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搅拌釜流场分析实验实验指导书
搅拌釜的流场分析实验
实验目的
利用PIV设备对搅拌模型的流场进行测量,得到搅拌釜内不同位置,不同工况下的流场情况;并检测其功率和混合时间。
了解搅拌釜的结构模型及其控制系统。
了解PIV系统的工作原理并掌握其操作方法。
掌握Tecplot对实验拍摄图像的后处理。
实验装置介绍
实验装置:实验装置如图1所示,本实验装置由升降装置,控制柜,传动装置, 搅拌装置和搅拌容器组成。升降装置能实现机架在垂直方向的移动;控制装置能调节转速,实现升降装置的升降,输入桨叶各尺寸的相关参数;传动装置由电动机,变速器,机架和联轴器组成。其中容器为椭圆封头搅拌釜,搅拌釜内径600mm,底部为椭球面,高175mm,上部分为圆筒,高800mm;筒体上有四条对称的肋板:长60mm×宽10mm×高250 mm。控制柜是由测试用的微机、相关测试仪器以及操作台组成。不同搅拌器在不同转速下的实际功率通过西门子变频器HP-JCA传入监控台,再经过485转232模块传回软件界面。搅拌转速在软件界面上输入,软件内部嵌套了相关方程,通过软件子菜单,可以选择自定义桨叶,输入桨叶各尺寸的相关参数,选择输入相应各种桨叶的参数及有关搅拌浆液的测试数据,便能得到相应的不同搅拌器理论搅拌功率,搅拌效率等值。
图1 搅拌釜二维图
2、PIV实验装置:实验装置如图2所示,本实验PIV设备系统由以下几个部分组成:一个双腔Nd:YAG固体双脉冲激光器;能量350mj×2;激光波长532nm;激光脉冲宽度6-8ns;重复频率1-10HZ可调;一个CCD:分辨率:2456 pixel×2056 pixel,最高采集速率16 fps,像素灰度等级为12bit,使用PIV模式;镜头:Nikon F 24mm/2.8;同步控制器:时间精度0.25 ns;使用锁相/外同步模式;光学滤镜:532 nm窄带滤光镜。在这种情况下可以得到理想的流场状态分布图像。
图2 PIV系统实验装置图
搅拌器:搅拌器又城搅拌桨或搅拌叶轮,它是机械搅拌设备的关键部件。本实验所有的搅拌器有浆式直叶、浆式斜叶、开启涡轮式直叶、开启涡轮式斜叶。
图3 桨式直叶搅拌器(叶片数Z=2)
图4 浆式斜叶搅拌器(Z=2)
图5 开启涡轮式斜叶搅拌器(Z=3) 图6 开启涡轮式直叶搅拌器(Z=4)
图7 开启涡轮式直叶搅拌器(Z=4)
实验原理
工作原理:
实验平台的升降系统由传动装置与底座组成,并由两台电动机提供动力,其中一台电动机通过西门子变频器来实现需要的搅拌转速,其功率也通过变频器传入软件。另外一台电动机利用液压原理实现搅拌轴的升降。桨叶是搅拌系统的重要部件,本测试平台配套了如桨式、圆盘涡轮式、推进式等多种桨叶。将搅拌轴升到釜体的上部,可方便实现不同规格、型号桨叶的更换。
流动场
流动场有定性和定量两种描述方式,定性的描述仅反映流动场中流线的形状,称为流型;定量描述常用釜体纵剖面上的径向和轴向速度分布以及釜体横截面上径向和周向速度分布来定量地描述流场。搅拌釜内的流型取决于搅拌方式,搅拌器、釜、挡板等几何特性,流线性质以及转速等因素。
一般情况下,搅拌轴安装在釜中心时,搅拌将产生三种基本流型:切向流、轴向流和径向流,径向流流体的流动方向平行于搅拌轴,轴向流流体的流动方向平行于搅拌轴,如图8。其中,轴向流与径向流对混合起主要作用,而切向流应加以抑制,本实验通过挡板削弱切向流,以增加轴向流和径向流。搅拌设备内进行的是三维流动,且流动具有随机性,对这种流动的研究一般采用试验测量方法和数值模拟发。本实验通过PIV设备拍摄图像的进一步处理,可以得到速度分布图和流线图,即对搅拌釜的流动进行流场分析。
图8 径向流和轴向流
PIV系统
在流场中布撒大量示踪粒子(粒径小于10微米)跟随流场运(空气中使用空心玻璃微珠或者液体小颗粒烟雾,水中使用密度接近水的空心玻璃微珠),把激光束经过组合透镜扩束成片光照明流场,使用数字相机拍摄流场照片,得到的前后两帧粒子图像,对图像中的粒子图像进行互相关计算得到流场一个切面内定量的速度分布。进一步处理可得到流场涡量、流线以及等速度流场特性参数分布,上述原理如图9所示:
图9 PIV原理图
在已知的时间间隔△t内,跟随流体运动的示踪粒子被由脉冲激光器发出,经过透镜组作用的片光照射将粒子的瞬间位置记录在CCD芯片上。如果我们知道在 和 这两个时刻同一颗粒微团的位置变化,从记录所得颗粒图像中,根据速度的定义式就可
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