专利名称：不规则外形颗粒曳力系数的测量装置和测量方法
不规则外形颗粒曳力系数的测量装置和测量方法本发明涉及一种气固两相流中，用于测量不规则外形颗粒曳力系数的装置及方法，属于流化床和多相流测量技术领域。
背景技术：
可燃固体废弃物资源化利用是缓解传统化石能源供给压力，促进多元化能源结构形成，以及减少固体废弃物污染的有效途径。可燃固体废弃物主要包括可燃工业固体废弃物，可燃生活垃圾和可燃农林废弃物三类，对以上三类可燃固体废弃物的处理以热化学方法为主，即将这些固体废弃物颗粒在流化状况下，通过燃烧，气化和热解等方式转化为燃料或化工原料。与常规的燃煤流化床相比，固体废弃物流化床在气固流动与传递方面具有自身的 特点和难度，颗粒形状、大小和尺寸奇异，如柱状、条状、锥状、环状、片状、块状等。颗粒的形状改变了颗粒与湍流的相互作用，特别是颗粒在流场中的受力、运动和传递机制变得异常复杂。曳力是颗粒受到流场的携带力，是气固相互作用关键特征参数之一，是描述气固间动量和能量传递的核心参数，对气固流态化反应系统的设计、计算和优化具有重要的意义。然而，由于缺乏科学的测量装置与测量方法，不规则外形颗粒的曳力机制至今未被完全掌握，固体废弃物热处理反应器的设计计算缺乏可靠的异型颗粒曳力系数模型，如在固体废弃物流化床的设计计算或数值模拟优化时，通常的做法是采用“球形系数”来修正经典的球形颗粒曳力模型。这种近似处理，在设计计算和科学研究上常常会带来的很大的误差甚至是错误。亟需发明不规则外形颗粒曳力系数的测量装置和测量方法。一直以来，流化床和多相流测量技术领域的测量装置和测量方法大多被国外科研机构和企业的专利所垄断。针对国家重大需求，发展具有自主知识产权的不规则外形颗粒曳力系数的测量装置和测量方法具有重要的现实意义。

发明内容
技术问题本发明旨在提出一种不规则外形颗粒曳力系数的测量装置和测量方法。采用两个CCD高速相机联用成像，同时捕捉颗粒的运动状态和投影面积变化，
实现对各种不规则外形颗粒曳力测量的普遍适应性。技术方案本发明的不规则外形颗粒曳力系数的测量装置，使用透明材质制作一方形管道，方形管道外水平布置一台横向CXD高速摄相机，拍摄方向与方形管道壁面垂直；在方形管道正上方同时布置一台竖向CCD高速摄相机，拍摄方向竖直向下；在竖向CCD高速摄相机的一侧布置有一个颗粒电磁夹持装置，横向CCD高速摄相机依次与控制器、XOY方向视频采集装置、计算机相串联，竖向CCD高速摄相机依次与控制器、XOZ方向视频采集装置、计算机相串联；颗粒电磁夹持装置依次与一台控制器、计算机相串联；横向CCD高速摄相机和竖向CCD高速摄相机分别配备有广角镜头与远摄镜头。所述的颗粒电磁夹持装置由铝材制成，总长度在0. 3-1米之间，夹持爪张角在100-120度之间，夹持爪间夹持力在1-10公斤之间且可调节，固定于可升降装置上，由控制器控制；通过控制电磁铁吸合衔铁的动作，使夹持爪发生联动，进而实现对颗粒的加持和释放。方形管道外水平布置且拍摄方向与方形管道壁面垂直的横向CCD高速摄相机，透过方形管道透明壁面，高速记录下颗粒的下降过程，帧速率大于500帧每秒，以便获得颗粒下降过程中的实时速度与加速度；在方形管道正上方布置且拍摄方向竖直向下的竖向CCD高速摄相机，也同时高速记录下颗粒的下降过程，帧速率大于500帧每秒，以便获得颗粒下降过程中的实时投影面积；通过曳力系数的数学模型最终求得实时的颗粒曳力系数。颗粒曳力系数的测量过程如下被测颗粒首先由颗粒电磁夹持装置牢固加持，计算机由串口向控制器发出测量开始指令后，控制器首先启动竖向CCD高速摄相机、第二 CCD高速相机、XOY方向视频采集装置和XOZ方向视频采集装置，在以上四个设备启动成功后延 时约0. 5-1秒后，控制器控制颗粒电磁夹持装置做出释放动作，精确控制颗粒的释放时间和释放姿态。颗粒释放后，在方形管道中逆气流方向下落，竖向CCD高速摄相机和横向CCD高速摄相机以相同帧速率同步将颗粒的运动过程拍摄下来，拍摄帧速率约为500-750帧每秒。由竖向CCD高速摄相机拍摄的XOY平面投影图象序列和由横向CCD高速摄相机拍摄的XOZ平面投影图象序列分别被XOY方向视频采集装置与XOZ方向视频采集装置捕获，传入计算机中，并被计算机显示、分析和存储。XOY平面投影图象序列中包含有实时的颗粒投影面积S的信息，而XOZ平面投影图象序列中包含有实时的颗粒运动速度r和加速度a信息。在已知颗粒的体积K、颗粒的密度P、流体的密度P f，重力加速度^ ，管道中气流速度Vf的情况下，就可以根据所建立的数学模型求出G。测量用的数学模型如下
如图3所不，图中为颗粒12的运动和受力状态。K为颗粒运动速度，a为运动加速度，4为气流速度。颗粒所受到的重力-.G=P Vg 颗粒所受到的浮力=Fb=^f呍
颗粒所受到的曳力FD=0.vf)2
颗粒的受力分析Va=G- Fb -Fd 有上述式可得
Cb = 2v{pg -- p fg - pa)j pf\v + vfJs
由此可以计算得出颗粒的实时曳力系数。上述模型只是一种可用的计算方法，不是唯一方法，可根据实际情况进行简化或修改。有益效果本发明提出的不规则外形颗粒曳力系数测量方法具有如下的特色及优
占-
^ \\\
(I)非接触式测量，测量过程不干扰方形管道内的气固流动，较之介入式测量准确。(2)可应用的气速范围广。相较传统的沉降测量法，该装置可以方便的调节气速，实现不同雷诺数下的测量，从而方便得出较为普适曳力系数规律。(3)颗粒适应范围广。因为运用俯视投影图象实现了颗粒投影面积的实时测量，克服了以往不规则外形颗粒投影面积难测导致的不规则外形颗粒曳力系数测量困难的问题。(4)竖向CXD高速摄相机和横向CXD高速摄相机拍摄速度可达500-750帧每秒，可以捕捉0. 002-0. 0013秒内的颗粒的运动过程，满足了对颗粒速度和加速度的实时测量。
(5)使用电子控制的颗粒电磁夹持装置，有效实现了对颗粒释放时间和释放姿态准确控制，减少了人工释放对测量过程的影响。(6)使用计算机控制整个测量过程，并自动完成后期数据处理，提高了曳力测量过程的自动化程度，提高了效率和准确性。


图I是本发明的颗粒曳力测量装置示意图。图2是本发明中使用的颗粒电磁夹持装置结构示意图。图3为测量方法示意图。以上图中有其中有方形管道I、布风板2、竖向CXD高速摄相机3、远摄镜头4、横向CCD高速摄相机5、广角镜头6、颗粒电磁夹持装置7、控制器8、XOY方向视频采集装置9、XOZ方向视频采集装置10、计算机11、颗粒12、外壳13、支撑柱14、夹持爪15、活动连杆16、复位弹簧17、弹簧限位挡板18、衔铁19和电磁铁20。G、Fb、Fd分别为颗粒12所受到的重力，浮力和曳力和a为颗粒12运动的速度和加速度；4为气流速度。
具体实施例方式本发明方法的基本思路如下测量过程在一使用透明材质制作的方形管道中进行，方形管道下部放有一布风板，使自管道下部流出的气流均匀流动。在方形管道正上方同时布置一台竖向(XD高速摄相机3,拍摄方向竖直向下；在方形管道外水平布置一台横向CCD高速摄相机5，拍摄方向与方形管道壁面垂直。竖向CCD高速摄相机3 —侧同时布置有一颗粒电磁夹持装置。竖向C⑶高速摄相机3、横向C⑶高速摄相机5和颗粒电磁夹持装置同时与一控制器相连。控制器通过串口被计算机控制，并且拥有两个视频信号输出端口，分别接入XOY方向视频采集装置和XOZ方向视频采集装置，XOY方向视频采集装置和XOZ方向视频采集装置也与计算机相连。为增大横向CCD高速摄相机5的拍摄视野，以便捕捉更长时间的颗粒运动过程，横向CCD高速摄相机5配备了广角镜头6，相对的，为了增大竖向CCD高速摄相机3的拍摄远度，以准确捕捉远去的颗粒图象，竖向CCD高速摄相机3配备了远摄镜头4。用于加持和释放颗粒的颗粒电磁夹持装置总长度约为0. 5-1米，由外壳，支撑柱，夹持爪，活动连杆，复位弹簧，弹簧限位挡板，衔铁和电磁铁几部分组成。夹持爪最大张角在100-120度之间，夹持爪间加持力在1-10公斤之间且可调节，整个颗粒电磁夹持装置可以固定在可升降的支架上。电磁铁未通电时，在复位弹簧的作用下，活动连杆向前推动夹持爪的后端，使夹持爪前端呈放松状态，便于颗粒的安置。安置好颗粒后开启控制器，颗粒电磁夹持装置的电磁铁上电，吸引位于活动连杆末端的衔铁，在电磁力的作用下，活动连杆向后拉动夹持爪的后端，使夹持爪前端呈加紧状态，颗粒被加紧。通过调节活动连杆上的弹簧限位挡板，可以调节夹持爪的加持力度。释放指令由计算机发出，通过串口传递给控制器，控制器停止向电磁铁供电，夹持爪快速张开，颗粒被释放。
下面参照图I和图2具体说明本发明的技术路线和目标的实现
如图I所示，在一个竖直布置的方形管道I下部放入布风板2，布风板孔直径为5毫米，孔间距为8毫米。方形管道I的正上方出口和正前方分别布置竖向CXD高速摄相机3和横向CCD高速摄相机5，拍摄方向分别为竖直向下和垂直于方形管道I正壁面。选用直径约为8毫米，长度为15毫米的环氧树脂圆柱颗粒12作为被测颗粒，颗粒电磁夹持装置7使用3003号铝合金材料制成，长度为0. 5米，夹持爪15最大张角为100度，夹持爪15间加持力调整在2公斤。使用镊子夹住被测颗粒12，将颗粒最大截面面向来流气体并置于放松的颗粒电磁夹持装置7的夹持爪15之间，之后开启控制器8，颗粒电磁夹持装置7的电磁铁20上电，夹持爪15收紧加持住颗粒。测量实验开始前首先开启方形管道I的空气A，使方形管道I中有气流匀速流过，气速调节至2米每秒。与此同时开启安放在方形管道I上方和正面的竖向CCD高速摄相机3和横向CXD高速摄相机5，以及XOY方向视频采集装置9、XOZ方向视频采集装置10和计算机11。设置拍摄速度为700帧每秒，竖向CXD高速摄相机3前则配有80毫米的远摄镜头4，横向CCD高速摄相机5前安装有28毫米的广角镜头6。计算机11首先向控制器8发出测量开始指令，控制器8即同时向竖向CCD高速摄相机3和横向CCD高速摄相机5发出开始拍摄信号，两台相机开始同步拍摄，输出的数字视频信号经由控制器8之后分别被XOY方 向视频采集装置9和XOZ方向视频采集装置10捕获和缓存之后，传输至计算机11进行显示，分析和存储。经过约500毫秒的延时之后，控制器8停止向颗粒电磁夹持装置7的电磁铁20供电，夹持爪15放松，以特定姿态释放颗粒12。横向CCD高速摄相机5拍摄颗粒12的下降轨迹，由计算机11通过每帧间的时间间隔获得颗粒12下落过程中的实时加速度a和速度r，竖向CCD高速摄相机3拍摄远去的颗粒12,由计算机11通过分析每巾贞中颗粒成像大小，判断颗粒实时的投影面积S。曳力系数Cd即可通过数学模型计算出来。
权利要求
1.一种不规则外形颗粒曳力系数的测量装置，其特征在于使用透明材质制作一方形管道(1)，方形管道(I)外水平布置一台横向CXD高速摄相机(5)，拍摄方向与方形管道(I)壁面垂直；在方形管道(I)正上方同时布置一台竖向(XD高速摄相机(3),拍摄方向竖直向下；在竖向CXD高速摄相机(3)的一侧布置有一个颗粒电磁夹持装置(7)，横向CXD高速摄相机(5 )依次与控制器(8 )、XOY方向视频采集装置(9 )、计算机(11)相串联，竖向CXD高速摄相机(3)依次与控制器(8)、XOZ方向视频采集装置(10)、计算机(11)相串联；颗粒电磁夹持装置(7 )依次与一台控制器(8 )、计算机(11)相串联；横向CXD高速摄相机(5 )和竖向CCD高速摄相机(3)分别配备有广角镜头(6)与远摄镜头(4)。
2.根据权利要求I所述的不规则外形颗粒曳力系数的测量装置，其特征在于所述的颗粒电磁夹持装置(7)由铝材制成，总长度在0. 3-1米之间，夹持爪(15)张角在100-120度之间，夹持爪(15)间夹持力在1-10公斤之间且可调节，固定于可升降装置上，由控制器(8)控制；通过控制电磁铁(20)吸合衔铁的动作，使夹持爪(15)发生联动，进而实现对颗粒的加持和释放。
3.—种如权利要求I所述的不规则外形颗粒曳力系数的测量装置的测量方法，其特征在于方形管道(I)外水平布置且拍摄方向与方形管道(I)壁面垂直的横向CXD高速摄相机(5)，透过方形管道(I)透明壁面，高速记录下颗粒(12)的下降过程，帧速率大于500帧每秒，以便获得颗粒(12)下降过程中的实时速度与加速度；在方形管道(I)正上方布置且拍摄方向竖直向下的竖向CCD高速摄相机(3 ),也同时高速记录下颗粒(12 )的下降过程,巾贞速率大于500帧每秒，以便获得颗粒(12)下降过程中的实时投影面积；通过曳力系数的数学模型最终求得实时的颗粒曳力系数。
全文摘要
本发明提出了一种不规则外形颗粒曳力系数的精确测量方法，在透明的方形管道正上方布置一台拍摄方向竖直向下的竖向CCD高速摄相机，同时在方形管道外水平布置一台拍摄方向与方形管道壁面垂直的横向CCD高速摄相机。使用颗粒电磁夹持装置逆方形管道气流方向自由释放一个颗粒，通过分析两个CCD高速相机拍摄的XOY平面投影图象序列和XOZ平面投影图象序列，获得颗粒的曳力系数。在对流场无干扰的情况下，实现对颗粒曳力系数实时和准确测量。
文档编号G01N15/00GK102661912SQ20121013357
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月3日 优先权日2012年5月3日
发明者任冰, 邵应娟, 金保昇, 钟文琪, 陈曦 申请人:东南大学