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利用红外对管进行无干扰气泡上升速度测量的实验研究
出处：西安交通大学学报 发布时间：2021-02-22
摘要: 采用红外对管作为测量手段,对空气气泡在去离子水、质量分数为10 %的氯化钠水溶液、质量分数为5 %以及10 %的酒精水溶液中的上升速度进行了实验研究. 实验结果与Mendelson 经验公式以及Harmathy经验公式的预测值相比,误差小于15 % ,与数码摄像法的实测值吻合良好. 该法具有设备简单,操作方便,成本低廉,对流体物性无影响,不干扰气泡的上升过程等特点,特别适宜测试毛细管等微管内气泡(气弹) 的上升速度,是研究毛细管传热及微通道气液两相流动力学的较好方法.
气液两相流广泛存在于动力设备、核反应堆、石油化工、航天、余热利用、节能装置、制冷等领域中.截面含气率是最重要的两相流动参数,它与气泡在液体中的上升速度密切相关. 在相同的时间、相同的产气量前提下,气泡上升越快,滞留在液体中的气泡越少,含气率越低,所以研究不同液体中气泡的上升速度也是气液两相流动研究的一个重点.
关于气泡上升速度的测量方法,迄今已进行过很多研究,主要的研究方法有高速摄影法 、可见光染色法、光纤探针法 、电导探针法等. 高速摄影法设备比较昂贵,且图像很难处理;可见光染色法由于在液体中添加了染色剂,从而使流体的物性发生了一定的改变,所以实测速度与真实速度存在一定的差异;光纤探针法和电导探针法由于探针要安装在液体中,这将影响气泡的上升过程,最终将影响测量的准确性. 因此,开发一种既经济方便,又不影响流体物性及气泡上升过程的气泡上升速度的测量方法非常必要,红外对管测量法是一种很好的选择. 红外对管是红外发射二极管和红外接收二极管的总称,是一种在自动控制和自动检测领域经常用到的光电传感器. 本实验即是研究用红外对管进行气泡上升速度的无干扰测量方法. 为了便于比较,同时采用高速数码摄像机进行速度测量.
1 实验装置及实验方法
实验装置如图1 所示. 实验段由方型有机玻璃管制成,尺寸为40 mm ×40 mm ×1 100 mm. 在实验段的2 对侧面各装一块遮光材料,用于减少可见光对测量的影响. 在每块遮光材料上开有如图2 所示的4 对台阶孔槽,以安装4 对红外对管. 4 对红外对管的间距分别为150 、50 和75 mm. 4 个红外发射二极管各装有一个可调电阻用来调节红外二极管发射的红外光的强度,并采用5 V 直流电并联供电. 4 个红外接收二极管各装有一个可调电阻用来调节红外接收二极管的接收灵敏度,并各配有一套放大线路用来对输出信号进行放大,同时采用5 V 直流电并联供电. 红外接收二极管的测量信号由安装在计算机中的
图1 实验装置
高速数据采集卡Pcl – 818HD (Advan2techTM) 并配以自主开发的软件采集完成. 该高速采集卡有16 个通道,最大取样频率为100 kHz ,实验选取4 个通道,每个通道采样频率为2 kHz. 设置4对红外对管是为了保证气泡在脱离中心上升时至少有2 对红外对管可以采集到数据,并且4 对红外对管进行不同的组合还可以测出不同高度上气泡的上升速度. 空气泡由安装在实验段下部的喷嘴喷入,为了清晰地描述红外对管在测量空气泡和液体时具有的不同电平值,实验采取喷吹单个空气泡的工况.
图2 红外发射(接收) 管安装图
为了分析此种测量方法的实用性和准确性,实验选取几种物性有较大差异的液体,在其中鼓入单个空气泡,对气泡的上升速度进行了测量实验. 实验所用几种液体的物性如表1 所示.为了便于比较,实验中附设了一套数码摄像系统. 数码摄像机的型号为SON YTM DCR – TRV900E. 数码摄影法测量气泡上升速度的方法为:由安装在实验段附近的数码摄像机拍摄气泡的上升过程,之后将数码摄像机与计算机相连,由安装在计算机内的采集卡将图像按帧输出,再由紧贴在有机玻璃实验段上的标尺测出气泡的上升距离,以测算出气泡的大小;由于数码摄像机每秒所拍摄的图像数量额定,故可由所拍摄的图像数计算出给定距离内的气泡上升时间,进而由气泡上升的距离和时间即可求出气泡在给定距离内的平均上升速度.
实验操作过程为: ①向实验段(有机玻璃管) 中加入定容液体; ②由喷嘴鼓入气囊产生的空气泡; ③利用自主开发的监控及采集程序将PCL – 818HDA/ D 卡采集的电平信号变化储存在计算机中以备后续处理,同时用数码摄像机记下空气泡在液体中的上升过程; ④分析并计算出红外对管测定的气泡上升速度; ⑤分析并计算出数码摄像机测定的气泡上升速度; ⑥对实验结果进行分析.
实验操作过程为: ①向实验段(有机玻璃管) 中加入定容液体; ②由喷嘴鼓入气囊产生的空气泡; ③利用自主开发的监控及采集程序将PCL – 818HDA/ D 卡采集的电平信号变化储存在计算机中以备后续处理,同时用数码摄像机记下空气泡在液体中的上升过程; ④分析并计算出红外对管测定的气泡上升速度; ⑤分析并计算出数码摄像机测定的气泡上升速度; ⑥对实验结果进行分析.
2 红外对管测量原理与电路
实验所用的红外对管由一个红外发射二极管和一个红外接收二极管组成,其基本原理如图3 所示.当发射管与接收管之间没有障碍物时,红外接收二极管由于接收到红外辐射而导通,输出电平为低;当发射管与接收管之间有障碍物时,红外接收二极管截止,输出电平为高. 因而,利用其输出电平的高低很容易判断红外对管之间有无障碍物. 可调电阻R1 用来调节红外二极管发射的红外光的强度;可调电阻R2 、R3 用来调节红外三极管的接收灵敏度;T1 用来对输出的信号进行放大.因为气体和液体具有不同的折射系数和反射能力以及透光能力,当用气相和液相分别来遮挡发射管发出的红外辐射时,接收管接收到的信号将发生很大变化,利用输出电平的变化便可以判断出测到的是液相还是气相. 图4 示出了当一个空气泡从液相中上升时输出电平的变化,低电平表示红外发射二极管产生的红外辐射通过液相到达红外接收二极管时的情形,高电平峰值表示当空气泡从液体中上升时,由于气液界面反射掉红外发射二极管产生的部分红外辐射光,使得穿过空气泡到达红外接收二极管的红外辐射光强度降低,最终使得输出电平增大 . 由于高速数据采集卡采集数据的频率一定,利用2 个测点之间电平信号发生峰值突变的数据点数目便可反推出这2 个测点之间电平峰值出现的时间间隔,亦即气泡通过这2 个测点时的时间. 由于2个测点之间的距离已知,据此便可测出气泡的上升速度.
图3 红外对管的测量原理及电路
3 实验结果及分析
本文采用红外对管对空气泡在去离子水、质量分数为10 %的氯化钠水溶液、质量分数为5 %和10 %的酒精水溶液中的上升速度进行了实验研究,并采用数码摄影法进行比较核对.
图4 红外接收二极管测量的电平信号变化
实验结果如图5～图7 所示(其中ui 表示红外对管实测的空气泡上升速度; ue 表示采用Mendel2son 公式或Harmathy 公式计算预测的空气泡上升速度; uc 表示用数码摄影实测的空气泡上升速度) . 图5 给出了利用红外对管进行无干扰空气泡上升速度的测量实验结果与Mendelson 公式计算结果的比较,图6 给出了其与Harmathy 公式计算结果的比较. 由图5 、图6 均可以看出,空气泡在实验所用的各种液体中的上升速度与经验公式或理论公式的误差均在15 %以内. 图7 给出了测量实验结果与采用数码摄影法测量数据的比较. 由图7 可以看出,2种测量方法的实验数据吻合得非常好,但数码摄影法需要将气泡的上升过程完整拍摄,并需要采用图像处理软件将气泡的上升过程按帧输出才可以确定气泡在给定的拍摄距离内的上升时间,这使得需要处理的数据量非常大,不便于实际使用. 采用红外对管法由于采集卡采集数据的频率一定,并可以将数据自动输出为文本,配用方便易得的许多软件便可以自动求出电平峰值出现的数据点序号. 对2 对红外对管采集的数据采用相同的方法便可以求出2 个电平峰值出现的数据点序号,亦即可以求出出现2个电平峰值之
图5 红外对管测量结果与Mendelson 公式预测速度的比较
图6 红外对管测量结果与Harmathy 公式预测速度的比较
间的数据点数目,采用频率与数据点数目之间的转化关系(时间为数据点数目/ 采集频率) 便可以求出气泡通过2 个不同测点的时间差,由于2 个测点之间的距离确定,所以气泡在这2 个测点之间的平均上升速度很容易求出,故该法数据处理量非常小. 如果配以合适的程序,完全可以实现自动数据采集记录及数据处理,非常方便实际应用. 该法在测量小管径内单个气泡上升速度时的不确定度小于2 %. 当管径过大时应调整红外线的覆盖范围,以确保能捕集到整个截面上的气泡. 当管内或同一截面存在多个气泡时,采用一组对管可能无法捕集到所有气泡,亦可能无法辨认具体是哪一个气泡,这是该法在测量多个气泡时的局限性. 对气泡在上升过程中的翻转变形及横向移动采用该法亦难以直接反映,实验测量出的是气泡沿上升距离内的平均上升速度,但如果管径较小,如微通道内或毛细管内的气弹或液柱,利用该法不仅可以测量其各自的上升速度,亦可以测量各自的长度,所以该法是研究毛细管传热及微通道内气液两相流动力学的较好方法.
4 结 论
本文开发了一种结构简单、经济实用的测量气泡上升速度的红外对管实验设备,并采用此法对去离子水、质量分数为10 %的氯化钠水溶液、质量分数为5 %以及10 %的酒精水溶液中空气泡的上升速度进行了实验测量,测量结果与Mendelson 公式以及Harmathy 公式的预测值相比,误差小于15 % ,与采用数码摄影法的实测数据吻合良好. 由于测量装置安装在实验管以外,故不会污染液体,也不干扰气泡的上升过程. 该法在测量小管径内单个气泡的上升速度时精度很高,尤其在测量毛细管及微通道内的气液两相流速度、气弹长度和液柱长度等方面有着非常广阔的应用前景.