本發(fā)明屬于多相流研究，尤其涉及一種用于模擬氣液固多相羽流的實驗裝置及實驗方法。
背景技術(shù)：
1、海底天然氣水合物分解產(chǎn)生的甲烷氣體噴發(fā)形成氣液固多相羽流，其在密度分層和橫流的海洋環(huán)境下的流動特性研究至關(guān)重要。現(xiàn)有技術(shù)在研究多相羽流時存在諸多不足，傳統(tǒng)的羽流研究模型僅適用于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)下的浮力羽流，無法刻畫瞬時流動形態(tài)及多相羽流中離散相運動特征與湍流統(tǒng)計量之間的聯(lián)系，在復(fù)雜的密度分層和橫流環(huán)境下多相羽流動態(tài)行為描述上存在局限。計算流體力學(xué)（cfd）方法中，雷諾平均（rans）湍流模型難以捕捉詳細(xì)湍流結(jié)構(gòu)，大渦模擬方法（les）在表征離散顆粒運動行為方面存在不足。實驗研究方面，盡管有多種測量技術(shù)應(yīng)用，但其對于復(fù)雜流動環(huán)境下羽流流場結(jié)構(gòu)特征的認(rèn)知不足，缺乏對多相羽流連續(xù)相流場和離散相流動特性的同步精確測量及綜合分析技術(shù)，難以深入研究多相羽流的非定常發(fā)展與連續(xù)相湍流渦旋結(jié)構(gòu)的相互影響機制。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
2、一種用于模擬氣液固多相羽流的實驗裝置，包括：波流水槽、羽流發(fā)生裝置、粒子圖像測速儀測量系統(tǒng)和水槽造流系統(tǒng)；所述波流水槽是整個實驗裝置的基礎(chǔ)承載結(jié)構(gòu)，內(nèi)部用于容納流體并模擬實際海水密度分層的情況；所述羽流發(fā)生裝置包括氣泡發(fā)生器、固液混合物噴嘴、氣罐、攪拌罐；氣泡發(fā)生器和固液混合物噴嘴設(shè)置在波流水槽的底部，氣罐、攪拌罐設(shè)置于波流水槽外部；氣泡發(fā)生器連接氣罐，固液混合物噴嘴連接攪拌罐；所述粒子圖像測速儀測量系統(tǒng)包括led背光光源、激光器、同步器、分光器、高速攝像機及計算機，其中，led背光光源設(shè)置于水槽背面作為背光光源，激光器設(shè)置于波流水槽的底部；分光器設(shè)置于兩臺高速攝像機的垂直交叉位置；同步器連接激光器和高速攝像機，同時連接計算機；所述水槽造流系統(tǒng)設(shè)置于波流水槽內(nèi)部的一側(cè)。
3、一種用于模擬氣液固多相羽流的實驗方法，用于所述的用于模擬氣液固多相羽流的實驗裝置，包括：
4、步驟1，實驗準(zhǔn)備與操作：在波流水槽中制備密度分層流體；在攪拌罐中制備不同濃度和密度的攜顆?；旌弦海ㄟ^蠕動泵改變攜顆?；旌弦哼M入波流水槽的流量；設(shè)置氣罐出口壓力生成一定流量氣體并將氣體通入波流水槽中；
5、步驟2，同步打開氣罐和攪拌罐閥門開始實驗，記錄橫流速度、流體密度、顆粒濃度、顆粒大小、氣體流量、顆粒流量參數(shù)，在多相羽流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的關(guān)鍵時間點，觸發(fā)高速攝像機及激光器拍攝記錄流場信息，通過改變橫流速度、流體密度、顆粒濃度、顆粒大小、氣體流量、顆粒流量進行多組實驗，并拍攝記錄不同參數(shù)下的流體和顆粒圖像；
6、步驟3，通過計算機進行流場信息后處理分析，包括離散相運動信息處理和連續(xù)相流場信息處理。
7、本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：
8、模擬真實環(huán)境的技術(shù)效果：本發(fā)明利用波流水槽實驗平臺，通過制備不同鹽度的水實現(xiàn)密度分層，且底面入口處流體密度大于清水密度；同時設(shè)置水槽造流系統(tǒng)生成水平橫流；羽流發(fā)生裝置中，設(shè)置氣泡發(fā)生器生成不同大小的氣泡注入波流水槽中，設(shè)置固液混合物噴嘴制備不同濃度顆?；旌弦鹤⑷氩魉壑?。以上設(shè)置能夠精確模擬密度分層和橫流環(huán)境，高度還原海底甲烷氣體噴發(fā)后氣液固多相羽流的實際海洋環(huán)境條件，使得實驗結(jié)果更具現(xiàn)實意義和參考價值，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)難以真實模擬復(fù)雜海洋環(huán)境的問題，為海底甲烷氣體泄漏等相關(guān)研究提供了可靠的實驗基礎(chǔ)。
9、同步精確測量的技術(shù)效果：本發(fā)明采用由?led背光光源、激光器、同步器、分光器、兩臺高速攝像機及計算機等組成的粒子圖像測速儀測量系統(tǒng)，選用熒光示蹤粒子標(biāo)記連續(xù)相運動，利用熒光粒子與?led?燈的波長差異，通過分光器和同步器實現(xiàn)連續(xù)相流場信息和離散相運動信息分別記錄和同步采集；實現(xiàn)了連續(xù)相流場和離散相運動的同步精確測量，克服了現(xiàn)有技術(shù)僅對羽流宏觀特征描述的局限，本發(fā)明能夠獲取多相羽流詳細(xì)的流動特性數(shù)據(jù)，為深入探究多相羽流流型結(jié)構(gòu)與湍流流動結(jié)構(gòu)相互影響機理提供了有力的數(shù)據(jù)支持，推動對多相羽流復(fù)雜流動特性的研究進展。
10、先進測量與處理技術(shù)的綜合運用及效果：本發(fā)明綜合運用高速攝像、激光誘導(dǎo)熒光示蹤粒子技術(shù)等多種先進測量技術(shù)，以及獨特的圖像處理和數(shù)據(jù)處理流程。在圖像處理方面，對離散相圖像進行濾波、二值化處理，通過邊緣曲率分割法和利用透明砂顆粒特性處理重疊區(qū)域，準(zhǔn)確提取氣泡和固體顆粒信息；在數(shù)據(jù)處理方面，基于粒子圖像測速儀實驗測量數(shù)據(jù)，運用q準(zhǔn)則和旋流強度渦識別方法分析連續(xù)相流場渦旋結(jié)構(gòu)，提高了實驗的準(zhǔn)確性和可靠性，有助于解決多相羽流研究中的瓶頸問題，如對復(fù)雜流動環(huán)境下羽流流場結(jié)構(gòu)特征認(rèn)知不足、難以深入研究多相羽流非定常發(fā)展與連續(xù)相湍流渦旋結(jié)構(gòu)相互影響機制等問題。
1.一種用于模擬氣液固多相羽流的實驗裝置，其特征在于，包括：波流水槽、羽流發(fā)生裝置、粒子圖像測速儀測量系統(tǒng)和水槽造流系統(tǒng)；所述波流水槽是整個實驗裝置的基礎(chǔ)承載結(jié)構(gòu)，內(nèi)部用于容納流體并模擬實際海水密度分層的情況；所述羽流發(fā)生裝置包括氣泡發(fā)生器、固液混合物噴嘴、氣罐、攪拌罐；氣泡發(fā)生器和固液混合物噴嘴設(shè)置在波流水槽的底部，氣罐、攪拌罐設(shè)置于波流水槽外部；氣泡發(fā)生器連接氣罐，固液混合物噴嘴連接攪拌罐；所述粒子圖像測速儀測量系統(tǒng)包括led背光光源、激光器、同步器、分光器、高速攝像機及計算機，其中，led背光光源設(shè)置于水槽背面作為背光光源，激光器設(shè)置于波流水槽的底部；分光器設(shè)置于兩臺高速攝像機的垂直交叉位置；同步器連接激光器和高速攝像機，同時連接計算機；所述水槽造流系統(tǒng)設(shè)置于波流水槽內(nèi)部的一側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于模擬氣液固多相羽流的實驗裝置，其特征在于，依目標(biāo)鹽度計算鹽量，稱取相應(yīng)量的鹽后在容器中加水溶解，得到不同密度的鹽水，按密度從大到小，用漏斗或?qū)Я鞴芤来尉徛谒霾魉壑凶⑷氩煌芏鹊柠}水，制成密度分層流體，同時保證底面入口處流體密度大于清水密度，模擬實際海水密度分層的情況。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于模擬氣液固多相羽流的實驗裝置，其特征在于，所述的羽流發(fā)生裝置還包括氣管和氣體流量計；所述氣泡發(fā)生器產(chǎn)生一定大小的氣泡，通過氣管連接氣罐，通過控制氣罐出口壓力調(diào)節(jié)氣體流量，進而改變波流水槽中的氣泡生成情況，通過氣體流量計測量氣管中的實際氣體流量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于模擬氣液固多相羽流的實驗裝置，其特征在于，所述的羽流發(fā)生裝置還包括蠕動泵；在攪拌罐中制備不同濃度和密度的攜顆?；旌弦海ㄟ^蠕動泵將攜顆?；旌弦狠斔椭凉桃夯旌衔飮娮欤儆晒桃夯旌衔飮娮靽姷讲魉壑?，模擬多相羽流中的顆粒噴出現(xiàn)象；蠕動泵用于改變攜顆?；旌弦哼M入波流水槽的流量。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于模擬氣液固多相羽流的實驗裝置，其特征在于，選用微米級的透明砂作為所述顆粒。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于模擬氣液固多相羽流的實驗裝置，其特征在于，所述led背光光源用于提供照明以便拍攝波流水槽中氣泡和固體顆粒的清晰圖像；激光器用以向波流水槽中發(fā)射激光；分光器用于將led背光光源和激光器發(fā)射的光分配到高速攝像機；選用熒光示蹤粒子標(biāo)記流體的運動，利用熒光示蹤粒子發(fā)光波長和?led背光光源波長不同，通過分光器使不同波長的光分別進入各高速攝像機，實現(xiàn)連續(xù)相流場信息和離散相運動信息分別記錄。
7.一種用于模擬氣液固多相羽流的實驗方法，用于如權(quán)利要求1至6中任一項所述的用于模擬氣液固多相羽流的實驗裝置，其特征在于，包括：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于模擬氣液固多相羽流的實驗方法，其特征在于，所述離散相運動信息處理包括：
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于模擬氣液固多相羽流的實驗方法，其特征在于，所述連續(xù)相流場信息處理包括：
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于模擬氣液固多相羽流的實驗方法，其特征在于，步驟321中，采用互相關(guān)法提取連續(xù)相流場的速度脈動信息。