水平携带床内部流动的PIV测量_图文

1、山东理工大学硕士学位论文水平携带床内部流动的PIV测量姓名：张波涛申请学位级别：硕士专业：农业机械化工程指导教师：易维明20050510山东理工大学硕士学位论文中文摘要摘要本文旨在研究水平携带床内生物质颗粒及气流的流动特性。首先在总结国内外相关文献的基础上，根据】测试的要求设计制造了水平携带床的冷态模拟装置，并选择油雾粒了作为气相示踪粒子。实验中，首先对示踪粒子在该水平携带床尾部的速度分布进行了测试，并通过将测试值与理论值进行比较，检验了该套系统的准确性；同时对用该种粒子示踪气流的相关问题进行了理论分析，并利用系统测得了不同氩气流量下示踪粒子在该水平携带床内加速段的长度。通过对示踪粒子在水平携

2、带床内运动的的理论分析得出：该水平携带床内的气流可分为三个阶段：射流段，过渡段和稳定段；通过对示踪粒子测试结果的分析进一步推测出了不同氩气流量下，各阶段的大约长度：通过对不同流量和粒径的玉米秸秆颗粒在水平携带床内速度分布的测试分析，总结米秸秆颗粒在该水平携带床内的速度分布特点。讨论了对管道中心处玉米秸杆颗粒轴向速度的测试结果进行拟合的方法，并用此方法较好地拟合了某工况下测得的数据。利用计算颗粒平均速度的方法，通过对各工况下颗粒与氢气通过水平携带床所需平均时间的对比，得出结论：在本实验所研究的工况范围内，该携带床内玉米秸秆颗粒跟随氨气流的性质随气流流速的不断增大越来越好。此外，本文还从图像采集和

3、图像处理两个角度，总结了对水平携带床进行测量的经验。文章最后总结了实验中存在的问题，并对下一步研究提出了建议。关键词：水平携带床，两相流，玉米秸秆颗粒！（）（）！，：、，讷：，山东理工大学硕士学位论文独创性声明独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：锄；艮痞帆。蚺月日关于论文使用授权的说明本人完全了解山东

4、理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此协议）研究生签名：导师签名乒月日支年月乒日第一章绪论研究背景和问题的提出我国及世界化石能源利用面临的挑战自世纪年代以来，人们对石油、煤炭、天然气等化石能源的贮量和可开采时限作过种种的估算与推测，几乎都得出一致的结论世纪，化石燃料中有的将被开采殆尽，有的会因开采成本高或开发使用导致的一系列环境问题而失去开采价值。同时不加限制地开发利用和消耗大量的煤

5、和石油等燃料，还会导致温室效应、酸雨等，极大地污染人类赖以生存的环境，并进而引起疾病、农业减产等严重问题”。因此，目前世界各国都在大力寻求可代替石油的新能源。我国能源供应状况不容乐观。年我国一次能源的消费构成为：煤炭占，原油占，天然气占，水电占。但中园煤炭工业协会一份权威调查报告说，同益成长的市场需求和煤炭资源勘探、开发的相对滞后，以及现有煤矿生产能力的下降，已使中雾煤炭供应开始出现短缺；另方面，石油供应的短缺问题更为严峻。在当代中国史中，中国从未象现在这样多地依赖石油进口。中国的石油产量在年到年间保持着的年均增长率，但石油的需求量却以的年均增长率飞速上升）。在能源消费弹性系数为的情况下进行模

6、拟计算表明，至年，我国液体能源消费需求量将达到亿吨标准煤以上，至年，我国石油进口依存度将达到左右，甚至更高。同时我国人均占有能源消费量只有发达国家的至，作为重要战略物资的石油、天然气尤为不足，人均值仅为世界平均值的左右。而在另一方面，我国每万美元国民生产总值能耗方面则为世界各国之首，是印度的倍，发达国家的倍；使用能源的设备效率偏低，又造成能源的浪费，能源利用效率不高。因此，我国能源供应前景存在着巨大的隐患，不容忽视。再者，由于我国能源生产与消费以煤及石油为主，造成了严重的环境污染。每年都会产生大量的污染物如，和、等都是大气污染的主要污染源。目前我国一年总耗煤量约亿吨，年排放烟尘约】百万吨，二氧

7、化硫百万吨，及氮氧化物】万吨，排放量已居世界第二位，另据我国科学家估计，本世纪初，我国使用化石燃料排放量是年排放量的倍。这是国际社会根本不能接受东理工大学硕士学位论文第一章绪论的。生物质能的特点及开发生物质能的意义生物质能是世界第四大能源，在人类历史上曾起过巨大的作用，在现实生产生活中，特别是许多发展中国家仍占有重要的地位。生物质能具有其他能源无法比拟的特性“。（】）分布广泛，产量巨大。据统计，全世界每年农村生物质的产量约为亿吨，生物质能源在世界能源消耗中仅次于石油、煤炭及天然气等化石能源，居第四位，约占。年全世界生物质能源消耗量为亿吨，相当于中东地区的石油产量，但仅占世界生物质资源的。（）可

8、再生性好。生物质能源是一种可再生能源，对她的高效开发可使人类摆脱对储量有限的化石燃料的依赖。（）是一种清洁能源。相对传统化石燃料，使用生物质能源可降低大气中，的排放量，而且具有零排放的独特优点（年全球变暖因素中占），从而较好地保护环境。（）是一种本土资源。其价格受世界价格的波动或进口燃料供给不确定性的影响程度相对石油等要小的多。同时我国生物质能源丰富，而石油资源相对匮乏，对迸口石油的依赖连年增强，开发生物质能源有着重要的战略意义。综上所述，全世界能源面临着严峻挑战，向石油等以外的能源物质转换已势在必行。生物质能具有其他能源无法比拟的诸多特性。在这样的情势下，利用现代技术开发利用生物质，对于建立

9、持续发展的能源系统，促进社会经济的发展和生态环境的改善具有重大意义。问题的提出山东省清洁能源中心利用自行开发的等离子体快速热解液化设备成功液化玉米秸粉制出了生物油，并对产物进行了色质联用分析（）。实验结果表明（）生物油得率及产物成分与加热条件关系密切；（）加料速率的影响是不可忽视的；（）生物油含多种高附加值的化学成分。在该实验中，生物质颗粒被送入水平携带床（热解管）后，在等离子热源喷出的高温（约一。）氩气流（约米，秒）携带下快速通过热解管，颗粒在热解管中的停留时间即为颗粒反应时间。因为对水平携带床中气流以及颗粒真实运动情况缺乏充分了解，所以实验利用己知的氨气的入口体积流量，和热解管尺寸等，推导

10、出单位体积氩气流经热解管所用时间，并把该时间作为生物质颗粒的反应时间，即假设生物质颗粒与氩气气流无滑移。这样假山东理】丈学硕士学位论文第一章绪论设使实验使用的反应时间估算的成分太大，影响了生物质热解规律研究的进一步开展。基于对以上情况的考虑，研究中心提出该课题：设讨制造一套透明材料的等离子快速热解液化设备的冷态模拟装置，利用系统研究管内气固两相的速度分布规律，从而为热态实验的进一步开展提供重要参考，同时还可以指导生物质热解液化工业示范装置的设计。课题来源、研究内容及意义课题来源本课题是在山东省清洁能源工程技术研究中心近年来对生物质闪速热解液化的系列研究基础上提出来的，是国家高新技术研究发展项目

11、（）“生物质裂解液化技术（】；）”和国家自然科学基金资助项目“闪速加热条件下生物质热挥发特性的研究（）”基础研究的一部分。研究内容和研究方法本课题要完成的主要工作包括：（）根据测试的要求，设计制造一套透明有机玻璃材料的冷态模拟装置。（）获得不同工况下携带玉米秸秆颗粒和气相示踪粒子（油雾粒子）的氩气流通过水平携带床的图像数据。（）利用图像处理软件对测试获得的图像数据进行处理，得到水平携带床内气固两相的速度分布，并总结速度分布的规律。（）根据气固两相的速度分布，分析不同工况下玉米秸秆颗粒通过水平携带床所需的时间，并总结玉米秸秆颗粒跟随氩气流的特性。（）总结对水平携带床进行澳试的经验，为进一步的实验

12、研究打下基础。课题意义（】）该课题是下一步利用等离子热解液化装置研究生物质热解液化规律的基础性工作之一，可以为更准确地计算“生物质颗粒的反应时间”提供重要参考。（）对于合理设计生物质热解液化工业装置有很强的指导意义。（）研究结果对于充实管内气固两相流的研究具有指导意义。（）为今后利用对水平携带床进行研究积累经验。东理工大学硕士学位论文第二章气固两相流研究进展及技术介绍第二章气固两相流研究进展及技术介绍管内气固两相流的研究现状气固两相流动在很多工程领域都存在，例如燃煤电站锅炉的送煤管道，冶金、水泥等通过气力输运固体粉末物料的管道，食品、化学的物料输送等。关于气固两相流的研究一一直深受学术界的重视

13、。随着激光测速技术的发展，使得更精确地研究颗粒运动及其他题成为可能，有不少学者应用激光风速仪（）和粒子图像测速（）等技术对圆管射流”、方管，等内的气固两相流做了实验研究，得到了不少有价值的成果，一些馅述气固两相运动的模型也相继被提出”。”。盛青等人在其文献刊中指出水平管内的气力输送流动状况可以分为三类。第一种流型中，所有的固相颗粒以悬浮的形式扩散在压缩空气中：第二种流型中，固相颗粒在管道底部以几乎相同的间隔成群滑落、堆积，并有增大趋势：在第三种流型中颗粒群堆积不断加剧，最终使管道堵塞。小川明等在其文献中指出：颗粒在水平管中输送时受气流作用，作用在颗粒上的有重力、浮力、推动力和摩擦力等。当气流速

14、度较小时，由于推动力小于摩擦力，颗粒将沉积在输送管底部：随着气流速度增加，当推动力大于摩擦力，且重力等于浮力时，颗粒呈悬浮状：气流速度继续增加，推动力大于摩擦力，浮力也增加，此时的重力小于浮力，颗粒维持稳定悬浮状态，以一定速度沿输送管轴线方向运动。当颗粒群以一定固体质量流率（：）沿水平管呈悬浮状态移动时，单位管长的压降随气速下降而减小，在达到一定气速时【置体物料开始在输送管的底部沉降，此时的气速被称为“转捩速度”。随着气速的进一步降低，单位管长的压降可达到一最小值，相应的气速即最小压降输送气速。如果气速进一步降低，单位管长的压降将随着气速的降低而迅速增加，再继续降低输送气速，物料印会大量沉积，

15、最终堵塞管路，造成输送中断。因此，确定意味着在实际气力输送过程中可以作为用最小的能量达到平稳输送的目的的依据。文章最后得出结论：（）水平管气力输送的最小压降输送气速与输送颗粒物料性质、输送条件、固气比等有关，并给出了计算公式。苏亚欣等人应用三维颗粒动态分析仪（）对（宽）（高）的水平矩形管内的气固两相流进行了测试。实验采用的颗粒为玻璃微珠，对不同工况下的水平方向主流方向）的平均速度和湍流强度进行了讨论。发现在垂直截面上的速度分布呈上部高而下部低的分布特点，且随平均风速、颗粒体积分数和粒径的增大这种不均匀分布有加剧的趋势。湍流强度中心位置较低，丽靠近壁面的位置较高，尤其是底部，湍流强度更大东理工大

16、学硕士学位诧文第二章气固两相流研艽进展技术介绍一些。在大部分位置颗粒相的速度滞后于气相，在边壁附近特别是底部壁面附近颗粒速度较气相速度稍大。颗粒体积分数沿垂直方向上分布较均匀，越靠近壁面颗粒体积分数越高，在管道的底部和垂直壁面的交角附近颗粒体积分数最高。进行了水平管道颗粒运动的数值计算，并考虑了力和无弹性颗粒与壁面的碰撞。等人【的数值模拟计算，以英寸管径的输送管为对象研究了管内固粒的运动，给出了压降预测的关系式，并与实验结果进行了比较。等人删进行了圆管内稀相颗粒运动的三维数值模拟，预测了管内横截面的颗粒浓度分布。等人：采用颗粒轨道法模拟了垂直管中颗粒的运动，他们的计算仅考虑了短管内通过少量大粒

17、子的情况。另外，以上研究的前提是在假设流动充分发展下进行的，即没有考虑固粒运动的初始加速运动。林江等人副对气力输送系统中具有不同初始状态的固粒群在加速区的气固两相流动进行了数值模拟，通过理论分析和数值模拟发现：固粒群初始速度不为零时，固粒的运动具有以下特性：（）固粒在气流中的运动，初期为变速运动，经过段时间后到达稳定然后作恒速运动，这与固粒的初始速度无关（）最终稳定速度与壁面摩擦有关。盛青等人指出：由于气固两相流动状态受物料特性（密度、粒度、休止角、内摩擦角等），管子（材料、管径），输送气体性质（粘度、密度）及操作条件（固气比、环境等），固体颗粒和气体混合时的初始状态等诸多因素影响。因此，针对

18、各种不同的情况需有不同的输送理论。对于大多数稀相气力输送系统，固粒在气体中主要以悬浮状态运动。前人在一定假设条件下，忽略了较多影响因素，建立了稀相气力输送系统设计理论，目前工程应用中相对成熟的设计计算几乎都建立在这理论基础上。通过对上述文献的总结可知：目前国内外对管内气固两相流的研究结论，一般都是在一定假设条件下，并忽略了较多的影响因素下得到的，且大多以稳定状态的气固两相流为研究对象。本课题中，氩气气流携带从定高度下落的生物质颗粒群通过水平方管。考虑到颗粒流与氩气流的滑移以及生物质颗粒所具有的独特的物性参数，该气固两相流具有很强的特殊性，因此对该气固两相流的速度分布进行实际测试是非常有必要的。

19、技术介绍技术的发展和基本原理湍流、复杂流动、非定常流动等现象一直是流体力学中重要的研究对象及疑难问题，因此开发适于流体运动研究的方法与技术也始终是一个重要的课题，：。早期发明的热线热膜流速计（），已有多年的历史，这项技术的最大缺点是接触式测量，对流场有较大的干扰。世纪年代发展起来的激光多普勒测速仪（简称），利用流东理工大学砸士学位论文弟二章气固两相流研究进展段技术介绍蝗。在大部分位置颗粒相的速度滞后于气相，在边壁饼近特别是成部壁面刚近颗粒速壁较气相速度稍大。颗粒体积分数沿垂直方向上分布较均匀，越靠近壁面颗粒体积分数越高在管道的底部和垂直壁面的交角附近颗粒体积分数最高。！进行了水平管道颗粒运动的

20、数值计算，并考虑了引力和无弹性颗粒与擘面的碰撞。等人”的数值模拟计算，以英寸管径的输送管为对象研究了管内固粒的运动，给出了压降预测的关系式，并与实验结果进行了比较。等人川进行了圃管内稀相颗粒运动的三维数值模拟，预测了管内横被面的颗口浓度分布。等人采用颗粒轨道法模拟了垂直管中颗粒的运动，他们的计算仅考虑短管内通过少量大粒子的情况。另外，以上研究的前提是在假设流动充分发展下进行的，即没有考虑同转运动的碉始加速运动。林江等人“对气力输送系统中具有不同初始状态的固粒群在加速区的气固两相流动进行了数值模拟，通过理论分析和数值模拟发现：固粒群初始速度不为零蹦，固粒的运动具有以下特性：（】）固粒在气流中的运

21、动，初期为变速运动经过段时间后到达稳定，然后作恒速运动，这与固粒的初始速度无关（）最终稳定速度与壁旺摩擦有关。盛青等人指出：由于气固两相流动状态受物料特性（密度、粒度、休止角、内摩擦角等），管子（材料、管径），输送气体性质（粘度、密度）及操作条件（匿汽比、环境等），固体颗粒和气体混合时的初始状态等诺多因素影响。因此，针对各种不同的情况需有不同的输送理论，对于大多数稀相气力输送系统，固粒在气体中主要以悬浮状态运动。的人在一定假设条件下，忽略了较多影响因素，建立了稀相气力输送系统设计理论，目前工程应用中相对成熟的设计计算几乎部建立在这一理论基础上。通过对上述文献的总结可知：目前国内外对管内气固两相

22、流的研究结论，一般都足在一定假设条件下，并忽略了较多的影响因素下得到的，且大多以稳定状态的气固两相流为研究对象。本课题中，氢气气流携带从一定高度下落的生物质颗粒群通过水平方管。考虑到颗粒流与氩气流的精移以及生物质颗粒所具有的独特的物性参数，该气园两相流具有很强的特殊性因此对该气固两相流的速度分布进行实际测试是非常有必要的。技术介绍技术的发展和基本原理湍流、复杂流动、非定常流动等现象一直是流体力学中重要的研究对象及疑难问题，因此开发适于流体运动研究的方法与技术也始终是一个重要的课题【，：。早期发明的热线热膜流速计（），已有多年的历史，这项技术的最大缺点是接触式测量，对流场有较大的干扰。世纪年代发

23、展起来的激光多普勒测速仪（简称），利用流流场有较大的干扰。世纪年代发展起来的激光多普勒测速仪（简称），利用流东理工大学硕士学位论文第二苹气崮两相流研究进展及技术介绍场中粒子的散射，通过测量散射光对原入射光的多普勒频移量，计算粒子的运动速度，实现了对流场的无接触测量“。这种技术具有极好的时间分辨率和空间分辨力，可做三维测速，已经成为流速测量的标准技术之一，得到了广泛应用然而，它和热线流速仪一一样，都只是单点测量技术，难以实现对流场的全场、瞬态测量。世纪年代发展起来的粒子图像测速技术（，）是往流动显示的基础上，充分吸收现代计算机技术，光学技术以及图像分析技术的研究成果而成长起来的最新流动测试手段它

24、不仅能显示流场流动的物理形态，而且能够提供瞬时全场流动的定量信息，使流动可视化研究产生从定性到定量的飞跃。近年来发展成数产化技术，其基本原理是：用脉冲激光片光源照射所测流场区域中，通过连续两次战多次曝光，将流场中粒子的图像记录在底片上或（）摄象机上，蒋用自相关法或互相关法等，逐点处理底片或记录的图像，以获得粒子的速度等信息。与传统的流场测量方法相比，的突出优点表现在：（）突破了空间单点测量如）的局限性，实现了测试段全流场瞬态测量；（）实现了无干扰测量，克服了用毕托管或等仪器测量时对流场具有一定干扰的缺点；（）容易求得流场的其他物理量，由于得到的是某瞬时全场的速度信息，可方便的运用流体运动方程求

25、解诸如压力场、涡量场等物理信息。因此，该技术在流体测量中占有重要的地位。技术的分类按照示踪粒子的浓度技术可分为激光散斑测速技术（，），粒子图像测速技术（）以及粒子跟踪测速技术（三类，。）当流场中粒子浓度极低时，我们有可能识别、跟踪单个粒子的运动，并从记录的粒子图像中测得单个粒子的位移，这种低粒子图像密度模式的测速方法即为技术：当流场中粒子浓度很高时，以至于用相干光照明时，粒子衍射图像在成像系统像面上互相干涉形成激光散斑图案（散斑己经掩盖了真实的粒子图像），这种极高粒子图像密度模式的测速方法即为技术：术是指选择粒子浓度使其成为较高成像密度模式，但并未在成像系统像面上形成散斑图案，而仍然是真实的粒

26、子图像（或单个的粒子衍射图像），此时这些粒予已无法单独识别，底片判读只能获得读小区域中多个粒子位移的统计平均值。目前，技术已很少采用，这是因为高粒子浓度对流场干扰较大，而测量精度、实验设备均与技术基本相同。技术从本质上讲是技术的延伸，由于粒子稀疏，使得可提取的流场速度信息较少，限制了对流场细微结构的研究。此外取得原始速度向量点的位置是随机分布的（被认为是按网格状分布的），需要内插建立网格图，但是算法似乎比算法更容易从二维推广至三维。山东理工大学硕士学位论文第二章气固两相流研究进展及技术介绍：）和按其成像介质可分为基于模拟介质的（基于的（）。是用照相采集的方法将序列图像记录在胶片或录像带上，然后

27、用光学方法或扫描仪形成数字图像，用自相关模板匹配运动估值。其优点是模拟介质分辨率高（如普通】底片包含有个像素，这样一张的肖像底片将会有个像素，普通摄像管所能提供的分辨率约为个像素，较高分辨率的摄像管也不过做到个像素），可以观测较大的视场，且精度高，图像捕获速度快，可以测量高速流场。但是，由于其成像后的处理时间长，因而无法实现在线应用，成为其不可克服的缺陷。同时由于一般将次或多次曝光成像在同一底片上（单帧多曝光图像），在图像分析上有速度矢量方向二义性问题，虽已有解决方法，但处理较复杂。系统实际上是系统的数字化形式，它强调用数字方法来记录视频图像而不是摄影胶片，所有的分析都用计算机来进行，代替了复

28、杂的光学系统，不需再做胶片的湿处理同时将次或多次曝光的粒子由摄象机经数字图像采集设备采得某截面的序列图像（单帧单曝光图像而非的单帧多曝光图像），自然解决了速度方向的二义性问题。的决定性优点在于便于数字处理，能提供实验参数的在线调整，使得它成为的重要发展方向。测试系统组成会因所钡量的流体对象不同而有所不同，但主要由四大部分组成：粒子添加系统、流场照明系统、图像采集控制系统和图像处理系统。下一章将结合我们所使用的系统进行详细介绍。图像处理算法一般根据所处理流场的粒子浓度，常用的图像处理算法可分成两类。一类是适合于处理高浓度的粒子分布相关法。另一类是适合于低浓度的的方法，另外按照流动速度计算原理不同

29、，每类算法又有多种各具特点的算法【。适于低粒子浓度的算法有四时间步追踪法、速度梯度张量法和二值化互相关法等。四时间步追踪法是用连续的四幅图像确定粒子的运动轨迹，从而确定粒子的运动速度。二值化互相关法是一种高速的图像处理算法，适合于各种流动的图像处理。二值化互相关法比较适合于各种各样的平行流动，当流动中存在旋转、剪切、伸缩等变形时，则可靠性较差，。适于高粒子浓度的算法有自相关法，灰度分布互相关法等。自相关法由于粒子的位移方向不能确定，需要建立方向的判定准则等缺点，应用己越来越少。灰度分布互相关法是一种典型的粒子分布相关法，它适合于各种流动的测量，它的缺点是计算量大。互相关技术被广泛应用于各种图像

30、处理方法中，既适合于不同粒子浓度的图像处理，又适合于各种不同流动的图像处理，。山东理工大学硕士学位论文第二罩气崮两相流研冗进展及技术介绍由于本实验中所用的系统采用的是（快速傅立叶变换：相关算法，下面就着重介绍该方法的原理。该方法用数字方法将整幅粒子图像分成若干个判读区域逐个区域进行分析所获得的速度矢量代表的是各诊断区域内粒子的平均速度。为保证所描述的速度场矢量分布有心！够的分辨率应在诊断过程中使相邻的诊断区域之间互相重叠其步长一般取判读区域的。由于先后拍摄的两幅粒子图像的时间间隔足够小因此可以假设被测流体与运动遮度在时日，空间上没有剧烈的变化。从两幅图像中提取对应的诊断区域设某诊断区域匈两幅图

31、像的灰度分布函数分别为，），（）则他们的互相关函数为（，）（，）（，）式中，、是粒子像水平、竖直方向上的位移。如图所示在互相关平面上，、分别等于粒子水平、竖直的位移时，会产生一个最高峰根据最高峰值的位置可以确定诊断区域内粒子的平均位移。图互相关平面直接采用上述互相关算法运算量比较大，为了提高运算速度，通常采用傅里叶变换（）来实现互相关函数的运算。本实验所采用的系统首先由计算机对两幅数字化的图像对应的判读区域的灰度分布函数：，）、（，）分别进行快速傅里叶变换：（）。，），）】（），（）（，）这样变换会在频率平面上产生较强的高频背景噪声，有可能将粒子图像的变换结果湮没，给确定位移相关峰值带来困难。

32、因此要用一个滤波函数与两变换结果相乘，以滤掉高频噪声。再对滤波后的两频域变换结果做卷积，得到两判读区域粒子像的能谱：（），）（，（）。（，（】）其中，（，）是（。，）的共轭函数最后对频率空间的能谱进行一次逆变换，并最终得到两诊断区域的互相关函 山东理工大学碗士学位论直第一蕈气固两相流研究进展及、技术介绍数：（）、），计算相关平面上的峰值重一，位置便可获得判读区域内粒子的平均位移及速度大小和方向”。由此可见互相关算法中诊断窗口的尺寸大小对测量的结果有很大影响。这一一点：街在第四章详细讨论。综上所述，较传统方法，技术拥有许多独特的优点，尤其是可以实现瞬时全流场无干扰测量，非常适合水平携带床内气固两

33、相流的研究。技术应用于气固两相流测速的文献综述等人”将技术成功应用到水平管内螺旋气圃两相流粒子运动的研究。固体颗粒采用密度为，直径为的玻璃珠。原始图像由一个像素的商速照相机记录（）。该文详细讨论了的特征和分类，重点放在一些常见的粒子图像测速技术比较上，通过研究显示，技术可以高度准确测量螺旋气固两相流粒子轴向速度，但同时指出：对于测量径向和周向速度确有困难。同时等为描述粒子在流场中二维方向上迁移的宏观特性，将所测流场截面分成几个分区，通过粒子位置概率分布的统计方法获得了粒子浓度分布。并由此揭示了影响螺旋流高传输率的粒子运动的些重要特性。魏名山等为研究静电旋风除尘器内的流场以便深入研究清灰等问题，

34、采用对不同进口流速、不同截面位置的流场进行了测定。实验时系统采用最大脉冲能量为的激光器照明，采用分辨力为的相机捕捉图像。通过专用的软件采用互相关或自相关的统计技术匹配图像粒子对。在测试截面位置一定时，获得了粒子切向速度和径向速度沿半径方向的分布。在测试截面进出口流速一定时，获得了不同截面切向速度沿径向的分布。实验结果表明，在静电旋风除尘器的捕集空间内，径向速度值很小，切向速度沿轴向及径向的变化很大。张东东等人利用清华大学研制的粒子图像测速（）系统对出口内径为的气固两相自由射流流场进行了实验研究。将小粒子（粒径在约左右）和大粒子（粒径大）混合后，添加到气流中，应用技术获得的图像翌处理后分解成气相

35、和固相两组图像，通过数据处理后，得到了瞬时的气固两相速度场和固相浓度场的分布，同时对气固两相流动特性进行了分析，证实利用技术可有效实现气固两相流的测量。其实验装置如图所示：每次拍摄的区域物理大小为，图像为像素，测量在处开始（为喷嘴出口内径，为距喷嘴出口轴向距离），通过对实验段的测量取放大比像素。石惠娴等人吲对一个截面为高为的冷态循环流化床进行了研究，获得了床内截面上的颗粒流动矢量图。实验所用床料为平均粒径的河沙，山东理工大学硕士学位论文第章气固两相流研究进展及】技术介绍敦物理特性为：真实密度为堆积密度为最小流化速度为。粒子运动测试位置距地分别距壁、和。由于测跌。激光源与相机布置需垂直所以实验台

36、相邻侧壁被改造为玻璃（厚）。在激圮？光照射下所测侧面粒子图像由摄像头记录。测试系统布置如图所示。该实验对流场进行了可视化分析，并针对不同的截面，不同的流化风速，不同的浓度等晴况，研究了颗粒的平均轴向速度和径向速度的分布规律。根据该部分的文献总结可知：技术应用于水平携带床中气固两相流动的研究有翻。阔的前景，但必须合理设计试验系统，并选择合适的示踪粒子，这一点将在第章结合本实验进行详细讨论。图气固两相射流分析设备布置图本章小结（）总结了目前国内外对管内气固两相流研究的现状；（）介绍了技术的基本原理，相比其他流场测速方法的优点，技术的分类，以及本实验中测试系统所采用的互相关图像处理算法；（）总结了应

37、用于气固两相流测速的相关文献。通过本章的文献总结，可以得出如下结论：（）本实验中的气固两相流具有很强的特殊性，非常有必要对其速度分布进行实际测试。（）较传统的流场测试技术，技术拥有许多优点，非常适合管内气固两相流的研究。（）在将技术应用于水平携带床气固两相流动的研究时，必须合理设计试验系统，并选择合适的示踪粒子。些东理工奎堂硕士兰位论文第三章实验系统介绍第三章实验系统介绍实验台介绍水平携带床冷态模拟装置的设计图等离子体加热生物质快速热解液化装置示意图图为等离子体加热生物质快速热解液化装置示意图，在该实验中，生物质颗粒从下料口被送入水平携带床（热解管）后，在等离子枪喷出的高温（约）氩气流（约米秒

38、）携带下快速通过热解管，进入冷激装置后，部分热解生成的气体被迅速冷凝，生成生物油，不冷凝气体从排气装置排出。由于目前对热态流场直接进行测试的披术还不成熟，因此，我们决定首先对冷态下的水平携带床进行研究。为满足测试的拍摄要求，我们根据该设备的尺寸，设计制造了一套透明有机玻璃材料的水平携带床冷态模拟装置及支架，如图所示。该装置主要由四部分组成：进气嘴，水平管，旋风分离器和模拟冷激装置。进气嘴按照等离子热解液化装置中的等离子枪喷气口设计，内径，具体尺寸如图，所示；水平管对应热态设备的热解管（内径的圆管）为便于测试分析， 东堙工大学硕士学位论文第三苹实验系统介绍我们将其改为边长为方管，管长米，具体尺寸

39、如图所示，考虑到生物质颗粒会经常附着到管壁上，为便于拆卸清洗，我们将进气嘴和水平管设计为便于拆卸的结构。因为在冷态下不再需要冷激，所以我们将冷激装置进行了简化。考虑到相机的分辨牢，水平管将被分解为多个区域分别拍摄，图中的小支架设讨为易于在水平方向移力的结构，以实现对所有拍摄区域的无遮挡拍摄。加料进图水平携带床冷态模拟装置图进气嘴山东理工大学硕士学位论文第三章实验系统介绍期：由忡肾萎【）一坐标原点图水平管实验台整体布局根据测试的要求，实验台整体布置如图所示转图实验台的整体布局考虑到生物质颗粒可能受重力的影响较大，因此我们选择过水平管道中心的竖直平面为主要的研究平面。实验时，经流量计和进气嘴向水平

40、管通八氩气，从加料口加入生山糸理工大学硕士学位论文第三苹实验系统介绍物质颗粒或示踪粒子。氩气携带生物质颗粒，通过水平管，经旋风分离器分离后，生物质颗粒被留在旋风分离器底部，氩气通过冷激装置被排入大气。考虑到部分颗粒可能会随气流进入模拟冷激装置，我们在模拟冷激装置出口处加了一个水杯，以防止颗粒随流排入大气，造成粉尘污染。激光片光布景如图所示，从水平管顶部垂直向下射入管道，照亮测试区摄光路与片光平面垂直。本实验选取片光与下管壁的相交线（见图）为轴，选水平方向【】气流的方向为轴正方向，轴与进气口处管壁的交点（见图！）为坐标原点，竖直向二的方向为轴正方向建立坐标系，如图所示。生物质颗粒叫摄象机圈片光和

41、相机的布置系统简介本试验所采用的系统为北京立方天地科技发展有限公司开发的系统。该系统包括硬件系统和软件系统两个部分。硬件系统包括照明激光器、同步控制器、图像采集板、高速数字相机和计算机。照明激光器为公司生产的型号的双脉冲式激光器，其主要参数见表。双脉冲激光器组作为照明光源，使用两台脉冲激光器经过光束合束器，通过一个光路出口并且严格空间上重合的发射出来，经过导光臂和片光源系统，产生照明流场的脉冲片光源。数字相机通过外部触发瞬间捕捉两帧图像，同时将捕捉到的一系列图像数据通过图像采集板实时的传输到计算机。触发信号由同步控制器提供，从而保持与脉冲激光器的完全同步。本系统的数字相机采用为公司生产的相机，

42、最小镜头焦山东理工大学硕士学位论文第三苹实验系统介绍。距，图像分辨率，最小光圈系数同步控制器通过内部时基产生周期的脉冲触发信号，同时通过多个延时通道同时产生多个经过延时的触发信号，用来控制激光器、数字相机和图像采集板，使它们工作在严格同步的信号基础上，保证各部分协稠：作。计算机用于存储图像采集板提供的图像数据，通过粒子图像测速系统软件可以实时的完成速度场的计算、显示和存储。本系统采用的软件系统为北京立方天地科技发展有限公司开发的粒子图像分析系统软件图像控制系统。该系统采用基于操作系统的软件体系。集成了、浓度场分析和粒径分析等功能模块。并兼容流场分析绘图软件和数学分析软件，计算生成的向量文件还可

43、以用等软件进行进一步处理。表指标输出能量重复频率脉宽参数指标值能量不稳定度（均方根值）最短距离：，光束传输系统其激光器的各项参数合同指标一一】最长距离：最大传输能量：晟大工作面积区域：片光厚度，分档可调他光束整形系统实验物料和示踪粒子实验物料的制备及加入方式实验中我们选择了三种不同粒径的玉米秸杆颗粒，做为实验物料。根据王丽红等人山东理工大学硕士学位论文第三章实验系统绍”）所述的方法，物料制备过程如下：（）将玉米秸杆用一型中药粉碎机粉碎。（）使用型电动振筛机，配用，目分样筛筛分分钟。（）分别取目，目，目分样筛的筛上物装入不同容器，作为三种实验物料。由于通入氩气后，管内压强较管外要大，所以，为加入

44、生物质颗粒，我们准备了一个能紧套在加料口上的小塑料袋。实验时将足够量的生物质颗粒放入塑料袋后，将塑料袋套在加料口上，开始加料时，将塑料袋抬起，并抖动塑料袋，以大约克分的速二豁将生物质颗粒加入到管内。为检验该种加料方式的稳定性我们还做了验证实验。实验过程如下：在氩气流量为的工况下，在一测试段连续拍摄了组图像。每绸连续拍摄对图像（每秒约拍摄对），分别进行速度分析，最后将对图像获钨的个速度分布进行平均求得一个时均速度分布作为该组的最终测试结果。通过对各组最终实验结果的对比，发现每次测得的速度分布差别很小。以测得的管道中心的速度分向为例，各组实验数据的差另于，因此我们认为该种料方式有足够的稳定性。示踪

45、粒子的选择和加入测试中使用的示踪粒子除要满足一般要求无毒无害，无腐蚀，化学性质稳定等）外，还要考虑粒子的材料、粒径和数量，因为这些因素决定着粒子对流体的跟随性，粒子在流场空间中的分布浓度以及粒子的光学特性等。一般说来，可从如下三个方面八手选择示踪粒子。（）示踪粒子和流体流动之间的相对运动应尽可能小。根据流体力学理论不难得出这样的结论：示踪粒子粒径越小，粒子的速度也就越接近于流体速度。但粒子粒径越小，粒子的可见度就越差。因此应在保证有效成像的前提下，选择粒径尽可能小的粒子。另外，加入示踪粒子测速的方法，从本质上讲是对真实流场的一种近似，粒子的速度不可能和流体速度完全一致，总要比流体速度慢一些，并

46、且，当流场状态发生改变时，粒子的速度相对于流体速度来讲总要有一些延迟，即存在一个相位差。一般地，对于水流，采用密度与流体相近的固体粒子，对于空气流场，一般采用烟雾或油雾粒子。表和给出了常用的示踪粒子种类”“。（）测试要求每个单位域（在本文所采用的互相关图像处理算法中指一个判读区）内的有效粒子必须达到一定浓度，否则会使系统获得的正确信息太少，且无法滤掉噪声信号，从而大大降低计算的正确率口】。我们在测试气流中油雾的运动规律时，随氲气流量的不断增大（弧一），管内压强不断升高，所能加入的示踪粒子量逐渐减少，因此获得的图像质量也越来越差。另外，示踪粒子浓度也不能太大，否则，会影响待测流体的速度分布，形成

47、两相流问题。）对粒子的光散射特性和信噪比也有一定的要求。粒径、折射指数和粒子山东理工大学硕士学位论文第三章实验系统介绍形状等因素都会影响光散射的能力。粒子材料的折射指数对信号质量影响是很大的。粒子表面越光亮，获得较好散射信号的可能性越大；等人口发现非球形粒子实际上会散射更多的光。如果粒子的光反射强度太低，会降低粒子的图像质量，难以保证粒子图像的清晰度，使粒子的图像信息丢失。当粒子的光反射能力弱时，可通过增加照明光的强度、在粒子表面涂上反光剂等方法来提高粒子的反光能力。我们采用的系统可以通过调节输入电压对激光光强在之间进行连续调节，经测试，当输入电压为一时，、便可获得较高质量的粒子图像。表液体流场中常用的示踪离子类型物质聚苯乙烯固体铝粉平均直径（