[发明专利]光声系统耦合测量组分流与颗粒流的装置与方法

说明书

本发明公开了光声系统耦合测量组分流与颗粒流的装置与方法。本发明在普朗特特征尺度下，组分流与颗粒流被介质流有效地混合，保证了湍流各向异性的现实状况；对声学后向散射与声学前向散射进行调谐处理，以消除颗粒惯性作用造成的声学信号响应延迟的影响；光学系统耦合声学系统，率定了组分颗粒混合流在流相过渡时的测量盲区，可准确量化其速度矢量场和密度标量场，并通过光声耦合的强度脉动相关性来保证测量的准确性。

技术领域

本发明属于固液两相流的物理模型和测量系统领域，具体涉及光声系统耦合测量组分流与颗粒流的装置与方法。

背景技术

地球物理过程中所有的流动可以分为组分流与颗粒流，两者的主要区别是组分流挟带的是可溶性物质，而颗粒流挟带的是不可溶性物质。前者的实例包括河口盐水楔、海上石油泄漏等，后者的实例包括火山喷发的岩浆、泥石流等。对于组分流，其速度矢量场的获取主要应用激光粒子图像测速法，而密度标量场则多用荧光染料的光学标定法；对于颗粒流，其速度矢量场的获取主要应用声学多普勒测速法，而密度标量场则多用声学后射散射强度标定法。流体的速度矢量场和密度标量场是决定其扩散范围以及物质输移水平的关键。当流体中既溶解可溶性物质又卷挟不可溶性物质时，目前还没有可靠的技术手段来准确量测其速度矢量场和密度标量场。该问题严重限制了对自然条件或实际工程中流体内部流场结构的准确评估，进而影响到相关环境保护、地质灾害防护等工作的开展。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了光声系统耦合测量组分流与颗粒流的装置与方法。具体地说，在普朗特特征尺度下，组分流与颗粒流被介质流有效的混合，保证了湍流各向异性的现实状况；对声学后向散射与声学前向散射进行调谐处理，以消除颗粒惯性作用造成的声学信号响应延迟的影响；光学系统耦合声学系统，率定了组分颗粒混合流在流相过渡时的测量盲区，可准确量化其速度矢量场和密度标量场，并通过光声耦合的强度脉动相关性来保证测量的准确性。

本发明采用的技术方案是：

光声系统耦合测量组分流与颗粒流的装置，包括三个子系统：组分颗粒混合流生成系统、恒压观测槽系统、光声耦合测量系统。所述组分颗粒混合流生成系统刚接于所述恒压观测槽系统的底部和右侧，所述光声耦合测量系统非接触式布置于所述恒压观测槽系统的顶部和底部。所述组分颗粒混合流生成系统和所述恒压观测槽系统能保证在普朗特特征尺度下，组分流与颗粒流被介质流有效地混合，实现湍流各向异性的现实状况；所述恒压观测槽系统为所述光声耦合测量系统对组分颗粒混合流进行率定提供标准环境；所述光声耦合测量系统能率定组分颗粒混合流在流相过渡时的测量盲区，以准确量化其速度矢量场和密度标量场；声学后向散射与声学前向散射的调谐处理能消除颗粒惯性作用对信号响应延迟的影响。

进一步地，所述组分颗粒混合流生成系统主要构件包括组分流配置箱、颗粒流配置箱、组分流出流管道、颗粒流出流管道、组分颗粒流管道、介质流配置箱。组分流配置箱用来配置组分流，组分流的溶质为可溶性电解质；颗粒流配置箱用来配置颗粒流，颗粒流的溶质为不可溶性泥沙颗粒；组分流配置箱上安装有组分流表压控制器，用来调节组分流配置箱的伯努利内压；颗粒流配置箱上安装有颗粒流表压控制器，用来调节颗粒流配置箱的伯努利内压；组分流配置箱与颗粒流配置箱放置于同一高程处且用均压管连接，均压管用来控制组分流配置箱与颗粒流配置箱内部的动压；均压管与组分流表压控制器、颗粒流表压控制器处于同一高程；组分流出流管道连接组分流配置箱的底部，将组分流配置箱内配置的组分流导出；颗粒流出流管道连接颗粒流配置箱的底部，将颗粒流配置箱内配置的组分流导出；组分流出流管道与颗粒流出流管道汇于组分颗粒流管道，组分颗粒流管道汇总组分流出流管道内的组分流以及颗粒流出流管道内的颗粒流，以初步形成组分颗粒混合流；组分流出流管道上安装有第一阀门，以控制组分流出流管道的启闭；颗粒流出流管道上安装有第二阀门，以控制颗粒流出流管道的启闭；组分颗粒流管道上安装有第三阀门，以控制组分颗粒流管道的启闭；介质流配置箱的高程位置低于组分流配置箱和颗粒流配置箱；介质流配置箱用来配置进一步处理组分颗粒混合流的介质流，介质流的密度等于组分流与颗粒流的体积平均密度；介质流配置箱的侧表面连接有导管，将介质流配置箱内配置的介质流引入到所述恒压观测槽系统中。