本發明涉及一種垂直管氣液兩相流流型演示實驗裝置。
背景技術：
在石油及天然氣開采過程中，都在一定程度上存在著氣液兩相流動，尤其是在原油開采過程中地層中的流體進入井筒，隨著流體在沿井筒垂直流動過程中其壓力逐漸下降，當流體壓力小于飽和壓力Pb時，氣體開始解析，這時就開始出現氣液兩相流動，隨著流體壓力的繼續降低，氣體開始逐漸解析，在氣液兩相流流動中主要有四種流態，即泡狀流、段塞流、過渡流、環霧流。
因此，采用調整壓力和流量完全可以模擬垂直管流氣液兩相流動的各個流態及相互之間的過渡過程，兩相垂直管流主要存在四種類型，即氣液、氣固、液液(如油、水兩相)以及液固，其中氣液兩相流垂直管流是最為復雜的，這是由于氣液兩相中存在可變形的界面，其中氣相具有高度的可壓縮性。這兩相界面分布不同幾何形態或不同流動結構形式的現象稱之為兩相流動流型。簡稱流態或流型，不同的流態遵循各自不同的流動規律。
目前，市面上存在的通過透明管觀察流態的演示裝置，大多只能演示泡狀流、段塞流等一種或兩種容易實現的流態，對于過渡流、環霧流，尤其是過渡流并不能直觀的觀察到，且各種流態并沒有明顯的交叉點，而是逐漸過渡的，采用這種方式亦不能觀察到一種流態是如何演變成另一種流態的；容易誤導學生，影響學生正確理解流態及演變，不能到達實驗目的，從用影響教學效果。
而采用高速攝影、X光拍攝，還有采用各種類型的探針間接測取有關流態變化的信息，用于推算及判斷流態，但是這些裝置操作復雜，投入巨大，需要專業的知識和豐富的技術才能進行操作，且設備占地面積大，不適用于教學實驗。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供一種垂直管氣液兩相流流型演示實驗裝置，本發明操作簡單容易實現，克服了市面上現有裝置不能觀察到各種流態是如何過渡到另一種流態的缺點，克服了現有透明管不能觀察高速的缺陷，也克服了現有采用高速攝影、X光攝影設備昂貴且操作復雜的缺陷。
本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是：一種垂直管氣液兩相流流型演示實驗裝置，包括觀察筒、彎管、緩沖筒、水管、水箱、水泵、液體加壓裝置、液體流量控制閥門、氣液混合裝置、氣體流量控制閥門、氣罐、氣體加壓裝置、空壓機、過度管；
所述氣液混合裝置左右兩端分別具有出口、進氣口，頂部具有進液口，所述氣液混合裝置的進液口、液體流量控制閥門、液體加壓裝置、水泵、水箱依次連接；
所述氣液混合裝置的進氣口、氣體流量控制閥門、氣罐、氣體加壓裝置、空壓機依次連接；氣罐與氣體加壓裝置之間還設有閥門；
所述過度管具有大徑端和小徑端，小徑端與氣液混合裝置的出口連接，大徑端與觀察筒下端連接；
所述彎管一端與觀察筒上端連接，另一端與緩沖筒上端連接；
所述水管一端安裝在緩沖筒底端上，且與緩沖筒內腔相通，另一端位于水箱內。
進一步的是，所述氣液混合裝置的進液口與液體流量控制閥門之間設有液體單流閥，所述氣液混合裝置的進氣口與氣體流量控制閥門之間設有氣體單流閥。
進一步的是，所述氣罐頂部設有安全閥。安全閥是啟閉件受外力作用下處于常閉狀態，當氣罐壓力升高超過規定值時，通過向氣罐外排放空氣來防止罐體內介質壓力超過規定數值的特殊閥門，從而保護罐體，避免壓力過大造成氣罐損壞。
進一步的是，所述氣罐頂部、液體流量控制閥門與液體單流閥之間和氣體流量控制閥門與氣體單流閥之間均設有壓力表。壓力表可檢測各處壓力變化，也可要求壓力表具有報警功能，當某處壓力大于最大工作壓力時進行報警。
本發明具有以下有益效果：本發明中液體是經過凈化后的自來水，氣體采用空氣，氣體和液體來源穩定且有本裝置所帶部件制取，其來源穩定且成本較低，具有經濟效益明顯；且采用加壓后的空氣和水模擬氣液兩相混合流動，通過壓力和流量調節即可模擬垂直管氣液兩相流動的各種流態及過渡過程，操作簡單容易實現，克服了市面上現有裝置不能觀察到各種流態是如何過渡到另一種流態的缺點，即模擬高速流動亦可模擬低速流動，克服了現有透明管不能觀察高速的缺陷，也以克服了現有采用高速攝影、X光攝影設備昂貴且操作復雜的缺陷。本裝置只需要調節流量閥門和加壓裝置壓力即可模擬泡狀流、段塞流、過渡流以及環霧流，且觀察到這幾種流態的演變過程。
附圖說明
圖1為本發明的結構示意圖。
圖中所示：1-觀察筒，2-彎管，3-緩沖筒，4-水管，5-水箱，6-水泵，7-液體加壓裝置，8-流量控制閥門，9-氣液混合裝置，10-氣體流量控制閥門，11-氣罐，12-氣體加壓裝置，13-空壓機，14-安全閥，15-過度管，16-液體單流閥，17-氣體單流閥，18-壓力表。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明的具體實施方式做進一步的描述，并不因此將本發明限制在所述的實施例范圍之中。
如圖1所示，本發明的一種垂直管氣液兩相流流型演示實驗裝置，包括觀察筒1、彎管2、緩沖筒3、水管4、水箱5、水泵6、液體加壓裝置7、液體流量控制閥門8、氣液混合裝置9、氣體流量控制閥門10、氣罐11、氣體加壓裝置12、空壓機13、過度管15；
上述觀察筒1由透明、耐高壓的塑鋼玻璃制成的圓筒，最大工作壓力15MPa，用于觀察各種流態及演變過程；緩沖筒3主要是暫時儲存氣液混合物，防止氣液混合物因為壓力變化過大影響實驗效果；水箱5主要作用是回收實驗后的水和儲存實驗用水；水泵6主要作用是為液體加壓裝置7供水，確保水流穩定；液體加壓裝置7主要作用是將液體加壓到實驗所需壓力(可自由設置加壓壓力)，最大工作壓力15MPa；液體流量控制閥門8、氣體流量控制閥門10主要作用是分別調節液體、氣體的流量大小；氣液混合裝置9使氣體和液體充分混合，保證實驗效果，一般為選用氣液混合器；氣罐11主要用于存儲氣體具有緩沖作用，由于氣體可壓縮行大，防止氣體壓力變化，主要作用是保證圧力和氣流穩定；氣體加壓裝置12將氣體加壓到實驗所需壓力(可自由設置加壓壓力)，最大工作壓力為15MPa，空壓機13提供穩定的氣源。
所述氣液混合裝置9左右兩端分別具有出口、進氣口，頂部具有進液口，所述氣液混合裝置9的進液口、液體流量控制閥門8、液體加壓裝置7、水泵6、水箱5依次連接；水泵6具有水泵進水口和水泵出水口，液體流量控制閥門8、液體加壓裝置7、水泵進水口之間分別通過連接管連接，
所述氣液混合裝置9的進氣口、氣體流量控制閥門10、氣罐11、氣體加壓裝置12、空壓機13依次連接；氣體流量控制閥門10、氣罐11、氣體加壓裝置12之間也分別通過連接管連接，氣體流量控制閥門10與氣罐11之間還設有閥門；
所述過度管15具有大徑端和小徑端，小徑端與氣液混合裝置9的出口連接，大徑端與觀察筒1下端連接；過度管15為氣液混合裝置9與觀察筒1之間起到過度連接的作用，過度管15與觀察筒1之間可采用法蘭連接，也可采用螺紋連接；
所述彎管2一端與觀察筒1上端連接，另一端與緩沖筒3上端連接；
所述水管4一端安裝在緩沖筒3底端上，且與緩沖筒3內腔相通，另一端位于水箱5內。
為了更進一步調節液體和氣體的流量，優選的實施方式是，所述氣液混合裝置9的進液口與液體流量控制閥門8之間設有液體單流閥16，所述氣液混合裝置9的進氣口與氣體流量控制閥門10之間設有氣體單流閥17。
氣罐11為儲氣的作用，且氣罐11內的壓力具有規定值，當氣壓高過規定值時，會導致氣罐11損壞，優選的實施方式是，所述氣罐11頂部設有安全閥14。安全閥14是啟閉件受外力作用下處于常閉狀態，當氣罐11壓力升高超過規定值時，通過向氣罐11外排放空氣來防止罐體內介質壓力超過規定數值的特殊閥門，從而保護罐體，避免壓力過大造成氣罐11損壞。
為了便于觀察裝置中各處的壓力，優選的實施方式是，所述氣罐11頂部、液體流量控制閥門8與液體單流閥16之間和氣體流量控制閥門10與氣體單流閥17之間均設有壓力表18。
本發明的工作流程為：液體是采用經過凈化后的自來水，水箱5中的水在水泵6的作用下通過液體加壓裝置7(可根據需要設置所加壓力大小)，液體加壓裝置7將水加壓到設置壓力經過液體流量控制閥8(可根據需要調節流量大小)，液體流量控制閥8通過管匯與液體單流閥16連接，流經液體單流閥16進入氣液混合裝置9；而氣體則是在空壓機13的作用下進入氣體加壓裝置12(可根據需要設置所加壓力大小)，經過氣體加壓裝置12后進入氣罐11(氣體可壓縮行大，氣罐11具有儲氣體的功能，可提供穩定的氣源，防止氣體壓力波動，影響實驗效果)，氣罐11中的氣體通過連接管線與氣體流量控制閥10連接(可根據需要調節流量大小)，之后氣體流經氣體單流閥17進入氣液混合裝置9內與液體進行混合。在氣液混合裝置7中經過加壓的氣體和液體充分混合后通過過度管15進入觀察筒1，這時經過混合后的氣體和液體在垂直管中兩相流動，通過調節分別設置液體加壓裝置7和氣體加壓裝置12的壓力大小和調節液體流量控制閥門8和氣體流量控制閥門10的閥門即可觀察到不同的流態及各種流態的演變過程，之后氣液混合物流經彎管2進入緩沖筒3，緩沖筒3通過水管4與水箱5相連，這是液體進入水箱5被循環利用，而空氣則直接進入大氣，從實現氣液分離。