气固两相流动测量技术的现状与展望

1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第18卷第4期上海电力学院学报Vol.18 , No.4 2002年12月JournalofShanghaiUniversityofElectricPowerDec.2002 文章编号: 1006 - 4729(2002)04 - 0039 - 05 气固两相流动测量技术的现状与展望 3 收稿日期: 2002 - 06 - 05 基金项目:华东电力集团公司专项科研基金资助项目,编号为K0003. 滕汜颖1,李永光2,周伟国1,马

2、昕霞2 (1. 同济大学 热能工程系,上海 200092; 2.上海电力学院 动力工程系,上海 200090) 摘 要:主要阐述了气固两相流动测量技术的现状,分析比较了几种新型的测量技术在气固两相流动领域中 的应用状况及各自的应用范围,并指出了现有技术不能完全满足测量要求,需要进一步的发展和完善. 关键词:气固两相流;测量技术;现状 中图分类号: TK313;TK314文献标识码: A 引 言 气固两相流动普遍存在于工业生产过程中, 如煤粉燃烧、 火箭推力燃烧、 医药、 食品行业中的 粉末处理过程及气力输送等.在流化床、 旋风除 尘、 沉降室及过滤过程中也涉及气固两相流动.自 然界中普遍存在着

3、这种流动.典型的自然现象有 沙尘暴、 沙丘移动、 宇宙尘埃等1.为了对这些自 然现象作出合理准确的解释,有效地监控设备运 行情况及对工业生产设施进行更优化的设计,了 解并掌握气固两相流基本流动规律是必须的. 然而气固两相流流动工况相当复杂,参数众 多,流型多样,目前还没有哪一个理论模型能完整 地阐述其流动变化规律的特性.因此,实验就成了 研究气固两相流流动规律的主要手段之一.它和 数值模拟相辅相成,成为研究气固两相流动的重 要工具. 1 测量技术面临的难点 由于气固两相流动的复杂性,使得测量技术 面临着不少困难.这些问题主要表现在以下几个 方面2. 1 浓度分布不均 一般情况下,固相浓度沿 管

4、道截面和管道长度的分布并不均匀.因此,要知 道某个时刻某个截面或者整个流场浓度分布的话 就须使用一定的测量技术与仪器.单一传感器不 能给出固相浓度分布的准确测量结果. 2 流动结构 气固两相流不仅流型多样,而 且多种流型会同时存在或互相转化,且不同流型 之间的转化无明显过渡.这就增加了气固两相流 的测量难度. 3 加速度 如在循环流化床中应用压差来 测定固相浓度时,将固体加速运动的力归于浓度 作用,测量值会发生很大的偏差,而这个问题通常 在研究中都被忽视了. 4 速度 气固两相流动的速度在被测区域 有时变化很大,这对利用X,射线需要相对长时 间积蓄能量并对被测区域进行机械扫描来获取信 息的方法

5、来说,其测量是有很大困难的. 5 非透明性 对于占现在测量比重越来越 大的光学测量法来说,若被测区域透光性不好,如 流化床底部浓相颗粒浓度或被测管道不透明,则 测量就会变得无能为力.这将限制利用激光、PIV 等光学性质的非接触式测量在工业测量中的实际 应用. 6 侵入式测量 侵入式测量会干扰流场,引 起测量偏差.接触式气固两相流体的测量元件容 易发生堵塞及磨损,从而妨碍仪器正常工作,减少 仪器使用寿命. 7 其他非测量因素干扰 流动中不可避免 要受噪声、 振动等非测量因素的干扰,使得测量结 果不能反映真实浓度. 1994-2010 China Academic Journal Electron

6、ic Publishing House. All rights reserved. 以上这些问题使得气固两相流测量技术研究 面临严峻的形势.由于人们对气固两相流物理特 性的认识仍有局限,因此,迄今为止仍没有一种较 为理想的气固两相流动的测量仪器3.为了解决 上述问题,国内外学者们几十年来仍孜孜不倦地 进行研究和探索. 2 现阶段的测量方法 这些方法按原理可分为光学法、 过程层析成 像法、 放射射线法、 相关法、 微波法、 磁核共振法和 超声波法等.前两种方法在近一二年内是学者们 比较关注的方向,也是研究得比较多的课题. 2. 1 光学法 随着激光的问世及其应用领域的拓展,学者 们利用激光这一新

7、兴的媒介工具尝试着进行气固 两相流的测量.利用激光光束的水准度高、 不易发 散性及其具有一般光线的共性,发展出了不少基 于激光应用的测量技术.基于颗粒散射光的特性, 由散射光强的Mie理论,可推导出激光通过气固 两相流散射光的强度,以此求得颗粒的粒径大小. 基于多普勒效应激光入射运动颗粒产生的散 射光的频率与入射光频率的差值和颗粒的运动速 度成正比而发展起来的测速技术在许多复杂流动 领域已有应用;随后发展的相位多普勒技术除了 能测量流体速度,更能同时获得颗粒尺寸的信息. 为使这种技术能广泛应用,不少学者或改进理论 模型或改变测量方法,如有从光散射干涉条纹模 型出发的相位多普勒技术4等,以简化实

8、际复杂 工况,得出近似正确的结果.但以上方法只能获得 空间单点的流体信息.为此,又有PIV技术的兴 起. PIV技术称为颗粒成像测速法.其方法是将激 光引入流场照明,以照明区域决定拍摄流场区域, 并用高速相机拍摄某时刻流场的图像,再将其传 入计算机,采用一定的图像处理算法还原成图像, 从中获得二维或三维的瞬态全流场的速度分布、 浓度分布、 粒径大小等流动信息. PIV技术现已在 流化床、 热态工业燃烧器流场测定中取得了成功 的经验5,因为以图像方式直观显示流动工况,又 能进行全流场瞬时测定的技术近年来在多相流领 域中得到了广泛的应用.但对于浓度较高的两相 流,成像质量则比较差,这是因为激光难以

9、穿过颗 粒高密度区域.应用光学法,测量精度高,又是非 接触式测量,因而应用前景较好.但其测量仪器精 密昂贵,操作不易,对环境要求高,目前阶段还不 宜用于工业生产.运用光学法测量,需要激光穿过 两相流,故要求管壁透明,被测流固相浓度适宜. 因此,要求被测区域透光性能好,也是光学法测量 存在的较大缺陷.在实际应用中,管道基本不透 明,颗粒在某种工况下非常密集,这就成为影响光 学测量技术发展的主要障碍. 2.2 过程层析成像法 过程层析成像法亦称为PT技术,是20世纪 80年代中后期正式形成和发展起来的一种以两 相流或多相流为主要对象的过程参数分布状况的 在线实时检测技术6.该技术利用围绕被测管道

10、的传感器阵列,以非接触方式获取被测物场在不 同观测角度下的投影数据,由计算机通过某种图 像重建算法,求得过程截面状况的二维可视化信 息.与气固两相流测量有关的是以电学法为代表 的方法,如电阻成像(ERT)、 电容成像(ECT)等形 式.其中以测量介电常数分布的ECT技术测量范 围最广,研究得也较多.有研究增加电容传感器个 数的,已从最初的一对电极增至现在的6对12阵 列电极;有研究把它应用于矩形流道测量的7;此 外,还有关于利用ECT测量浓相物质,如测量循 环流化床的报道7. PT技术属于非侵入式测量,它没有光学方法 对透光的要求,原则上可用于实际工业生产.从原 理上讲,只要选取合适的方式(或

11、几种方式的组 合 ) , 即可应用于各类两相流或多相流的流型识 别、 相分布廓形、 相含率及相速度的测量8. 对于成像,图像质量好坏是关键,而图像重建 算法则是难点.常用的简化线性逆反推算法 (LBP)仅对简单物质分布有效.针对复杂的非线 性测量场,学者们研究了大量的修正算法.如反复 利用正逆过程消除误差的叠代法9等,但无论采 用何种方法,都是将非线性简化成线性,而这就不 可避免地会造成图像重建时的数据误差.为了克 服这些误差,于是就出现了具有学习记忆及智能 处理能力的人工神经网络法,其常用的算法是前 馈网络,即采用误差反向传播的BP算法.但收敛 速度慢,常遇到局部极小值.针对这种情况,有学

12、者改进了BP算法,采用自适应步长和模拟退火 法等手段.还有学者重新提出一种多变量插值的 04上 海 电 力 学 院 学 报 2002年 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 径向基函数(RBF)法;也有人提出了均匀设计和 遗传算法,这均在不同程度上改进了图像重建算 法.此外,有学者还利用人工神经网络的智能模式 识别功能判别受众多因素影响而呈非线性状态的 流型10. 对于电学PT成像方法,存在着颗粒浓度越低 层析成像的灵敏度就越低、 离传感器越远就越难 测量准确的问题1

13、1.当管径大于20mm时,管中 心颗粒几乎不能成像,而实际工业管道的管径均 远远大于20mm ,且实验所用均为绝缘管道,而实 际工业管道大部分均为金属材料组成,这些均对 测量造成影响.这是层析成像需要克服的问题之 一. 2. 3 其他测量方法 其他测量方法包括:超声波法、 微波法、 射线 法、 相关法、 磁核共振法等.这几种方法是近年来 兴起的测量技术.超声波、 微波和射线法均可利用 波的性质波通过介质被吸收而强度减弱的原 理进行测量.目前国外已研制出安装在四角锅炉 送粉管道上测量煤粉质量流量的商用工业化超声 波流量计12.相关法则利用相关函数根据测量介 质信号在上下游传感器之间的渡越时间来计

14、算离 散相的速度、 浓度、 体积流量和质量流量13.磁核 共振原理即是具有磁距的原子核对电磁波的吸 收.上述几种方法都有实际应用的试验,但由于技 术还不够完善或设备装置过于庞大复杂,因此,离 应用于工业实践还有一段距离. 以上的测量方法都是近年来发展起来的测量 技术,可以看出学者们都对不破坏流场的非接触 式的测量方式感兴趣,因为它的测量精度高,在气 固两相流测量领域有着重要地位.然而论市场占 有份额、 实际使用程度,这些技术往往都不能与传 统的测量单相流的接触式测量技术相媲美.主要 还是因为这些测量技术太复杂、 设备精密、 有时对 人体还有危害、 现场适应能力不强、 操作性不好 等.但是传统意

15、义上的仪器仪表又不能完全满足 气固两相流的测量要求,于是学者们开始对现有 的单相流仪表进行改进.已有的报道有对科里奥 利质量流量计的信号处理方式进行改进;有用非 线性振动对科里奥利质量流量计的影响进行理论 研究;还有用弯头法加反吹空气防止颗粒堵塞测 压孔口等.这些均成为研究气固两相流的一个主 要方向. 数据的采集是任何实验中不可或缺的一部 分.它正朝着瞬时准确读取数据的方向发展.从人 工读数到使用仪表显示数据,这一过程已是相当 进步了.随着计算机的普及和功能的完善,将测量 仪器与计算机相连,由计算机代替人工直接进行 测试数据的综合和分析已成为现代测量技术的主 流.由此出现一大批研究人员利用计算

16、机编程监 控设备运行工况,如使用VB6编程技术在线监测 锅炉风-粉浓度等14.还出现了基于计算机的虚 拟仪器这一新型测量工具.所谓虚拟仪器就是在 计算机上加入一组特定的软件,由用户自定义仪 器功能和面板,可自由改变和增减仪器的功能和 规模,实现根据不同要求和习惯测量数据的技术. 如应用Labview实现微波测量气固两相流的数据 采集等15. 3 测量方法展望 综上所述,多相流测量是一个难度较大、 亟待 研究和探索的领域,其发展趋势和今后研究方向 可归纳为以下几个主要方面. 1 将成熟的单相流参数测试技术与测量仪 表应用于多相流检测.无论如何,单相流参数的测 量历史远较多相流的长久,测试技术也日

17、趋成熟. 这是多相流测量所不能比拟的.但传统的单相流 仪表不适应于多相流的工况.因此,如何进行仪表 的改造、 测量模型的改进将是研究的方向之一. 2 采用多传感器组合,进行多参数组合确定 被测参数.若直接测量某参数有难度,可采用先测 量确定这一参数的若干较易测得的量然后进行处 理的测量方法,如测量质量流量时,可通过测量密 度和体积流量的方法,或者对同一种测量介质采 用不同的测量手段.如利用超声波的相关原理和 吸收原理对多相流动参数进行测量等. 3 借助各种新技术(激光、 微波技术等 ) , 研 制高灵敏度、 高精确度和高可靠性的多相流传感 器和参数检测表.影响多相流动工况的因素很多, 需要灵敏

18、度、 准确度较好的检测技术,且检测技术 最终将运用到生产设备上去,这就要求检测装置 仪表化而又能符合工厂现场使用的条件.传感器 的灵敏程度和精确程度会直接影响测量结果.对 于开发高性能的多相流传感器,国外已有研究用 于稀相气力输送的辐射传感器16.多相流检测装 14 滕汜颖等:气固两相流动测量技术的现状与展望 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 置形成工业型仪表则是研究测试技术的最终目 的,也是学者们研究的方向之一. 4 应用多媒体和图像处理技术,对多相流空 间区域

19、进行直观瞬态的测量.随着计算机技术和 图像处理技术的发展,多媒体技术逐渐被应用到 气固两相流的测量中去,已有学者将它用于流化 床的测量17.由于数据采集分析综合通过计算机 一次完成,从而可减少人工处理数据的误差;又由 于图像能直观显示流动情况,而且还能进一步提 取两相流体截面的流动参数.因此,以图像提取被 测参数信息为主的测试技术将会更进一步的发 展. 5 结合被观测对象的专业领域知识进行新 型测量技术的探索.各行业对多相流的测试要求 及侧重点均不同.如何结合自己的特点来发展适 合本专业的测试技术,也将成为研究者们的目标 之一. 4 结束语 多相流测量是一门蓬勃发展的新兴技术.新 方法、 新技

20、术不断涌现,传统的仪器也正处在不断 的完善中.但多相流流动内在的复杂性,使现有技 术远远不能满足多相流研究和工业发展的需要. 现有的测试技术大多是建立在传感器等硬件的基 础上,目前在多相流领域还未能获得令人十分满 意的结果18.学者们开始探索将21世纪研究的 热点软测量技术引入多相流测试技术中 来,利用在线测量的辅助变量和离线分析信息去 估计不可测或难测变量的方法,以解决复杂性、 不 确定性,且又难以用数学模型精确描述的多相流 系统的测试问题.随着越来越多的新兴测量技术 的产生及这些技术被广泛地用于多相流测试,必 将带来多相流测试技术的不断发展和进步,这也 激励我们通过坚持不懈的努力推动气固两

21、相流测 量研究工作上一个新的台阶. 参考文献: 1FAN Liang2shih ,ZHU Chao. Principles of Gas2solid FlowsM. Cambridge :Cambridge University Press , 1998. 2Y ANGWQ , LIU S. Role of T omography in Gas/ solids Flow MeasurementJ . Flow Measurement and Instrumentation ,2000 , (11) :237244. 3Thorn R , Johansen GA ,Hammer E A. Mea

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