道的一端與所述送料罐連接；

連接在所述粒子回收管道另一端的第二鼓風(fēng)機(jī)，所述第二鼓風(fēng)機(jī)通過(guò)高速空氣流將所述回收罐內(nèi)的固相粒子沿所述粒子回收管道吹向所述送料罐內(nèi)對(duì)所述固相粒子回收利用；

以及用于拍攝固相粒子和氣相示蹤粒子的瞬態(tài)圖像的PIV測(cè)量系統(tǒng)，所述PIV測(cè)量系統(tǒng)設(shè)置在所述粒子輸送管道的測(cè)量位置處，所述測(cè)量位置位于所述粒子輸送管道的出口側(cè)。

進(jìn)一步地，所述PIV測(cè)量系統(tǒng)包括激光光源和高速攝像機(jī)。

進(jìn)一步地，所述固相粒子采用的材料為聚乙烯，其當(dāng)量直徑為2.3mm。

進(jìn)一步地，所述氣相示蹤粒子采用的材料為氧化鋁粉末，其直徑大小為60～150μm。

進(jìn)一步地，所述PIV測(cè)量系統(tǒng)包括激光光源(10)和高速攝像機(jī)(9)，所述高速攝像機(jī)在測(cè)量域內(nèi)以1024×1024的分辨率連續(xù)拍攝2000張粒子運(yùn)動(dòng)圖像。

進(jìn)一步地，所述高速攝像機(jī)的快門(mén)速度為0.2ms，幀速率為500fps。

更進(jìn)一步地，所述粒子輸送管道和粒子回收管道的直徑均為80mm。

一種氣相和固相速度場(chǎng)同步測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、利用PIV測(cè)量系統(tǒng)在測(cè)量域內(nèi)拍攝多張粒子輸送管道內(nèi)的固相粒子和氣相示蹤粒子圖像；

S2、對(duì)圖像進(jìn)行灰度拉伸和濾波處理以提高圖像質(zhì)量，保證粒子識(shí)別的準(zhǔn)確率；

S3、對(duì)濾波后的圖像進(jìn)行二值化處理，提取粒子的輪廓，在此基礎(chǔ)上根據(jù)固相粒子和氣相示蹤粒子大小的不同分別對(duì)兩種粒子進(jìn)行輪廓提取，分別獲取固相粒子和氣相示蹤粒子的輪廓圖像；

S4、把固相粒子圖像導(dǎo)入SigmascanPro5軟件,根據(jù)固相粒子大小和測(cè)量域的大小設(shè)置計(jì)算區(qū)域，計(jì)算出固相粒子的速度場(chǎng)；

S5、把氣相粒子圖像導(dǎo)入ProVision軟件，根據(jù)氣相粒子大小和測(cè)量域的大小設(shè)置計(jì)算區(qū)域，獲取氣相示蹤粒子速度場(chǎng)分布。

進(jìn)一步地，所述高速攝像機(jī)在測(cè)量域內(nèi)以1024×1024的分辨率連續(xù)拍攝2000張粒子運(yùn)動(dòng)圖像。

更進(jìn)一步地，所述高速攝像機(jī)的快門(mén)速度為0.2ms，幀速率為500fps。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明顯而易見(jiàn)地具有的有益效果是：針對(duì)固相粒子和氣相示蹤粒子大小不同的特點(diǎn)，分別提取圖像中氣固兩相的粒子，在此基礎(chǔ)上分別應(yīng)用PIV軟件對(duì)固相和氣相流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了稀相氣固兩相流中氣相和固相速度場(chǎng)的同步測(cè)量，為深入研究氣固兩相流中氣相和固相間相互作用機(jī)制提供了一種定性和定量分析的新手段。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明氣相和固相速度場(chǎng)同步測(cè)量裝置示意圖；

圖2是PIV測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量拍攝粒子示意圖；

圖3是固相粒子速度場(chǎng)分布圖；

圖4是氣相粒子速度場(chǎng)分布圖。

圖中，1、粒子輸送管道，2、第一鼓風(fēng)機(jī)，3、示蹤粒子發(fā)生器，31、示蹤粒子入口，4、送料罐，41、固相粒子入口，5、分離器，6、回收罐，7、粒子回收管道，8、第二鼓風(fēng)機(jī)，9、高速攝像機(jī)，10、激光光源，11、氣相示蹤粒子，12、固相粒子，A、測(cè)量位置。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“徑向”、“軸向”、“上”、“下”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，除非另有說(shuō)明，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上。

在本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“設(shè)置”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。

如圖1和圖2所示的氣相和固相速度場(chǎng)同步測(cè)量裝置，包括粒子輸送管道1、第一鼓風(fēng)機(jī)2、示蹤粒子發(fā)生器3、送料罐4、分離器5、回收罐6、粒子回收管道7、第二鼓風(fēng)機(jī)8以及PIV測(cè)量系統(tǒng)。粒子輸送管道1水平設(shè)置，其內(nèi)徑為80mm，粒子輸送管道1的入口端連接第一鼓風(fēng)機(jī)2，另一端連接分離器5；示蹤粒子發(fā)生器3設(shè)置在靠近第一鼓風(fēng)機(jī)2位置的粒子輸送管道1上，并通過(guò)氣相示蹤粒子入口31與粒子輸送管道1連通，示蹤粒子發(fā)生器3內(nèi)裝有氧化鋁粉末，其直徑為60～150μm，可代表氣相示蹤粒子11；送料罐4也設(shè)置在粒子輸送管道1入口側(cè)(圖中為右側(cè))，位于示蹤粒子發(fā)生器3的左側(cè)，送料罐4內(nèi)裝有聚乙烯顆粒，其當(dāng)量直徑為2.3mm，聚乙烯顆粒代表固相粒子12，送料罐4通過(guò)其下端的固相粒子入口41與粒子輸送管道1連通，固相粒子12靠自身重力進(jìn)入粒子輸送管道1，第一鼓風(fēng)機(jī)2是整個(gè)氣力輸送系統(tǒng)的動(dòng)力源，第一鼓風(fēng)機(jī)2將高速空氣流吹入粒子輸送管道1，高速空氣流帶動(dòng)氣相示蹤粒子11和固相粒子12向粒子輸送管道1的出口端運(yùn)動(dòng)，測(cè)量氣相示蹤粒子11和固相粒子12速度場(chǎng)的測(cè)量位置A位于粒子輸送管道1出口端附近。

氣相示蹤粒子11和固相粒子12通過(guò)測(cè)量位置A后流入設(shè)置在粒子輸送管道1出口端的分離器5中，固相粒子12被分離器5分離出后進(jìn)入回收罐6。

回收罐6的底端與粒子回收管道7連通，粒子回收管道7的內(nèi)徑也為80mm，粒子回收管道7的一端連接有第二鼓風(fēng)機(jī)8，另一端與送料罐4連接，第二鼓風(fēng)機(jī)8通過(guò)高速空氣流將其回收罐6內(nèi)落入粒子回收管道7內(nèi)的固相粒子12沿粒子回收管道7吹向送料罐4內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)固相粒子12的回收利用。

PIV測(cè)量系統(tǒng)用于拍攝固相粒子12和氣相示蹤粒子11的瞬態(tài)圖像，PIV測(cè)量系統(tǒng)設(shè)置在粒子輸送管道1的測(cè)量位置A處，本實(shí)施例中，測(cè)量位置A處的空氣速度為13m/s，固相粒子的質(zhì)量流量為0.4kg/s。PIV測(cè)量系統(tǒng)包括激光光源10和高速攝像機(jī)9，激光光源10產(chǎn)生的光束用于照亮沿粒子輸送管道1軸向運(yùn)動(dòng)的固相粒子12和氣相示蹤粒子11，高速攝像機(jī)9在測(cè)量域內(nèi)以1024×1024的分辨率連續(xù)拍攝2000張粒子運(yùn)動(dòng)圖像，其中本實(shí)施例中，高速攝像機(jī)9的快門(mén)速度為0.2ms，幀速率為500fps。

借助以上裝置，本發(fā)明的氣相和固相速度場(chǎng)同步測(cè)量方法為：

(1)搭建氣力輸送平臺(tái)和布置PIV測(cè)量系統(tǒng)；

(2)啟動(dòng)第一鼓風(fēng)機(jī)2，將高速空氣、氣相示蹤粒子11和固相粒子12送入粒子輸送管道1；并啟動(dòng)第二鼓風(fēng)機(jī)8，將回收罐6中的固相粒子12回收到送料罐4中；

(3)利用PIV測(cè)量系統(tǒng)在測(cè)量位置A處的測(cè)量域內(nèi)進(jìn)行兩相流粒子的圖像拍攝；高速攝像機(jī)9在測(cè)量域內(nèi)以1024×1024的分辨率連續(xù)拍攝2000張粒子運(yùn)動(dòng)圖像，其中，高速攝像機(jī)9的快門(mén)速度為0.2ms，幀速率為500fps；

(4)對(duì)圖像進(jìn)行灰度拉伸和濾波處理以提高圖像質(zhì)量，保證粒子識(shí)別的準(zhǔn)確率；

(5)對(duì)濾波后的圖像進(jìn)行二值化處理，提取粒子的輪廓，在此基礎(chǔ)上根據(jù)固相粒子12和氣相示蹤粒子11大小的不同分別對(duì)兩種粒子進(jìn)行輪廓提取，分別獲取固相粒子12和氣相示蹤粒子11的輪廓圖像；

(6)把固相粒子12圖像導(dǎo)入SigmascanPro5軟件,根據(jù)固相粒子12大小和測(cè)量域的大小設(shè)置計(jì)算區(qū)域，計(jì)算出固相粒子12的速度場(chǎng)；

(7)把氣相示蹤粒子11圖像導(dǎo)入ProVision軟件，根據(jù)氣相粒子大小和測(cè)量域的大小設(shè)置計(jì)算區(qū)域，獲取氣相示蹤粒子11速度場(chǎng)分布。

本實(shí)施例中針對(duì)固相粒子12和氣相示蹤粒子11大小不同的特點(diǎn)，選用PIV軟件中的SigmascanPro5軟件和ProVision軟件分別對(duì)固相粒子12和氣相示蹤粒子11的速度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)上述步驟本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)稀相氣固兩相流中氣相和固相速度場(chǎng)的同步測(cè)量。圖3表示的是通過(guò)SigmascanPro5軟件分析的固相速度場(chǎng)分布情況，從圖中可以看出在管底處固相粒子12的速度較小，固相粒子12越接近管頂部，其速度值也越大，這同利用LDA和PDA測(cè)量的結(jié)果相符，這也證明了該方法的可行性。圖4表示的是利用ProVision軟件分析的氣相示蹤粒子11速度場(chǎng)分布情況，同固相粒子12的速度分布不同，從圖中可以發(fā)現(xiàn)在離管底較近處出現(xiàn)了小范圍的流動(dòng)分離現(xiàn)象，這也反映了固相粒子12對(duì)氣相流場(chǎng)的影響。

上述依據(jù)本發(fā)明的理想實(shí)施例為啟示，通過(guò)上述的說(shuō)明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項(xiàng)發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項(xiàng)發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說(shuō)明書(shū)上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來(lái)確定其技術(shù)性范圍。