工程科学与技术   2017, Vol. 49 Issue (2): 202-208
基于高速摄像技术的气力提升性能分析
唐川林1, 徐旭2, 胡东1     
1. 湖南人文科技学院 能源与机电工程学院, 湖南 娄底 417000;
2. 湖南工业大学 水射流研究所, 湖南 株洲 412007
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51374101);湖南省教育厅科研资助项目(16C0464);湖南省科技计划资助项目(2012FJ6023)
摘要: 采用高速摄像系统对提升管内三相流运动状态进行拍摄,深入研究气-液-固三相流提升性能随运行参数变化的规律,并基于图像处理方法对管内流场结构和固相运动特征进行分析。结果表明:随气量值变化,提升管内流型呈周期变换,依次为稀疏型泡状流、密集型泡状流、泡状搅拌流、混合搅拌流、稀疏型泡状流,其中泡状搅拌流更利于固体颗粒的提升。相同气量值下,气力提升系统排固量、排液量和提升效率随淹没率的升高呈先增加后减小趋势;同工况下进气量对系统提升性能的影响大于淹没率,且存在最佳气量值使得系统提升效率最高;当气量值较低时,管内颗粒浓度低且多集中于管壁位置,随气量值增大颗粒向管中心运动,且此处颗粒运动速度和浓度值均较高。此外,随着进气量的变化,提升管内交替出现气-液两相流与气-液-固三相流,并且气量值的变化直接影响管内颗粒分布及其运动状态。与单颗粒相比,群颗粒作用下系统提升性能较高,且不同径向位置的颗粒速度并不对称于提升管中心线。
关键词: 气力提升    固相    高速摄像    图像处理    
Analysis of the Performance of Airlift System Based on the Technology of High-speed Camera
TANG Chuanlin1, XU Xu2, HU Dong1     
1. College of Energy and Mechanical Electrical Eng., Hunan Univ. of Humanities Sci. and Technol., Loudi 417000, China;
2. Modern Jetting Inst., Hunan Univ. of Technol., Zhuzhou 412007, China
Abstract: The dynamic images of gas-liquid-solid three-phase flow in the riser were obtained by the high-speed camera system, the variation of the lifting performance of three-phase flow with operating parameters were studied, and the flow field structure and the movement characteristics of solid particles in the riser were analyzed based on the image processing method.The result showed that the periodic variation of flow pattern is formed in the riser, in turn, spare bubble flow-intensive bubble flow-bubble churn flow-mixed churn flow-spare bubble flow, in which the bubble churn flow is more conductive to lift solid particles.Under the same amount of air inlet, the discharged amount of solid, liquid and lifting-efficiency increases first and then decreases with the increase of submergence ratio.The effect of air inlet on the performance of system is higher than that of submergence under the same operating conditions.During the low flow rate of air, the particle concentration is low and most of it concentrate in the pipe wall.With the increase of air flow rate, the particles move to the core, and the particle concentration and the lifting velocity are more higher than other parts.In addition, the gas-liquid two-phase flow and gas-liquid-solid three-phase flow is appeared in turns in the riser with the change of air let, and the particle distribution and motion state also be affected by it.The system was proved a better performance, compared with the single particle, under the action of group particles.Particularly the velocity of particles in different radial positions are not equally distributed about the center line of the pipe.
Key words: airlift    solid phase    high-speed camera    image processing    

气力提升系统又被称作气举,利用空压机对气体进行压缩,可用来提升和输送流体以及固体的机械装置,其优点主要有:装置简单, 无运动部件, 制造成本较低,被广泛应用到河道清淤、石油开采、危险化工液体输送等领域[1-2]。随着气力提升技术应用领域的不断扩大,对其提升性能的要求也不断提高,提升管内部流场结构、各相运动特征的研究对此项技术发展具有重要意义。

利用高速摄像技术对气力提升管内流场进行拍摄,不仅没有干扰且能得到管内流场整体结构,还能对管内各相运动进行高分辨率识别。Hanafizadeh[3]采用高速摄像仪获得了提升管内气-液两相流的动态流型图像,并分阶段进行了研究,提取了气泡在管内的运动状态图和气泡表面的轮廓特征参数;Nimwegen等[4]研究了气-液两相流中气泡运动速度变化规律;随后Gupta等[5]研究了不同工况下两相流的流动特性,研究表明两相流的流型与流动特性具有一定的关系;Webers[6]和Kajishima[7]等研究了较高浸入率下气体流量、淹没率 (进气口到液面的高度与进气口到提升管顶部距离的比值) 和管径等特征参数对系统排水量、排固量和提升效率的作用规律,为后续研究做了良好的铺垫;Hanafizadeh等[8]对气力提升系统重要结构参数进行了分析,实验研究了阶梯型管、锥形管以及理论分析管道结构参数对系统提升性能的影响规律;Ahmed等[9]将实验与模拟相结合研究了装置处于低淹没率、大管径时, 系统结构参数、管内流动特征对提升效率的影响。

虽然国内外学者对气力提升技术已做很多的研究工作,但大多集中于两相流和结构参数方面,本文采用实验方法对气力提升的性能进行了深入研究,利用高速摄像机拍摄了实验过程中提升管内不同阶段的流动状态图,并利用图像处理技术[10]对管内三相流流场结构、流型及固相运动特征进行分析。

1 实验装置及方法 1.1 实验装置

为研究提升管内流型变化对提升性能的影响,在室内建立了小型气力提升实验系统,主要包括气力提升系统、供给系统、测试系统和数字图像采集系统,其中,气举泵和提升管构成气力提升系统,升降水箱、空压机与储能器组成供给系统,气体流量计、固-液分离器组成测试系统,光源、高速摄像仪、计算机、图像采集软件组成图像采集系统。实验系统示意图如图 1所示。

1.空气压缩机; 2.调压阀; 3.空气净化器; 4.气体流量调节阀; 5.涡街流量计; 6.气举泵; 7.多功能混合箱; 8.升降式水箱; 9.固液分离器; 10.提升管; 11.分离箱; 12.高速摄像仪。 图1 实验系统示意图 Fig. 1 Sketch of the experimental device

本实验的核心部分,即高速摄像系统,主要由高速摄像仪、计算机、光源、图像采集软件等组成。通过考察相机参数,并结合实验条件等最终选用约克公司研制的高速摄像仪,型号为PhantomM-LC310,摄像仪的基本参数:最大分辨率为1 280×800,最高拍摄速率650 000帧/s,速率可调,摄像物镜采用65短距镜头。在拍摄过程中,光源不应有闪烁现象,为了获得高质量图像,经过多次实验选取照明光源为6 400 K色温的三基色焚光灯。

装置连接的密封性对实验影响较大,因此气举泵底部进气口采用G1/2管螺纹连接,两端分别采用法兰将气举泵与提升管相连。由升降式水箱实现液面高度的调节。系统在提升液-固相时会产生强烈的振动,同时水箱顶板也将受到不断地冲击,因此要保证水箱的疲劳强度。提升管选取内径40 mm,厚度为5 mm的有机玻璃管。根据系统工作压力和量程大小选用型号LUGB-2040,精度为0.5%的涡街流量计。因提升介质需具备低吸水性、耐磨损与腐蚀等特征,选择球形麦饭陶瓷为测试颗粒 (密度为1 967 kg/m3,直径为10 mm)。1.2实验方法

1) 气力提升性能实验

性能实验主要是研究不同淹没率γ下,排液速率jL、排固速率jS和提升效率η随进气速率QG的变化规律,其中, jLjS计算公式如下:

$ {{j}_{\text{L}}}=\frac{{{Q}_{\text{L}}}}{A} $ (1)
$ {Q_{\rm{L}}} = \frac{{{m_{\rm{L}}}}}{{{\rho _{\rm{L}}}}} $ (2)
$ {j_{\rm{S}}} = \frac{{{Q_{\rm{S}}}}}{A} $ (3)
$ {Q_{\rm{S}}} = \frac{{{m_{\rm{S}}}}}{{{\rho _{\rm{S}}}}} $ (4)

式中, Q为体积流量,m3/s;A为提升管流通面积,m2m为质量流量,kg/s;ρ为液体密度,kg/m3;下标LS分别表示液相与固相。

气力提升效率是气力提升装置提升液体或固体的综合能力,其计算公式[11]如下:

$ \begin{array}{l} \eta = [\frac{{{\rho _{\rm{L}}}Q_{\rm{L}}^{^3}}}{{2{A^2}}} + {\rho _{\rm{L}}}{Q_{\rm{L}}}g({L_1}-{L_3}) + {m_{\rm{S}}}g({L_1} + {L_2}) + \\ \;\;\;\;\;\;\frac{{m_{\rm{S}}^{^3}}}{{2{A^2}\rho _{\rm{S}}^{^2}}}-{\rho _{\rm{L}}}g\left( {{L_2} + {L_3}} \right)\frac{{{m_{\rm{S}}}}}{{{\rho _{\rm{S}}}}}]/{P_0}{Q_{\rm{G}}}{\rm{ln}}\;\left( {\frac{{{P_{\rm{E}}}}}{{{P_0}}}} \right) \end{array} $ (5)

其中,

$ {P_{\rm{E}}} = {\rho _{\rm{L}}}g({L_2} + {L_3}) + {P_0}-\frac{1}{2}{\rho _{\rm{L}}}\frac{{Q_{\rm{L}}^{^2}}}{{{A^2}}} $ (6)

式中:L1为进气口到排料口之间的距离, m;L2为进料口到进气口之间距离, m;L3为进气口到水平面之间距离, m;P0为水平面处压强, Pa;PE为进料口处压强, Pa。

先通过调节水箱高度设置所需淹没率γ,随后启动空压机,由涡街流量计控制进气速率QG,同时调节淹没率与进气速率,此时气-液两相流开始稳定上升,当进气量稳定到实验测试值后,对沙箱供沙,待排固量趋于稳定后,分别测量采样时间内的排液量、排固量、提升效率η,其中,排液量、排固量由量筒和天平测量,提升效率通过模型计算可得其数值,整个过程为一次采样实验,采样时间设定为10 s。针对实验中不同变量测量3次取其平均值。实验装置如图 2所示。

图2 实验系统实物图 Fig. 2 Physical diagram of the experimental device

2) 管内流动特性测量

实验中保持摄像仪、提升管和光源固定不动,其中,光源与摄像仪尽量在同一水平面内,提升管垂直放置,光源与摄像仪镜头方向相垂直。开启高速摄像仪,待进气量、淹没率稳定后再进行拍摄,采集不同工况下的流型图像。管内流动特性实验与气力提升性能实验同步进行,对比相同实验条件下两者之间的关系。

2 实验结果及分析 2.1 气力提升性能研究

为了研究气力提升系统的整体性能,结合文献[12]的研究结果,设定3种不同的淹没率 (γ=0.4, γ=0.5, γ=0.6),图 3~5给出了不同淹没率下气力提升管顶端排液量、排固量以及提升总效率随进气速率的变化趋势。

图3 不同淹没率下排液速率随进气速率的变化规律 Fig. 3 Variation of outflow water flux with inflow air volume at various submergence ratio

图4 不同淹没率下排固速率随进气速率的变化规律 Fig. 4 Variation of outflow mass rate of particles with inflow air volume at various submergence

图5 不同淹没率下提升效率随进气速率的变化规律 Fig. 5 Variation of lifting efficiency with inflow air volume at various submergence ratio

图 3为不同淹没率下排液量随进气速率的变化规律。从图 3可看出:当颗粒直径 (ds=10 mm)、进气深度 (Lg=420 mm) 一定时,不同淹没率下,排液速率随进气速率的增大先迅速增大,后缓慢减小,且不同阶段管内呈现不同的特征流型。在进气初期提升管出口段无液体排出,当QG=8~12.5 m3/h>时,管内呈稀疏泡状流,液体多附着于管壁,出口端排液量较少,此阶段不利于气力提升系统对液体的提升;当QG=12.5~20 m3/h,管内气泡逐渐形成,泡状流也愈加密集,且充满整个管路,排液量显著增加;当QG=20~36 m3/h,提升管两端压力增加,且气泡体积逐渐变大,此时所出现的流型适于对液体的提升,排液量趋于峰值;随进气量的逐渐增大,即QG=36~55 m3/h,管内流型逐渐发生改变,液体仅附着于管壁形成一层液膜,此时系统对液体的提升效率迅速降低。根据已有实验可知:弹状流[13]或搅拌流为适宜提升流型。在相同进气量下,淹没率与排液量呈正比例关系;而在相同淹没率下,气量值的变化直接影响管内流型的改变。当气量值较小时,提升管内多为稀疏小气泡,不利于液体的提升;若气量值太大,气举泵底端形成密集气泡,在上升的过程中气泡体积不断增大,占据管内较大空间,此时也不利于液体提升。

图 4显示的曲线变化规律与图 3所示相似,不同淹没率下,排固量随进气速率变化的整体趋势相同,即排固量随着进气速率的增大先快速增大,达到最大值后趋于平缓或下降。当γ=0.6,QG=0~12 m3/h,出口段无固体颗粒排出;当QG=13~20 m3/h,排固量逐渐增多,且浓度增幅较快,颗粒大多贴近管壁随液体提升;当QG=20~30 m3/h,随着排液量的增多,更多固体颗粒包裹于液体中被提升至管外,颗粒浓度趋于峰值,此阶段提升管振动增大且传出固体颗粒急剧碰撞的声音;当QG=30~35 m3/h,此时颗粒浓度最大,排液量与排固量均达到峰值,管内液体包裹固体颗粒呈团状提升态,此时提升管振动幅度与颗粒碰撞噪音均达到最大。由理论分析可知:在气-液两相流中,相同淹没率下管内流型随气量值的增加而发生周期性的变化。在气-液-固三相流[14]阶段,颗粒随液体一起被排出管外,在达到临界气量值之前,进气口处形成较小局部真空,进料口与进气口之间的压力差不足以使颗粒提升,且颗粒只是在进料口以下呈脉动态;达到临界气量值后,两端压力也随之增大,虽然此时颗粒以进气口到进料口间的脉动为主,但仍有少量颗粒被提升到进气口以上段。根据已有研究可知:当气-液-固三相流段的气量值大于临界气量值即可将颗粒排出管外,随着进气量的不断增大,管内颗粒浓度与排固量均增大;当气量值增加到一定范围时,管内流型发生明显转变,此阶段提升管内三相流中气泡所占的体积很大,液体大部分附着于管壁,已不能将颗粒完全包裹,排固量和排液量均降低,故此时系统提升性能明显下降。

图 5可知:在相同淹没率下,提升效率随着进气速率的增大先快速增至最大值后逐渐降低。在相同气量值下,淹没率越大,系统提升效率越高。当进气速率小于20 m3/h时,提升管内多为密集型气泡,系统排液量远高于排固量,此时系统提升效率增长较快;随着进气量的增加,提升管内固体颗粒逐渐增多,排固量随之增加,但此时管内颗粒与颗粒、颗粒与管壁的碰撞逐渐加剧,液体对颗粒的拖曳力降低,颗粒浓度升高所损失的能量也增多,因此提升效率明显降低。同时由图 5可知,最大排固量、最大排液量和最大提升效率所对应的气量值随淹没率升高而减小。

2.2 提升管内流场分析 2.2.1 流场结构分析

利用高速摄像仪并结合图像处理技术对提升管内气-液-固三相流动态特征进行分析,同时为性能实验的研究提供新的思路与支撑。实验中,提升管以进气口为界,下段为液-固两相流,上段为气-液-固三相流。图 6γ=0.6时提升管内流场特征,图像采集时间间隔一致。在较低气量值下,液体的拖曳力小于固体颗粒临界提升力,此时颗粒在进料口底部呈上下脉动态,管内以液相提升为主,且有较多不规则气泡分布于提升管内[15]。当达到颗粒提升的临界气量值后,液体的拖曳力大于颗粒临界提升力,颗粒脱离沙床随液体上升进入进料口,经提升管下段、气举泵、提升管上段最终被排出管外。随后继续增大进气量,提升管内气泡数量不断增多,并且小气泡在上升过程中不断聚合形成体积较大气泡,因气泡内外压差增大,其上升速度不断增大,拖动液体一起上升。同时,固体颗粒在液体与气泡联合作用下被快速提升,提升管内颗粒浓度呈阶段性变化,群颗粒的提升也是非连续的;此时颗粒与气泡非均匀分布于管内,提升管内颗粒浓度达到最大。随着气量值继续增大,管内气体流速过快,紊动加强,流场瞬变特性显著,此阶段不利于液-固相的提升。

图6 提升管内流场特征 Fig. 6 Flow dynamic characteristics in riser

对相同工况下管内流场动态特性进行分析,并结合Omar等[16]对气泡上升运动规律的研究可知,随着气量值的增加,提升管内流型呈周期性变化,即稀疏型泡状流、密集型泡状流、泡状搅拌流、混合搅拌流、稀疏型泡状流依次循环,其中泡状搅拌流更利于液-固相的提升。

2.2.2 颗粒运动分析

图 7γ=0.5、QG=25 m3/h时,提升管内单颗粒速度随径向位置的变化。由图 7可知:固体颗粒在管芯的运动速度明显高于其靠近管壁位置的速度,管芯与管壁的速度梯度较大,这是由于流体的黏滞性所导致的。由气力提升基本原理知,固体颗粒在液体拖曳力与气泡浮力的共同作用下被提升至管外。在流体黏滞性的作用下,提升管管壁处液体拖曳力减小,此处颗粒速度随之降低,因此在颗粒提升过程中其速度受径向位置影响显著;同时由于固相与液相密度差较大,颗粒运动特性受两相基本特性影响,如颗粒形状、混合密度、流速等[17]

图7 提升管内单颗粒速度随径向位置的变化 Fig. 7 Variation of single particle velocity with radial position in riser

图 8为群颗粒提升时两个代表性颗粒的速度变化图。

图8 群颗粒提升时颗粒的瞬时速度 Fig. 8 Instantaneous velocity in the stage of particle group

图 8可知:提升过程中颗粒在管内发生振荡,轴向速度变化大。管中颗粒的运动特性与混合流体基本性质密切相关; 并且当粒径相同时群颗粒滑移速度小于单颗粒,即颗粒浓度越高,滑移速度越小。图 8中存在颗粒运动速度小于零的情形,这是由于提升过程中颗粒相互碰撞,碰撞后两颗粒速度方向与速度大小均发生变化,但提升管内混合流体整体仍呈上升趋势。

系统对群颗粒进行提升:低气量值时,管内颗粒数量少且部分颗粒跟随管壁处液体被排出管外;随着气量值的增加,管中颗粒浓度升高,同时受到径向力的作用向管中心运动,混合流体整体流速升高,此时可获得最佳提升性能;当气量值增加到一定程度,混合流体流型发生明显转变,管内以气泡和管壁处液体上升为主,排液量和排固量降幅较大,此时固体颗粒受径向力与进气速率的影响呈明显螺旋式上升。

3 结论

在固定气量值下,气力提升系统的排液量、排固量和提升效率随淹没率升高而增加,进气速率的变化对气力提升性能有着显著影响。相同淹没率下,存在最佳气量值使得系统排液量与排固量达到最大。可通过合理优化系统运行参数与结构参数得到最佳提升性能。

提升管内流型随气量值的变化呈周期性变换,分别为稀疏型泡状流、密集型泡状流、泡状搅拌流、混合搅拌流、稀疏型泡状流,其中泡状搅拌流阶段系统提升性能较好。

通过分析高速摄像系统得到的管内混合流体运动状态图可知:不同气量值下,管内液相与固相的分布状态与运动特征均不同,液-固两相在提升过程中有向管芯运动的趋势。当气量值较大时,管内流型变化明显,出现不利于提升的流型 (混合搅拌流),此时颗粒与液体随机分散于管内,且整体呈螺旋式上升,这从内部机理角度为性能实验结果提供了合理的解释。相同工况下,群颗粒提升性能优于单颗粒,并且颗粒瞬时速度与颗粒浓度受淹没率影响较大。

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