一种多孔非球形颗粒曳力系数的测量装置

1.本发明涉及一种多孔非球形颗粒曳力系数的测量装置，属于物理实验设备技术领域。


背景技术：

2.在固体碳质材料的许多气化过程中，煤颗粒的微观结构对气化效率起着至关重要的作用。一方面，微观结构直接影响流体分子在颗粒表面的扩散、吸附/解吸和化学反应；另一方面，煤颗粒的多孔结构也会极大地影响固体与流体之间的动量和传热。这些因素可以导致非常复杂的多相、多物种和多场现象。流动结构方面，多孔非球形颗粒内部的孔隙在颗粒
‑
颗粒和颗粒
‑
流体相互作用中都引入了比实心颗粒更多的不确定性。床层结构方面，空隙度的改变也会对颗粒在流场中的受力和传热产生不小的影响。与实心颗粒相比，多孔非球形颗粒在气流场中所受到的曳力产生了不小的变化，如何采用统一的数理模型描述多孔非球形颗粒受力和运动等一系列问题仍待解决。
3.在实际中，一般用曳力系数来表征颗粒的曳力。目前，比较成熟的试验手段有两种，一是基于牛顿运动定律的颗粒自由沉降法，这是一种依靠颗粒自身重力使其在流体中做自由沉降运动的测试方式，当颗粒所受重力、浮力和曳力实现三力平衡时即可计算出曳力，最终再推导出曳力系数；另一种有效的方法是基于流态化的测试方法，即将颗粒放在有向上运动的流体的流化床中，利用流体的推动力使颗粒保持稳定，这时颗粒的重力、浮力和曳力实现三力平衡，即可计算出曳力并推导出曳力系数。
4.现有的测量装置中大多都是针对实心颗粒且大多为单个颗粒的曳力测量。然而，在实际生产工艺过程中，深入考虑床层空隙度和颗粒孔隙率对准确计算曳力系数是必要的。
5.现有公开技术资料或文献未见综合考虑床层空隙度和颗粒孔隙率的多孔非球形颗粒曳力系数测量装置和方法。本发明提供一种在实验室规模或工业规模的多孔非球形颗粒的曳力系数测量的装置和方法，结构简单，设备费用低，易于维修。


技术实现要素：

6.(一)要解决的技术问题
7.为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、操作方便、成本低、易于维护的测量多孔非球形颗粒曳力系数的装置和方法。该套装置可测定广泛应用于化工、冶金等领域多孔颗粒在气体中的曳力系数的测量。
8.(二)技术方案
9.为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
10.一种多孔非球形颗粒曳力系数的测量装置，其特征在于，装置包括流化床本体、颗粒床层、空气供给系统、固定系统、曳力测量系统和孔隙率测量系统；所述流化床本体包括圆柱筒体和布风板；所述颗粒床层置于所述圆柱筒体内；所述空气供给系统经由管道与圆
柱筒体底部相通，为所述流化床本体提供气流；所述固定系统用于固定所述流化床本体；所述曳力测量系统与所述颗粒床层内各颗粒相连以测量拉力；所述孔隙率测量系统置于所述流化床本体外部，用于测量所述颗粒床层内单颗粒的孔隙率。
11.进一步的，所述布风板为等径多孔设置，所述布风板包括第一布风板和第二布风板，所述第一布风板置于圆柱筒体顶端，所述第二布风板置于所述圆柱筒体底端上方且与所述第一布风板平行。
12.进一步的，所述圆柱筒体为顶端敞口、底端封闭的圆柱体结构；并在筒内设置一定高度的流动区间，此区间应适当远离筒体底端，且所述圆柱筒体的直径应远大于颗粒床层的直径。
13.进一步的，颗粒床层由若干个形状大小均相等的多孔颗粒组成，上下颗粒为错位排布。
14.进一步的，所述曳力测量系统包括若干拉力计和细线，所述细线包括第一细线组和第二细线组，第一细线组一头与第一拉力计相连，另一头有若干个分支并穿过所述第一布风板与颗粒床层内各个颗粒相连；第二细线组由若干细线组成，一端与颗粒床层内颗粒相连，另一端与第二拉力计组相连；所述第一细线组任一分支和第二细线组任一细线长度之和应大于所述圆柱筒体的高度。
15.进一步的，所述空气供给系统包括空气压缩机、干燥器、流量计和阀门，所述流量计应可调节流量以调整流化床本体内气体流速。
16.进一步的，所述第二细线组的细线长度应准确把控，确保气体稳定后颗粒床层内颗粒所处位置准确无误。
17.进一步的，所述孔隙率测量系统包括孔隙填充装置、石蜡和水箱，蜡封过程中若待测颗粒表面存在气泡，应刮去此处石蜡重新蜡封。
18.本发明还提供一种利用上述装置的多孔非球形颗粒曳力系数的测量方法，该方法包括如下步骤：
19.s1、将所述装置组装就绪，读取第一拉力计的数据，记为f1，此时可计算得出颗粒床层内颗粒的总体积v
p
；
20.s2、打开阀门，使空气压缩机内的空气通过管道经由流量计流入圆柱筒体，通过调节流量计控制圆柱筒体内的气体流速；
21.s3、待第二细线组拉直且待测颗粒静止不动后，读取流量计的刻度尺，得到气体的流速u
f
，并读取此时第二拉力计组的数据，记为f
2i
(1≤i≤n，n为颗粒个数)；
22.s4、通过所测数据f1、f
2i
并根据牛顿第二定律计算得到各个颗粒所受曳力f
di
；
23.s5、通过所测数据u
f
和所计算数据f
di
计算得到各个颗粒的曳力系数c
di
。
24.s6、取下单个待测颗粒，将待测颗粒的孔隙用caco3粉末填充并压实，读取此时拉力计读数f3；
25.s7、将填充完的待测颗粒浸没在融化的石蜡中，取出后令其在室温下冷却凝固并读取此时第三拉力计读数f4，f4‑
f3即为石蜡的重量，可计算得出石蜡的体积v
蜡
；
26.s8、将封完蜡的待测颗粒浸没在清水中，读出此时第三拉力计的读数f5，f4‑
f5即为待测颗粒所受浮力，可计算得到总体积v
总
，v
总
‑
v
蜡
即为待测颗粒的参考体积v0，最终可计算得出孔隙率ε。
27.(三)有益效果
28.本发明的有益效果是：
29.本发明结构简单、成本低、操作方便、易于维护；可以测量不同空隙度下任意颗粒的孔隙率以及任意气速时颗粒的曳力系数，可为研究气固两相流奠定理论基础。
附图说明
30.图1为本发明曳力测量装置组装示意图。
31.图2为颗粒床层的正视图和俯视图。
32.图3为本发明中待测颗粒受力分析图。
33.图4为本发明孔隙率测量装置组装示意图。
34.【附图标记说明】
35.1：第一压力表；
36.2：空气压缩机；
37.3：干燥器；
38.4：第一泄压阀；
39.5：第二泄压阀；
40.6：流量计；
41.7：第二压力表；
42.8：进气口；
43.9：第一拉力计；
44.10：第二拉力计组；
45.11：第一细线组；
46.12：第二细线组；
47.13：颗粒床层；
48.14：圆柱筒体；
49.15：第一布风板；
50.16：第二布风板；
51.17：底部支腿；
52.18：第一固定点；
53.19：第二固定点；
54.20：待测颗粒；
55.21：装有caco3粉末的容器；
56.22：装有温度为55
±
5℃的石蜡的容器；
57.23：装有清水的容器；
58.24：第三细线；
59.25：第三拉力计。
具体实施方式
60.为了更好地解释本发明，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
61.本文所述的一种多孔非球形颗粒曳力系数测量的装置如图1和图3所示，其由颗粒床层13、空气供给系统、流化床本体、固定系统、曳力测量系统和孔隙率测量系统构成。
62.空气供给系统主要包括空气压缩机2，干燥器3和流量计6。空气压缩机2前端连接有第一压力表1，用于监控空气压缩机2内的气压；干燥器3右端与空气压缩机2通过管道相连，干燥器3左端与流量计3上端通过管道相连，在干燥器3前后分别设有第一泄压阀4和第二泄压阀5，用于保护整个系统的安全；流量计6下端与圆柱筒体14下端通过管道相连，在管道上设有第二压力表7，用于通过调节空气流量来控制流化床内气体的流量。由空气压缩机2流出的气体经过空气干燥器3和流量计6后由锥形底座14下端进入流化床，在床内形成稳定气体流场。
63.流化床本体主要包括圆柱筒体14，第一布风板15，第二布风板16和底部支腿17。圆柱筒体14为底端封闭、顶端敞口的圆柱体结构。第一布风板15和第二布风板16分别置于圆柱筒体14的顶部和底部上侧一段距离处，第一布风板15和第二布风板16平行放置且与圆柱筒体14的端面平行。第一布风板15和第二布风板16上设有多个等径圆孔，用于保证气体在圆柱筒体14内竖直向上，避免气体回流对测量结果产生影响。空气由空气供给系统提供且从圆柱筒体14底部的进气口被输送至流化床，在第一布风板15和第二布风板16的共同影响下在流化床本体内形成稳定流场。
64.固定系统主要包括第一细线组11和第二细线组12。第一细线组11的一端与第一拉力计9相连，另一端有若干个分支且穿过第一布风板15的孔洞后与颗粒床层13内各个颗粒相连；第二细线组12由若干个细线组成，一端与各个颗粒相连，另一端穿过第二布风板16与第二拉力计组10相连。其中，颗粒床层13的直径应远小于圆柱筒体14的直径，从而避免墙壁效应对测量结果产生影响。为保证颗粒床层13受力均匀，颗粒床层13被固定在圆柱筒体14的水平方向的中心位置，在竖直方向上，颗粒床层13被固定的位置应适当远离圆柱筒体14的底端，避免进气口处的气体湍动对测量造成影响，同时保证流化床内的气体充分发展。
65.曳力测量系统主要包括第一拉力计9和第二拉力计组10。第一拉力计9一端与第一细线11相连，另一端与第一固定点18相连。第一拉力计9主要用于测量颗粒床层13的总重力。第二拉力计组10由若干个拉力计组成，一端与第二细线组12相连，另一端与第二固定点19相连。第二拉力计组10主要用于测量颗粒床层13内各个颗粒在流场内所受第二细线的拉力。可以通过观察第二拉力计组10的各个拉力计的读数大小来判断颗粒床层13的曳力分布情况。
66.孔隙率测量系统的装置如图3所示，其主要包括待测颗粒20；装有caco3粉末的容器21；装有温度为55
±
5℃的石蜡的容器22；装有清水的容器23；第三细线24；第三拉力计25。其中装有caco3粉末的容器21用于给待测颗粒20填充孔洞；装有温度为55
±
5℃的石蜡的容器22用于给填充完毕的待测颗粒20进行蜡封处理以防止渗水；装有清水的容器23用于测量蜡封完的待测颗粒20在水中的浮力；第三细线24一端与待测颗粒20相连另一端与第三拉力计25相连，且第三细线24为不吸水的尼龙线。
67.工作原理：
68.若干个形状大小一致的待测颗粒20组成的颗粒床层13如图2所示。在圆柱筒体14内分别与第一细线11的各个分支及第二细线组12相连，第一细线11任一分支和第二细线组12任一细线的长度和应大于圆柱筒体14的高度。在流化床本体通入空气之前，颗粒床层13
因重力影响而使第一细线11拉直，此时可测出颗粒床层13的总重力。
69.打开空气压缩机2、第一泄压阀4和第二泄压阀5，空气由管道流过干燥器3和流量计6，最终由进气口进入圆柱筒体14。空气进入圆柱筒体14后通过第二布风板16进入流化床并通过第一布风板5排出，从而形成稳定流场。此时，颗粒床层13受到流场的作用力而向上运动直至第二细线组12拉直，待待测颗粒均稳定后即可测得第二细线组12的拉力。其中，可以改变颗粒的数量及颗粒的摆放位置来控制颗粒床层13的空隙度。
70.曳力测量完毕后取出单个待测颗粒20在caco3颗粒的容器21内用粉末填充孔隙并压实，填充完毕后将其与第三细线24和第三拉力计25相连并测出此时第三拉力计25的读数，接着将待测颗粒20浸没在装有温度为55
±
5℃的石蜡的容器22进行蜡封，测得蜡封后的重力，最后将待测颗粒浸没在装有清水的容器23中测量此时第三拉力计25的读数。
71.本发明的多孔非球形颗粒曳力系数的测量方法，包括如下步骤：
72.s1、将所述装置组装就绪，读取第一拉力计的数据，记为f1，此时可计算得出颗粒床层内颗粒的总体积v
p
；
73.s2、打开阀门，使空气压缩机内的空气通过管道经由流量计流入圆柱筒体，通过调节流量计控制圆柱筒体内的气体流速；
74.s3、待第二细线组拉直且待测颗粒静止不动后，读取流量计的刻度尺，得到气体的流速u
f
，并读取此时第二拉力计组的数据，记为f
2i
(1≤i≤n，n为颗粒个数)；
75.s4、通过所测数据f1、f
2i
并根据牛顿第二定律计算得到各个颗粒所受曳力f
di
；
76.s5、通过所测数据u
f
和所计算数据f
di
计算得到各个颗粒的曳力系数c
di
。
77.s6、取下单个待测颗粒，将待测颗粒的孔隙用caco3粉末填充并压实，读取此时拉力计读数f3；
78.s7、将填充完的待测颗粒浸没在融化的石蜡中，取出后令其在室温下冷却凝固并读取此时第三拉力计读数f4，f4‑
f3即为石蜡的重量，可计算得出石蜡的体积v
蜡
；
79.s8、将封完蜡的待测颗粒浸没在清水中，读出此时第三拉力计的读数f5，f4‑
f5即为待测颗粒所受浮力，可计算得到总体积v
总
，v
总
‑
v
蜡
即为待测颗粒的参考体积v0，最终可计算得出孔隙率ε。
80.如图3所示，颗粒在均匀流场中，主要受力为重力、浮力和曳力。根据牛顿第二定律：
81.f1+f
2i
＝f
di
+f
b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
82.式中，f1为重力，f
b
为浮力，f
di
为曳力。f
2i
为第二细线组11对各个颗粒的拉力。
83.颗粒所受的重力和浮力可由如下公式求得：
84.f1＝ρ
p
v
p
g/n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
85.f
b
＝
‑
ρ
f
v
p
g/n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
86.式中，v
p
为颗粒的总体积，ρ
p
为颗粒的密度，ρ
f
为气体的密度。
87.颗粒群所受的曳力为：
[0088][0089]
式中u
f
为气体和颗粒的相对速度，a为等体积球垂直于流场方向的横截面积，即采用等体积球法确定非球颗粒的尺寸，即(d
p
为等体积球的直径)。
[0090]
通过计算，得出颗粒群所受的曳力，并推导出曳力系数的计算式：
[0091][0092]
通过观察各个颗粒的曳力系数大小即可判断颗粒床层的曳力分布情况。将c
di
取平均值即可求得整个颗粒床层的曳力系数c
d
。
[0093]
在孔隙率测量中，我们已知颗粒床层的真实体积v
p
，要求得其参考体积(进行粉末填充后的待测颗粒体积)v0才可计算的出孔隙率。由于粉末不能接触水则需要对其进行蜡封处理，最终体积减去石蜡的体积即为所求v0的值。
[0094][0095][0096]
式中f3为粉末填充后待测颗粒20的重力，f4为蜡封后待测颗粒20的重力，f5为待测颗粒20浸没在水中后第三拉力计25的读数，ρ
w
和ρ
c
分别为水和石蜡的密度。最终颗粒的孔隙率可计算求得：
[0097][0098]
根据以上步骤，选取不同形状以及孔隙率的颗粒组成颗粒床层13，改变颗粒的数量及摆放位置，即可测得在特定气速下不同空隙度下的各种多孔非球形颗粒的曳力系数。
[0099]
把不同实验条件下的c
d
，re，ε进行整理，通过拟合得出c
d
关于ε以及re的关联式，即c
d
＝f(ε，re，)。
[0100]
以上所述，仅是对本发明的技术原理进行介绍，任何本领域技术人员利用上述公开的技术内容加以变更但未脱离本发明技术方案内容的实施方法，仍属于本发明技术方案的保护范围。