一種管束間高溫高壓汽液兩相流型實(shí)驗(yàn)裝置及流型判別方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種管束間高溫高壓汽液兩相流型實(shí)驗(yàn)裝置及流型判別方法，實(shí)驗(yàn)裝置壓力容器前后兩側(cè)對稱開有上、下2個可視化視窗；與可視化視窗對應(yīng)設(shè)有激光發(fā)生器、高速攝像機(jī)；壓力容器內(nèi)設(shè)有電加熱管，電加熱管上設(shè)有熱電偶傳感器，壓力容器上裝有壓力傳感器、液位傳感器、雙頭電導(dǎo)探針，壓力容器進(jìn)口管和出口管處設(shè)有流量計和鎧裝熱電偶；電加熱控制系統(tǒng)導(dǎo)線穿過壓力容器外殼與電加熱管連接，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)導(dǎo)線與測量傳感器及高速攝像機(jī)連接。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集拍攝的圖像及傳感器信號；對拍攝的圖像進(jìn)行數(shù)字化處理得到汽液兩相流型圖譜；建立流體參數(shù)與汽液兩相流型之間的定量關(guān)系。
【專利說明】一種管束間高溫高壓汽液兩相流型實(shí)驗(yàn)裝置及流型判別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種管束間高溫高壓汽液兩相流型實(shí)驗(yàn)裝置及流型判別方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多相流流動的現(xiàn)象在自然界和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛存在，而且與人類的生活和生產(chǎn)活動息息相關(guān)。汽液兩相流動現(xiàn)象常見于化學(xué)工業(yè)和動力工程的換熱設(shè)備以及油氣集輸管路中，不同環(huán)境下兩相流具有不同的流動形態(tài)，即流型。兩相流流型極大地影響著汽液兩相流的流動特性和傳熱傳質(zhì)特性，同時對流動參數(shù)的準(zhǔn)確測量以及兩相流系統(tǒng)的運(yùn)行特性也有很大影響。在汽液兩相流研究工作的早期，由于缺乏此方面的知識，曾經(jīng)發(fā)生過不少工業(yè)事故。因此對于氣液兩相流流型識別的研究應(yīng)該給予高度重視，此方面研究不僅具有重要的學(xué)術(shù)意義和實(shí)用價值，也為相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備經(jīng)濟(jì)、安全的設(shè)計和運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。正因?yàn)槿绱?，汽液兩相流流型識別的研究一直是兩相流研究領(lǐng)域的一個重要課題。
[0003]目前，國內(nèi)外學(xué)者對兩相流進(jìn)行了廣泛的研究，發(fā)現(xiàn)兩相在流動過程中均發(fā)生變形，兩相界面及兩相介質(zhì)的分布狀態(tài)不斷變化，導(dǎo)致流型的復(fù)雜化和多樣化。流型劃分方法一般分為兩類:一是直接法，即根據(jù)兩相流流動圖像的形式直接確定流型；二是間接法，即通過對反映流型特性的參數(shù)進(jìn)行特征提取，通過其他的識別系統(tǒng)以達(dá)到流型識別的目的。已有的流型劃分方法均受到實(shí)驗(yàn)條件、操作者的經(jīng)驗(yàn)及流型識別技術(shù)的限制，所以只能對特定條件下的兩相流流型進(jìn)行定性分析，而且已有的研究多局限于低壓絕熱工況的管內(nèi)流動，沒有涉及高壓管束間沸騰傳熱汽液兩相流動，而管束間沸騰傳熱汽液兩相流流型判別對工業(yè)用蒸汽發(fā)生器、沸騰管、鍋爐、核反應(yīng)堆等大型換熱設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的在于提供一種管束間高溫高壓汽液兩相流型實(shí)驗(yàn)裝置，能夠在高溫高壓狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)測定，并獲得汽液兩相流型變化圖像；利用該實(shí)驗(yàn)裝置，提供一種可視化的流型判別方法。
[0005]本發(fā)明基于同一發(fā)明構(gòu)思，具有兩個獨(dú)立的技術(shù)方案:
[0006]1、一種管束間高溫高壓汽液兩相流型實(shí)驗(yàn)裝置，包括壓力容器，壓力容器外接有進(jìn)口管和出口管，其特征在于:壓力容器前后兩側(cè)對稱開有上、下2個可視化視窗；還包括激光發(fā)生器、高速攝像機(jī)，激光發(fā)生器位于壓力容器的后側(cè)，與壓力容器后側(cè)可視化視窗位置相對應(yīng)，高速攝像機(jī)位于壓力容器的前側(cè)，與壓力容器前側(cè)可視化視窗位置相對應(yīng)；
[0007]壓力容器內(nèi)設(shè)有電加熱管，并在電加熱管上設(shè)有熱電偶傳感器，壓力容器上裝有壓力傳感器、液位傳感器、雙頭電導(dǎo)探針，壓力容器進(jìn)口管和出口管處設(shè)有流量計和鎧裝熱電偶；[0008]電加熱控制系統(tǒng)導(dǎo)線穿過壓力容器外殼與電加熱管連接，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)導(dǎo)線與測量傳感器及高速攝像機(jī)連接。
[0009]壓力容器內(nèi)均勻設(shè)有多根電加熱管，電加熱管為直管。
[0010]電加熱管為單端引出，引出棒并行元件，其內(nèi)部根據(jù)引出棒布置合金電阻絲，外部引出棒與電加熱控制系統(tǒng)導(dǎo)線連接，根據(jù)流體流量及入口溫度改變電阻絲兩端的電壓以調(diào)節(jié)加熱量。
[0011]壓力容器內(nèi)均勻設(shè)有16根電加熱管，選取其中5根電加熱管，每根加熱管沿豎向均勻設(shè)有5個熱電偶。
[0012]壓力容器設(shè)有3個壓力傳感器，分別在壓力容器左側(cè)上、中、下三個位置設(shè)置；1個液位傳感器在壓力容器右側(cè)的上部設(shè)置；2個雙頭電導(dǎo)探針分別布置在壓力容器左側(cè)上部和中部。
[0013]激光發(fā)生器、高速攝像機(jī)均安裝于支架上，激光發(fā)生器、高速攝像機(jī)可上、下移動。
[0014]數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)導(dǎo)線與測量傳感器及高速攝像機(jī)連接，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集拍攝的圖像及傳感器信號
[0015]2、一種利用上述管束間高溫高壓汽液兩相流型實(shí)驗(yàn)裝置的流型判別方法，其特征在于:激光發(fā)生器通過壓力容器后側(cè)的可視化視窗提供光源，高速攝像機(jī)通過壓力容器前側(cè)的可視化視窗拍攝兩相流型變化圖像；對拍攝的圖像進(jìn)行數(shù)字化處理和邊緣檢測得到邊緣檢測圖像；
[0016]根據(jù)邊緣檢測圖像的邊緣灰度特征，對管束通道每一位置處汽泡的數(shù)量、尺寸進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到管束通道內(nèi)兩相流型隨時間和空間的變化規(guī)律；根據(jù)每張圖像中汽泡的尺寸計算含汽率及汽相體積流量，結(jié)合流域截面積計算汽液兩相表觀速度；對流型過渡區(qū)域進(jìn)行汽泡動力學(xué)分析，得到流型變化與汽泡行為、受力、數(shù)量及空間尺寸的關(guān)系；根據(jù)表觀速度及含汽率結(jié)合圖像中汽泡數(shù)量和尺寸建立流型圖譜；前述的管束通道為電熱管在壓力容器內(nèi)所形成的流體通道。
[0017]通過壓力容器內(nèi)的熱電偶傳感器測得電加熱管壁溫度；通過壓力容器上的壓力傳感器、液位傳感器、雙頭電導(dǎo)探針，測得流體壓力、液面位置、截面含汽率和汽相表觀流速；通過壓力容器進(jìn)口管和出口管處流量計和鎧裝熱電偶測得壓力容器進(jìn)出口流量和溫度。
[0018]根據(jù)測得的參數(shù)，利用截面含汽率和汽相表觀速度驗(yàn)證圖像處理法建立的流型圖譜；在一定壓力、流體流量和加熱量下，由電加熱管管壁溫度計算電加熱管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，結(jié)合邊緣檢測圖像，得到電加熱管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與含汽率及汽相表觀速度的關(guān)系，進(jìn)而得到流型隨電加熱管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化規(guī)律，并分析沿傳熱管不同傳熱階段流型的分布規(guī)律；通過改變壓力、流體流量或加熱量得到不同條件下流型演變規(guī)律及其與流體物理參數(shù)間的定量關(guān)系。
[0019]本發(fā)明具有的有益效果:
[0020]本發(fā)明壓力容器兩側(cè)開有可視化視窗，激光發(fā)生器通過可視化視窗提供光源，高速攝像機(jī)通過可視化視窗拍攝兩相流型變化圖像，基于系列圖像提供一種可視化的流型判別方法，以更合理、更精確的數(shù)值化手段確定流型的分類及演變規(guī)律，實(shí)現(xiàn)借助圖像數(shù)字化技術(shù)和量化指標(biāo)來描述兩相流的特征，建立管束間汽液兩相流流型圖譜。
[0021]本發(fā)明壓力容器上裝有壓力傳感器、液位傳感器、雙頭電導(dǎo)探針，壓力容器進(jìn)口管和出口管內(nèi)設(shè)有流量計和鎧裝熱電偶，可對流體流量、溫度、壓力、液位、含氣率及汽相表觀速度進(jìn)行測量，由測得的各物理參數(shù)結(jié)合管束間汽液兩相流流型圖譜可更加方便地建立兩相流流型與各參數(shù)間的定量關(guān)系。
[0022]本發(fā)明電加熱管壓力容器內(nèi)設(shè)有電加熱管，電加熱管為單端引出，引出棒并行元件，其內(nèi)部根據(jù)引出棒布置合金電阻絲，外部引出棒與電加熱控制系統(tǒng)導(dǎo)線連接，在額定工作壓力為4.0MPa的情況下，以電加熱的方式研究管束間狹窄空間內(nèi)的沸騰傳熱汽液兩相流動，可以通過改變加熱管電阻絲兩端電壓的方式調(diào)節(jié)加熱量，從而根據(jù)流體流量及入口溫度等參數(shù)在可視化區(qū)域獲得不同類型流型。
[0023]本發(fā)明壓力容器內(nèi)均勻設(shè)有16根電加熱管，選取其中5根電加熱管，每根加熱管沿豎向均勻設(shè)有5個熱電偶，可更加方便可靠地實(shí)現(xiàn)液體加熱和電加熱管管壁溫度的測量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明壓力容器部分結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3為本發(fā)明壓力容器視窗部分的剖視圖；
[0027]圖4為本發(fā)明電加熱管分布示意圖；
[0028]圖5為本發(fā)明測點(diǎn)分布示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]如圖1、圖2所示，壓力容器I前后兩側(cè)對稱開有上、下2個可視化視窗4，如圖3所不，視窗截面呈外方內(nèi)圓形，窗口設(shè)有視窗玻璃，實(shí)施時，窗口高398mm,寬100mm,上下窗口間距368mm。如圖1所示，激光發(fā)生器3位于壓力容器I的后側(cè)，與壓力容器后側(cè)可視化視窗位置相對應(yīng)，高速攝像機(jī)2位于壓力容器I的前側(cè)，與壓力容器前側(cè)可視化視窗位置相對應(yīng)，激光發(fā)生器、高速攝像機(jī)均安裝于支架上，激光發(fā)生器、高速攝像機(jī)可上、下移動。如圖4所不,壓力容器內(nèi)設(shè)有均勻設(shè)有多根電加熱管5,電加熱管為直管,實(shí)施時，壓力容器內(nèi)均勻設(shè)有16根電加熱管，電加熱管為單端引出，引出棒并行元件，其內(nèi)部根據(jù)引出棒布置合金電阻絲，外部引出棒與電加熱控制系統(tǒng)導(dǎo)線連接，根據(jù)流體流量及入口溫度等參數(shù)可改變電阻絲兩端的電壓以調(diào)節(jié)加熱量。選取其中5根電加熱管，如圖5所示，每根加熱管沿豎向均勻設(shè)有5個熱電偶6。如圖5所示，壓力容器上裝有壓力傳感器7、液位傳感器8、雙頭電導(dǎo)探針9，其中，壓力容器設(shè)有3個壓力傳感器7，分別在壓力容器上、中、下三個位置設(shè)置。如圖1所示，壓力容器進(jìn)口管和出口管內(nèi)設(shè)有流量計10和鎧裝熱電偶11。
[0030]給水經(jīng)預(yù)熱后由給水泵輸進(jìn)口管送至壓力容器下端的進(jìn)口 14 (見圖1)，通過給水環(huán)分配到電加熱管外壁與壓力容器內(nèi)壁之間的實(shí)驗(yàn)段通道內(nèi)，在管束間通道內(nèi)由電加熱管均勻加熱至沸騰，產(chǎn)生蒸汽，從而出現(xiàn)兩相流動。激光發(fā)生器3通過壓力容器I后側(cè)的可視化視窗提供光源，高速攝像機(jī)2通過壓力容器前側(cè)的可視化視窗拍攝兩相流型變化圖像，高速攝像機(jī)2和各傳感器的信號輸出端接數(shù)據(jù)采集裝置12，數(shù)據(jù)采集裝置接計算機(jī)13。
[0031]對拍攝的圖像進(jìn)行數(shù)字化處理后，首先對其進(jìn)行濾波處理，以抑制圖像噪聲；對濾波后的圖像計算圖像梯度的幅值和方向；對梯度幅值進(jìn)行非極大值抑制，尋找圖像梯度的局部最大值以此來確定圖像邊緣，檢測并連接有效邊緣進(jìn)而得到邊緣檢測圖像。
[0032]根據(jù)邊緣檢測圖像的邊緣灰度特征，對管束通道每一位置處汽泡的數(shù)量、尺寸進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到管束通道內(nèi)兩相流型隨時間和空間的變化規(guī)律；根據(jù)每張圖像中汽泡的尺寸計算含汽率及汽相體積流量，結(jié)合流域截面積計算兩相表觀速度；對流型過渡區(qū)域進(jìn)行汽泡動力學(xué)分析，得到流型變化與汽泡行為、受力、數(shù)量及空間尺寸的關(guān)系；根據(jù)表觀速度及含汽率結(jié)合圖像中汽泡數(shù)量和尺寸建立流型圖譜；前述的管束通道為電熱管在壓力容器內(nèi)所形成的流體通道。
[0033]通過壓力容器內(nèi)的熱電偶傳感器測得電加熱管壁溫度；上、下位置的壓力傳感器接壓差傳感器，測量流體壓降，中間位置的壓力傳感器測量流體壓力，雙頭電導(dǎo)探針測量截面含汽率和汽相表觀流速；液位傳感器布置在壓力容器右側(cè)的上部，測量容器中液面位置；通過壓力容器進(jìn)口管和出口管處流量計和鎧裝熱電偶測得壓力容器進(jìn)出口流量和溫度。
[0034]根據(jù)測得的參數(shù)，利用截面含汽率和汽相表觀速度驗(yàn)證邊緣檢測法建立的流型圖譜；在一定壓力、流體流量和加熱量下，由電加熱管管壁溫度計算電加熱管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，結(jié)合邊緣檢測圖像，得到電加熱管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與截面含汽率及汽相表觀速度的關(guān)系，進(jìn)而得到流型隨電加熱管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化規(guī)律，并分析沿管束通道不同換熱階段流型分布特點(diǎn)；通過改變壓力、流體流量或加熱量得到不同條件下流型演變規(guī)律及其與各流體物理參數(shù)間的定量關(guān)系。
【權(quán)利要求】
1.一種管束間高溫高壓汽液兩相流型實(shí)驗(yàn)裝置，包括壓力容器，壓力容器外接有進(jìn)口管和出口管，其特征在于:壓力容器前后兩側(cè)對稱開有上、下2個可視化視窗；還包括激光發(fā)生器、高速攝像機(jī)，激光發(fā)生器位于壓力容器的后側(cè)，與壓力容器后側(cè)可視化視窗位置相對應(yīng)，高速攝像機(jī)位于壓力容器的前側(cè)，與壓力容器前側(cè)可視化視窗位置相對應(yīng)； 壓力容器內(nèi)設(shè)有電加熱管，電加熱管上設(shè)有熱電偶傳感器，壓力容器上裝有壓力傳感器、液位傳感器、雙頭電導(dǎo)探針，壓力容器進(jìn)口管和出口管處設(shè)有流量計和鎧裝熱電偶； 電加熱控制系統(tǒng)導(dǎo)線穿過壓力容器外殼與電加熱管連接，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)導(dǎo)線與測量傳感器及高速攝像機(jī)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管束間高溫高壓汽液兩相流型實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:壓力容器內(nèi)均勻設(shè)有多根電加熱管，電加熱管為直管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的管束間高溫高壓汽液兩相流型實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:電加熱管為單端引出，引出棒并行元件，其內(nèi)部根據(jù)引出棒布置合金電阻絲，外部引出棒與電加熱控制系統(tǒng)導(dǎo)線連接，根據(jù)流體流量及入口溫度改變電阻絲兩端的電壓以調(diào)節(jié)加熱量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的管束間高溫高壓汽液兩相流型實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:壓力容器內(nèi)均勻設(shè)有16根電加熱管，選取其中5根電加熱管,每根加熱管沿豎向均勻設(shè)有5個熱電偶。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的管束間高溫高壓汽液兩相流型實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:壓力容器設(shè)有3個壓力傳感器，分別在壓力容器左側(cè)上、中、下三個位置設(shè)置；I個液位傳感器在壓力容器右側(cè)的 上部設(shè)置；2個雙頭電導(dǎo)探針布置在壓力容器左側(cè)上部和中部。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的管束間高溫高壓汽液兩相流型實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:激光發(fā)生器、高速攝像機(jī)均安裝于支架上，激光發(fā)生器、高速攝像機(jī)可上、下移動。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的管束間高溫高壓汽液兩相流型實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)導(dǎo)線與測量傳感器及高速攝像機(jī)連接，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集拍攝的圖像及傳感器信號。
8.一種利用權(quán)利要求1所述管束間高溫高壓汽液兩相流型實(shí)驗(yàn)裝置的流型判別方法，其特征在于:激光發(fā)生器通過壓力容器后側(cè)的可視化視窗提供光源，高速攝像機(jī)通過壓力容器前側(cè)的可視化視窗拍攝兩相流型變化圖像；對拍攝的圖像進(jìn)行數(shù)字化處理和邊緣檢測得到邊緣檢測圖像； 根據(jù)邊緣檢測圖像的邊緣灰度特征，對管束通道每一位置處汽泡的數(shù)量、尺寸進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到管束通道內(nèi)兩相流型隨時間和空間的變化規(guī)律；根據(jù)每張圖像中汽泡的尺寸計算含汽率及汽相體積流量，結(jié)合流域截面積計算汽液兩相表觀速度；對流型過渡區(qū)域進(jìn)行汽泡動力學(xué)分析，得到流型變化與汽泡行為、受力、數(shù)量及空間尺寸的關(guān)系；根據(jù)表觀速度及含汽率結(jié)合圖像中汽泡數(shù)量和尺寸建立流型圖譜；前述的管束通道為電熱管在壓力容器內(nèi)所形成的流體通道。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的流型判別方法，其特征在于:通過壓力容器內(nèi)的熱電偶傳感器測得電加熱管壁溫度；通過壓力容器上的壓力傳感器、液位傳感器、雙頭電導(dǎo)探針，測得流體壓力、液面位置、截面含汽率和汽相表觀流速；通過壓力容器進(jìn)口管和出口管內(nèi)設(shè)有流量計和鎧裝熱電偶測得壓力容器進(jìn)出口流量和溫度； 根據(jù)測得的參數(shù)，利用截面含汽率和汽相表觀速度驗(yàn)證圖像處理法建立的流型圖譜；在一定壓力、流體流量和加熱量下，由電加熱管管壁溫度計算電加熱管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，結(jié)合邊緣檢測圖像，得到電加熱管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與截面含汽率及汽相表觀速度的關(guān)系，進(jìn)而得到流型隨電加熱管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化規(guī)律，并分析沿管束通道不同換熱階段流型分布特點(diǎn)；通過改變壓力、流體流量或加熱量得到不同條件下流型演變規(guī)律及其與各流體物理參數(shù)間的定量關(guān)系。`
【文檔編號】G01M10/00GK103698102SQ201310689886
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月17日
【發(fā)明者】孫寶芝, 鄭陸松, 李彥軍, 楊龍濱, 張國磊, 李曉明, 張鵬, 宋福元, 楊柳, 韓文靜, 張宇, 史建新 申請人:哈爾濱工程大學(xué)