一种适用于旋流泵固液两相流的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及旋流泵固液两相流试验研究领域，尤其涉及到一种适用于旋流泵固液两相流的试验装置及方法。

背景技术

旋流泵的特征是泵腔中叶轮前侧具有宽广的无叶腔区域，保证了旋流泵以最小的堵塞风险输送着混有大颗粒和纤维物料的复杂介质。旋流泵具有良好的无堵塞性能，而效率相对低下，因此在提高无堵塞性能的同时兼顾其效率成为了一个急需解决的问题。旋流泵的内部流动十分复杂，对其内部流动机理研究一直是理论研究与试验研究相结合。与输送单相介质相比，旋流泵在输送含有固体颗粒的介质时，其性能变化较大，且旋流泵内的固液两相流动具有复杂性和特殊性。目前还未能完全揭示旋流泵内部的流动机理。现有的旋流泵试验装置大多针对清水介质进行流场拍摄，为进一步研究旋流泵内固液两相流流动机理并对旋流泵结构进行优化设计，急需一种适用于旋流泵内固液两相流的试验装置。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种适用于旋流泵固液两相流的试验装置及方法，本发明可以对旋流泵在不同流量工况下进行外特性试验，针对旋流泵内部流体流动形式的复杂，采用PIV和高速摄影等可视化试验技术对泵内流动情况进行拍摄，并观察旋流泵泵送颗粒的全过程。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种用于旋流泵内固液两相流的试验装置，包括开式水箱、进口管路、试验泵和出口管路；所述试验泵为可视化试验泵；

所述开式水箱与进口管路相连通，进口管路上靠近试验泵位置连接有进口压力传感器，进口管路的出口端设置有试验泵，通过试验泵能够把固液两相流泵入出口管路；出口管路上靠近试验泵位置设置有出口压力传感器和流量计；

所述开式水箱内设置有搅拌器，通过搅拌器使得固液两相流均匀流动。

上述方案中，所述试验泵处设置有高速相机，高速相机用于对试验泵内部流动状况可视化拍摄。

上述方案中，在开式水箱内加入示踪粒子，用于进行PIV可视化试验。

上述方案中，所述试验泵的叶轮为开式叶轮，开式叶轮背面设有背叶片，背叶片为直叶片。

上述方案中，所述试验泵中的蜗壳和叶轮材质为有机玻璃。

上述方案中，所述试验泵通过三相电机驱动，三相电机输出端与试验泵输入端连接处设置有转矩转速传感器。

上述方案中，所述搅拌器通过搅拌电机驱动。

上述方案中，所述进口管路与开式水箱之间设置有进口阀门，试验泵与出口管路之间设置有出口阀门。

用于旋流泵内固液两相流的试验装置的试验方法，旋流泵固液两相流外特性及内部流动试验步骤如下：

步骤1：关闭进口阀门，将水管伸入开式水箱中加注液体，加注至开式水箱三分之二时，停止注水，加入一定浓度试验所用固体颗粒；

步骤2：打开搅拌器，将开式水箱中固体颗粒搅拌均匀：

步骤3：启动试验泵，打开进口阀门、出口阀门；

步骤4：根据试验工况开大或者关小出口阀门调节流量；

步骤5：待试验系统运行稳定后，采集进口压力传感器和出口压力传感器的信号及流量计的数据，记录试验用的旋流泵固液两相流外特性数据；

步骤6：采用高速摄影相机或者PIV试验装置对试验泵内部流动进行可视化拍摄；

步骤7：改变流量进行其他工况的测量及可视化拍摄；

步骤8：改变颗粒浓度进行不同浓度下旋流泵固液两相流外特性测量及可视化拍摄；

步骤9：试验结束后，打开固体颗粒出口阀门，出口处放置滤网，回收固体颗粒；

步骤10：将试验管路及水箱内的水排干净，整理试验台，将阀门恢复初始状态，试验结束。

上述方案中进行PIV可视化试验时，开式水箱内加入示踪粒子，经过搅拌器把示踪粒子与水充分搅拌均匀后，进行PIV可视化试验。

本发明的技术效果：

本发明提供的用于旋流泵内固液两相流的试验装置，可以进行不同截面和不同工况下PIV试验，也可进行不同粒径、不同浓度的颗粒两相流试验，对外特性和内部流动进行测量研究。测试泵中蜗壳和叶轮均采用有机玻璃，可以在试验过程中清晰的观察并拍摄到流体带动固体颗粒在旋流泵内发生旋转回流的整个过程。也可以拍摄到叶轮和无叶腔不同截面内的流场流动情况。试验装置安装有搅拌器，可以方便快捷的将颗粒混合均匀，有效避免堵塞现象的发生。另外本试验系统可以对试验颗粒进行回收处理，进行循环使用。本发明结构简单，成本较低，安装方便，适用范围广，为旋流泵两相流内部流场观测试验的进行提供了有效手段，具有很强的实用价值。

附图说明

图1为本发明实施例涉及到的适用于旋流泵固液两相流的试验装置的结构示意图。

附图标记：

1-开式水箱；2-进口阀门；3-进口管路；4-进口压力传感器；5-试验泵；6-转矩转速传感器；7-三相电机；8-出口压力传感器；9-流量计；10-出口管路；11-出口阀门；12-搅拌电机；13-搅拌器；14-叶轮。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种用于旋流泵内固液两相流的试验装置，包括开式水箱1、进口管路3、试验泵5和出口管路10；所述试验泵5为可视化试验泵；所述开式水箱1与进口管路3相连通，进口管路3上靠近试验泵5位置连接有进口压力传感器4，进口管路3的出口端设置有试验泵5，通过试验泵5能够把固液两相流泵入出口管路10；出口管路10上靠近试验泵5位置设置有出口压力传感器8和流量计9；所述开式水箱1内设置有搅拌器13，通过搅拌器13使得固液两相流均匀流动。

实施例

本发明提供了一种适用于旋流泵内固液两相流的试验装置，开式水箱1通过进口管路3与试验泵5相连接，开式水箱1另一侧安装有试验介质排出口，试验结束后可及时排出回收试验颗粒。进口管路3、出口管路10分别连接有进口压力传感器4和出口压力传感器8，进口压力传感器4通过测压管连接在试验泵5进口处，出口压力传感器8连接在试验泵5和电磁流量计9之间的管路上；所述试验泵5包括有机玻璃制备的开式叶轮和蜗壳，试验泵5安装在机座上；转速扭矩传感器6安装在试验泵5与三相电机7之间的传动轴上；所述出口管路10上安装有电磁流量计9；所述搅拌器13伸入开式水箱1内进行搅拌保证试验颗粒均匀混合，出口管路10延长至开式水箱1内。

一种适用于旋流泵固液两相流可视化试验台，进行PIV可视化试验时，开式水箱1内加入示踪粒子，经过搅拌器13把示踪粒子与水充分搅拌均匀后，进行PIV可视化试验。由于空心玻璃球的密度为1.05g/cm3，试验时水的温度为20℃，对应的密度为0.9982g/cm3，因此示踪粒子会随着时间逐渐沉积在水罐底部，进而使泵内水中的粒子浓度降低。试验过程中，可根据拍摄的效果图观察示踪粒子的多少，进行搅拌装置的开启和关停。

为了拍摄叶轮和无叶腔内不同截面的速度场，片光源垂直于蜗壳左侧端面射入流道内，反射镜开有U型槽，然后镜子与进口管道成为一定角度，固定好镜子，使其不能晃动。然后调整相机，使得相机拍摄的方向与镜子的反射线保持90°，必须确保相机所拍到的区域为所需要的流场区域。在调整相机位置时，观察所拍摄区域粒子的清晰度，通过调节相机的焦距，使得拍摄面达到较高的清晰度即可。在调节不同的流量工况后，根据叶轮的轴频和叶频，计算拍摄时间，根据试验要求，拍摄不同叶轮和无叶腔截面内的流场信息。

开式水箱1外设置有支架，用于支撑搅拌装置。

试验泵5包括有机玻璃制蜗壳和叶轮，便于试验现象的观察及可视化拍摄。

开式水箱1下方设置有颗粒排出口，在搅拌器13的转动下颗粒可缓缓排除，方便颗粒的回收。

试验泵5的叶轮为开式叶轮，背面设计有背叶片，叶片为直叶片形式，用于平衡轴向力。

叶轮安装在后泵腔，前泵腔为一个宽广的无叶腔区，叶轮出口离蜗壳进口有一定的距离。

旋流泵固液两相流外特性及内部流动试验步骤如下：

步骤1：关闭进口阀门2，将水管伸入开式水箱中加注液体，加注至开式水箱1三分之二时，停止注水，加入一定浓度试验所用固体颗粒；

步骤2：打开搅拌器13，将开式水箱1中固体颗粒搅拌均匀：

步骤3：启动试验泵5，打开进口阀门2、出口阀门11；

步骤4：根据试验工况开大或者关小出口阀门11调节流量；

步骤5：待试验系统运行稳定后，采集进口压力传感器4和出口压力传感器8的数据及流量计9的数据，记录试验用的旋流泵固液两相流外特性数据；

步骤6:采用高速摄影相机或者PIV试验装置对试验泵5内部流动进行可视化拍摄；

步骤7：改变流量进行其他工况的测量及可视化拍摄；

步骤8：改变颗粒浓度进行不同浓度下旋流泵固液两相流外特性测量及可视化拍摄；

步骤9：试验结束后，打开固体颗粒出口阀门，出口处放置滤网，回收固体颗粒；

步骤10：将试验管路及水箱内的水排干净，整理试验台，将阀门恢复初始状态，试验结束。

本发明提供的用于旋流泵固液两相流的试验装置，如图1所示，开式水箱1通过进水管路3将试验介质输送到试验泵5；开式水箱和试验泵之间设置有支架，用于支撑试验管路；转矩转速传感器6安装在试验泵5与电机7之间的传动轴上；进口管路和出口管路上分别设有测压孔，用于连接压力传感器，进口压力传感器4通过测压管连接在测试泵进口处，出口压力传感器8连接在试验泵5和电磁流量计9之间的管路上；出口管路10上安装有流量计9和出口阀门11；开式水箱外设置有支架，用于支撑搅拌电机12和搅拌器13。

进行试验时，首先根据两相流试验要求加入一定浓度的颗粒，打开搅拌器，将水箱中固体颗粒搅拌均匀。启动旋流泵，打开进出口阀门，根据试验工况调节流量；启动计算机控制系统；待试验系统运行稳定后，采集传感器上信号，记录旋流泵固液两相流外特性数据。采用高速摄像机对旋流泵内部流动进行拍摄，并改变流量进行其他工况的测量及可视化拍摄，改变颗粒浓度进行不同浓度下旋流泵固液两相流外特性测量及可视化拍摄。试验结束后，打开固出口阀门排出固体颗粒，出口处放置滤网，回收固体颗粒。

通过计算机控制系统可以测得旋流泵的流量、扬程及效率等外特性，其中泵的扬程由进口压力变送器和出口压力变送器测量得到，泵的流量由流量计读出，泵的功率由扭矩仪测得，根据泵的效率计算公式可以得到效率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。