[实用新型]光学探针法测量两相流局部界面参数装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及的是一种热工水力及多相流局部参数测量技术领域的测量装置。

背景技术

气(汽)液两相流动广泛的存在于热能动力工程、油气运输、化学工程及核工程等实际工业过程中。水管锅炉、核动力反应堆及蒸汽发生器、鼓泡式化学反应器等设备的设计和运行都离不开两相流动与沸腾传热的理论指导。世界上工业强国都曾先后投入了大量的人力物力进行两相流热工水力实验研究，不断地对两相流测量技术进行改进。早期的研究主要针对流量、压降、温度、流型及平均空泡份额等总体参量，近似认为气液两相沿径向位置均匀分布或者采用一定的假设获得一些参数的截面平均值。然而随着人类对两相流动本质的认识及测试技术的发展，研究表明两相流体系中气相或者气液交界面沿径向位置并非均匀分布。相界面参数的非均匀分布会导致局部传热传质能力的变化，在流动沸腾中甚至带来局部传热恶化，从而给两相流动及沸腾传热相关设备的设计及运行带来困难，因此必须深入对两相流系统内部结构进行研究。

通过科学实验对科学假设进行验证从而建立起新的理论是科学研究的必经之路。目前两相流动及沸腾传热机理研究尚不成熟，主要通过实验获取经验关系式以指导工程应用。随着人类实验技术的进步，相关研究从宏观总体参量细化到局部界面参数。准确获得两相流系统中气液界面参数，如空泡份额，气泡频率，界面面积浓度及气泡当量直径等的分布特性，对研究两相流动与沸腾机理有重要意义。同时两流体模型是目前公认的最接近实际物理过程的两相流模型，但两流体模型中构筑界面输运方程的重要参数——界面面积浓度目前也需通过实验获取，因此，准确测量两相流界面面积浓度也是两流体模型能否取得实际工程应用的关键。

对界面面积额浓度及空泡份额的测量有高速摄影法、化学方法、射线衰减法及探针法等，其中前三种属于平均量测量方法，只能获取截面平均值，不能给出径向局部界面浓度分布。而且当气泡比较密集时，由于相互遮挡，高速摄像法及射线衰减法等精度无法保证。探针法是目前被广泛用于局部界面参数测量的方法，主要分为两类：一类是电导探针法(如：Zhao D J，Guo L J，Lin C Z，et al.An experimental study on local interfacial area concentration using a double-sensor probe.Int.J.Heat Mass Transfer 48(2005)1926-1935；Kim S，Ishii M，Wu Q et al.Interfacial structures of confined air-water two-phase bubbly flow.Experimental Thermal Fluid Science 26(2002)461-472)，这类实验装置采用的电导探针制作工艺复杂，探针头部绝缘技术尚不成熟，而且采用电信号辨别容易受到外部电磁场的干扰，给测量带来困难；另一类是光学探针方法(如：Barrau E，Riviere N，Poupot C，et al.Single and double optical probes in air-water two-phase flows：real time signal processing an sensor performance.Int.J.Multiphase  Flow.25(1999)229-256；孙奇，赵华，杨瑞昌.静止液相中气泡上升过程的分布特性[J]化工学报，2003，54(9)：1310-1314)，这类实验装置采用的光学探针响应频率高，抗干扰能力强，但也有不足之处，主要表现为：锥面光纤探头制作工艺复杂，需从专门的制作厂家购买，而此类光纤使用寿命较短、造价昂贵，给研究带来巨大的经济压力。同时大通道内两相流动试验台架一般都比较高大，调节光学探针时，如何做到精确的定位及移动，如何实现远程控制和多路光电信号的同步转化等都是需要解决的问题。因此以上提到的探针测量方法不适合大量推广使用。

发明内容

本实用新型的目的在于提供实现对两相流局部界面参数准确测量的光学探针法测量两相流局部界面参数装置。

本实用新型的目的是这样实现的：

本实用新型光学探针法测量两相流局部界面参数装置，其特征是：包括激光源、光电转换及放大装置、光学探针、探针定位及驱动机构，激光源、探针定位及驱动机构分别布置在光电转换及放大装置的两侧，光学探针安装在探针定位及驱动机构上，激光源、光电转换及放大装置、光学探针、探针定位及驱动机构组成光路，光学探针置于被测流体里。

本实用新型还可以包括：