（热能工程专业论文）射流和管内气固多相流测量研究.pdf

塑垩查兰竺! ：堂堡丝苎一旦堑一 摘要 气固多相流的动的存在范围十分广泛，在电站锅炉系统中，准确地给出流体 的流动特性，具有重要的意义。它关系到系统投入运转后的安全性、可靠性，经 济性。 阐述了光学波动法测量气固多相流颗粒浓度的原理，并在实验条件下，利用 此原理对多相射流的浓度分布进行了铡量研究，对单弯头、组合弯头对多相流浓 度分布的影响进行了分析；对前置空间组合弯头及内置楔形体的直流燃烧器出口 不同截面气固两相流颗粒浓度分布作了测量研究，得出各截面浓度分市规律，扩 散和衰减规律：对燃烧器出口射流和侧边风混合特性做了详细的研究，讨论了各 截面浓度分布规律及两相流的混合特性，并对两种不同的燃烧器的阻力特性进行 了研究，分析了弯头，内置楔形体及扭转板对燃烧器阻力特性的影响。溅试表明 侧边风能有效地使靠近侧边风附近的煤粉浓度降低，有利于防结渣。 利用光学波动法测量管内气固多相流浓度分布的研究为考察气固多相流管 内的扩散和混合、流动规律，提供了一种有效的手段。多相流在管内的流动过程 中，浓度场的分布受到诸多因素的影响。颗粒重力的作用，在水平管段颗粒会向 管底方向沉积，但在气流速度达到一定数值的情况下，形成均匀流。在垂直管段 多相流的浓度分布，并不是简单的因为管壁附近空气和管壁摩擦而速度降低颗粒 的运动速度较慢，颗粒和管壁面的摩擦作用及气流湍流脉动在边界层上的逐渐消 失而形成了管中心浓度低，四周浓度高的情况，而是浓度不断发生扩散和混合的 变化之中。管内多相流浓度场分布在不同的z o 数值下其分布是不同的，但其变 化有一定的规律性，整个流动过程中，多相流的浓度场分布是一个扩散的过程。 管内多相流在流动过程中出现旋转推进，并非完全均匀混台，而是在某部分出 现高浓度，某部分浓度较低，这样高低浓度流在推迸过程中扭合、渗透。气流 速度的衰减，也会影响多相流浓度场分布。弯头的存在对多相流产生离，b 力的作 用，而出现高低浓度的不均匀分，同时也改变了弯头后的多相流的流速。在风速 不变的情况下，随着给粉量的增加，多相流的浓度分布趋向缓和，给粉量的增加 也造成颗粒与气流的跟随性变差。 光学波动法测量多相流浓度钓方法对工程应用有重要的指导意义。在电站锅 炉中高、低浓度场随着磨煤机绘粉量的增加而趋向缓和。煤粉管内两相流的速度 分布呈现抛物线状，但随着颗粒浓度的增加，速度逐渐减小，速度的变化也趋向 乎缓。煤粉臀道内媒粉浓度增加，造成与气流的跟随性变差，两相流的速度援，j 、： 反之浓瞍减，、，速度增朝。 浙江大学硕上_ 学位论文摘要 最后利用小波分析这一数学工具，对管内多相流的浓度信号分布进行了初步探 索，为研究气固多相流浓度分布提供了新的途径。通过对气固多相流的浓度铡量 研究，能准确分析气相、固相运动特性。阻小波分析为载体对浓度信号进行细节 e 的描述，并且可以利用重构的办法，构造出极为接近的信号，随着分解层数的 增加，构造信号与原始信号之间的误差越小。由于试验系统的原因，气固多相流 浓度信号不可避免的存在高频噪声和低频扰动，采用小波分解和重构可以使这方 面的问题得到抑制。可以利用小波分析分层的方法，银容易的选择有用的频段进 行分析，这对噪声的消除有利。 关键词：气固多相流；光学波动法；浓度分布；小波分析 d i s s e r a t i o no f h e j i a n gu n l v e r s i t y m e a s u r e m e n t so ng a s s o l i d m u l t i p h a s e b u r n e ra n d p i p e f l o w a b s t r a c t t h eg a s s o l i dm u l t i p h a s ef l o ww a se x i s t e di nn o r m a lw a y s i tw a si m p o r t a n tt o g e tt h er e s u l t s o ft h ec h a r a c t e r i s t i c sa c c u r a t e l y ，w h i c hr e l a t e dt ot h es y s t e mw o r k s s a f e l ya n de c o m i c a l l y i nt h e p o w e rp l a n t an o v e lm e t h o do fi n v e s t i g a t i o nt h ed i f f u s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h eg a s - s o l i d m u l t i p h a s ej e tf l o ww a sp r e s e n t e db a s e do no p t i c sw a v et h e o r yi nt h i sw o r k t h e e x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dt od e t e r m i n et h ep a r t i c l ec o n c e n t m t i o n sd i s t r i b u t i o ni n t h eg a s - s o l i dj e tf l o wf r o mt h eb u r n e rw i t haf o r m e rs p a c ec o m b i n a t i o ne l b o wa n da l l i n n e rc u n i f o r m t h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a t e r a lm i x i n ga n dd i f f u s i o no ft h eb u r n e rw i t h s i d e l o c a t e da i rw e r es t u d i e db yan o v e lm e a s u r e m e n tm e t h o d ，w h i c hi sb a s e do nt h e o p t i c sw a v e l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s w e r ea l s o p e r f o r m e d t om e a s u r et h e c h a r a c t e r i s t i c so f p a r t i c l ed e n s i t y , a n dd i s c u s s e dt h em i x t u r ec o n c e n t r a t i o na tv a r i o u s c r o s s s e c t i o n s t h e p r o c e s s i n g r e s u l t so f p r a c t i c a l m e a s u r e dw e r e g i v e n ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so fr e s i s t a n c eo ft h eb u r n e rw e r es t u d i e db ym e a s u r e m e n tm e t h o d l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t sw e r ea l s op e r f o r m e dt oa n a l y s i st h ei n f l u e n c e so ff o r m e r s p a c ec o m b i n a t i o ne l b o w , i r m e rw e d g ea n ds w i r l i n gf l o w t h ep r o c e s s i n gr e s u l t so f r e s i s t a n c em e a s u r e dw e r e g i v e n t h i sm e t h o dw a sa l s ou s e dt os t u d yt h ep a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n si np u l v e r i z e dc o a l c o n v e y i n gl i n e s ，w h i c hw a sar o p ei n av e r t i c a l p i p e ，f o r m e db yas i n g l ee l b o w p r e c e d e db y a l o n g ，s t r a i g h t , h o r i z o n t a lp i p es e c t i o na n d ac o m b i n a t i o no ft w oe l b o w s i np u l v e r i z e dc o a lc o n v e y i n gl i n e st h ep a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n sw a sa f f e c t e db ym a n y f a c t o r s t h ep a r t i c l ei nt h eh o r i z o n t a lp i p ec o u l db es e d i m e n t ，w h i c hc o u l db ec l e a r e d u pa n df o r m e dt h e e v e nf l o wb yt h ec e r t a i nv e l o c i t i e s i nt h ev e r t i c a lp i p et h e g a s s o l i dm u l t i 【p h a s ef l o ww a sc o m p l i c a t e d ，t h ef l o ww a si n t h ed y n a m i cs t a t u s ， w h i c hw a sm i x e da n dd i f f i b e d n es t a t u so ft h ec e n t e r1 0 wc o n c e n t r a t i o nw a sn o t e x i s t e d ；np n e u m a t i cc o n v e y i n gb y th er e s i s t a n c eb e t w e e nt h ep i p ea n dp a r t i c l e t h e p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n si np u l v e r i z e dc o a lc o n v e y i n gl i n e sw e r e d i s o r d e r e d t h er e s u l t s w e r ed i f f e r e n tw i t hd i v e r s ez s di nac i r c l et h e r ew e r em a n y p i e c e so f d e n s ea n dm a n y d i s s e r a t i o no fz h j i a f m ；u n i v e r s i t y a b s t n c t p i e c e so f t h i n b u tt h ef l o wc o n c e n t r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw e r e d i s c i p l i n a r y t h ed e n s e a n dt h et h i nc o n c e n t r a t i o nw e r ew r u n gi nt h ec o u r s e t h ec o n c e n t r a t i o nc o u l db e a f f e c t e db yd i f f e r e n tv e l o c i t y a sg a sa n dp a r t i c l ef l o wt h r o u g ha 1 1e l b o wi nal e a n p h a s ep n e u m a t i cc o n v e y i n gs y s t e m ，t h ep a r t i c l e ss t r a t i f y i n t oar e l a t i v e l ys m a l l p o r t i o n o ft h e p i p ec r o s s - s e c t i o n ，f o r m i n g ad e n s e r o p e l i k e s t r u c t u r e t h e e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e dt od e t e r m i n et h ee f f e c to ft w oc l o s e l ys p a c e de l b o w so n m p i n g b e h a v ei nav e r t i c a lp i p e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o m b i n a t i o no fe l b o w s r e s u l t e di nas t a t i o n a r yr o p ea d j a c e n tt ot h ep i p ew a l lw h i c h s p i r a l e da r o u n dt h ei n s i d e o ft h ev e r t i c a lp i p e ，a tt h ee v e nv e l o c i t y , t h ed i f f e r e n c ew a sv a n i s h e db y r a i s i n gt h e c o a l b u tt h ef o l l o wc h a r a c t e r i s t i c so f t h ec o a lw e r ed e c r e a s e d t h e e x p e r i m e n t sw e r e c a r r i e do u tt od e t e r m i n et h ep u l v e r i z e dc o a lc o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i n go ft h eg a s s o l i dm u l t i p h a s ef l o w , e x i t e df r o mp u l v e r i z e dc o a lp i p eo f 6 6 0 m wg e n e r a t i n gu n i ti n p o w e rs t a t i o n t h e r e s u l t ss h o w e ds u c ham e t h o di s e f f e c t i v et os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eg a s - s o l i dm u l t i p h a s e j e tf l o w , w h i c h c o u l d g i v ei n f o r m a t i o nt od e s i g nab u r n e rw i t ht h ea b i l i t yo fs t e a d ya n dl o w p o l l u t i o n e m i s s i o nc o m b u s t i o ni nt h ep o w e r p l a n t t h er e s u l t sa l s os h o w e du s i n gt h i sm e t h o d t o a n a l y s i ss t e a d yc o m b u s t i o n ，m a k i n ge c o n o m i c a lu s eo fe n e r g ys o u r c ea n do n l i n e m e a s u r i n gp u l v e r i z e dc o a lc o n c e n t r a t i o nw a se f f e c t i v e aw a v e l e ta n a l y s i sm e t h o dw a su s e dt o a n a l y z et h ep a r t i c l e c o n c e n t r a t i o n s d i s t r i b u t i o ni np u l v e r i z e dc o a lc o n v e y i n gl i n e s ，w h i c hi san e wa p p r o a c ht of u r t h e r s t u d y i nt h ep a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n sd i s t r i b u t i o no f t h eg a s s o l i dm u l t i p h a s e j 毗f l o w i t i s t h r o u g hg a s s o l i d c o n c e n t r a t i o n sm e a s u r e m e n tt h a t g a s a n ds o l i df l o w c h a r a c t e r i s t i c sc o u l db ep r e c i s e l ya n a l y z e d w i t hw a v e l e td e s c r i b i n gc o n c e n t r a t i o n s i g n a ld e t a i l sa n du s i n gr e s t r u c t u r e ，t h er e s t r u c t u r e ds i g n a lw a sv e r ys i m i l a rt ot h e o r i g i n a l t h em o r ed e c o m p o s e dl a y e r s ，t h el e s se r r o rb e t w e e n t w os i g n a l sw o u l db e p r o d u c e d t h e r e w e r e h i g h - 船q u e n c y n o i s ea n d l o w f r e q u e n c y d i s o r d e ri n c o n c e n t r a t i o n s i g n a l s b e c a u s eo f p i l o ts y s t e m i t s e l f 1 1 l e d e c o m p o s i t i o n a n d r e s t r u c t u r eo fw a v e l e tc o u l dr e f r a i nt h e s es i t u a t i o n s i nw a v e l e td e c o m p o s i t i o n , i tw a s e a s yt oc h o o s eu s e f u lf r e q u e n c y b a n dt oa n a l y z es i g n a l ，a n dt or e c e i v eb e n e f i tf r o m r e f r a i n i n gn o i s e k e y w o r d s ：g a s s o l i dm u l t i p h a s ef l o w ：o p t i c sw a v em e t h o d ：p a r t i c l e c o n c e n t r a t i o n s d i s t r i b u t i o n ；w a v e l e t a n a l y s i s 浙江人学颁t 学位论文第一童绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 在工业实际过程中，气固多相流的动的存在范围十分广泛，能源工程中固体 燃料在锅炉内的流动和燃烧过程：煤粉的制备、分离和管道输送；在化学工程中， 各种反应、分离装置都牵涉到气固多相流动过程，如流化床、固定床等反应器； 食品和运输工业中的固体微粒的输送；环保工程中各种除尘设备内气固分离。可 以讲气固多相流在整个国民经济的各个生产部门中都得到应用。气固多相流中 固相，除泛指固相颗粒相外，固体颗粒相是指由不同直径的固体颗粒组成，一组 相同直径的颗粒称为一相，从而构成了气固多相流系统。2 “。 发电设备运行中广泛的存在着气固两相流的问题，如煤粉的管道气体的输 送，增压流化床锅炉中煤颗粒的输送和在床内的沸腾燃烧等。随着电站锅炉容量 的增大，对于锅炉的安全经济运行的要求也变得越来越高。影响锅炉安全经济运 行的因素是多方面的，面锅炉的燃烧调整无疑是其中最重要的影响因素之一。气 固多相流特性的研究对于电站锅炉燃烧器出口风煤有效混合，对燃料的稳定燃烧 有很大意义”。 大型锅炉的优化燃烧，煤量和燃烧空气的合理分配是安全经济运行的一个基 本条件。当锅炉容量较大或燃烧器数目很多时，只有每个燃烧器都按一定的风粉 比向炉内送入燃料和空气，才能使整个炉膛的燃烧效果最佳。如果各燃烧器以差 异悬殊的比例送入燃料和空气，尽管炉膛过量空气系数仍维持在规定的范围内， 但对单个燃烧器来说，空气量和煤粉的不均匀分配，将使各个燃烧器有的严重缺 风，有的严重缺煤，从而带来一系列不良后果m 3 。如果其中某只煤粉量过多，管 道阻力增大，风量减小，则会发生煤粉沉积，危及安全运行。此外煤粉偏多的燃 烧器附近会形成还原性气氛区，使灰的融化温度降低，从而引起局部结渣。但在 国内许多电站锅炉的实际运行中，因四角配风不均，风粉比例失调，从而造成锅 炉爆管，燃烧器烧损变形，一次风管堵管和一次风管着火的事件时有发生；出现 这些问题的原因在于缺少一个直观、可靠的监测一次风量和煤粉浓度的手段。目 前广泛采用一次风管静压间接地反映一次风管风粉情况的方法，司炉凭经验调节 给粉机转速来控制煤粉量：用一次风门挡板开度控制风量。但实际上，给粉机转 速与给粉量在一定范围内并非线性关系，而且也并不是转速相同给粉量就相同， 也小足转速越高给粉量就越多。粉量多少也与给粉机入【_ l 、出i 处自j 翟力系数 浙江人学硕十学位论文 第一章绪论 有关；而给粉机制造上的偏差，安装尺寸的不同，使下粉管、出粉管、叶轮入口、 出口处的阻力特性都不相同。由于各给粉机转速不同或给粉量相差悬殊，调节 失控等原因，使有的煤粉管积粉，而有的则供粉不足，从而造成燃烧工况波动很 大。在风量调节方面，锅炉启动调试时要做空气动力力场试验，冷态时四角风量 是可以调整均匀的：但在热态情况下，情况会有较大变化，加之风量与煤粉浓度 的相互影响，很难使锅炉四角配风量及煤粉浓度均匀”8 。 解决此类问题的方法是要有适用、准确的监测手段，能直观地反映出一次风 管的风粉混合情况，使运行人员可以根据监测显示的风粉量有的放矢得进行调 节，才能保证锅炉安全经济运行。在许多多相流的混合扩散特性研究中，研究者 通常都采用热平衡法、气体示踪法等来进行气固两相流混合特性研究。但该方法 有极大的局限性，只适用于流速较低的情况下测量温度才较正确。 通过对气固多相流的浓度测量研究，能准确分析气相、固相运动特性。测量 多相流浓度比较常用的是机械式等速取样法。近年来，光学法己成为研究的重点， 光学消光法、激光衍射法、光散射法、相多普勒法等相继出现。光学波动法类似 于光学消光法，它不但利用光线穿越颗粒层后所产生的平均衰减值，还利用衰减 值的动态特性得到有关信息，在选择合适的衰减值的情况下，能够反映探测区域 的颗粒浓度的细微变化”1 。 在电站锅炉系统中，准确地给出流体的扩散、混合以及阻力特性，具有重要 的意义。它关系到系统投入运转后的安全性、可靠性，经济性。只有掌握了输粉 系统各组件中流体的扩散、混合以及阻力特性，较准确的得出输粉管道的压力损 失，才能恰当的选择设备的参数，使并联布置的管道的阻力达到平衡以保证风 粉的分配平衡，保证四角切向燃烧锅炉安全稳定的运行，在给粉系统中，连接各 设备的管道，存在大量的弯头。而且弯头产生的压力损失所占的份额很大，国内 外的学者己对9 0 。以及其他一些特定的弯头做了大量的研究，但得出的结果只 能反映实际工况的某- t j , 片段。实际工况中存在大量的组合空间弯头，准确的给 出组合空间弯头对阻力特性影响的文章很少。 1 2 研究内容 本文在上述的工作背景下，从气固多相流动的理论论述出发，对多相流在管 内流动的特性、自由射流的混合扩散特性及阻力特性以及利用光学波动法测量多 相浓度的原理进行了试验研究：并在此基础上，利用小波分析对管内多相流的浓 度分布做一定的探索。具体内容如下： l 、对目前气固多相流的浓度测量方法进行了综述，给下面的试验与研究提 浙江大学颂士学位论文第一章绪论 供参考。 2 、介绍光学波动法测量气固多相流浓度的测量原理、测量系统，在此基础 上对管内多相流的运动特性咀及弯头对其运动特性的影响作了分析研 究。 3 、基于此原理，研究多相流自由射流的混合扩散以及阻力特性。 4 、采用该测量方法对电厂煤粉管道进行了浓度测量研究。 5 、利用小波分析对管内多相流的浓度分布进行尝试研究，咀小波分析为载 体对浓度信号进行细节上的描述，并且可以利用重构的办法，构造出极 为接近的信号 i r r - - 1 3 。 参考文献 1 岑可法，樊建人，工程气固多相流的理论及计算浙江大学出版社，1 9 9 0 2 3岑可法，樊建人，燃烧流体力学，水利电力出版社，1 9 9 1 3 岑可法，樊建人，煤粉颗粒在气流中的受力分析及其运动轨迹的研究，浙江大学学 报，1 9 8 7 ，4 4 3徐通模，周小天，弯管内空气一煤粉两相流动的特性及应用，多相流与传热论文集 原子能出版社，1 9 8 9 5 王凯，赵海生陈增宏，煤粉浓度监测系统，动力工程，1 4 ( 3 ) ：4 5 4 8 ，1 9 9 4 6 3逑恩华，温度法测量煤粉浓度技术研究，西安热工研究所，1 9 8 4 7 h u a n g ，s m ，b l a s k o w k i ：a b ，x i e ，c g ，b e c k ，m s ，c a p a c i t a n c e b a s e dt o m o g r a p h i c 8 盖德希特斯洛尼，多相流动和传热手册，机械工业出版社，1 9 9 3 e 9 ；李海青等，两相流参数检测及应用，浙江大学出版社，1 9 9 1 1 0 y m e y e r ， 第一卷，邓车皋，龙瑞麟译世界图书出版公司，1 9 9 2 11 张贤达，现代信号处理清华大学出版社，1 9 9 5 1 2 程正兴，小波分析算法与应用，西安交通大学出版社，1 9 9 8 1 3 秦前清，杨宗凯实用小波分析，西安电f 科技大学出版社，1 9 9 8 浙江太学硕士学位论文第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 多相流文献综述 在工业生产过程中经常碰到固体颗粒在气流中进行输送、反应或燃烧，以完 成整个产品的制造或合成过程的问题。在工业各部门中多相流动的应用范围是十 分广泛的，诸如在能源工程中固体和液体燃料在锅炉内的流动和燃烧过程；煤粉 的制各、分离与管道的输送；锅炉管内及核电站蒸汽发生器内的气液两相流动及 传热；燃气轮机燃烧室内的流动及燃烧：蒸汽轮机内湿蒸汽的流动及冷凝器的两 相传热等。在化学工程中，各种反应、萃取、分离装置都要牵扯到多相流动过程， 如板内式塔、填料塔、固定床、气流床及流化床反应器等。在冶金工业中诸如各 种冶金炉、高炉煤粉喷吹等等。在采矿工业中煤碳的选洗、矿石的预加工、预处 理、煤碳及矿粉的管道输送等。在机械制造工业中的各种加热炉、热处理炉，也 大多涉及到多相流过程。在建材工业中水泥窑、玻璃窑、陶瓷隧道窑也离不开多 相流动的处理工艺。在环保工程中各种除尘设备内的多相流动更是复杂，而且直 接影响到除尘烟气脱硫和脱硝装置内的多相反应：烟囱的污染物排放与扩散的规 律等：在食品和运输工业中，也把多相流动作为输送物料或制成品的一种重要手 段“_ “。 多相流动已经渗入到国民经济的各部门中。虽然多相流的应用领域很广，但 是它的理论基础和物理模型都是共同的。这种颗粒流动通常称谓多相流动。相的 含义有两种，一种是泛指气、固、液相；另一种是指气一固或液一固流动过程中， 颗粒相是由不同直径的固粒或液滴所组成。可以把每一组直径相同的颗粒称为一 相，因而由不同直径组成的气一固或者气一液流动也称为多相流动。本论文只讨 论前一种。 工程中的多相流种类繁多，结构复杂，目前尚无统一、严格的分类方法。根 据实际应用的不同领域，从空气动力学的特征出发有如下的三种分类方式： 1 、稀相多相流和密相多相流。这是以颗粒相在气相中含量多少来划分的。 通常认为在稀相多相流中由于颗粒相的浓度不太大，使得颗粒相的存在对气相运 动的影响不太大，颗粒相运动规律基本与气相一致。只要把气相和固相的相互影 响加以修正即可( 例如固相对气相的相对滑移，固相的存在对气相运动的阻力、 气相对固相的作用力等) 。密相多相流动指的是颗粒相浓度增大到某一定数值后， 对气相的流动形成很大的影响，此时用气相流动的方程就很难准确地加以描述。 这是主要的矛盾方面是颗粒相的流动，颗粒相对气相的影响打到不能忽疆因而 浙江j 、学硕r 学位论文 第一首j ： 献综述 流动过程就币能用简单的气相方程加以修i f 束描述。这种流动的分界目前尚无统 的定论，大多以颗粒相的存在对气相流动尚未形成重大影响的颗粒浓度为分 界。例如对于气固多相流，物料浓度小于l k g 物料m g 气时，可认为是稀相多相 流，反之可认为是密相多相流。应当指出，在稀相多相流中只能醣颗粒相的存在 对气相的影响不大，相反气相的存在对颗粒相的运动影响极大，因此即使在稀相 流动中也要着重分析气相和颗粒相相互问的作用力，以决定颗粒相的运动轨迹 和速度。在工程中属于密相多相流动的有密相管道输送、固定床、流化床反应装 置等。 2 、按工业锅炉窑和反应装置的生产过程的空气动力分类。通常有四种主要 的空气动力形式。第一种为固定床，颗粒堆放在炉排上不动而气流在颗粒床层间 隙中绕流而过，此时炉摊可以固定的，可以移动的也可以是振动c ! 勺；气流可咀 从上而下，也可以从下而上流动。因此可归纳为气流绕静止或移动颗粒群的流动 工况。第二种为流化床，空气和颗粒作同向的或异向的上下翻滚流动，对于鼓泡 流化床在颗粒相之间还出现气泡流动，因流化床属密相多相流动，因而气泡的 运动轨迹和速度受颗粒乳化相的影响极大。第三种为旋风室，颗粒和气相在高速 旋转下完成反应或分离过程，在壁面的附近集中有高浓度的颗粒在气流作用下不 断相互碰撞或和壁面碰撞而形成复杂的多相流动。第四种为悬浮床，气体和颗粒 一起流动穿过炉窑和反应器，此时的流动特点是颗粒和气相的滑移速度不大，和 主流运动方向相同，多属于稀相多相流。 3 、按典型的射流空气动力学分类。通常复杂的多相流动过程可以分解成几 种典型的射流然后加阻合成。常用的典型射流有以下四种形式： ( 1 ) 自由射流，空气和颗粒从特定的喷嘴喷向无限空间的流动通称为自由 射流。它是组成单相或多相流动的基本形式。按喷嘴形式可以分为圆形、矩形、 环形等，按喷嘴的组合它可以分为同心环形、平行射流组、交叉射流、对冲射流 等。如炉内的二次风就是一个典型的交叉射流。 ( 2 ) 绕钝体的多相射流，多楣射流绕过钝体匀流动应用十分普遍，如多相 射流绕过热交换器的管束、绕过钝体的燃烧稳燃器及钢锭的射流加热等。由于钝 体的存在。产生绕流和碰撞的现象，使季导多相流动变得复杂。 ( 3 ) 多相旋转射流，射流通过切向或旋转叶片而产生强烈旋转后喷入自由 空间形成常用的多相旋转射流。由于气体和颗粒受到不同的离心力作用，使得气 流和颗粒的速度场和颗粒浓度场产生很大的不均匀度，中心形成强大的回流区， 较粗的颗粒则飞向射流外边界。在工程应用中旋转射流可有不同的形式如带扩 口的旋转射流、与轴同向或不同向双旋转射流、不同旋转方向组成的旋转射流矩 阵、单相和多相旋转射流的组合等。 ( 4 ) 受限射流，上述三种基本形式的射流不是喷翔无限空间，而是喷入炉 浙江大学硕：l 学位论文 第二章立献综述 内或反应器的有限空间内，此时必须计及壁面对射流的作用，使得流动更为复杂， 大多数多相流的工程问题都具有受限射流的性质，只有当空间足够大、壁面效应 的影响可以忽略才可作为自由射流来处理。 实际的工业设备中，其流动过程往往由上述四种基本形式组合而成，典型的 锅炉内的流动形式，如u 型燃烧方式，煤粉多相流( 一次风) 从顶部喷入，或 在侧面二次风射流分段喷入，或在项部用旋转三次风相伴随，组成典型的u 型 火炬。直流燃烧器四角布置切圆燃烧方式，它是由多股单相和多相直流射流组合 而成的一股强烈的旋转流，为了稳定劣质燃料的燃烧，有时还在射流出口处加上 稳燃钝体。前墙布置的旋转射流组合，可以是直流和旋流的组合，也可以是双旋 流的组合，各旋流燃烧器之间可以是由不同的旋流方向组成，排成错列或顺列。 旋流燃烧室，可以是卧式或立式，燃料在旋流气流中强烈燃烧。w 型燃烧方式， 两侧单相和多相射流喷入形成w 型火炬”“。由此可见，由上述几种典型的多 相流动射流可以组合出各种工程设备中的复杂流动。 多相流是个潜力巨大的涉及到国民经济各领域而且又是与工农业生产密 切相关的学科。它的主体研究已经结束了起步阶段，正在不断发展壮大，逐步 深化，理论已经运用到实践中。并得到不断发展，常规的不断综台因素的考虑方 法，已经不能确切地描述问题的本质大量新的处理方法及技术不断涌现。 随着科学技术的迅速发展，多相流多相流体系在国民经济和人类生活重要。 多相流体系在自然界和工业生产中涉及范围十分广泛。自然界中的大漠扬沙，孔 中的烟尘弥散等都是与人类生活有关的两相流现象。在化工、石油、冶金、动力 及原子能等工业中两相流动过程更是普遍存在。大量实例所反映的多相流涉及 范围的广泛性及其应用的重要性促使了两相流领域研究工作的迅速发展阳“1 。但 基于多相流体情况极其复杂，要认清现象，获得概念，建立模型并进行过程的预 测、设计及控制，首先要解决的就是多相流的检测技术问题。随着工业生产过程 计量、节能及控制要求的提高，对两相流参数检测的要求越来越迫切。 2 2 气固两相流浓度澍量方法文献综述 由于两相流或者多相流不仅比单相流流动特性复杂得多，而且相间存在着界 面效应和相对速度，致使参数检测的难度较大。为此，世界各工业发达国家均做 了大量的研究工作。研究较多的测量方法多涉及新技术：如辐射线技术、激光多 普勒技术、核磁共振技术、超声波技术、微波技术、光纤技术、脉冲中子活性示 踪技术、相关技术、流动成像技术等也有很多研究工作者是应用传统的单相流 仪表和两相流模型进行多参数组合辨识而检测的。这些两相流参数的检测技术和 方法大多还处于实验室应用研究阶段，已商品化的工业型仪表还报少如相关流 量i r 卵属于：少数已商品纯的仪表品种之一，佩工业在线应用还很少。可以浇，两 浙江大学顺j 。学位论文 第二章文献综述 相流参数测量在国际上尚属一个亟待反战的探索研究领域。 我国从事两相流检测技术的科研工作者，分布在化工、工程热物理、动力、 核能、力学吼及自动化仪表等各个学科领域。在全国第一届多相流检测技术学术 会议( 1 9 8 6 年1 0 月杭州) 、第二届学术会议( 1 9 8 8 年1 0 月，南京) 、第三 届学术会议( 1 9 9 0 年1 0 月，上海) 以及以后的几届学术会议上发表了很多学术 论文，说明我国在此领域也早已起步并进行了大量的研究工作。这些论文比较充 分的反应了我国当前两相流检测技术的实际研究状况和发展水平，其中一些论文 具有较高的学术水平，也有相当数量的论文反应了测试技术仪表化、实验室仪器 改制推广到工业在线应用的必然发展趋势”。 两相流动或多相流动是一种复杂的多变量随机过程，随着随机过程理论的逐 步发展和信号处理技术的不断完善，应用统计的方法和过程辨识理论与技术，进 行两相流参数的估计将成为重要的发展趋势之一。当计算机应用技术的发展，获 取多个信息量对两相流流体局部空间区域，应用流动成像技术进行微观测量也将 成为发展趋势，研制高灵敏度和稳定度的阵列式传感器，咀达到较准确的测量离 散相的浓度及其分布仍是重要的基础工作。空间滤波器法、相关法和激光多普勒 法在测量两相流流速方面将获得广泛的应用。如何将成熟的单相流参数检测技术 用于两相流参数检测仍将是受到普遍重视的研究方向。 气固两相流中，由于粒径、密度、固气比、气体流量及压力等多变影响，再 加两相流动规律本身的复杂性，对被输送物料浓度的测量难度较大，8 0 年代初 期，国外在这方面作了较多探索。在气力输送系统中，输送量和输送距离通常都 是一定的，管道的压损主要取决于气流速度、管径和固气比。要保证系统可靠通 畅的输送，并使单位时间内、将单位重量的物料输送单位长度所消耗的动力最小， 关键问题是控制输送物料的速度和固气比。因此，在线监测物料浓度将时首先要 解决的问题。 在锅炉的调试和运行工程中经常会遇到气固两相流的浓度测量问题，测量煤 粉制各系统磨制煤粉在管道里的浓度分布，判断各燃烧器煤粉量分配均匀程度： 确定锅炉飞灰机械未完成燃烧热损失大小；测定除尘器的除尘效率和烟囱排放烟 气的含尘浓度等；在研究炉内火炬燃烧特性时，还要对高温火焰中的燃料颗粒进 行测量。锅炉四角的风粉均匀性是电厂锅炉保证良好燃烧、防止炉内结渣、提高 锅炉燃烧效率的重要因素。根据我国国情，目前许多已投入运行的电站锅炉燃烧 系统没有煤粉浓度检测设备，导致司炉运行操作困难，难以避免火焰偏斜，从而 引起炉内结渣、局部过热。目前国内外用于气固多相流浓度测量的方法有很多， 大多是利用颗粒的各种物理性能来进行测量，例如比色法、光电法、激光法等： 利用颗粒与气体具有不同的介电常数的电容法；利用灰粒荷电特性的静电法：还 有利用颗粒吸收和反射等特性的超声法和射线法等。”。4 1 。下面对这些方法分别 浙江太学硕士学位论文第一二蕈文献练述 进行简述。 2 2 1 等速取样法 为了正确的测得气固两相流的浓度，并且使抽取的固体颗粒样品具有代表 性，对于气固两相流的直接取样必须在等速的条件下进行。所谓等速取样，即让 取样探头进口的吸入速度与探头周围的来流速度相等。在取样时可以利用抽吸泵 将两相气流吸入取样探头，经过滤器收集吸入的全部固体颗粒，同时由流量测量 装置计量抽吸的气体容积，其中取样探头是保证等速取样的关键。 对于气固两相流进行取样，不外乎四种情况：吸入速度等于、小于或大于 来流速度；或吸入速度虽与来流速度相等，但取样探头没有j f 对气流方向。后三 种情况都将使得探头进口附近的气流流线改变方向。由于固体颗粒的密度大多是 气体密度的一千倍以上，所以当取样时吸入速度和来流速度不相等时，固体颗粒 会因惯性力的作用而脱离弯曲的气流流线，造成取样误差。若取样时吸入速度小 于来流速度，则进入探头的流量将小于管道中原来的流量，部分气流绕向探头外 侧，气流流线向外扩张。探头边缘气流中的微小颗粒会跟随气流向外绕流。而较 大的固体颗粒因惯性力的作用脱离弯曲的流线仍进入探头，造成取样浓度偏高和 样品中的粗颗粒组分增加，平均粒径交大。当吸入速度大干来流速度时，探头入 口附近的气流流线收缩，结果正好与前面相反。同样，取样时探头不正对来流方 向，也将造成取样误差。 简单等速取样装置是由具有尖劈流线型取样探头和取样器干管组成。按其实 现等速的方法不问，可分为流量调节式和变探头界面式两种。 前者在取样前先用毕托管等速测速装置和温度计测量取样点的速度、静压和 温度，根据取样探头口径按等速取样原则计算所需的抽气流量。然后放入取样装 置，调节抽气量到计算得的抽气量进行取样。用系统中的流量测量装置监视抽吸 流量。当采用节流装置或浮予流量计测量抽吸流量时。其抽吸流量按下式计算： q = 万； 式中： m 3 ，s( 2 1 ) q 流量计读数m 3 s ，取样探头进口截面积m 2 p , t 取样点处流速m s 。静压p a ，温度k p 树，r 0 流量计标定时的压力p a ，温度k 哆，巧一流量计处气体静压p a ，温度k r i 一弓压 浙江太学硕士学位论文 第一章文献综述 取样时为不使气流中所舍的水份凝结而影响流量计测量的正确性，必须使进 入流量计的气体温度维持在露点阻上( 一般为6 0 8 0 0 c ) ，流量计处的负压由 取样系统的结构决定，所以在取样前只要测量取样点处的流速、静压和温度，即 可按照式( 2 1 ) 计算得所需的抽气流量取样所抽吸的气体的总容积则按时测 得p j 和t j 计算，并换算成标准状态下的气体容积： 吃= q r 式中： v 。取样所抽吸的气体总容积， p o ，t 0 标准状态下气体的压力( 1 0 1 3 2 5 1 0 p a ) ，温度( 2 7 3 k ) 该取样探头结构简单，制作方便，对流场的干扰较小，所以被广泛采用。但 需要先测量后取样，在测量现场进行计算，手续比较麻烦，也容易出错。另一个 缺点是因一台流量测量装置的测量范围有限，最住的工作量程更小，所以对不同 流速的适应性较差。为克服这一缺点可利用其探头结构简单的制作优点制作一整 套口径不同的取样探头，也就是前面提到的变取样探头截面方法。当对不同流速 的气固两