基于超声法测量气固两相流颗粒相浓度研究

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3.0 赵德峰 2024-11-11 18 4 3.72MB 89 页 15积分
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摘要
气固两相流流动参数检测对于研究两相流流动过程以及工业生产过程的安全、
高效、经济运行均具有重要意义。超声法具有穿透性好，结构简单，无污染等自
身优势，可广泛用于不透光介质以及对环境要求较高场合。本课题针对超声法测
量气固两相流浓度问题进行了实验研究。
首先，设计并建立了一套超声法测量两相流颗粒相浓度实验系统。该系统分
为硬件和软件两部分，其中硬件部分主要包括超声波脉冲激励信号发射装置、信
号调理装置、高速数据采集卡(NI USB-5133)，测量实验段，空气耦合超声换能器
和电脑；软件部分则主要为利用 LabVIEW 语言开发的数据采集、信号处理程序和
颗粒粒径和浓度计算程序。
第二，针对气固颗粒两相体系的超声检测特点，结合长波区的简化 ECAH 模
型，实现了气固两相流中颗粒相的粒径和浓度的计算算法。利用建成的实验系统
结合颗粒重力输送实验装置，对于一种电站锅炉燃煤煤粉样品，在 100kHz 和
200kHz 的超声波频率下进行实验。为更好评价实验效果，将颗粒粒度实验结果与
图像粒度处理仪测量结果进行比较，结果数据较为吻合。测量浓度值与输送装置
给定值亦较接近。验证了该方法可以实现气固两相流固相颗粒浓度的在线测量。
第三，针对双频率超声法测量气固两相流时只能获取被测空间某一局部测量
区的平均浓度值这一弊端，开展了气固颗粒两相流的过程层析成像原理研究，其
核心为利用超声过程层析成像技术重现气固两相流颗粒相空间分布。研制了一套
基于透射模式超声层析成像系统，系统换能器阵列共有 8个换能器，均为自发自
收型换能器，且单个换能器发射的扇形波束角可达到 1500。针对超声过程层析成
像中需要实现换能器的一发多收，设计了专门的切换装置用于换能器发射/接收功
能的转换，提高系统实时性。通过选择高信噪比的信号调理装置和多通道同步采
集卡 PCI8501，基于 LabVIEW 图形化语言编写数据采集、处理程序，构建了多通
道信号同步采集系统。为实现图像重建，采用二值逻辑反投影算法，程序由
MATLAB 实现。软硬件结合组成了一套系统完整的层析成像系统，可以较好地实
现超声波投影信号产生，同步采集以及图像重建功能。
第四，为验证超声波层析成像实验系统性能，先后进行了静态和动态超声层
析成像试验。静态实验部分：实验对象为聚四氟乙烯棒，通过改变聚四氟乙烯棒
的尺寸大小和位置来模拟不同的气固两相流流动状况，利用换能器阵列同步测量
不同观察角下的超声波投影信号；将得到的投影数据利用改进的二值逻辑反投影
图像重建算法进行图像重建，获得成像截面的重建图像。对比截面重建图像与物
体实际分布情况，系统具有较好的成像精度。动态性能实验则是利用实验系统对
空气-煤粉两相流进行连续在线测量，并最终重建了煤粉的空间分布二维图像。结
果显示，系统可以反映出煤粉的空间位置分布，并在 1s 时间得到重建图像，满足
一定的实时性要求。由于图像重建算法采用的是二值逻辑反投影算法，系统并不
能得到颗粒相的绝对浓度值分布，而且对于流速较高、流态变化较快的两相流动，
系统实时性尚不能满足要求。
关键词：气固两相流，超声法，颗粒相浓度，超声层析成像
ABSTRACT
The on-line measurement of gas-solid flows parameters is of great importance for
understand the nature of two-phase flows and safety, economic operation of industrial
process. Compared with Several existing measurement methods, ultrasonic method has
advantages of strong penetrability, simple structure and environment-friendly. For more
information, experimental study of gas-solid flows concentration measurement by
ultrasonic method has been done in this paper.
First of all, it present a particle size and concentration measurement method based
on the principle of ultrasonic attenuation at two different frequencies. To prove the
effectiveness of the method, experiment system was designed and the system can be
divided into hardware and software. The hardware consists of pulse generator device,
signal processing device, high speed data acquisition card (NI USB-5133), transducers,
experimental vessel and computer et al. The software consists of data acquisition
program, Spectrum analysis program, particle size and concentration calculation
program. All of their programs were developed based on LabVIEW.
Second, as a theoretical basis, the simplified ECAH model in long-wavelength
range is employed to predict the attenuation. With the help of a gravity transport device,
experiments of air-coal flow are carried out to measure the particle mean size and
concentration, in which ultrasonic signal has been generated and receiver by transducers
with fixed frequencies of 100 and 200 KHz. The ultrasonic measurement results are
compared with image processing measurements and given concentrations, which show
that the present method possesses a good foreground for the on-line measurement of
particle concentration.
Third, double-frequency ultrasonic method can only get local concentration of the
measured particle two-phase flow and the 2D or 3D distribution of flow parameters
which characterize the measured two-phase flow, is often needed in many operation
conditions. Process tomography techniques can provide a 2D or 3D image of two-phase
flow over a cross-section of pipe with many advantages. The transmission-mode
ultrasonic process tomography system has been developed in this paper. The system
consisting of a sensor array with a high speed Date Acquisition Card (DAQ) and signal
processing devices with switching device. The sensor array contains 8 ultrasonic
transducers and each transducer can emit fan-shaped beams with angle as large as 150
degree. A personal computer is used for recording experimental data and communicates
with the other device as a host. By implementing a LabVIEW-based program it can
synchronously acquire the real-time data of 8 channels of the DAQ Cards (PCI8501),
where the multiple-channels switching device with Microprogrammed Control Unit
(MCU) is of utmost importance for real-time measurements. The system can work well
in one transmitting & multi-receiving mode in which the attenuated ultrasonic waves
from the transmitting transducer can be received by other transducers simultaneously.
Forth, a series of experiments have been done to test the system. At the first, a
PTFE rod is used to simulate high concentration solid particle and which different size,
different location represent different two-phase flow condition. The transducers array
can help get all projection information at different observe angle. The cross-section
image of sample vessel under investigation can be reconstructed using the improved
two-value logic back-projection algorithm with the projection data. Compare with
preset conditions, imaging accuracy is good. Finally, measured the particle
concentration of air-coal two-phase flow on-line used this system. From the
reconstruction image of the air-coal flow cross-section, the system can identify the
distribution of coal powder, but it can`t get accurate concentration distribution of coal
powder and the flow speed is limited.
Key words: Gas-solid two-phase flow, Ultrasonic method, Particle
concentration measurement, Ultrasonic process tomography
目录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ................................................................................................................. 1
§ 1.1 气固两相流检测的意义 ............................................................................... 1
§ 1.2 气固两相流测量面临的困难 ...................................................................... 2
§ 1.3 目前常见的气固两相流检测方法 .............................................................. 3
§ 1.3.1 差压法 ............................................................................................... 3
§ 1.3.2 热平衡法 ........................................................................................... 4
§ 1.3.3 光学法 ............................................................................................... 4
§ 1.3.4 电学法 ................................................................................................ 5
§ 1.3.6 超声法 ............................................................................................... 6
§ 1.3.7 层析成像法 ....................................................................................... 7
§ 1.4 本文的研究内容和章节安排 .................................................................... 9
§ 1.4.1 本文的主要研究内容 ........................................................................ 9
§ 1.4.2 本文的章节安排 ............................................................................... 9
第二章 超声法颗粒粒径和浓度测量理论 ................................................................ 11
§ 2.1 超声及产生过程 ......................................................................................... 11
§ 2.2 颗粒两相介质中的声衰减 ...................................................................... 12
§ 2.3 颗粒粒度、浓度测量理论模型 ................................................................. 15
§ 2.3.1 ECAH 理论模型 .............................................................................. 15
§ 2.3.2 “长波长”简化模型 ..................................................................... 17
§本章小结 ............................................................................................................ 19
第三章 气固两相流浓度测量系统及测量结果 ....................................................... 20
§ 3.1 硬件系统 .................................................................................................... 20
§ 3.1.1 超声换能器 ...................................................................................... 20
§ 3.1.2 超声换能器激励装置 ..................................................................... 22
§ 3.1.3 开关电路 ......................................................................................... 24
§ 3.1.3 超声波信号处理装置 ..................................................................... 26
§ 3.1.4 数据采集系统 ................................................................................. 29
§ 3.2 软件系统 ..................................................................................................... 30
§ 3.3 煤粉-空气两相流煤粉浓度实验 ................................................................ 32
§ 3.3.1 实验装置与方法 .............................................................................. 33
§ 3.3.2 实验结果与分析 ............................................................................. 35
§ 3.3.4 实验结论 ......................................................................................... 37
§ 本章小结 .......................................................................................................... 37
第四章 超声过程层析成像基础 ............................................................................... 38
§ 4.1 超声层析成像及其分类 ............................................................................. 38
§ 4.1.1 透射模式 UPT .................................................................................. 38
§ 4.1.2 衍射模式 UPT .................................................................................. 39
§ 4.1.3 反射模式 UPT .................................................................................. 40
§ 4.1.4 基于精确场描述的层析成像技术 .................................................. 41
§ 4.2 介质中的声传播及对应图像重建算法 ..................................................... 41
§ 4.2.1 几何声学近似 .................................................................................. 41
§ 4.2.2 二值逻辑反投影图像重建算法 ...................................................... 43
§ 4.2.3 改进二值逻辑反投影图像重建算法 .............................................. 44
§ 4.2.2 基于声传播波动理论 ...................................................................... 46
§ 4.3 超声层析成像技术面临的几大问题 ....................................................... 47
§本章小结 ............................................................................................................ 48
第五章 气固两相流 UPT 系统结构及设计 ............................................................. 49
§ 5.1 超声换能器阵列设计 ................................................................................ 49
§ 5.1.1 扫描方式的选择 ............................................................................. 50
§ 5.1.2 超声换能器的设计与制作 .............................................................. 51
§ 5.1.3 超声换能器的测试 .......................................................................... 53
§ 5.1.4 阵列换能器数目 ............................................................................. 54
§ 5.2 切换装置 .................................................................................................... 56
§ 5.3 其他硬件装置 ............................................................................................ 57
§ 5.3.1 脉冲发生接收仪 .............................................................................. 57
§ 5.3.2 声前置放大器 .................................................................................. 58
§ 5.3.3 多通道数据采集卡 .......................................................................... 59
§ 5.4 软件部分 .................................................................................................... 60
§ 5.4.1 多通道同步采集程序 ..................................................................... 60
§ 5.4.2 数据处理程序 .................................................................................. 60
§ 5.4.3 图像重建算法程序 ......................................................................... 61
§本章小结 ............................................................................................................ 61
第六章 气固两相流 UPT 系统性能的实验研究 ..................................................... 63
§ 6.1 系统性能指标 ............................................................................................ 63
§ 6.1.1 系统分辨率 .............................................................................................. 63
§ 6.1.2 系统成像精度 .......................................................................................... 64
§ 6.1.3 系统实时性 .............................................................................................. 64
§ 6.1.4 系统稳定性 .............................................................................................. 64
§ 6.2 系统静态实验及结果分析 ........................................................................ 64
§ 6.2.1 静态实验方法 .................................................................................. 64
§ 6.2.2 静态实验结果分析 .......................................................................... 67
§ 6.3 动态实验及结果分析 ................................................................................ 67
§ 6.3.1 动态实验 .......................................................................................... 67
§ 6.3.2 实验结果及分析 .............................................................................. 69
§ 本章小结 .......................................................................................................... 71
第七章 总结与展望 ................................................................................................... 73
§ 7.1 本文总结 .................................................................................................... 73
§ 7.2 本文展望 .................................................................................................... 74
主要符号表 .................................................................................................................... 75
参考文献 ........................................................................................................................ 76
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 83
致谢 ................................................................................................................................ 84
后记 ................................................................................................................................ 85
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 气固两相流检测的意义
气固两相流在自然界和工业生产过程中广泛存在。自然界中的沙尘暴飞扬、
空气中雾霾弥散、粉尘等固体颗粒排放等都是存在于自然界中的与人类生活密不
可分的气固两相流现象。在能源、电力、冶金、环境、化工等很多工业生产中，
应用管道气力输送技术来输送煤粉、水泥、矿石、固态粉体等都是属于典型的气
固两相流动[1,2]。不断提高的工业技术和产品质量要求，也使得对过程参数进行在
线监测和控制的要求也越来越高。气固两相流动参数的准确测量对许多生产过程
的控制和节能均具有重大意义。以火力发电为例，火力发电在目前世界范围内的
能源构成中，仍然占据主导地位。燃烧器中煤粉与空气的配比对整个燃烧器的燃
烧效率起着重要影响。首先，如果喷燃器出口煤粉质量流量不均匀，将会导致炉
膛火焰中心偏斜，从而引起炉膛气流冲刷后墙，导致高温过热器、高温再热器出
现局部超温、结焦等现象。其次，过高的浓度会导致较高的能量消耗和燃烧不均
匀，降低燃烧效率，增大NOX排放量。因此，控制进入炉膛的煤和空气的混合比非
常关键。这就要求控制者必须能够掌握送粉系统每条管道中的煤粉质量流量的精
确测量结果。由此可见，掌握气固两相流基本流动规律，并准确获得气固两相流
的特性参数，对保证生产过程实现高效运行、安全生产等要求具有重要意义。目
前，对于气固两相流系统，单纯从理论的角度解释其随机性和复杂性是比较困难
的。通过实验验证来实现气固两相流流动参数的实时在线检测，不仅可以作为对
理论研究的有效验证，还可以用来帮助分析推导引进修正参数，对科学研究具有
广泛的意义。气固两相流作为一门综合性交叉工程科学，对国民经济意义重大，
其涵盖的多相流特性测试技术已成为制约其研究与应用中的一个主要因素，在世
界范围内得到了极大关注，也受到了越来越多的研究人员的重视[3,4]。
（a）化工送粉管道
（b）燃煤电站锅炉
图 1-1 典型气固两相流应用
基于超声法测量气固两相流颗粒相浓度研究
2
§1.2 气固两相流测量面临的困难[5,6,7]
作为多相流中的一种，气固两相流流动特性也比较复杂，界面效应和相对速
度普遍存在于两相之间，相界面在时间和空间上都随机可变。其特性参数除了常
见的速度、流量外，还包括流型、颗粒浓度、颗粒尺寸及固相分布、两相混合的
密度等。致使其特性参数检测方法远比单相流系统复杂得多。而且在实际的气固
两相流流动检测过程中，固相颗粒的物理、化学及流动特性都可能对检测仪器的
测量准确性产生影响。总体来看，影响气固颗粒两相流测量有如下一些因素：
(1)不均匀的固相颗粒分布
在气力输送过程中，固相颗粒沿管道截面和管道长度往往呈不均匀分布。即
使流动状态稳定，由于气固两相相界面存在界面效应，系统内部不同区域间的也
会出现不均匀的相浓度分布和相速度分布，此外，局部区域颗粒速度和浓度分布
在时间和空间上也都具有随机可变性。这于管道的方位、测量的位置、固相的载
荷量、气体输送速度以及固相颗粒的特性(包括颗粒尺寸，湿度成份、内聚力和粘
着力等)多种因素有关。
(2)不均匀的固相颗粒速度分布
在气力输送过程中，在管道横截面上颗粒的速度分布也可能是不均匀的。比
如水平输送固相颗粒时，处在管道底部的固相颗粒速度要比处在管道上部的颗粒
速度小，大的要比小的移动速度小。此外，当固相颗粒的载荷量较大时，速度分
布的不规则性更加明显。
(3)变化的颗粒尺寸和形状
气固两相流中，颗粒尺寸也并非均匀统一的，其粒径一般在几微米到几厘米
范围内变化，如电厂煤粉和面粉加工厂的面粉。并且颗粒的形状千变万化，很难
用同一种分类方式进行恰当的分类。对于某一给定的给料系统，一般只能保证给
出固定的颗粒尺寸范围，很难保证颗粒尺寸不会发生变化。例如：煤粉颗粒尺寸
的大小主要取决于磨煤机的性能与当前工作状态。
(4)颗粒相化学成分
在许多工业生产过程中，固相颗粒的种类并非单一介质，而且经常发生变化。
例如燃煤电站的煤粉，不仅如此，煤粉与生物质、垃圾混合也经常发生，这些固
相颗粒物的化学组分非常复杂，往往不可预测。但是，对于静电、电容、微波传
感器等许多非节流式传感器，固体颗粒的化学组分都会其性能产生较大影响。
(5)其他影响因素
除了上面提到的因素之外，还有诸如固相颗粒在测量段的沉淀，流动中不可
摘要：

摘要气固两相流流动参数检测对于研究两相流流动过程以及工业生产过程的安全、高效、经济运行均具有重要意义。超声法具有穿透性好，结构简单，无污染等自身优势，可广泛用于不透光介质以及对环境要求较高场合。本课题针对超声法测量气固两相流浓度问题进行了实验研究。首先，设计并建立了一套超声法测量两相流颗粒相浓度实验系统。该系统分为硬件和软件两部分，其中硬件部分主要包括超声波脉冲激励信号发射装置、信号调理装置、高速数据采集卡(NIUSB-5133)，测量实验段，空气耦合超声换能器和电脑；软件部分则主要为利用LabVIEW语言开发的数据采集、信号处理程序和颗粒粒径和浓度计算程序。第二，针对气固颗粒两相体系的超声检...

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作者：赵德峰 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：89 页 大小：3.72MB 格式：PDF 时间：2024-11-11

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