[发明专利]两相流系统内颗粒运动轨迹的测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及两相流系统内颗粒运动轨迹的测量装置及测量方法，属于两相流技术。

背景技术

气固/液固两相流一直以来在能源、化工、冶金、动力等行业中广泛存在。测量两相流内颗粒运动轨迹对于掌握两相流内颗粒运动状态，研究气固/液固两相反应具有重要意义。国内外最早对气固/液固两相流内颗粒运动轨迹的测量手段主要有反射式光纤法及辐射投影成像技术。反射式光纤法是将反射式光纤传感器的探头埋入流化床内待测点，光源发出的光经反射后由光电探测器接受，从而根据光的强度获得其内部颗粒的状态参数；该方法虽然可以直接对流化床内颗粒浓度进行检测并获得局部测量值，但探头对待测点附近的流场产生了干扰，降低了测量的准确性。辐射投影成像技术是指采用X射线、γ射线等电磁波投射待测对象，通过分析射线被不同物质不同程度吸收后的强度来检测待测对象内部的信息，如医用X光CT等设备；该方法可避免测量工具对气固反应器内部流场的干扰，获得较为准确的颗粒信息，但往往全套设备造价昂贵，且危险性大，设备移动安装不便捷。

基于激光技术的非接触式测量是近几年发展起来的一项新技术，因其具有原理简单，成本低廉等特点，已广泛应用于多相流领域的相关参数测量。诸如激光多普勒测速仪及相位多普勒粒子分析仪已在国内外大量报道。然而该类技术均存在仅能进行有限点的测量，无法满足全场测量的要求。中国专利CN101603974A公开了一种小管径管道两相流参数光学测量装置及方法，该方法采用一束激光透过小管径管道内两相流体照射在光电池表面，并利用两相弯曲界面使光路发生偏转的特性，根据光电池输出信号判断相界面两侧的相分布和两相流相关参数。该方法有效地实现了小管径管道两相流参数的光学测量，且未对流体造成干扰；但该方法局限于小管径，且未能实现对单个或多个颗粒的跟踪测量。

随着两相流技术的深入发展，研发并应用更加高效、安全、实用的测量技术手段已成为诸多科研人员的研究重点，开展对气固/液固两相流内颗粒运动轨迹的测量技术研发对深入研究两相流技术具有重大意义。

发明内容

发明目的：为了克服传统光学测量技术中存在的不足，本发明提供一种两相流系统内颗粒运动轨迹的测量装置及测量方法，操作简单、安全方便，且测量结果精确可靠。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种两相流系统内颗粒运动轨迹的测量装置，包括依次间隔布置在同一条直线l上的氩离子激光器、第一圆柱透镜、第二圆柱透镜和反应器，以反应器为圆心、围绕反应器的周侧均匀布置有三台光学接收器，对应每台光学接收器设置有一个光电倍增管，三个光电倍增管的输出信号经过滤波器滤波后接入计算机；

所述氩离子激光器、第一圆柱透镜、第二圆柱透镜、反应器和三台光学接收器均位于同一水平面s上，反应器中心和光学接收器信号接收面之间的间距为R，且三台光学接收器均不位于直线l上；

所述第一圆柱透镜的中轴线和第二圆柱透镜的中轴线位于同一竖直面t上，第一圆柱透镜的中轴线竖直，第二圆柱透镜的中轴线水平；

所述反应器中心和第二圆柱透镜内端面之间的间距为R。

一种两相流系统内颗粒运动轨迹的测量方法，包括如下步骤：

（1）对反应器全场进行基于三维直角坐标系的建模，采用六面体结构化网格对反应器进行网格划分、且要求网格的体积小于待测颗粒的体积；将所建模型存储于计算机，并对每一个网格进行编号，比如M_{（i，j，k）}，（i=1,…,l；j=1,…,m；k=1,…,n）；

（2）开启氩离子激光器，氩离子激光器发射出的柱状激光束依次经过相互垂直的第一圆柱透镜和第二圆柱透镜后散射为可覆盖整个反应器的光束；

（3）光学接收器首先对未加入示踪颗粒的反应器进行光信号捕捉，捕捉到的光信号经光电倍增管转换成电信号并放大后发送至滤波器进行滤波，然后将滤波后的信号发送至计算机；

（4）计算机将接收到的信号转换成基于三维直角坐标系的带有图像灰度的信息，并将转换后的信息导入存储的模型中并与模型耦合后作为网格的初始信息，然后将所有与转换后的信息相耦合的网格标记为初始状态；

（5）关闭氩离子激光器，向反应器内加入示踪颗粒，然后再次开启氩离子激光器，待测区域内的示踪颗粒被激光束照射后发生散射，其散射光被分布于反应器周围的三台光学接收器捕捉；

（6）光学接收器捕捉到的光信号经光电倍增管转换成电信号并放大后发送至滤波器（11）进行滤波，然后将滤波后的信号发送至计算机；

（7）计算机对接收到的信号进行如下处理：