一种用于构建可控气固两相流场的试验装置

摘要

本发明公开了一种用于构建可控气固两相流场的试验装置，包括输运螺杆、沙箱、步进电机、排管、风洞、集沙仪和PLC控制装置，本发明输沙装置通过相关设备可以精确、可靠且方便地控制每次输运颗粒的流率，从而获得可随时精准调控的量化的气固两相流场，如可根据需要不断调节颗粒浓度的均匀气固两相流场。此外，本发明结构简单、适用性强：该实验装置不局限于沙粒的输运，可以实现其它颗粒的输运，以满足不同的两相流动的风洞实验；同时，也不局限于均匀气固两相流场，可以通过PLC精确、独立地控制每个电机的转速以求最终获得所需要的分布特征的两相流场，从而开展有效的风沙两相流动实验研究。

说明书

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，尤其涉及一种用于构建可控气固两相流场的试验装置。

背景技术

风洞试验相比于其他流体力学研究手段具有无可替代的优越性，所以它在流体力学相关理论和应用研究中一直处于主导地位，成为研究风力机、飞行器等流体机械气动特性的主要手段之一。两相流动作为一门新兴学科，至今发展还很不成熟，尤其是气固两相流动机理复杂，很多方面还需要依赖于通过实验获得的经验公式和经验数据。现在国内外有许多著名高等院校、研究院所和工厂企业的研究机构都在开展气固两相流动的研究。

然而，由于固体颗粒的沉降和输运问题没有得到妥善处理，使得气固两相实验中使用的风沙流场不均匀，或是难以方便调节风沙流场中的颗粒分布特征。这些问题使得不同风洞试验获得数据和经验表达式存在较大差距，从而缺少适用性强的统一公式，严重制约了气固两相流动的研究。例如，在风力机的风沙冲蚀实验时，风沙流场不均匀会使试样在单位时间内各单位面积受到的颗粒冲蚀的数目不等，从而使得如此建立的数学模型不准确。

因此，需要一种便于精确构建各种颗粒分布特征的气固两相流场的试验装置，以提高相关风洞试验获取的数据的可靠性。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种用于构建可控气固两相流场的试验装置。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明包括输运螺杆、沙箱、步进电机、排管、风洞、集沙仪和PLC控制装置，所述沙箱的出口与所述输运螺杆的入口连接，所述输运螺杆的驱动轴与所述步进电机的转轴连接，所述输运螺杆的出口垂直向下设置有下沙口，所述下沙口位于一根L型的排管上端，所述排管的下端位于所述风洞内的中部，所述风洞由风洞混合段、收缩段和实验段构成，所述风洞实验段的直径小于所述风洞混合段的直径，所述风洞混合段的出口与所述风洞实验段的入口之间通过一个以维氏曲线作为收缩曲线的收缩段连接，且所述排管的出沙口水平位于所述风洞混合段内，所述风洞实验段内可设置所述集沙仪，所述步进电机的控制端与所述PLC控制装置的控制输出端连接。

优选的，所述输运螺杆的驱动轴通过所述联轴器与所述步进电机的转轴连接。

进一步，所述输运螺杆、沙箱、步进电机、排管构成一组输运装置，所述输运装置为多个，多个所述输运装置固定设置于支撑系统上，多个所述输运装置的排管均与所述风洞连接。

作为改进，每个所述排管入口处均设置有输气管，所述输气管连接有额外气源。

作为改进，所述输气管与所述额外气源的连接管道之间设置有压力阀门。

进一步，所述PLC控制器连接有驱动器、开关电源和220V电源，所述220V电源与所述开关电源本的输入端连接，所述开关电源的信号反馈端与所述PLC控制器连接，所述开关电源的控制输入端与所述驱动器的控制信号输出端连接，所述PLC控制器的控制输出端与所述驱动器的控制输入端连接，所述驱动器的信号反馈端与所述步进电机的转速检测端连接，所述开关电源的输出端与所述步进电机的输入端连接。

使用PLC控制器调节电机的转速而控制与其相连的蜗杆输运颗粒的速度，从而精确且方便地同时控制多个输运管道的输运量；通过协调各管道输运量，从而获得所需要的气固两相流中的颗粒分布特征。此外，使用额外的气源产生高速气流引射颗粒进入风洞，赋予颗粒进入风洞的初始速度和动能，从而最大程度减弱在输运过程中颗粒沉降的影响，在风洞试验段构建所需要特征的流场。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种用于构建可控气固两相流场的试验装置，与现有技术相比，本发明试验装置通过相关设备可以精确、可靠且方便地控制每次输运颗粒的流率，从而获得可随时精准调控的量化的气固两相流场，如可根据需要不断调节颗粒浓度的均匀气固两相流场。此外，本发明结构简单、适用性强：该实验装置不局限于沙粒的输运，可以实现其它颗粒的输运，以满足不同的两相流动的风洞实验；同时，也不局限于均匀气固两相流场，可以通过PLC精确、独立地控制每个电机的转速以求最终获得所需要的分布特征的两相流场，从而开展有效的气固两相流动实验研究。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的俯视结构示意图；

图3是本发明的主视结构示意图；

图4是本发明的PLC控制系统示意图。

图中：1-输运螺杆、2-沙箱、3-联轴器、4-步进电机、5-下沙口、6-风洞混合段、7-排管、8-收缩段、9-风洞实验段、10-集沙仪、11-压力阀门、12-额外气源、13-输气管、14-支撑系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1-3所示：本发明包括输沙螺杆1、沙箱2、步进电机4、排管7、风洞、集沙仪10和PLC控制装置，所述沙箱2的出口与所述输沙螺杆1的入口连接，所述输沙螺杆1的驱动轴与所述步进电机4的转轴连接，所述输沙螺杆1的出口垂直向下设置有下沙口5，所述下沙口5位于一根L型的排管7上端，所述排管7的下端位于所述风洞混合段6内的中部，所述风洞由风洞混合段6、实验段9及与两者相连的收缩段8构成，所述风洞实验段9的直径小于所述风洞混合段6的直径，所述风洞混合段6的出口与所述风洞实验段9的入口之间通过一个以维氏曲线作为收缩曲线的收缩段连接，且所述排管7的出沙口水平位于所述风洞混合段6入口处，所述风洞实验段9内可设置所述集沙仪10，所述步进电机4的控制端与所述PLC控制装置的控制输出端连接。沙箱2作为最开始的储沙设备，所用的沙箱底部逐渐收缩，防止下沙量过大从而堵塞管道。采用PLC控制步进电机的转速，以控制和电机用联轴器连接的输运螺杆的转速，从而可以方便地实现颗粒输送流量的精确控制和调节。

优选的，所述输沙螺杆1的驱动轴通过所述联轴器3与所述步进电机4的转轴连接。采用输运螺杆为主要输沙设备将沙箱输入的颗粒输送进下沙仓，这样可以通过螺距来控制每转输送颗粒的流量，从而可实现颗粒输送的精确控制。

进一步，所述输运螺杆1、沙箱2、步进电机4、排管7构成一组输运装置，所述输运装置为多个，多个所述输运装置固定设置于支撑系统14上，多个所述输运装置的排管均与所述风洞混合段6连接。

作为改进，每个所述排管7上均设置有输气管13，所述输气管13连接有额外气源12。所述输气管13与所述额外气源12的连接管道之间设置有压力阀门11。由于风洞内压力高于风洞周围气压，直接利用重力运输很容易使颗粒产生回流。本发明采用高速气流引射的方式将颗粒输入风洞，以此解决这一问题。同时，通过额外气源产生高速气流引射颗粒，也为颗粒进入排管和风洞提供初始速度和能量。其中，为了提高额外气源产生气流的速度，在输气管的终端逐渐进行收敛。输气管道末端位于下沙仓中的排管入口处，额外气源运行时会在出口周围产生低压区，从而通过引射效应将下沙仓中的颗粒引射进排管后进入正运行的风洞中。

需要使用多个排管输运颗粒，这意味着需要多组上述元件。但是这样就可以直接将颗粒输运到风洞中的不同位置，更加方便地调节气固两相流场中的颗粒分布特征；同时，采用多个排管就只需要直径比较小的排管，这样可以减少对风洞中流场的干扰。

如图4所示：所述PLC控制器连接有驱动器、开关电源和220V电源，所述220V电源与所述开关电源本的输入端连接，所述开关电源的信号反馈端与所述PLC控制器连接，所述开关电源的控制输入端与所述驱动器的控制信号输出端连接，所述PLC控制器的控制输出端与所述驱动器的控制输入端连接，所述驱动器的信号反馈端与所述步进电机的转速检测端连接，所述开关电源的输出端与所述步进电机的输入端连接。

实施例：

本发明的实施例的主要目的是构建一个均匀的风沙流场，从而进行风沙两相流动试验，如风沙磨损试验以获得风力机叶片冲蚀磨损数学模型。

在沙箱2底端用联轴器3将步进电机4与输沙螺杆1相连，通过PLC控制装置15控制步进电机4的转动，从而带动螺杆1将沙粒输送到下沙仓。同时，通过输气管13将额外气源12提供的气流加速的高速气流从而在下沙仓中产生引射效应，最终将沙粒输送进排管7和风洞中。整个输沙装置固定在支撑系统14上，额外气源12产生的气流的流速大小通过阀门11控制，风沙流场的质量流率可通过集沙仪10测量。

由于本发明所用的沙箱2底部要与输沙螺杆1相连接而不宜过大，所以实施例中沙箱2底部逐渐收缩到输沙螺杆的直径大小20mm，防止下沙量过大从而堵塞管道，同时也方便与输沙螺杆1的联结。输沙螺杆1的螺距为2.6mm，以保证顺畅输运直径范围为0.05mm～0.5mm的沙粒，且不会对螺杆和沙粒造成明显的挤压磨损。

本发明为了实现沙粒输运的精确和智能控制，采用了使用PLC控制装置15控制步进电机的转速进而控制与电机相连的输沙螺杆的输运速率的方法。实施例中采用常见的PLC控制器和步进电机，经过试验测量和调整，最终在风洞中形成所需要的浓度的均匀风沙流场。例如，在风速为10～20m/s时，使9个步进电机的转速比约为6：3：6：3：1：3：3：1：3，其中5号电机所使用的转速范围为200～800(视浓度而定)，所构建的风沙流场基本就是一个均匀的流场。具体的电机转速要根据风速和浓度需求等实际情况设定和调节，才能保证所构建的风沙流场是均匀的。其中浓度变化时，基本上只需要将电机转速在原来的基础上按照相应比例增加即可。

采用这种智能控制下沙方式，而不是人工手动下沙，一方面便于精确调节下沙流率，另一方面可以减少由手动下沙量不好控制而造成的人为误差。此外，可以让试验人员的注意力更多地放在试验本身上。

目前相关试验采用的挟沙喷射法始终无法保证试样所处的风沙流场是均匀稳定的，从而产生试验误差。而本发明采用高速气流引射原理将颗粒输运进风洞，从而开展试验，有效地避免了因流场不均匀不稳定造成的实验误差。对于正在运行的风洞的混合段6，其内部气压是大于大气压的，所以如果下沙口没有额外气源12是很难通过重力下沙将沙粒输运进风洞中，反而很容易会产生回流。为了降低成本，本发明的实施例中每一个组件使用的额外气源12是鼓风机，其产生的气流经过输气管13后最大速度可达25m/s。这样的高速气流会使得输气管13的出风口处的静压小于大气压，从而将下沙仓中的沙粒引射进排管7中，进而进入风洞混合段6。这样不仅实现了沙粒的输运，而且赋予了沙粒进入风洞时具有合适的初始速度和能量，从而减少风洞中风场的能量消耗，同时减弱了沙粒沉降带来的沉降效应，即在较远的试验段的某段截面上不会出现较大的沉降。在该段截面上通过调整9个步进电机4的各自转速，最终使得试样所处的风沙流场是均匀稳定的。

为了减小排管7对风洞主流场的干扰作用，不能仅采用一根粗排管下沙。采用多排管时需要对称排布，最终本发明的实施例选用9个排管下沙。这意味着需要9组元件来构成整个装置，这并未增加控制系统和装置的实现难度，反而更便于调整风沙流场的颗粒浓度分布。如果数量再多，将会造成结构冗余，维护和使用更麻烦；如果数量再少(如4组)，则每个排管出口位置和下沙量调整将对整个流场的颗粒浓度分布影响较大。因此，9组排管下沙是合适的选择。

此外，支撑系统14由合适尺寸的钢板、钢管和连接件构成，具有安全、牢固、稳定和便于拆卸维修且不影响实验的开展的特点。出于经济性考虑，下沙仓均采用市面上常见的中号漏斗改装替代。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。