超声法颗粒两相介质多参数测量

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 3.13MB 102 页 15积分

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摘要

在测量颗粒两相流参数的众多技术中，超声法以其无可比拟的优势得到越来越

多研究人员的重视。例如：声波具有较宽的频率范围，可以确保粒径测量范围宽；

声波穿透性能强，适合高浓度，无须稀释的测量；超声测量装置具有非接触特点，

适合在线测量；超声测量系统自动化，智能化程度高，能进行快速实时测量等。

超声法正成为一门快速发展、应用前景广阔的颗粒两相流测量技术。

本文工作围绕超声法颗粒两相介质多参数测量展开。

在介绍两相流和多相流相关概念以及检测技术发展后，简介现有颗粒两相介质

浓度、密度、粘度以及粒度分布的测量技术以及超声测量方法的技术现状。超声

法颗粒两相介质测量中超声特征量包括有声压、声强、声速、声衰减以及声阻抗

等，对颗粒两相介质中声衰减进行了细化，给出了吸收损失、散射损失、粘性损

失、热损失、结构损失以及电声损失的概念。

超声波在颗粒两相介质中的传播效应主要由颗粒相和液体相差异所致，其中包

括有材料取代、压缩性差异、热物性差异以及密度差异等。在超声测粒模型方面，

着重研究了经典的 ECAH 模型和在乳浊液测量中简化的 McClements 模型以及耦合

相Harker&Temple 模型，数值模拟给出了玻璃珠悬浊液和玉米油乳浊液中声衰减

和声相速度随超声频率、颗粒相浓度和粒径的变化关系，最后给出了颗粒两相介

质中粒径测量的反演计算具体过程。

超声颗粒两相介质测量装置由如下组成：超声换能器与信号接收系统、数据采

集系统、计算机数据处理系统以及超声测量区系统。设计的超声测量区又可分为

二种不同类型：直接接触式和反射式脉冲回波式，两者区别在于有无阻抗匹配层。

对于反射式脉冲回波测量装置，分别采用有机玻璃、石英玻璃和不锈钢材料作为

阻抗匹配层，得到了单次和多次超声反射回波信号。

研究超声纵波/横波反射法测量颗粒两相介质浓度、密度、粘度理论和实验，

利用多次回波反射理论，获得了阻抗层和被测介质间反射系数与单一频率上声幅

值和回波次数斜率值的关系，分别对水煤浆、酒精和盐水悬浊液二元溶液的密度

和浓度进行测量。采用横波单次/多次回波反射法测量不同浓度蜂蜜粘度；将横波

法测量结果与旋转式粘度分析仪测量结果进行对比；认为单次横波反射法区分被

测介质和标定物质的横波反射信号较为困难，而横波多次回波反射法能较为精确

计算横波反射系数。

类比声衰减谱测量方法，声相速度谱和阻抗谱也可以建立谱测量的概念。给出

了脂肪乳中声相速度谱测量粒径分布的实例。建立超声测粒模型中声阻抗率谱表

达式，进行理论数值模拟，首次获得了悬浊液和乳浊液中超声阻抗率与超声波频

率，颗粒相浓度和颗粒粒度之间关系，并设计反射式实验装置，从实验上测量得

到声阻抗率谱。相比声衰减谱、声相速度谱的穿透式测量，声阻抗率谱只需处理

被测介质与阻抗层之间的反射关系。

结合超声特征谱方法，以及纵波/横波反射法，设计了集合纵波和横波探头的

测量装置，对不同浓度玉米油乳浊液颗粒两相介质中多个参数：密度、浓度、粘

度和粒径分布同时进行测量。

关键词：超声法颗粒两相介质密度浓度粒径分布粘度声衰减声

速度声阻抗

ABSTRACT

Due to the advantage of real-time, no-invasive, automatic, facile, and reproducible

measurements as well as its adaptability to the on-line measurement and extremely wide

dynamic size range of particles presented in various forms, especially in high

concentration condition, ultrasonic technique as particulate two-phase flow analysis is

given more and more attention , and developed quickly.

This dissertation deals with measurements of multiple parameters in two phase

medium with ultrasonic methods. Multiple parameters include density, concentration,

viscosity and particle size distribution (PSD).

The conception and the measurement technique of two phase flow and multiphase

flow are introduced firstly. Basic introduction about usual density, concentration,

viscosity, PSD measurement techniques and developments and current situation of

ultrasonic technique are discussed in chapter 2. The conceptions of ultrasonic wave in

particulate two phase mixtures are introduced, including acoustic pressure, acoustic

velocity, acoustic impedance, acoustic attenuation, and so on. The acoustic attenuation

can be divided into absorption loss, scattering loss, viscosity loss, thermal loss, structure

loss and electric-acoustic loss.

Ultrasound propagation phenomenon in two phase mixture is outlined as material

substitution, compressibility contrast, thermal contrast and density contrast. In chapter 4,

the developments of ECAH model, McClements model and Harker&Temple (H&T)

coupled-phase model are discussed respectively. The attenuation and velocity in glass

bead and corn oil two phase mixtures are simulated by ECAH, McClements and H&T

models. Inversion technique of particle size measurement is also outlined.

The application system of ultrasonic measuring particulate two phase mixture is

defined as four parts: ultrasonic transducer and signal pulser/receiver system;

high-speed data acquisition system; data processing system; ultrasonic measurement

zone system. Two different measurement zones are also introduced in this chapter.

Using the different materials of buffer rod, we can get the single and multiple echoes.

The concentration and density of coal water slurry, alcohol and NaCl binary

solution are obtained by combining longitudinal acoustic impendence with ultrasonic

longitudinal wave multiple echo reflection method. The honey viscosity is obtained by

transverse acoustic impendence with ultrasonic transverse wave multiple echo reflection

method. It is difficult to distinguish the difference signals between calibration medium

and measured mixture by transverse wave single echo reflection. On the other hand,

ultrasonic transverse wave multiple echo reflection method calculate the transverse

reflection coefficient accurately.

Ultrasonic attenuation, phase velocity, and impendence spectrum are modeled to

characterize the PSD in two phase mixtures. The results of the impendence spectrum

simulated with ECAH, McClements and H&T models are compared with experimental

data from ultrasound reflection application.

At last, combined with the ultrasonic attenuation spectrum method and longitudinal

or transverse wave multiple echo reflection methods, the concentration, density,

viscosity and PSD in corn oil emulsion can be measured.

Key Word：

Ultrasonic method, Particulate two phase mixture, Density,

Concentration, Viscosity, Particle size distribution, Ultrasonic

attenuation, Ultrasonic velocity, Ultrasonic impedance

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论..............................................................................................................1

§1.1 两相流以及多相流相关概念.....................................................................1

§1.2 两相及多相流动检测技术的趋势............................................................3

参考文献................................................................................................................5

第二章颗粒两相介质各参数测试方法综述..........................................................7

§2.1 颗粒两相流参数测试方法综述.................................................................7

§2.1.1 颗粒两相流浓度测量.........................................................................7

§2.1.2 颗粒两相流中密度测量.....................................................................9

§2.1.3 颗粒两相流中粘度测量.....................................................................9

§2.1.4 颗粒粒径测量...................................................................................10

§2.2 超声法颗粒两相流技术发展..................................................................12

§2.3 本文工作...................................................................................................14

参考文献..............................................................................................................16

第三章超声颗粒两相介质测量基本概念............................................................19

§3.1 超声的定义...............................................................................................19

§3.2 声学特征量...............................................................................................19

§3.2.1 声压...................................................................................................19

§3.2.2 声强...................................................................................................20

§3.2.3 声速...................................................................................................20

§3.2.4 声阻抗率...........................................................................................21

§3.2.5 声衰减...............................................................................................22

§3.3 本章小结...................................................................................................24

参考文献..............................................................................................................25

第四章超声法颗粒两相介质测量理论................................................................26

§4.1 超声在颗粒两相介质中的传播...............................................................26

§4.1.1 材料取代..........................................................................................26

§4.1.2 压缩性差异......................................................................................26

§4.1.3 热物性差异......................................................................................27

§4.1.4 密度差异..........................................................................................28

§4.2 超声法颗粒测量理论和物理模型...........................................................28

§4.2.1 ECAH 模型......................................................................................29

§4.2.2 McClements 模型............................................................................ 31

§4.2.3 Harker&Temple 耦合相模型.......................................................... 32

§4.2.4 ECAH 模型、McClements 模型、H&T 模型数值模拟...............35

§4.2.5 反演算法...........................................................................................38

§4.3 本章小结...................................................................................................40

参考文献..............................................................................................................42

第五章实验装置与实验方案................................................................................43

§5.1 超声换能器和信号接收系统...................................................................43

§5.2 数据采集系统...........................................................................................46

§5.3 计算机数据处理系统...............................................................................47

§5.4 超声测量区系统.......................................................................................48

§5.4.1 直接接触式脉冲回波法...................................................................49

§5.4.2 反射式脉冲回波法...........................................................................50

§5.5 本章小结...................................................................................................54

参考文献..............................................................................................................55

第六章纵波/横波反射法测量颗粒两相介质浓度、密度以及粘度..................56

§6.1 纵波多次反射法的理论和应用...............................................................56

§6.1.1 纵波多次回波反射法原理...............................................................56

§6.1.2 纵波多次回波反射法应用...............................................................58

§6.2 横波反射法测量粘度的研究...................................................................60

§6.2.1 横波反射法测量原理.......................................................................61

§6.2.2 横波反射法粘度实验.......................................................................64

§6.3 本章小结..................................................................................................67

参考文献..............................................................................................................68

第七章超声特征量谱测量颗粒两相介质粒径分布............................................69

§7.1 声衰减谱测量颗粒两相介质应用...........................................................69

§7.2 声相速度谱颗粒两相介质理论和应用...................................................70

§7.3 声阻抗率谱测量理论...............................................................................73

§7.3.1 声阻抗率谱与超声测粒模型的关系...............................................73

§7.3.2 声阻抗率谱的数值模拟..................................................................75

§7.3.2.1 纯液体相





和纯颗粒相





的假设................................75

§7.3.2.2 声阻抗率谱与超声频率相互关系..........................................76

§7.3.2.3 声阻抗率谱与颗粒相浓度相互关系......................................77

§7.3.2.4 声阻抗率谱与颗粒粒度相互关系..........................................78

§7.3.3 声阻抗率谱实验获得........................................................................79

§7.3.4 声衰减谱、相速度谱和声阻抗率谱的比较....................................82

§7.4 本章小结..................................................................................................83

参考文献..............................................................................................................84

第八章颗粒两相介质多参数测量研究................................................................85

§8.1 多参数测量实验装置...............................................................................85

§8.2 多参数测量实验数据...............................................................................86

§8.2.1 粒度分布测量.....................................................................................87

§8.2.2 密度、浓度测量.................................................................................87

§8.2.3 粘度测量.............................................................................................88

§8.3 本章小结..................................................................................................89

参考文献..............................................................................................................90

第九章结论与展望................................................................................................91

§9.1 本文理论分析和实验研究的结论...........................................................91

§9.2 对后续工作展望.......................................................................................92

符号表......................................................................................................................94

在读期间公开发表的论文和参加科研项目及取得成果......................................95

致谢..........................................................................................................................97

后记..........................................................................................................................98

第一章绪论

§1.1 两相流以及多相流相关概念

相的概念是指在某一系统中具有相同成分以及相同物理化学性质的均匀物质

部分。在宏观的角度上，可以把自然界物质分为三种状态：气态、液态和固态。

两相流(Two-phase flow)和多相流(Multiphase flow)是指同时存在且具有明显相界面

的混合物流动[1]。两相和多相流学科研究具有两种或两种以上不同相态或组分的物

质共存并有明显分界面的两相或多相流体的科学问题，其涉及到的相关学科领域

包括有：流动力学、传热传质学、热力学、燃烧学和生物反应学科等。两相流及

多相流学科是一门从传统能源转化和利用领域逐渐发展起来的交叉学科，是能源

动力、化工石油、制冷低温、航空航天、环境保护、生命科学以及可再生能源开

发利用等许多领域实现现代化的重要理论和技术基础，在国民经济以及国防科学

技术发展中有不可替代的巨大作用[2]。

颗粒两相流指的是包含颗粒的两相混合流动。在自然界、工业生产、科学研究、

环保以及日常生活等各个方面，广泛存在着和颗粒相关的诸多问题。颗粒(Particle)

是指处于分割状态下的微小固体、液体或气体。在大多数情况下，颗粒一词泛指

固体颗粒、液体颗粒和气体颗粒。特定情况时颗粒是指固体颗粒，而液体颗粒和

气体颗粒相应地被称为液滴(Droplet)和气泡(Bubble)。由多个颗粒组成的颗粒群称

为颗粒系。粉末概念是指固体颗粒在疏松状态下的堆积[3-4]。

随着国家科学技术的日益进步和发展，在国民经济的许多部门出现了越来越多

的与颗粒两相流密切相关的技术问题。颗粒粒径的测量就是其中重要的一个方面。

除此之外，对颗粒两相系统中浓度、密度以及粘度的测量也是十分重要。

颗粒的粒径没有较为严格的限制，多数情况下是指那些粒径在数百微米以下的

颗粒，它们对产品的性能和质量、环境的污染、能源的消耗、全球气候以及生物

生长等都有重大的影响。颗粒粒径的大小及分布影响着许多工艺生产过程最终产

品的使用性能，影响着生产过程中的能源消耗率。如火力发电厂煤粉粒径大小对

燃烧起着直接的影响作用[5]；低压汽轮机内湿蒸汽的湿度和粒径分布影响汽轮机的

效率[6]；混凝土的凝结时间和机械性能与水泥粒度有密切的关系；各种涂料中的颜

料颗粒，其粒度以及形状对于涂料的着色力、遮盖力、成膜能力以及稳定性等性

能影响很大；牙膏、墨汁、录音带、照相底片、陶瓷品等轻工业产品的性能均与

颗粒粒度有密切的关系；摄影录音带上磁性粉末颗粒粒度影响着录音质量；牙膏

中的二氧化硅、碳酸钙颗粒的大小影响着牙膏的洁齿作用；照相底版上卤化银粉

末的大小决定了其解象的能力；药粉的粒度影响其疗效；制陶粉末的粒度直接决

超声法颗粒两相介质多参数测量的理论和实验研究

定了成品工艺的质量。

目前常用的颗粒粒度测量方法有：筛分法、全息照相法、显微镜法、电感应法、

沉降法、和光散射法等。除了光散射法之外，其他测量方法中多数需要取样进行，

虽然光散射法可以用于在线测量，并具有测量速度快，能实时测量和数据处理等

优点，但是一方面由于光的穿透性较弱，采用光散射法测量，需要控制被测颗粒

的浓度，故光散射法不适用于高浓度测量，另一方面由于光学仪器结构非常精密，

因此光学器件对于现场条件相当敏感，故实际使用时对现场条件有着比较苛刻的

要求[7]。而利用超声波对颗粒系进行测量，不但具备光散射法的种种优点，而且由

于声波可以穿透几乎任何物质，可以不透明的物质内进行传播，因此超声测量作

为一种无需稀释、快速、可靠的在线颗粒和两相流测量技术得到了越来越多的重

视和应用[8]。

颗粒两相系统的浓度和密度也是工业生产中一个重要的物理参数，在生产过程

中广泛存在。浓度指的是颗粒相成分占整个颗粒两相介质的百分数，在两相体系

中，浓度和密度可以相互转化，某种意义上所代表的含义较为一致。水利治理中，

江河泥沙的浓度对于防洪调控具有重要影响作用[9]；动力工程中，水煤浆浓度对于

燃烧效率和性能有着直接影响[10]；食品工业中，面粉和水所占百分比对于饼干口

感和成型具有较大影响；可以说，大多数与两相介质相关的研究场合，需要测量

浓度和密度参数。

颗粒两相系统浓度的检测，相关测量方法多种多样，从最简单的取样法到利用

电学，光学，声学等原理的测量方法[11,12]，相比于颗粒粒径的测量，浓度的测量给

出了一个较为完备的测试和测量理论，并且具体的测量手段取决于测量对象的特

性。值得注意的是，随着探测器元件和计算机技术的不断发展，层析成像技术对

于浓度场的测量越来越引起广大学者的关注，该技术使得浓度的点测量上升到浓

度场的测量，对于颗粒两相流的机理研究将起着推动作用。

在任何有关流动的场合，粘度总是一个重要物理性质的参数，因此粘度测量被

广泛应用到各种科学生产领域。高分子材料丙烯酰胺在聚乙二醇水溶液体系中聚

合，反应体系的粘度将随着转化率的深入而增加[13]。化工结晶材料中晶体生长中

粘度的变化对于探索生长高质量晶体的合适生长条件，改善溶质的输运状况具有

重要意义[14]。另外在医学领域中，根据血液粘度，可以测量血液流变学的重要参

数，对于保证血液循环执行正常生理功能具有重要意义[15]。

针对粘度的测量，传统的方法包括，毛细管法、旋转法、平板法、落体法、振

动法等[16]。以上测量粘度的各类方法作为目前应用最为广泛的粘度测量手段，具

有以下主要特点：1、传统的粘度测量方法主要用于实验室的离线测量，设计较为

第一章绪论

精密，测量时间较长，样品需采样取出，例如毛细管法和旋转法通常测量一次样

品需几分钟时间，并不太适合在线测量的要求；2、传统的粘度测量方法往往需要

实验装置和被测物体接触，这样对于一些管道内流体，可能对其流动特性造成影

响，从而影响测量精度。3、各类传统粘度计往往设计复杂，加工精度较高，价格

较贵，无法针对对于工业生产上实现粘度测量的大范围实时在线应用。

超声波因其具有非接触、高穿透性、适合在线测量的诸多优点，正日益得到广

泛关注，对于超声粘度测量，由于超声横波在液态物体中传播是极其困难的，因

此往往采用横波反射技术测量粘度，其基本原理为：横波超声在固体与被测液态

物体界面上反射，得到的横波反射信号与被测样品中粘度相关，利用严格的数学

推导，可以得出粘度与横波反射信号间关系式，从而求解被测物体粘度值。Mason

最早给出了利用超声横波反射技术获得被测物体粘度的原理及数学模型[17]。

Harrison 则利用超声缓冲层与探头之间的耦合关系，奠定了超声粘度测量的发展基

础[18]。近年来，由于超声横波换能器的性能不断优化，超声脉冲发射接收技术不

断创新，利用超声波测量液态物质粘度的方法越来越得到关注[19]。

§1.2 两相及多相流动检测技术的趋势

两相和多相流动具有复杂性和多变性，近年来虽然理论研究有了较快发展，但

是研究手段仍然主要取决于实验研究，目前遇到的最大困难是缺乏有效测量多相

流各种参数的方法和相应仪器。大部分常规测量手段对复杂的多相流动实验研究

显得无能为力。对比以往的两相及多相流测量技术，当前两相和多相流测试方法

和技术研究发展具有以下主要特点[20]：

1．接触测量到非接触测量发展，形成对实验现场的无干扰测量；

2．点测量向线测量和面测量发展，对测量对象更加深入了解；

3．静态测量到动态在线测量发展，尤其针对脉冲、高速、随机现象的实时测量；

4．单一测量原理到多种物理、化学、生物效应原理相结合的测量，实现多种测量

原理的融合；

5．单纯依靠硬件测量到硬件和软件相结合的测量，数学模型的建立和求解在测量

过程中越来越常见；

6．模拟量测量到数字化测量发展；

7．单一测量参数到多参数综合测量发展；

8．单一测量目的到测量、诊断、控制、显示等综合系统发展；

在两相和多相测试中，研究最多的是采用常规单相流体和传热研究中的测量技

术和仪器，结合被测多相流的特点进行改进和修正。随着随机过程理论的深入发

展以及信号处理技术不断完善，单相流仪表用于两相流参数检测得到很大发展，

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摘要：

摘要在测量颗粒两相流参数的众多技术中，超声法以其无可比拟的优势得到越来越多研究人员的重视。例如：声波具有较宽的频率范围，可以确保粒径测量范围宽；声波穿透性能强，适合高浓度，无须稀释的测量；超声测量装置具有非接触特点，适合在线测量；超声测量系统自动化，智能化程度高，能进行快速实时测量等。超声法正成为一门快速发展、应用前景广阔的颗粒两相流测量技术。本文工作围绕超声法颗粒两相介质多参数测量展开。在介绍两相流和多相流相关概念以及检测技术发展后，简介现有颗粒两相介质浓度、密度、粘度以及粒度分布的测量技术以及超声测量方法的技术现状。超声法颗粒两相介质测量中超声特征量包括有声压、声强、声速、声衰减以及声阻抗...

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