[發明專利]考慮壁面效應的非球形顆粒曳力系數的測量裝置及測量方法

有效

• 申請號: 201811519368.3
• 申請日: 2018-12-12
• 公開（公告）號: CN109540770B
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發明（設計）人: 張浩;熊勃;安希忠;韋光超;楊曉紅;付海濤
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G01N15/10
• 分類號: G01N15/10
• 代理公司: 北京易捷勝知識產權代理事務所(普通合伙) 11613
• 代理人: 韓國勝

本發明涉及物理實驗設備領域，尤其涉及考慮壁面效應的非球形顆粒曳力系數的測量裝置及測量方法，該測量裝置包括圓柱筒體、圓柱擴體和錐形底座，圓柱筒體放置在錐形底座的內部，錐形底座內部壁面上設置有多個不同直徑的凹槽，圓柱筒體嵌入凹槽中，該測量裝置還包括設有多個等徑圓孔的布風板，布風板也嵌入到錐形底座內壁面的凹槽中，且與圓柱筒體的下端面平行放置；測量方法中通過調節流量計，控制圓柱筒體內氣體速度，得出流體的速度u_f及待測顆粒在下降過程中的顆粒傾角θ的平均值，最終進行曳力系數計算。該測量裝置能夠測量不同墻壁條件下的各類顆粒曳力系數，對廣泛應用于能源、化工、冶金、建筑等領域的各類散體顆粒均可進行測量。

技術領域

本發明涉及物理實驗設備領域，尤其涉及考慮壁面效應的非球形顆粒曳力系數的測量裝置及測量方法。

背景技術

稠密氣固系統在能源、環保、冶金、化工、材料、制藥等領域的物理和化學過程中都有廣泛應用，在許多稠密氣固流動系統的物理及化學過程中，絕大部分情況下顆粒的形狀都是非球形，如條狀、柱狀、塊狀、橢球狀、錐狀等。考慮到流動結構，非球形顆粒所具有的獨特的幾何形狀在顆粒-顆粒和顆粒-流體相互作用中引入了更多的不確定性。與球形顆粒相比，非球形顆粒在氣流場中所受到的曳力具有顯著差異，通常情況下，很難用統一的表達式表征曳力，對于曳力的計算也歸結為曳力系數的計算，在對曳力系數進行計算時，常用的試驗手段是采用靜止液體內的顆粒自由沉降法，該方法基于牛頓運動定律，顆粒依靠自身重力在流體中做自由沉降，當顆粒在流場中所受的重力、浮力和曳力實現三力平衡時，便可計算出曳力，進而再推導出曳力系數；另一種計算曳力系數的方法是基于流態化的測試方法，該方法中通過向上運動的流體使顆粒在流場中保持穩定時，顆粒所受到的重力、浮力和曳力實現三力平衡，便可計算出曳力，進而計算出曳力系數，現有技術中對非球形顆粒曳力系數進行測量時，所使用的實驗裝置都忽略了壁面效應，導致測量結果不準確，如何采用統一的數理模型對非球形顆粒的受力與運動等一系列問題進行描述至今也未完全解決。

發明內容

(一)要解決的技術問題

為了解決上述問題，本發明提出了考慮壁面效應的非球形顆粒曳力系數的測量裝置及測量方法。

(二)技術方案

為了達到上述目的，本發明采用的主要技術方案為：

一種考慮壁面效應的非球形顆粒曳力系數的測量裝置，該測量裝置包括圓柱筒體、圓柱擴體和錐形底座，圓柱筒體為圓柱體結構，圓柱筒體放置在錐形底座的內部，錐形底座上端端口直徑大于下端端口直徑，錐形底座內部壁面上設置有多個不同直徑的凹槽，圓柱擴體的上端端口直徑大于下端端口直徑，圓柱筒體嵌入凹槽中，圓柱擴體與圓柱筒體的上端固定連接；

該測量裝置還包括空氣供給系統，所述空氣供給系統包括空氣壓縮機、干燥器和流量計，空氣壓縮機與干燥器通過第一管路連接，第一管路上設置有第一閥門，干燥器的另一端與流量計通過第二管路連接，第二管路上設置有第二閥門，流量計的另一端與錐形底座通過第三管路相連，第三管路上還設置有第二壓力表；

該測量裝置還包括圖像處理系統，圖像處理系統包括激光紅外光源、CCD數碼相機和數據采集終端，激光紅外光源照射形成圖像采集區，CCD數碼相機將所拍攝的圖像信息傳送到所述數據采集終端中。

根據本發明，該測量裝置還包括有布風板，布風板上設有等徑圓孔，多個等徑圓孔均勻分布在布風板上，布風板嵌入到錐形底座內壁面的凹槽中，且與圓柱筒體的下端面平行放置。

根據本發明，該測量裝置還包括底部支腿，多條所述底部支腿均勻分布在錐形底座的四周。

根據本發明，流量計為溫壓補償型渦街流量計。

一種考慮壁面效應的非球形顆粒曳力系數的測量方法，包括以下步驟：