搅拌釜流场分析实验实验指导书.docx

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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

1、实验目的

1、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。

2、了解搅拌釜的结构模型及其控制系统。

3、了解PIV系统的工作原理并掌握其操作方法。

4、掌握Tecplot对实验拍摄图像的后处理。

2、实验装置介绍

1、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250mm。

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：

2456pixel×2056pixel，最高采集速率16fps，像素灰度等级为12bit，使用PIV模式；镜头：

NikonF24mm/2.8；同步控制器：

时间精度0.25ns；使用锁相/外同步模式；光学滤镜：

532nm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2PIV系统实验装置图

3、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）

3、实验原理

1、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。

2、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

2、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9PIV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以获得颗粒群在时刻的运动速度。

3、混合时间

混合时间通常采用褪色法、PH值法、电导率法和温差法来测定。

本实验平台采用温差法来测定混合时间。

实验平台的软件通过3根置于不同位置的温度传感器实现对3点温度实时检测与传输，控制柜将温度传感器传来的电信号加以处理传输到软件。

实验时，在液面一固定位置处瞬间加入固定量、固定温度的热水，然后通过槽中不同位置的温度传感器来检测温度的变化，判断混合进行的程度。

过程中，软件自动记录达到混合要求所使用的时间，并同步绘制出温度-时间图像，对搅拌过程的进行及搅拌效果有直观的反映。

4、搅拌功率原理

搅拌功率是工业混合设备设计的重要参数，直接影响到搅拌装置所需要的电动机相齿轮变速箱等的大小，相对其它特征参数，搅拌功率的测量装置比较方便，单层桨的搅拌功率研究的比较充分，包括搅拌桨本身的几何形状和尺寸，内部构件和操作参数等对搅拌功率的影响，有比较多的关联式可以参考。

本实验是用永田进治公式做为参考。

4、实验内容

1、搅拌釜的粒子图的拍摄，Tecplot软件进行图像后处理

2、混合时间的测定。

3、搅拌功率的测定

五、控制柜操作介绍

本实验所用控制柜包括电源开关、升降开关、启动和停止开关和软件操作界面，其中操作界面可以选择自定义桨叶，输入桨叶各尺寸的相关参数，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，控制柜外部设置如图10。

图10控制柜

实验中，顺时针旋转电源开关90度，电源指示灯亮和操作界面屏显启动，上升开关和下降开关实现机架在垂直方向的移动，每按一次上升或下降开关一次机架会移动一个固定的距离，在操作界面输入相应的转速后、按启动按钮、再按操作界面的启动可实现搅拌装置的旋转，停止按钮可使搅拌装置停止运转。

操作界面如图11。

图11操作界面

六、搅拌功率

搅拌需要的功率是叶轮形状、大小和转速、液体性质、搅拌槽的尺寸和内部附件（有无挡板及其它的障碍物）以及叶轮在槽内位置的函数。

本实验的搅拌功率是通过扭矩传感器传到软件中，由控制柜直接进行计算的，搅拌功率的计算公式如下：

搅拌功率，

功率准输，

对全挡板情况，Re数用Reθ代替。

式中为测量得液体的粘度（Pa·S），为搅拌转速（rpm），为液体密度（Kg/m3），d为浆叶直径（m），H为液体深度，D为釜体直径，雷诺数，b为浆叶宽度（m），θ为斜浆浆叶与水平面的倾斜角（°）。

A、B、P为系数。

七、Tecplot在本实验中的应用

Tecplot是Amtec公司推出的一个功能强大的科学绘图软件。

它提供了丰富的绘图格式，搞过X-Y曲线图，多种格式的2D、3D面绘图和3D体绘图。

MicroVec3可以通过相关的快捷面板直接连接到Tecplot10软件上，进行当前缓存上PIV数据结果文件的显示。

该功能的使用过程为：

查看→启用Tecplot（见图5.55）→SelectInitialPlot（点击确定）→开始MicroVec（单击）（见图5.56），此时就可以使用该功能对数据文件进行查看了，本实验主要是用Tecplot得到搅拌釜的速度分布图和流场分布图。

使用该功能的过程详见图12、图13：

图12启动Tecplot

图13启动Tecplot的宏命令

调出宏之后点击“开始MicroVec”

，即可得到速度分布结果。

若要得到流线分布结果，先反勾选Vector

，再点击

，再将“ToolDetails”栏中的“rection”选为Both

。

八、流场分析实验实验步骤：

1、首先熟悉一遍整个实验装置和PIV系统。

2、打开控制器电源，在软件操作截面输入需进行实验搅拌器的各个参数，启动搅拌器。

3、打开软件

，弹出对话框后，确保对话框的选项为

，点确定进入软件。

4、进入软件后，点击硬件控制

，弹出对话框

，相机控制中的通讯端口设定为Camlink，工作模式设定为PIV模式。

5、加入示踪粒子，运行实验测试段。

6、确定最合适观察粒子的焦距和光圈：

点击硬件控制的激光器，出现对话框

，另将图像放大

调整到100%后，点击运行，激光器运行后调整高速相机的焦距和光圈以达到最佳观察位置，即使粒子清晰可见。

点击结束。

7、数字标尺的测定

在标尺测定前，把激光器1和激光器2的能量都调整到10%，另外打开高速相机的镜头盖、把图像放大调整为缩放模式。

设定之后运行激光器，将标尺放在合适的位置（标尺在竖直平面），点击记录

，记录完之后点击显示下一幅图像

，在记录的十幅标尺图像中选择一幅标尺最佳位置的图像最为数字标尺。

单击数字标尺

，弹出对话框

，反勾选显示矩阵区域，在标尺的刻度内单击左键拖动线条到某一位置，在数字标尺的“长度”栏会显示所拖动线条的长度，检查此长度和标尺上选定长度是否相等,如不相等，手动输入长度。

设定之后单击图像放大率，勾选显示矩阵区域。

保存数字标尺，单击另存为

。

8、图像记录

在图像记录之前，盖上镜头盖，光圈调整回最佳位置；激光器1和2的能量

调整为100%，工作模式设定为外同步。

若需要观察和记录不同角度和位置的图像，可以调整“相位延时”栏，测定桨叶转过不同角度时的图像，调整初始位置也可通过“相位延时”栏完成。

（注：

激光器运行后若需要调整其他参数，一定要停止激光器后再调整。

）

打开“硬件控制”窗口，选择“图像记录”栏，在“图像缓冲”栏中“开始位置”及“截止位置”中输入存放图像的缓冲位置

，设定之后点击记录。

9、一对图像分析

在分析之前应先查看图像是否符合实验要求：

在已经记录完成的图像中单击左键拖动矩形区域到某一位置以选定计算位置，打开“PIV向量计算”窗口

，弹出对话框

，单击确定进行图像分析。

打开“系统信息”窗口，选择“向量修正”栏

，在分析后的图像速度较大的区域中点击分析结果，在“数值设定”栏中的U、V值会根据位置的不同而变动，保证U或V其中一个的值在4-8之间，若不在，需要重新调整跨帧时间。

打开“硬件控制”窗口，选择“激光器”栏，在“跨帧时间”栏目中重新设定跨帧时间（U或V的值太小，将跨帧时间调大，反之，调小），设定完之后重新记录图像。

重复上述操作以达到实验要求。

判定图像符合实验要求后，开始对一对图像进行分析，打开“PIV向量计算”窗口

，弹出对话框

，反勾选“迭代计算”栏，再勾选“使用变形窗口算法”和“迭代计算”栏，点击确定进行计算。

10、PIV图像批处理

打开“PIV批处理”窗口（“分析”菜单“PIV计算批处理”中“PIV计算批处理”命令）并设置好需要批处理的图像，窗口中

“起始”表示开始进行批处理的图像缓存序号，“结束”表示需要进行批处理的最后一个缓存号。

一般地，批处理采用默认的计算方法，点击“确定”按钮，软件会对设定图像进行批处理并按照前面设定的修正参数自动修正计算结果。

此时计算所得向量分别保存于1、3、5……图像中。

11、保存计算结果

调出“存储图像序列号”窗口

对图像序列进行保存。

调出“存储向量文件”窗口

对向量文件进行保存。

调出“保存批处理结果”窗口（“分析”菜单“PIV批处理结果”中“保存批处理结果”），对批处理结果进行保存。

12、对数据进行进一步处理

用Tecplot软件

打开上一步保存的批处理结果，弹出窗口

，点击OK。

进入软件，打开宏（“Tools”菜单下“QuickMacroPanel”）

。

调出宏之后点击“开始MicroVec”

，即可得到速度分布结果。

若要得到流线分布结果，先反勾选Vector

，再点击

，再将“ToolDetails”栏中的“rection”选为Both

。

九、混合时间实验实验步骤及公式：

1、在搅拌容器中加入适当的冷水（需要漫过最短的温度传感器）

2、打开控制柜电源，在操作界面输入所用搅拌器和搅拌介质的相关参数后，运行搅拌装置。

3、在搅拌容器中注入一定的热水。

4、点击操作界面计时，计时开始，待温度1、温度2、温度3显示温度一致时即为混合时间，混合时间测量操作界面如图14、15。

图14混合时间测量界面

图15混合时间图像显示

5、计算公式：

混合时间常用混合效率数来表征混合效果，混合效率数公式如下：

，其中Ce混合效率数（n/r·min-1），Tm混合时间（s），Pv单位体积的功率，（w/m3），

为测量得液体的粘度（Pa·S）。

九、实验注意事项：

1、在进入实验室前，同学必须充分预习此实验指导书中的相关内容。

2、进入实验室后必须遵守实验室规则，听从教师指导，按操作步骤进行，装置按钮、操作平台非经老师允许不得任意拨动。

3、脉冲激光器属于高能量激光，严禁眼睛直接从片光源出口观察激光或者是经过反射镜反射的激光。

4、实验工作完毕后，首先关闭相机镜头盖、关闭激光器片光源出口。

关闭图像采集系统电源。

关闭激光器灯和Q开关，经过稳定冷却后方可关闭激光器电源。

5、实验结束后要整理现场，保持整洁。

附录：

PIV测速系统使用规范说明

1、系统介绍

二维粒子图像测速系统如下图：

图9二维粒子图像测速系统示意图

2、实验数据采集：

（1）将激光片光调整至测量位置

将激光片光厚度调整至1mm左右，并用片光照射研究区域（注意激光器有关操作守则）。

（2）调整相机架至合适位置

将相机架（三脚架或坐标架）放置于合适位置并将之调整至合适高度以放置相机。

（3）安装CCD相机及镜头。

将镜头安装在CCD上并将CCD相机固定于相机架上；连接好CCD的电源线以及CCD与图像板之间的数据线。

注意：

安装CCD需要切断电源插座供电，盖上镜头盖，镜头光圈调至最小（光圈数最大）。

（4）开机运行软件

开机运行软件，调出“硬件控制”窗口（“图像”菜单“硬件控制”命令或

），在“相机控制”栏下，对#1图像板对应相机控制窗口中，通讯端口选择“CamLink”，检测通过后即可进行下一步工作。

若检测不通过，用户可以通过拔插相机上的电源进行复位，但不可热拔插相机数据线，然后再重新上述检测工作；若仍然检测不通过，关闭计算机后，关闭电源，重新进行CCD的数据线以及电源线的连接。

（5）测量系统对焦

将“相机控制”窗口中相机“工作模式”选择为“PIV模式”。

加入示踪粒子，运行实验测试段。

调出“硬件控制”窗口（“图像”菜单“硬件控制”命令或

），选择“激光器”栏，将“高级设定”中对应项目设置完毕。

点击“设置参数”按钮，将激光器运行参数设置完毕，点击“运行”按钮。

调出实时显示拍摄图像功能（“图像”菜单“实时显示图像”命令或

）；打开镜头盖，将镜头光圈调整至合适大小，依照片光照射区域中粒子将实时显示图像调节清楚。

至此，测量系统调焦完毕，点击“激光控制”窗口中“停止”按钮，停止激光器工作，准备正式工作。

（6）图像记录

打开“硬件控制”窗口（“图像”菜单“硬件控制”命令或

），选择“图像记录”栏，在“图像缓存”栏目中“开始位置”及“截止位置”中输入存放图像的缓存位置，比如，“开始位置”输入1，“截止位置”处输入100，表示所记录图像保存在图像缓存中1-100中，一共采集100幅图。

运行实验，到合适的运行时间时，点击“激光控制”窗口中“运行”按钮，运行激光器。

点击软件实时显示按钮实时显示图像，在合适时间点击“图像记录”窗口中“记录”按钮，图像会被依次保存于图像缓存中（注意：

此时图像保存在内存中，并没有保存在硬盘上）。

（7）查看图像是否符合实验要求

查看图像分为两步进行，首先查看图像中粒子分布是否比较好，主要标志在于粒子数量比较多，且分布比较均匀。

其次，对经过第一步筛选图像进行初步计算：

调出“数字标尺”窗口（“查看”菜单“数字标尺”命令或

）。

在待分析图像中选择合适的计算区域，并调用“PIV向量计算”窗口（“查看”菜单“PIV计算窗口”命令或

），设置好合适的计算参数，进行PIV计算。

如果计算所得向量分布比较平滑，明显的错误矢量较小，或经过修正后结果令人比较满意，均表示所采集图像满足实验要求。

如果对采集图像不满意，重复6、7两个步骤至采集到满意的粒子图像。

（8）保存记录图像

打开“保存图像序列”窗口（“文件”菜单“保存图像序列”命令或

），点击“浏览”按钮，设置图像保存所在目录，需要注意的是，图像序列保存时会自动为图像标号，默认标号为000001-999999，所以，在给第一幅图像取名时建议使用如图10所示“20-”的形式，其中比较常见的形式是将文件名前半部分设置为脉冲光时间间隔，中间加一个“-”以便让后继图像编号与文件名前面部分区分开。

图10保存系列图像命名

（9）拍摄标尺图像

经过上述图像采集步骤，已经将实验图像保存至硬盘中，但对于图像中所拍摄实验段与实际尺寸之间的转换关系则没有一个清楚的了解，为此，就需要拍摄标尺图像。

获得标尺图像大致有两种方法，一种是利用所拍摄图像中某些实验段的特征尺寸，如已知的管道内径或外径尺寸，或实验段中某个物体的实际长度，将拍有这些特征尺寸物体图像保存下来就可作为标尺图像（标尺图像具体用法见下一节）。

另一种常用的标尺图像就是在激光片光处放置一把尺，只要在所拍摄图像中让尺上刻度清楚地显示出来，这把尺的图像就可作为标尺图像。

以上二维PIV实验图像采集流程图如图11所示：

图11二维PIV实验流程图

3、实验图像分析

实验时不可能对每幅图像都进行具体分析，本节将对此具体叙述。

以处理一对图像为例，从采集图片中分析获得实验数据步骤如下：

（1）读入标尺图像。

选择图像缓存第一幅位置，打开标尺图像（“文件”菜单“打开”命令或

），所截取标尺图像如图12所示：

图12标尺图像

在采集标尺图像时，由于采集时光线不够，所获得的标尺图像可能偏暗，此时，调出“灰度直方图”窗口（“查看”菜单“直方图”命令或

）（见图13），由图中可以看出，由于图像整体偏暗，灰度分布集中于比较小的一部分，使用鼠标左键点击右边小三角并往左边拖动，将灰度分布调整为如图14所示：

图13灰度直方图图14灰度分布调整

此时，图12所示标尺图像变为如图17所示很清楚的图像：

图17灰度分布调整后的标尺图像

（2）图像标定

调出“数字标尺”窗口（“查看”菜单“数字标尺”命令或

），取消“显示矩形区域”这一选项，在图像中按着鼠标左键沿着刻度线画一条线（见图18）：

图18

如图18所示，软件自动识别出图18中所绘制直线实际长度为59.98mm，同时自动计算出图像放大率（此时的图像放大率为0.0556936），在“跨帧时间”栏目中输入实验时所采用的跨帧时间（此处的跨帧时间为100us）。

这里值得注意的是，如果所拍摄的标尺图像质量很差，或者使用其他非标准的尺子、物体（如实验使用的模型尺寸）来标定时，需要手动在“长度”栏目下输入绘制直线的实际长度，然后点击“图像放大率”。

如图19.

图19

（3）读入粒子图像

打开“打开图像序列”窗口（“文件”菜单“打开图像序列”命令或

），将大量实验图像读入所设定的图像缓存区中。

（4）一对图像分析

在对大量图像进行PIV批处理前，首先需要对一对图像进行一下计算，以便为批处理计算以及速度修正设置计算参数。

选择计算区域。

在实际实验时，有时采集所得图像并不是所有区域图像质量都比较好，或并不需要对采集图像整体都进行PIV计算，此时，就需要选择计算区域。

打开“数字标尺”窗口（“查看”菜单“数字标尺”命令或

），划定需要进行PIV分析区域，并选择“锁定标尺”选项（见图20）。

“锁定标尺”选项的主要作用在于下一步图像批处理时，均对现在选择区域进行计算。

图20

打开“PIV向量计算”窗口（“查看”菜单“PIV计算窗口”命令或

），按照设定的参数进行PIV计算。

如果对本次向量结果以及修正后结果不满意，可以删除本次结果重新选择计算参数或不同区域进行计算（“分析”菜单“清除当前向量”命令），在所弹出的询问窗口中点击“确定”按钮，即可删除本次计算结果。

选择合适放大比例显示向量。

如果计算所得向量过小，可采用调节系统信息窗口（“查看”菜单“系统信息”命令或

）中“向量长度”栏目选择使用合适的向量显示长度（见图21）：

图21选择向量显示长度

如果觉得向量显示不够清楚，可选择“图像”菜单中“显示图像”来仅仅显示向量图像。

打开“向量修正”窗口，对计算所得向量场进行修正。

打开“向量修正”窗口的另一个作用在于：

打开此窗口后，后继批处理计算时会调用窗口中参数对计算结果进行修正。

（5）PIV图像批处理

打开“PIV批处理”窗口（“分析”菜单“PIV计算批处理”中“PIV计算批处理”命令），并设置好需要进行批处理的图像（见图22）。

窗口中“起始”表示开始进行批处理的图像缓存序号，“结束”表示需要进行批处理的最后一个图像缓存号。

一般地，批处理采用默认的计算方法，点击“确定”按钮，软件会对设定图像进行批处理并按照前面设定的修正参数自动修正计算结果。

此时计算所得向量分布分别保存于1、3、5……图像中。

图22PIV计算批处理

（6）保存计算结果

在保存计算结果前，首先需要浏览一下批处理结果。

在实际实验采集所得一批图像中，不排除有些计算结果所得向量场无法令人满意，对于这样的计算结果，有两种处理方法，不保存这个计算结果，另外一种就是对其中某些图再次选择计算参数重新进行计算。

上述工作完毕以后，需要保存计算结果。

调出“保存批处理结果”窗口（“分析”菜单“PIV计算批处理”中“保存批处理结果”命令），设定保存的文件名以及需要保存的计算结果范围。

需要注意的是，如果批处理采用第一种计算方式，计算数据文件名后半部分中分别有000001、000003、000005……。

（7）对数据做进一步处理

至此，数据处理完毕，用户可使用Tecplot、origin等软件对数据文件做进一步的分析。