超声法一次风流速和煤粉浓度在线测量的研究

1、超声法一次风流速和煤粉浓度在线测量的研究硕士学位论文超声法一次风流速和煤粉浓度在线测量研究作者乔榛指导老师朱曙光讲师南京理工大学年月删声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果尽我所知在本学 位论文中除了加以标注和致谢的部分外不包含其它人己经发表或公布 过的研究成果也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料与我一同工作的同事对本学位论文做岀的贡献均已在论文中作了明 确的说明研究生签名沙哆年$月矽日谧学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档可以借阅或上网公布木学位论文的部分或全部内容可以向有关部门或机构送交并授权其保存借阅或上网公布本学位论文的部分或全

2、部内容对于保密论文按保密的有关规定和程序处理研究牛签名搬加了年弓月矽日硕士论文超声法一次风流速和煤粉浓度在线测量研究摘要一次风流速和煤粉浓度的准确测量是提高大型电站锅炉运行水平迫切需要 解决的技术难题z超声波在热工测量领域应用广泛有着非接触自清洁等优点适 用于一次风流速和煤粉浓度的测量具有较好的应用前景本文的目的是研制基于超声法的一次风流速和煤粉浓度在线测量装置围绕 该目的开展了以下几个方面的研究采用实验的方法测定煤粉的部分物性参数利用已有的理论模型对超声波在 空气煤粉两相介质中传播的速度和衰减进行了数值计算分析了物性参数对计 算结果的影响对一次风流速和煤粉浓度测量装置进行了系统设计在此基础上

3、选用了合适超声波传感器及信号驱动接收采集设备设计了给粉实验台一次风模拟实验 台及传感器的安装与防护结构开发了配套的软件成功地搭建了一次风流速和煤 粉浓度测量系统并据此开发了第一套工程样机在一次风模拟实验台上使用超声波相关法测量一次风流速与毕托管的测量 值相比两者的测量结果基本吻合在对超声波传感器器件特性进行研究的基础上针对超声波在空气煤粉两相 介质中的声衰减进行了实验研究得到了声衰减与煤粉浓度的关系并给岀拟合 关系式为进一步的工程应用提供理论基础关键词煤粉浓度一次风风速在线测量超声波气固两相流硕丄论文硕士论文超声法一次风流速和煤粉浓度在线测量研究0录摘要目录符号说明绪论课题背景与意义一次风煤粉

4、浓度与速度测量的研究现状一次风煤粉浓度测量方法热平衡法文丘里管法光脉动法射线吸收法电容法电站锅炉一次风风速测量方法综述气力式速度测量方法热电式气流测量方法相关法测速技术超声波流量计超声法在两相流固相浓度检测屮的应用国内外对超声波在两相流中传播机理研究国内外超声波在两相流参数检测方面的实验研究本文的主要工作超声波在气固两相流中传播的理论模型及模拟结果分析单相介质屮的声速和衰减两相介质声速和声衰减预测模型概述模型概述模型概述模型概述模型概述计算结果及分析硕士论文目录数值计算所涉及的物性参数声衰减的计算结果声速值的计算结果物性参数变化对声衰减预测结果的影响木章小结一次风流速和煤粉浓度测量系统超声波发

5、送与接收传感器驱动信号源和驱动放大器带通微弱信号放大器和高速数据采集卡工控机给粉实验台给粉实验台本体给粉量计量煤粉颗粒下落速度测量装置传感器保护和温度监控距离衰减试验装置一次风模拟实验台传感器的安装布置与防护软件的开发本章小结 传感器特性研究吹扫风的影响传感器的温度特性空气中声衰减木章小结一次风流速与煤粉浓度测量实验研究声衰减与煤粉浓度的关系测定煤粉的物性参数测定实验步骤衰减质量流量颗粒下落速度的测量硕士论文超声法一次风流速和煤粉浓度在线测量研究动态称量对质量流量测量结果的影响给粉台分布性能测量确定粉气比实验结果与分析风速测量实验装置结果本章小结结论耳展望结论展望致谢参考文献附录一不同温度下的

6、空气物性参数附录二模型计算程序附录三妊模型姒计算程序附录四四模型计算程序粘滞衰减附录五模型计算程序热传导衰减附录六相关信号处理符号说明硕士论文符号说明丁等温压缩系数绝对温度空气的定压比热质量流量ii空气的定容比热质量流量导数iiii声强热集肤深度粘性集肤深度重力加速度既瓯oo声压角频率置信度的不确定度热膨胀系数%。甜标准不确定度固和体积浓度为刀粉气比波尔兹曼常数热流密度两相流等效密度对流换热系数颗粒相密度流动阻力连续相密度仃口办ii尺体积流量煤粉颗粒半径雷诺数连续相中的声速贴矿颗粒相中的声速连续相导热系数ii颗粒和导热系数两和流等效声速连续相中的波数流体粘度仅颗粒相屮的波数衰减系数两相流等效波

7、数热传导导致的声衰减系数匕七ii包仃密度比热传导导致的声衰减系数硕士论文超声法一次风流速和煤粉浓度在线测量研究绪论课题背景与意义我国是一个能源消耗大国电力供应以火电为主年全国电力牛产量亿千瓦时其屮火力发电量亿千瓦时占总发电量的而绝大部分火力发电厂以煤为主要燃料基于我国自然资源特点技术发展水平以及经济高 速发展对能源的巨量需求在未来很长时间内煤炭仍将是我国能源供应的主要来源面 对口趋紧张的资源供应及环境保护的压力十二五规划纲要提出了要增强危机 意识树立绿色低碳发展理念建设资源节约型环境友好型社会提高电厂锅炉煤炭燃烧 效率降低燃烧污染物排放对节能减排保护环境有着重要的意义我国大多数燃煤电站锅炉采用

8、直流燃烧器切圆燃烧方式风粉系统的运行情况对这类锅炉运行的安全性经济性影响极大建立良好的炉内空气动力场保 持合理的过量空气系数对于燃烧调整优化至关重耍运行中一次风管内的风速及煤 粉浓度是影响定炉内燃烧工况稳定性以及锅炉燃烧效率的重要参数同层各一次风 管内流速和煤粉浓度的不一致对锅炉的运行产生一系列不利的影响这些不利的影 响主要表现在造成炉内的燃烧切圆偏斜火焰贴壁炉膛热负荷不均匀温度偏差大排放量增加产生局部水冷壁超温结焦现象引起过热器和再热器的热偏差导致锅炉 熄火放炮而诱发事故等各个方面如宋玉宝等研究表明精确测控各级配风及煤粉 浓度可大幅度降低的排放浓度减轻电厂排放对环境的污染由于磨煤机本身的性能

9、及一次风管道布置方式的限制很多燃煤机组运行过 程中一次风管道的煤粉分配风量分配偏差严重工程经验数据表明普通碗式磨煤机 最大流量分配不均匀性和浓度分配不均匀性可达到和个别问题较为严重的磨煤机的浓度不均匀性甚至超过引各一次风管阻力特性的不同进一步加重了这一 偏差同时随着电力工业的迅猛发展电网屮用电负荷的峰谷差口益增大对电厂锅 炉负荷调节能力提出了较高的要求而一次风风量煤粉浓度测量是实现电厂锅炉变 负荷咼效运行的前提此外国家对污染物排放日趋严格的限制以及电力竞价上网的 压力使得许多电力公司着手重新审视如何实现燃煤机组闭环控制运行近年来锅炉燃烧优化控制系统电厂实时负荷优化分配系统等被引入到电厂为实现燃

10、煤机组闭环控制优化燃烧进行了有益的尝试所以电厂对一次风风速和煤粉浓度的准确有效测 量提出了更高的要求但是由于种种原因该领域的技术水平仍有待提高因此如何提高电站锅炉运行中的风粉系统参数监测水平指导风粉系统调整 控制各一次风管内的煤粉浓度和输粉速度是提高大型电站锅炉运行水平所迫 切需要解决的技术难题对锅炉的安全与经济运行十分重要硕士论文绪论一次风管道内的风粉输运过程是典型的气固两相流动气固两相流参数的测 量一直是工程领域的前沿课题之一目前对某些参数尚缺乏可靠经济的在线监测手 段本文的主要内容就是探索超声波法在测量气固两相流参数方面应用潜力发 展一种有工程应用价值的风粉浓度流速的监测手段一次风煤粉浓

11、度与速度测量的研究现状管内气固两相流动就是所谓的气力输运气力输运过程屮大量的粉粒状物料 在一定压力和速度的气流的作用下呈现流态化继而随着气流在管内运动而完成输 运引气力输运过程是非常复杂的两相流动它们具有可变形的界面和可压缩的气相气 固两相流相问存在界面效应和相对流速相界面在时间上和空间上都是随机变化的 这一切均导致气i占i两相流的流动远比单相介质的流动复杂多年来实现气同两相流动 中各种参数的准确测量一直是研究人员致力解决的难题司炉进行的锅炉燃烧调整的传统方式有两种一种是依靠观测风道静压风门 开度和肉眼看火通过这种落后的监测手段难以对锅炉运行中真实风速的高低风 量的大小四角配风情况及煤粉浓度的

12、大小和均匀性等参数作直观量化的有效监测 另一种是等速采样方法测量直吹式制粉系统采用煤粉测量煤粉浓度煤粉细度而这种 非在线式的测量方式滞后严重难以满足电站锅炉自动化控制的发展要求当前形势下能源有效利用和环境保护的要求日益提高由于气力输运在工业 领域内应用的广泛性发展一种准确可靠非侵入式的在线两相流测量手段迫在眉睫一直以来国内外科研人员在不断尝试各种测量方法手段总结起来浓度测量方 法主要分为直接测量法和间接测量法引直接法是采用直接测量两相流的固有参 数来测量浓度主要有压差法热平衡法文丘里管法间接法是在两相流屮加入电磁超声激光等激励信号通过捕捉这类信号经过风粉空间导致的变化进而表征浓度参 数主要有微

13、波法电磁法光脉动法超声波法电容法射线吸收法等对于两相流流速的测量方法包括传统气力式流速测量方法如皮托管笛型管节流 装置以及热线法相关法测速超声波流量测量等一次风煤粉浓度测量方法热平衡法目前许多火力发电厂采用热平衡法测量煤粉浓度热平衡法是依据热力学第一定律而发展出来的方法如图所示选择水平一次风管道上混合前后 的一段区域为研究对象分析煤粉与气流混合过程的热力学参数变化与煤粉浓度 的关系寻求测量煤粉浓度的表达式很明显研究对象为一开放系统其左右边界分别选在气流和煤粉开始混合混硕士论文超声法一次风流速和煤粉浓度在线测量研究过程结束的位置假设煤粉与气流混合结束时煤粉加速至与气流速度一致并 且二者的温度也已

14、相同风粉混合物则通过边界进入流出控制体现在对整个过程做出如下假设忽略摩擦的影响系统不对外输出净功忽略系统与外界的热交换忽略煤粉颗粒进入控制体吋的速度忽略重力位能的变化因此根据热力学第一定律釆用热平衡法测量煤粉浓度的关系式如公式所示根据这一公式可以通过测量混合点前后的气流温度及流量混合前的煤粉温 度计算煤粉的质量流量口聊乙口乙其屮乙乙分别代表混合前后气流和煤粉的温度口分别为气流和煤粉的定容热容图煤粉与气流混合的热力过程实际上根据传热学的理论煤粉颗粒温度与气流温度达到一致需要较长的换 热时间而且颗粒的大小不同流动与换热的情况也有很大差别实际上混合后的热风 温度在混合点后一段管长范围内是不断降低的最

15、后才逐步趋于稳定所以这一过程 中管道的热损失将对测量产生不利影响在电厂的生产过程屮受运输堆放天气等条 件的影响煤质难免会发牛一些变化这些变化将影响到煤粉的比热而在应用热平 衡法测量煤粉浓度时煤粉的比热一般采用固定的经验值这也会影响到测量的精度综 合上述采用热平衡法测量煤粉浓度将受到煤粉颗粒大小煤质测点位置管道散热的 影响此外在使用浸入式测量时煤粉的强烈冲刷侵蚀使得该方法的可靠性难以保 证另外此方法只适用于中间仓储式热风送粉锅炉不适用于直吹式制粉系统而目前 使用较多则是肓吹式制粉系统口文丘里管法气流经过文丘里管前后会产生压差蛾通过测量蛾就可以计算气流速度同硕士论文绪论时大量的理论和实验硏究表明气

16、体颗粒混合物经过文丘里管所产牛的差压 和颗粒含量存在对应关系研究发现气固两相混合物在流过文丘里管时的差压叱与纯气流通过时的差必存在如式所示的关系己彳对于一定的工质和工况彳为常数所以煤粉浓度的计算式为堡一彳咖笙一二驴匕一为校正系数校正系数是文丘里流量计尺寸颗粒粒径分布及煤粉浓度的函数 应由实验确定文丘里流量计对流动的干扰非常敏感对应用条件要求较为苛刻应用于工业 现场还需作进一步的研列硼一图文丘里管差压测量示意图光脉动法光脉动法又称消光起伏法光通过煤粉和空气混合流动体系时将同时受到空分子和煤粉粒子的散射与吸收煤粉粒子浓度不同对光线的衰减作用也不同这就是该方法的测量原理对于煤粉这种特殊颗粒其吸收率近

17、似于黑体它们对光波衰减相当强其等效 直径要比气体分子直径大若干数量级相对而言空气分子的散射和吸收作用可 忽略不计光强衰减可以用式表示砌:a岛式屮是投射光强与入射光强z比是煤粉颗粒直径口是煤粉浓度彳是测量区的截面积是煤粉颗粒的消光系数它是测量光波长煤粉的折射率和煤粉 颗粒粒径的复杂函数可以用光散射理论啪求得硕士论文超声法一次风流速和煤粉浓度在线测量研究文献口-展示了光脉动法测量煤粉浓度粒径详细的推导过程光强信号的随 机脉动与在测量瞬间处于光束测量区中的煤粉颗粒大小和数目有关测出透射光信 号的随机变化序列就可应用光脉动法理论进行分析求得煤粉颗粒的平均粒径和浓度受工作环境及设备造价等因素影响该方法在

18、电厂实际应用较少射线吸收法位于发射端的准直器与位于接收端的准直器构成准直系统放射源与准直系 统配合为测量过程提供了窄束射线将射线未穿过任何物质时的辐射强度定义为原 始强度厶当射线穿过被测物质后发生了衰减射线辐射强度变为实验证明射线穿透物质后其辐射强度衰减符合以下指数衰减规律-ii式屮是被测物质的厚度口是射线的衰减系数这一衰减系数综合了光电 效应康普顿效益电子对效应及瑞利散射等方面对强度的衰减作用效果 被测物体图获取窄束射线的装置示意刚电容法电容法是基于输粉管道中的热风连续相的介电常数与煤粉离散相的介电常 数存在差异的原理而工作的煤粉与热风混合后的等效介电常数为假设煤粉均 匀的弥散在热风中则铲舌

19、其中竣则吒气舌力告嚣硕士论文绪论式表明管道中气固两相流的等效介电常数与煤粉的体积浓度卢存在线性关 系通过测量等效介电常数即可求出煤粉的体积浓度卢电容法具有安全可靠成本低采用非侵入式测量易于安装牢固耐用响应速度快等优点适用于在线监测的工业应用场合但是实际应用过程中暴露出 很多问题第一在实际的多相流动过程中流型变化极其复杂电容测量值与相浓度之间 并非是单值对应的关系且参数之间的关系错综复杂第二电容传感器有其固有的检测场灵敏度分布不均匀性问题电容测量的灵 敏度分布易受被测多相流相分布不均匀的影响第三由于相浓度的变化而引起的电容量的变化十分微小若使电容传感器具 有很高的检测分辨率传感器必须具有较强的抗

20、杂散电容的能力上述原因使得电容传感器在一次风煤粉浓度测量中的应用受到限制孙猛等在实验系统屮安装了旋风分离装置通过旋风分离作用固定流型通过 对管道截面体积分数轴向速度及切向速度的测量与比较分析表明该方法可改 善电容法的测量效果电站锅炉一次风风速测量方法综述由于布置空间及风道结构的限制电站锅炉一次风管道呈现多歧路短直道大 风量的特点测点的流量难以稳定含尘量高流场冷热态差别较大很多传统的风 里测量手段不能适应如此的不利工况气力式速度测量方法气力式速度测量方法是一种传统的风量测量方法这种方法基于伯努利方程 这一基本原理是一种应用较为广泛的速度式流量测量方法具有代表性的测量装置 有毕托管笛型管翼型测速装

21、置等翼形风速测速装置是在喉部取压测量信号稳定精度和灵敏度较高木身可以 对流场进行整形要求的前后直管段短其形状为流线型不可恢复的动压损失小满足锅炉送风系统的风量测量要求引高利军等对己有的翼型进行重新设计并实验 结果表明翼型风速测量装置阻力系数较小在机翼前后各有和的直管段条件下就能保证风速测量误差小于但是翼型测速方法一般适用于洁净空气的流量测量次风磨煤机入口为低浓度含尘气体机翼感压孔易积灰堵塞瞄耿晓峰介绍了一种基于型毕托管的防堵型阵列风量测量装置可以应用于含尘气流的流量测量为了解决堵塞问题该装置装设了防堵塞机构在垂直段内 安置了清灰器可以在管道内气流的冲击下作随机的摆动起到自清作用采用等截面 阵列

22、布置多个测点的方法避免了人管道截面上流速分布不均对测量精度的不利影 响此装置在硕上论文超声法一次风流速和煤粉浓度在线测量研究国华宁海电厂内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司的投产使用过程屮 表现良好基于整流分割截面测量方法李剑等设计了新型蜂巢式一次风测量装置适合大型复杂截面的风量测量实验结果表明该装置的风量测量偏差达到了精确 测量的水平且对风门变化具有较好的跟随性热电式气流测量方法热线风速仪和热球风速仪是两种常用的热电式测速装置被广泛应用于气流 速度的测量作为一种以电量为输出信号的测速方式与气力式测速装置相比具有灵 敏度高动态响应特性好适用于远程信号传输的优点通常热线风速仪用于实验室测 量气流

23、的速度和紊流参数热柱或热球风速仪则用于实验室和工业现场平均速度的 测量文献介绍了美国公司的型热扩散式气体流量计测量这种流量计的传感元件包括两个带套管保护的钳热电阻两个被置于流体屮时一个被加热另一个感测过程温度两个之间的温差与过程流速及过程介质的性质有 关这种流量计具有宽量程比高达小压损的特点实现流速和温度的同步测量对含尘气流具有一定的适应性相关法测速技术当流体在管道内流动时其内部存在着各种各样的随机扰动从而产生了与流 动状况有关的流动信息并具有一定的统计特性相关法流量计的结构如图所示当号穿过管道时信号会受到流体速度场的调制调制后的信号屮就包含了流体 速度场的信息对此信号进行分析提取与流动状况有

24、关的流动信号和且将上下游流动信号和厂作相关运算得到相关函数图相关测量基木原理图硕士论文绪论相关函数的最大值所对应的时间位移就是流体从上游流动至下游的时间也 称渡越时间流速由式计算文献分别研究了基于超声波相关法的两相流动速度测量的问题高晓燕通过仿真分析了影响测量气液两相流流速精度的因素桂永芳开发了超声波相关 法测速系统的电路并在上下游换能器距离为流速范围为的条件下进行了实验经过多次测量取平均值并通过流速修正来减小测量误差结果表明在 该流速范围内其测量系统的测量误差在左右基于光脉动法的原理蔡小舒开发了可用于育 吹式和中间仓储式煤粉制粉系 统的风粉在线监测系统使用光学信号的互相关法测量一次风流速取得

25、了较好的实用效果此外华北电力大学的段泉圣提出了电容法的相关测速技术方案并进行了实验验证了方法的可行性超声波流量计年德国诞牛了超声波流量测量方面的首项专利此后由于该方法具有高精度 宽量程比高可靠性及非侵入式测量的优点在电力石油供水化工煤矿冶金 环保等部门的应用越来越广泛根据检测原理的不同超声波流量计大致可以 分为传播速度差法多普勒法波束偏移法相关法以及噪声法等类型田近年来的研究工 作己将超声波流量计引入到气固两相流流速的测量中超声法在两相流固相浓度检测中的应用超声波在两相流检测中应用广泛除了前文提及的超声波流量计在两相流相 浓度粒径分布等参数的测量方面也有较多的应用根据原理的不同在相浓度检测 方

26、面主要有超声波层析成像法衰减法和声速法三种方法国内外对超声波在两相流中传播机理研究对于声波在两相媒介中传播机理的研究可以追溯到上个世纪初早在年就对雾屮的声吸收现彖进行了研究并建立起了相应的理论模型认识到介质 性对于声波有衰减作用年研究发现悬浮液中的声吸收很大部分是由流体 和颗粒之间的粘性作用引起年从方程质量守恒定律出发建立了两相介质中声传播的一个理论模型他认为除了连续介质粘性和分散 相固体弹性效应外影响悬浊液和乳浊液中声速声衰减的因素还有两相之间的热传导颗 粒z间的动量输运等相关的实骑结果与理论预测值具有较好的吻合度从而验证了 该模型的有效性和继续发展了该模型扩展了该模型的适用范圉所以该模型被

27、称为模型围绕该理论模型所进行的研究工作被誉为具有历程碑的意义 该模型基于守恒定律应力应变关系以及热力学状态方程建立在弹性各向同性 导热硕士论文超声法一次风流速和煤粉浓度在线测量研究的固体介质以及连续相介质中的压缩波剪切波热波的波动方程联立求解这 些方程得到两相介质中的复波动方程引但是模型整个计算过程比较复杂为寻求更 为简单实用的方法给出了该模型在长波极限下的简化形式在满足长波长艘为入射平面压缩波的波数条件时该简化模型可以代替模型从本质上讲模型没有考虑声波在颗粒z间的复散射适用的对象是低浓度无相滑移的两相介质而声波在高固相浓度的两相流介质中传播时复散射影响不可忽略等研究了声波在随机介质屮的复散射

28、现象认为在体积浓度超过时使用模型需要考虑复散射的影响并对模型进行了相应的修正上述所提及的研究工作针对的是无相间滑移的两相介质如悬浊液乳浊液等 在工业生产中如气力输送等应用场合两相介质中颗粒相连续相有宏观的定向 移动且流动过程中两相之间存在速度滑移此外在非稳定状态下颗粒存在加速度等 问题的影响都没有在上述模型屮得到体现同样基于流体屮动量质量守恒控制方程和推导了适用于颗粒气两相流动系统的理论模型认为声速是颗粒粒径曳力系数声波频率孔隙率及两相密度比相对速度相对加速度等参数的函数 并通过实验对模型进行了验证早期的工作针对的是固相颗粒粒径单一的介质 稍后等在之前的研究结果基础上提出了对固相颗粒存在一定粒

29、径分布的两和介质的声速预测模型并在声速预测的基础上提出了计算声衰减的方法气輛编入射压缩波图波在颗粒表面的模式转换副模型的原理类似于光学方法屮的全散射方法通过建立悬浊液屮无限薄层的声强度平衡方程描述稀释的悬浊液中的消声效应预测两相介质对超声波 的衰减作用该模型适应于颗粒相浓度小于的悬浊液使用该模型时应满足不相关散射 条件该模型只能预测超声波的强度衰减而未提及声速的计算有学者对此进行 了研究并提出了合理的声速计算公式国内对两相介质中的超声传播机理研究较少刘心志等基于两相流均相模型 假设声传播过程为定嫡过程利用经典的声速公式推导出两相流中的声速表达 式该理论模型忽略了相间滑移把两相介质假设为均一稳定

30、无内部温差的单相流体该 模型计硕士论文绪论算较为简单和实验结果基本吻合等也对超声波传播机理进行了研究和探讨以上研究工作为超声衰减法声速法在两相流检测领域的应用奠定了坚实的 理论基础另外一种应用是超声波过程层析成像技术该方法从医学技术发展起来以多相流为主要研究对象其原理是在待测管道或容器某个截面上布置传感器 空间阵列探测被测物分布状况的投影信息并输出相应信号信号经过解调滤波 转换等 处理后进入计算机经处理后的数据输入到图像重建单元运用反投影迭代等重 建算法对管道或容器横截面的相分布等信息进行空间定位超声波过程层析成像技术在多相流参数检测中用途广泛提供被测流体在 流体管道某一横截面的实时图像可以用

31、于识别与判断流型及确定相间界面用于 确定多相流体各相组分在容器或管道中的局部浓度分布进一步处理分析可得到各相 组分的总浓度确定离散相的颗粒尺寸将过程层析成像技术与相关流速测量技术相结 合可实现对多和流体的总流量各分相流量的测量及流体在管道横截面上速度分布 的实吋测量国内外超声波在两相流参数检测方面的实验研究由于超声波检测着非接触自清洁等优点多年来大量的科研人员与工程人员超声波在两相流检测方面的应用进行了大量有益的工作相关的应用实例较 多涉及食品勵化工石油电力畸-造纸睛等很多重要的工业领域造纸是国民经济中重要的基础工业但又是典型的资源约束型产业和污染型 产业作为一种典型的工业悬浮液纸浆浓度在线检

32、测是一个难点问题聆姚骏畸对 造纸工业中的纸浆这一两相介质进行了研究建立了超声波在该介质中传播的衰减的 理论模型并详细的分析了各种因素的影响该理论模型的预测结果与实验数据吻合在 理论研究成果的指导下开发了纸浆浓度测量装置实际应用中具有较高的精度大型汽轮机的安全运行是一个很重要的问题蒸汽湿度的检测对汽轮机的安 全运行很重要声波在气液两相混合物中的传播速度明显小于在纯液与纯气中的传 播速度气液两相含量的变化也会引起声速的变化这就为超声波检测蒸汽湿度提供了 可能李错随-利用这个原理开发了一体化的检测仪器可以用于检测蒸汽湿度牛奶中乳糖蛋白质水和掺嫌含量不同时其声速和声衰减等声学特性也不同韩晓林等勵通过实

33、验方法测量了牛奶声特性随成分变化规律对实现牛奶质 量在线检测具有重要的指导意义在国外年畸根据前人的理论研究成果成功的开发了用于检测液固两相悬浊液的固相浓度及粒径分布的仪器并申请了专利悬浊液对不同频率的超 声波衰减存在差异该仪器利用该原理通过测量超声波经过待测悬浊液的衰减谱使用 反演算法得出粒径分布和浓度参数硕士论文超声法一次风流速和煤粉浓度在线测量研究澳大利亚联邦科学与工业研究组织的矿物部研发了一种能够测量燃料流量的在线测试系统该系统在澳大利亚新南威尔士州的和电厂的输煤管道上测试并获得成功的这套系统利用频率为的超高频率电波脉冲的衰减和速率来确定每根管子里的煤粉流动这套系统用来发现煤粉在 锅炉供

34、给管之间的分布不均问题运用这些信息可以调节平衡锅炉从而提高燃烧效率控 制的产生减少锅炉管道的磨损和结渣校准煤粉测量系统时煤粉流的测量结果 与卢射线标准尺相比误差在之间当风量为原来的时煤粉测量系统测量的累计煤粉流量与重力给粉机的电子秤示数相比较误差在以内此外还有许多学者做了相关的研究不再一一赘述本文的主要工作本文的工程背景是研制电站锅炉一次风风速煤粉浓度在线检测装置通过理 论分析和实验验证的方法研究超声波在气固两相流中传播的速度和衰减的规律为工程应用提供指导主要从以下几个方面展开工作查阅超声波在气固两相流屮传播速度和衰减的理论模型利用这些模型计算空气煤粉两相介质中的声速和声衰减为装置的研制提供参

35、考搭建超声法一次风流速和煤粉浓度测量系统建立给粉实验台一次风模拟 实验台对超声波传感器的稳定性温度特性进行实验测定在给粉实验台上研究具有一定粒径分布的煤粉在不同固相浓度下的声波衰 减系数得岀二者之间的关系式在一次风模拟实验台上使用超声波相关法测量一次风流速并与毕托管的测量值比较验证超声相关法测量一次风流速的可行性和准确性在实验测量及理论预测的基础上设计工程样机并在模拟实验台上进行应用实验超声波在气固两相流屮传播的理论模型及模拟结果分析硕士论文 超声波在气固两相流中传播的理论模型及模拟结果分析声咅与人类的生活息息相关长期以来人们一直在对声学的奥秘进行探索近 代人们己经认识到声音的衰减主要包括声吸

36、收散射及扩散副并通过推导得到 了相关的数学表达式而两和介质中的声波传播机理探索可以追溯到瑞利关于微小障碍物对平而声波的干扰问题的研究此后在该领域内的研究一直没有间断 大量文献报导了相关科研人员的丰硕成果其屮包括多种两相流屮超声衰减及相速度 预测模型提出了一种预测静止硬质球形颗粒在气体介质中的衰减理论模型此后对该模型进行了简化并将其适用条件延伸至非静止硬颗粒对于悬浮溶 液在的工作的基础上最早提出了实用的理论模型该模型在声速计算时基于两相流均相模型声速和频率无关而衰减则只考虑声波的散射耗散及两相 之间的粘性耗散虽较为简单但预测结果与的实验测试结果吻合z后和合作提出了模型模型对声速声衰减进行了联立求

37、解年和认为两相介质中的声衰减作用主要包括粘滞耗散和热传导耗散经过详细的推导提出了模型由此可以认为模型实际上是模型在一定条件下的简化年代和对模型进行了扩展和修正后延伸了其适用范围奠定了模型在该领域内的重要 地位但是由于模型求解复杂计算吋遇到较大的麻烦经过推导和实验论证认为在长波条件下胀可以对模型进行简化而不影响其预测精度此外上述所提及的研究针对的两相介质均为无相间滑移的系统如悬浊 液乳浊液等考虑到实际的两相流系统如气力输送等应用场合两相之间存在速度滑移颗粒存在加速度等问题和推导了适用于颗粒气两相流动系统的理论模型认为声速是颗粒粒径曳力系数声波频率孔隙率及两相密度比相对速度相对加速度的函数实验结果

38、证实了模型的有效性木章的主要工作是使用上述提及的及等四种模型针对电站锅炉一次风管道屮的风粉系统这一特定物理对象计算 超声波在两相流中的声衰减和相速度为超声波法一次风流速和煤粉浓度在线监测系 统的设计提供参考单相介质屮的声速和衰减对于理想介质声速的表达式如式所示但是实际媒介总是非理想的声波在非理想媒介中传播时会发生能量耗散从而发生声衰减现象其声速与理想 媒介中的表达式亦有些许偏差如式该式表明理想介质中的声速表达式是实际声速 表硕士论文超声法一次风流速和煤粉浓度在线测量研究达式在低频率下的近似在高频和低频情况下实际介质中的声速均将趋近于 某一常数邮厅笙其中郎其它符号可以参考符号列表声音在非理想单相

39、媒介中传播吋声强会因为种种原因而衰减衰减主要包括 吸收衰减和扩散衰减声吸收现象发牛的主要原因有三点粘滞热传导和分子弛豫 此外声波传播过程往往伴随着波阵面面积增大这也将导致声强的降低称之为声 的扩散衰减扩散衰减与介质性质无关而跟声源类型密切相关对于理想球面波声强与 也成正比而柱面波的声强与成正比式给岀了声衰减系数单位的定义式给岀了单相介质中的吸收衰减的理论计算公式公式中的三项分别代表粘滞传热和分子弛豫所造成的声吸收厶咖亿弘万竹百一丐车孟葡弘茜弦丐车高式中为声强尸为声压为声波传播距离8为角频率为介质密度为声速肛为动力粘度为定容比热为定压比热西为第种驰豫过稈所引起的低频容变粘滞系数为第种弛豫过程的弛

40、豫时间图干燥空气中声压衰减系数随温度的变化硕士论文超声波在气固两相流中传播的理论模型及模拟结果分析图为使用式计算不同温度下干燥空气的声吸收系数由于缺乏空气弛豫低频容变粘滞系数和弛豫时间这两组数据计算得到的声吸收系数仅包括粘滞 吸收和热传导吸收不同温度下的空气物性参数见附录一实际上对于干燥空气实验表明 弛当豫吸收对声衰减的影响比较小只是实验测得的声吸收系数值比理论值高约温度在°c变化时干燥空气屮的声衰减系数变化较小约但是当空气中含有水蒸气分子时分子弛豫吸收作用就不能忽略而且空气中 的弛豫吸收不仅与频率有关而且还和空气中的温度相对湿度等因素有着复杂 的依赖关系如图是当空气温度为时不同频率

41、和相对湿度下的声强吸收系数的实验值可以观察到特定频率的声波在湿空气中的衰减呈现单峰分布频率越高这一尖峰越突出在研究相关问题时这一现象应该引起注意相对湿度图湿度对声吸收的影响两相介质声速和声衰减预测模型概述模型概述是一个提出得较早且较为简单的理论模型其对于声速和声衰减的计算是通过两个分立的方程求解的在建立模型的过程中做了如下假设声波速度与频率颗粒大小及形状无关而衰减与频率相关不考虑散射的影响长波假设即忽略热传导的影响颗粒为单一尺寸的球体悬浮液屮声速的表达式为助坨硕士论文超声法一次风流速和煤粉浓度在线测量研究其屮为等效密度为等效压缩系数他们的表达式为ii 一为妒谚一妒卢此处妒为体积浓度为连续相密度

42、为颗粒相密度卢为连续相等温压缩系数为颗粒等温压缩系数衰减系数由z前的所做的工作成果修正推导而来表达式如式所示弘芝降丽彬肌枷嘲亿这里二iv胪告为连续相的粘度为角频率七为连续相的波数从式可以观察到声衰减主要和颗粒质量连续相粘度及声波频率相关包括两个部分前一项在高频大颗粒条件下如七取大值占主导作用第二项表征颗粒相对运动引起的摩擦损耗模型概述基于模型和推导出两相媒介屮的复波数表达式称z为模型其表达式如式七尼堕一嗨一口其中髯业复波数恕模型推导过程屮做出如下假设速度和衰减与频率及掀有关分散相粒子为球形可动的可压缩的忽略连续相介质对超声的吸收忽略复散射及粒子占用的空间由上述假设我们可以推断模型适用于低浓度的

43、两相媒介中超声衰减及相速 度的预测由于忽略了连续相的声吸收作用模型对于衰减的预测结果偏小模型概述模型在推导过程中做了这样的假设分散相粒子为单一粒径口均为严格的球硕士论文超声波在气固两相流中传播的理论模型及模拟结果分析形在该假设条件下从质量能量动量守恒定律出发该模型司以司时描述热传 导和粘滞作用在此物理过程中所带来的耗散作用作者认为入射平面波作用下 产生波的模式转换在介质内外将产牛包括压缩波热波及剪切波在内的六列波束得到 六个方程式式通过联立求解确定待定系数得到复波数的表达式图展示了该物理过程吃口或唧吃唧一刀x一归以以甩甩口口色吃唧一吃一 00以或露一玩玩玩亿s兰燃姒勰2 或吩口吃吃唧吃唧跣以以

44、或砖口口一口一口一吃吒一域色一露吃吩一口船吃一吃8以一砰也00孝露木珥越以一一口吃口一一口卜x 口吃甩刀一吃以以一玩露砖一而一以itjt-玩这里是颗粒半径和分别是半径与压缩波粘性波和热波波数的乘积和是物质热和粘性性质的函数为剪切粘性系数为热传导系数iv为剪切粘度对非固体为一和吃分别为球贝塞尔函数和球汉克尔函数上撇号指代函数的导数或表示球内部的参变量为了计算声速和衰减在每个下的系数需由 前面的线性方程组解出将其代入到式就能够得到颗粒两相介质屮的复波数二蠢臺给出了该模型在长波极限的简化形式他认为长波长献为入射平面压缩波的波数时模型系数的序列中只有前面两项和起着主导作用并分别推导出它们的表达式为硕士论文超声法一次风流速和煤粉浓度在线测量研究堕竺日牛事创一阿戶二竽而万丽面丽丽丽两丽一瓯辑且一其中一切一一上式屮为绝对温度为热膨胀系数丿和瓦分别为粘性集肤深度和热集肤深度