利用红外对管进行无干扰气泡上升速度测量的实验研究

　　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[1-5]、可见光染色法[6,7]、光纤探针法[8,9]、电导探针法[10-12]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高速数据采集卡Pcl-818HD(Advan-techTM)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.

　　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SONYTMDCR- 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.