一种可视化液液两相流环道实验装置

摘要

一种可视化液液两相流环道实验装置，其特征在于：通过储液罐、出口阀、离心泵、温度变送器、压力变送器、加注系统、亚克力观测管段、上倾管道、回流系统和数据采集系统构成一个闭合实验环道；实验系统根据剪切应力相似原则进行设计，符合流体力学动态特征；加注系统可以实现任意含水量的液液初始状态；通过透明亚克力管进行油水两相流在水平段、弯管和上倾管段处的流动特征的观测和记录；通过温度、压力变送器和上倾管道处的压差传感器组成的数据采集系统进行实验过程相关参数的收集和后期分析。本环道实验装置适用于液液两相流的流动状态及流动特征分析研究。

权利要求

1.一种可视化液液两相流环道实验装置，其特征在于：通过储液罐(1)、出口阀(2)、离心泵(3)、流量调节阀(4)、温度变送器(5)、流量变送器(6)、加注系统(7)、第一排污阀(8)、第二排污阀(9)、亚克力弯管(10)、上倾管道(11)、压差变送器(12)、回流系统(13)依次通过法兰连接组成；材料有镀锌钢管、亚克力透明管和钢丝胶管，通过透明亚克力弯管(10)进行液液两相流在水平段、亚克力弯管(10)和上倾管道(11)处的流动特征的观测和记录，通过温度变送器(5)、压力变送器(6)和上倾管道(11)处的压差传感器(12)组成的数据采集系统进行实验过程相关参数的收集和后期分析，上倾管道(11)前后两端设置两个葫芦架组成支撑系统(14)，通过拉动定滑轮转轴调整上倾管道(11)的角度，配合观测管段的角度，组成上倾实验段进行压差数据收集，回流系统(13)采用了钢丝螺旋软管，保证韧性的同时便于配合上倾管道(11)的角度变化带来的位移。

2.如权利要求1所述的一种可视化液液两相流环道实验装置，其特征在于：加注系统(7)通过排污阀(8)排除实验介质和加注阀注入第二液相的方式形成液液两相初始状态。

3.如权利要求1所述的一种可视化液液两相流环道实验装置，其特征在于：加注系统(7)由主管道和旁通管道两部分组成，可保证在加注过程中环道系统工况的稳定性。

说明书

一种可视化液液两相流环道实验装置

技术领域

[0001] 本发明是基于环道实验架，对液液两相流的实验现象、流型进行可视化观测，在实验过程中温度、流量、压降等参数进行收集分析的实验装置。

背景技术

[0002] 在如今的工业生产中，核能、化工、石油行业的发展强烈推进了多相流领域中的各种研究，其中液液两相流的研究问题一直没有实质性的突破。在石油行业的实际生产中，原油伴水开采、成品油投产油顶水等过程都是典型的液液两相流。研究两相流的流动规律和机理可以降低生产过程中的能耗，减少管线的内腐蚀并促进多相混输、计量技术。

[0003] 液液两相流的研究始源于二十世纪初期，由于当时的研究手段不成熟，实验设备落后，仅仅是对液液两相流进行了较为粗略的流动状态研究。直到二十世纪九十年代，由于石油行业中原油开采的液液混合问题，以美国、英国、以色列、法国为首的西方发达国家开展了液液两相流变特性的研究工作。近几年，由于我国成品油顶水的投产方式，导致成品油管道内腐蚀较为严重，国内一些学者将液液两相流列为研究要点进行研究。

[0004] 从液液两相流的研究发展过程看，无论是起初的室内物性实验、基本的流型观测实验还是后期的数值模拟的实验，彼此之间缺乏相互支撑关系。不同的材质、管径、实验方法得出的参数变化范围大，实测数据千差万别，无法相互比较。而已有的室内实验装置都是单纯实现两相接触流动的简易装置，无法模拟管道中液液两相在实际生产过程中的真实状态。

[0005] 因此，设计研发一套具备数据采集功能的可视化液液两相实验装置对于液液两相流研究有着积极的意义。

发明内容

[0006] 本发明是一种具备数据采集功能的可视化液液两相实验装置。

[0007] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

[0008] 首先设置一个储液罐，以便实现环道系统实验介质循环和储存功能；在储液罐低液位处开口连接出罐管道依次连接出口控制阀、离心泵、流量调节阀、温度变送器、流量变送器、加注系统、亚克力透明弯管、上倾管道、回流管段后回到储液罐，形成一个闭合回路。排污阀共两个，包括第一排污阀和第二排污阀，分别设置在加注系统底部和亚克力透明弯管前段；在上倾管道处开4个孔，插入传感器，连入数据收集系统对实验过程中的压降进行数据采集；在上倾管道前后两端设置2个葫芦架，通过拉动转轴调整上倾管道的角度，配合观测管段的角度；观测装置为高清高速摄像仪，放置位置于亚克力管水平，在实验进行过程中同步记录拍摄亚克力管中两相流状态，并将数据传送至数据收集终端进行保存。整个实验装置由环道管线实现回路，储液罐储存实验介质，离心泵提供动力，流量调节阀调节流量，加注系统注入第二液相介质，亚克力管进行实验观测，流量变送器、温度变送器、压差变送器、高清高速摄像仪和数据收集系统进行试验数据的采集。

[0009] 本发明的优点是：

[0010] (1)根据有效剪切应力相似原理进行设计的实验架，在观测段处的液液两相受到重力、壁面剪切力、液液界面剪切里的共同作用，符合实际生产中的动态力学特征。

[0011] (2)加注系统方便操作，按照相似准则进行换算后，可以进行不同注液量工况下的实验。

[0012] (3)数据收集系统可以实时收集流速、持液率、压降等与液液两相流动特性直接相关的参数。

[0013] (4)支架调节系统可以根据不同上倾角度，方便地对上倾长管调整悬空位置，最大程度地减少了角度变化所产生的工作量。

[0014] (5)除液液两相流动实验外，本装置还可以进行冲刷、降阻剂性能评价等环道试验，利用率较大，功能全面。

[0015] (6)实验环道所有部分均可拆卸，拆卸后可以对管道和设备的内部结果进行检测，评价在两相流过程中对内壁腐蚀的影响。

附图说明

[0016] 图1是本发明俯视结构示意图。

[0017] 图2是本发明正视结构示意图。

[0018] 图3是本发明后视结构示意图。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图及实施例子，对本发明进行详细描述。

[0020] 参看图1，环道实验装置由储液罐1、出口阀2、离心泵3、流量调节阀4、温度变送器5、流量变送器6、加注系统7、第一排污阀8，第二排污阀9、亚克力弯管10、上倾管道11、压差变送器12、回流系统13依次通过法兰连接组成。环道实验装置的管道直径为50mm，材料为镀锌钢管、亚克力管和钢丝螺旋软管。装置各部分设计尺寸及功能如下：

[0021] 储液罐1的尺寸是直径为323.9mm，高度1200mm的圆柱钢桶。储液罐底部是倒锥形，锥形细口处设置排污阀，用以排流罐内沉积液。储液罐顶部开口直径70mm的圆形缺口，回流管从此处插入储液罐底部。

[0022] 参看图2，储液罐1内储存实验介质，由出口阀2控制储液罐液位并防止储液罐1发生溢出事故，在实验进行过程中出口阀2处于常开状态，实验结束后出口阀2处于关闭状态；出口阀2后连接离心泵3、流量调节阀4、温度变送器5和流量变送器6，通过流量调节阀4调节环道实验工况下流量，并利用温度变送器5和流量变送器6对介质流速、温度进行监控并将数据传送到数据采集系统。调整流量后，进入加注系统7，加注系统由一条主管道和一条旁接管道组成，主管道前后各有一个截断阀，中间部位设有加注阀和第一排污阀，装置通过第一排污阀8排出主管道内一定体积实验试液(根据注液量确定)，然后经加注阀注入第二液相，从而实现液液两相的初始状态；旁接管道设有一个截断阀，其功能是为了在加注期间保持实验环道在稳定流量下运行，最大程度地减少加注系统对实验工况的影响。

[0023] 参看图3，在加注系统后，连接具有一定上倾角度的亚克力弯管10(角度根据实验需要定制)，在此处可进行水平段、弯头和上倾段处液液两相流实验现象的观测和摄影记录；亚克力弯管前后分别用法兰片与镀锌钢管连接，上倾管道11上均匀分布4个压力传感器，与压差传感器相连，在实验过程中记录4个点的压力变化，并传送到数据采集系统进行后期分析；上倾管道11的角度通过支撑系统14进行调整，支撑系统由2个葫芦架组成，2个葫芦架分别放置于上倾管道11的前后两端，将定滑轮的两端固定在葫芦架顶部和管道上，通过拉动定滑轮调整管道前后两端的高度，从而实现上倾角度的调节。最后，上倾管道11出口处与回流系统13连接，实验介质回流到储液罐1，实现了实验环道的循环工作。回流管道的材质采用钢丝螺旋软管，一方面保证了管道的韧性，另一方面便于适应上倾管道11的调整带来的位移变化。

[0024] 如图1所示，本装置在使用前，应组装上实验所需角度的亚克力管道10，调整好上倾管段11的角度，连接好环道实验系统。然后关闭第一排污阀8、加注阀，打开其他所有阀门，利用液位高差，使储液罐内的实验介质自流充满环道。然后离心泵3通电，使环道稳定运行一段时间，待流量稳定不变后开启加注系统7的旁通管段。此时应关闭加注系统7主管道处加注口前后两个截止阀，利用第一排污阀8排除加注段一定体积实验介质(与注液量相同)后，从加注口注入第二液相，关闭加注阀。稍等片刻，待液液两相完全稳定后，开泵后从零开始缓缓调节流量至指定试验工况，开始进行实验。在亚克力管10处架设高速摄像仪记录液液两相流在水平管、弯管和上倾管处的流动特性，并通过数据采集系统采集流动过程中的运行参数和流动图像进行处理分析。