Vol.28 No.11 蔡军等：利用梯度磁场实现空气中氧气富集的实验研究 。1061。 式中，V为高纯氮气注入体积，C2为注入样气后 域)扩散造成的.由图6和图7可知随着进口流 的仪器示数C1为注入样气前的仪器示数. 量的增加，各取样点的氧体积分数变化量先增大 0.6 2 实验结果及分析 -■-Q,-20mL+min4 Qz=20 mL-min 0.5 -。-Q=30 mL.min 整个气隙磁场关于Z轴对称，因此只需对半 04 -t-Q,=40mL·min-l --Q=50 mL.min 边的气隙磁场区域进行取样分析，取样位置如图 -◆-Q,-60 mL.min-l 5所示.通过密封容器壁上的圆孔取样可以得到 磁场间隙端面出口处沿X轴方向的氧体积分数 变化情况，通过带有针头的塑料软管在侧面取样 0.1 可以得到磁场间隙内沿Z轴(X=0)上的氧体积 0 分数变化情况.另外，还对从流量计2出来的气 0.2 0.4 0.60.8 1.0 ZL 体进行氧体积分数分析.整个实验是在室温(25 下进行的，由于风机出口压力不大因此密封 图7不同进口流量Q1条件下磁场间隙内Z轴(X=0)上各 点的氧体积分数增量变化 容器内的压力也近似大气压力 Fig.7 Changes of the increment of oxygen volume fraction a 图6~8是出口流量Q2=20mL°min时， long the axis Z(X0)under different inlet flow 磁场间隙内各取样点的氧体积分数变化量随进口 流量的变化情况，以及从流量计2出来气体的氧 体积分数变化量随进口流量的变化情况. Qz-20 mL.min- 0.6 --Q,=20mL…min1 1.0--Q,=30ml.mim1 Q2=20 mL.min- -*-Q,=40mL·minl A 是0.8--Q,=50 mL.min- 0.4 -◆-Q,=60 mL.min 0.6 ★ 0.2 0.2 0 ◆ 20 30 40 50 60 Q/(mL.min-) 0 00.20.40.6 0.81.0 图8从流量计2流出气体的氧体积分数增量随进口流量Q X7(w2) 的变化 图6不同进口流量Q1条件下磁场间隙端面出口处各点氧体 Fig.8 Changes of the increment of oxygen volume fraction of 积分数增量的变化 gas flowing through Flowmeter 2 with inlet flow O Fig.6 Changes of the increment of oxygen volume fraction at the end outlet of the magnetic space under different inlet flow 后降低，当进口流量Q1=20mL·min1时，磁场 2, 间隙内各个点的氧体积分数变化量达到最大且 最大增量达到了0.98%（图6中A点所示），而从 由图6可知，对于所有进口流量，随着X值 流量计2流出气体的氧体积分数增量也到达最大 的逐渐增大，氧体积分数变化量也逐渐增加，约在 值0.65%（图8所示）.这表明，在Q2一定的情 X/(W/2)=0.789,即X=15mm附近达到最大 况下，进口流量Q1存在一个最佳值，通过图8可 然后又开始下降，这与图2所示的磁场分布一致， 以直观地看到这一点.这种情况可以解释为：当 X=15mm恰好是磁场开始产生场强梯度的地 Q1很小时，从磁场间隙两侧边界分流出去的气 方，是氧分子受到磁化力作用的起始点，所以这里 体相应就少，只有较少的氧气分子受到梯度磁场 氧分子聚集的最多.由图2可知，在0X< 的筛子”作用，所以磁场间隙内的氧体积分数变 十15mm的区间内，磁感应强度几乎相等，氧分子 化量很小.随着Q1增大，在Q2不变的情况下从 在该区间内不会受到磁化力作用，但图6却显示 磁场间隙两侧边界分流出去的气体量相应增加， 出该区间内的氧体积分数也有一个变化，而且各 更多的氧气分子受到梯度磁场的“筛子”作用.相 个点的变化量不同，这是由于聚集在梯度磁场区 应地，被梯度磁场束缚在磁场间隙内的氧分子也 域内的氟分f向气隙磁扬忠心区撼均匀磁场服cPu就越多困此磁场间隙内各点的氧体积分数变化ki式中, V 为高纯氮气注入体积, C2 为注入样气后 的仪器示数, C1 为注入样气前的仪器示数. 2 实验结果及分析 整个气隙磁场关于 Z 轴对称, 因此只需对半 边的气隙磁场区域进行取样分析, 取样位置如图 5 所示.通过密封容器壁上的圆孔取样可以得到 磁场间隙端面出口处沿 X 轴方向的氧体积分数 变化情况, 通过带有针头的塑料软管在侧面取样 可以得到磁场间隙内沿 Z 轴( X =0)上的氧体积 分数变化情况.另外, 还对从流量计 2 出来的气 体进行氧体积分数分析.整个实验是在室温( 25 ℃)下进行的, 由于风机出口压力不大, 因此密封 容器内的压力也近似大气压力 . 图 6 ～ 8 是出口流量 Q2 =20 mL·min -1时, 磁场间隙内各取样点的氧体积分数变化量随进口 流量的变化情况, 以及从流量计 2 出来气体的氧 体积分数变化量随进口流量的变化情况 . 图6 不同进口流量 Q1 条件下磁场间隙端面出口处各点氧体 积分数增量的变化 Fig.6 Changes of the increment of oxygen volume fraction at the end outlet of the magnetic space under different inlet flow Q1 由图 6 可知, 对于所有进口流量, 随着 X 值 的逐渐增大, 氧体积分数变化量也逐渐增加, 约在 X / ( W/2) =0.789, 即 X =15 mm 附近达到最大, 然后又开始下降, 这与图 2 所示的磁场分布一致, X =15 mm 恰好是磁场开始产生场强梯度的地 方, 是氧分子受到磁化力作用的起始点, 所以这里 氧分子聚集的最多 .由图 2 可知, 在 0 <X < +15 mm的区间内, 磁感应强度几乎相等, 氧分子 在该区间内不会受到磁化力作用, 但图 6 却显示 出该区间内的氧体积分数也有一个变化, 而且各 个点的变化量不同, 这是由于聚集在梯度磁场区 域内的氧分子向气隙磁场中心区域( 均匀磁场区 域)扩散造成的 .由图 6 和图 7 可知, 随着进口流 量的增加, 各取样点的氧体积分数变化量先增大 图 7 不同进口流量 Q1 条件下磁场间隙内 Z 轴( X =0) 上各 点的氧体积分数增量变化 Fig.7 Changes of the increment of oxygen volume fraction a￾long the axis Z ( X=0) under different inlet flow Q1 图 8 从流量计 2 流出气体的氧体积分数增量随进口流量 Q1 的变化 Fig.8 Changes of the increment of oxygen volume fraction of gas flowing through Flowmeter 2 with inlet flow Q1 后降低, 当进口流量 Q1 =20 mL·min -1时, 磁场 间隙内各个点的氧体积分数变化量达到最大, 且 最大增量达到了0.98 %(图 6 中 A 点所示) , 而从 流量计 2 流出气体的氧体积分数增量也到达最大 值 0.65 %(图 8 所示) .这表明, 在 Q2 一定的情 况下, 进口流量 Q1 存在一个最佳值, 通过图 8 可 以直观地看到这一点 .这种情况可以解释为:当 Q1 很小时, 从磁场间隙两侧边界分流出去的气 体相应就少, 只有较少的氧气分子受到梯度磁场 的“筛子”作用, 所以磁场间隙内的氧体积分数变 化量很小 .随着 Q1 增大, 在 Q2 不变的情况下从 磁场间隙两侧边界分流出去的气体量相应增加, 更多的氧气分子受到梯度磁场的“筛子”作用.相 应地, 被梯度磁场束缚在磁场间隙内的氧分子也 就越多, 因此磁场间隙内各点的氧体积分数变化 Vol.28 No.11 蔡 军等:利用梯度磁场实现空气中氧气富集的实验研究 · 1061 ·