基于超聲聲速的氣力輸送顆粒體積分?jǐn)?shù)測(cè)量

安連鎖，劉偉龍，魏 萌，林 沖，沈國清，張世平

(華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

0 引言

氣力輸送由于具有密封性好、輸送量大、輸送距離長等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于眾多工業(yè)過程中。顆粒體積分?jǐn)?shù)作為氣力輸送過程中的重要參數(shù)之一，科研工作者已經(jīng)研發(fā)了多種測(cè)量體積分?jǐn)?shù)的方法，研究較多的方法包括電容法[1]、靜電法[2]、光學(xué)法[3]、聲學(xué)法[4]。其中，超聲法以其良好的穿透性等優(yōu)點(diǎn)，得到業(yè)界越來越多的關(guān)注。目前，研究較多的就是超聲衰減情況，而聲速相關(guān)的論文鮮有報(bào)道。

許偉龍[5]等對(duì)電站鍋爐顆粒介質(zhì)中的可聽聲頻段的聲速進(jìn)行了數(shù)值研究，分析了部分參數(shù)對(duì)其聲波傳播的影響。其研究表明，在僅改變濃度的情況下，聲速隨著濃度的增大而減小。喬榛[6]曾對(duì)聲速隨著顆粒粒徑、濃度、超聲頻率的變化進(jìn)行了理論分析。研究結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，顆粒的粒徑和超聲頻率對(duì)聲速的影響均可忽略不計(jì)。劉心志[7]等采用均相模型作為參考模型，利用超聲聲速對(duì)氣粉混合物的濃度進(jìn)行了測(cè)量，證明聲速法可以作為一種測(cè)量顆粒相濃度的有效手段。李永明[8]等利用基于多重散射理論的超聲計(jì)算模型對(duì)管道內(nèi)粉體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明，聲速法對(duì)體積分?jǐn)?shù)更為敏感，但其并未將試驗(yàn)結(jié)果與其模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

本文利用基于兩相流理論的Harker和Temple[9-10]模型，對(duì)氣力輸送過程中的超聲聲速法測(cè)量顆粒相的濃度進(jìn)行了理論分析。通過分析部分參數(shù)對(duì)聲速測(cè)量的影響，推導(dǎo)了超聲聲速與顆粒相體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系，證明了理論與實(shí)際的結(jié)果相近。該方法可以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中顆粒相體積分?jǐn)?shù)的測(cè)量。

1 理論基礎(chǔ)

超聲波在氣固兩相流中傳播過程中，由于氣體和固體顆粒的物理性質(zhì)不同，會(huì)發(fā)生吸收、散射耗散等現(xiàn)象。造成超聲波的能量和速度變化的主要原因如下。

①替代效應(yīng)：由于兩種介質(zhì)的密度不同，其聲速的傳播速度會(huì)發(fā)生變化。

②黏性損失：超聲波本質(zhì)上是一種機(jī)械波，由于兩相間的密度差異，顆粒相在振動(dòng)過程中會(huì)對(duì)氣相產(chǎn)生相對(duì)滑移。

③熱損失：由于兩相的導(dǎo)熱系數(shù)和傳熱系數(shù)不同，會(huì)在兩相交界面產(chǎn)生溫度梯度。一些學(xué)者[11-12]從聲波傳播角度出發(fā)，建立了能夠準(zhǔn)確描述球形顆粒在氣固兩相流中的聲波動(dòng)的ECAH模型。該模型將聲波的傳播特性歸結(jié)到一個(gè)6階線性方程組并進(jìn)行求解，得到由聲速和聲衰減來表征的復(fù)波數(shù)k，由此得到其聲速。另一些學(xué)者從兩相流的角度出發(fā)，從質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒的角度來求解超聲波在氣固兩相間的傳播特性，來求解復(fù)波數(shù)k，進(jìn)而求解出超聲聲速。本文根據(jù)Harker 和 Temple的兩相流理論，預(yù)測(cè)氣力輸送中的超聲聲速c。其計(jì)算式為：

(1)

S=Q+jP

(2)

(3)

(4)

ω=2πf

(5)

(6)

2 試驗(yàn)系統(tǒng)及過程參數(shù)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

系統(tǒng)主要通過振動(dòng)給料機(jī)配合其儲(chǔ)料倉進(jìn)行連續(xù)給料，超聲信號(hào)發(fā)生器由汕頭超聲公司生產(chǎn)，能夠產(chǎn)生20 kHz～5 MHz超聲脈沖信號(hào)。管道系統(tǒng)由有機(jī)玻璃制造的管徑為50 mm的豎直管道組成。

在管道中部截面，直徑方向上相對(duì)布置一對(duì)直徑為22 mm的超聲換能器。下部設(shè)置回收系統(tǒng)，從而對(duì)顆粒進(jìn)行回收。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 試驗(yàn)過程及參數(shù)

采集信號(hào)如圖2所示。

圖2 采集信號(hào)圖

在試驗(yàn)進(jìn)行前，先對(duì)振動(dòng)給料機(jī)進(jìn)行給料量標(biāo)定，通過電壓調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)給料機(jī)電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)給料量。在試驗(yàn)過程中，信號(hào)發(fā)射端的驅(qū)動(dòng)頻率為140 kHz，驅(qū)動(dòng)電壓為350 V。驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲換能器產(chǎn)生頻率為140 kHz的超聲信號(hào)，超聲信號(hào)通過管道后由對(duì)面的另外一個(gè)超聲換能器接收，接收到的信號(hào)經(jīng)過放大后經(jīng)由采集卡采集到計(jì)算機(jī)中，信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)與接收端的信號(hào)同時(shí)接入數(shù)據(jù)采集卡并進(jìn)入計(jì)算機(jī)。

從圖2可以看出，和發(fā)射端信號(hào)相比，接收端的信號(hào)存在時(shí)間延遲。

本文通過對(duì)發(fā)射端和接收端的信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)求取時(shí)間延遲τ，進(jìn)而求取聲速c。

3 模擬與試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 數(shù)值分析結(jié)果

利用Harker 和 Temple的兩相流理論，對(duì)空氣-玻璃微珠氣力輸送中的超聲傳播過程進(jìn)行數(shù)值模擬。玻璃微珠和空氣的物性參數(shù)如表1所示。

表1 玻璃微珠和空氣的物性參數(shù)

聲速-頻率曲線如圖3所示。由圖3(a)可以看出，當(dāng)頻率大于50 kHz時(shí)，其聲速不再隨著頻率的變化而變化。因此，在選取頻率的過程中，應(yīng)選取高于50 kHz的信號(hào)來作為信號(hào)源進(jìn)行測(cè)量。由圖3(b)可以看出，在粒徑改變的情況下，當(dāng)超過125 kHz時(shí)，隨著頻率的增大，聲速趨于穩(wěn)定值。

圖3 聲速-頻率曲線

不同參數(shù)下的聲速-粒徑曲線如圖4所示。由圖4(a)可以看出，當(dāng)粒徑在大于某個(gè)范圍時(shí)，其聲速趨于平穩(wěn)狀態(tài)。100～200 μm時(shí)聲速的變化在該范圍內(nèi)，其聲速也是趨于平穩(wěn)狀態(tài)。本文所采用的 180 μm的粒徑范圍內(nèi)， 顆粒粒徑變化對(duì)聲速的影響可以忽略不計(jì)。由圖4(b)可以看出，在固定濃度的情況下，當(dāng)粒徑大于某個(gè)范圍時(shí)，其聲速處于穩(wěn)定值。

圖4 聲速-粒徑曲線

通過以上對(duì)參數(shù)的分析可知，利用頻率在140 kHz的超聲信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)聲速法測(cè)量顆粒體積分?jǐn)?shù)。

在試驗(yàn)過程中，玻璃微珠樣品的平均直徑為180 μm。圖5給出了在此條件下超聲聲速-顆粒體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。由圖5可見，隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大，超聲波聲速逐漸減小。

圖5 聲速-體積分?jǐn)?shù)曲線(R=180 μm,f=140 kHz)

3.2 聲速法顆粒濃度結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果與理論值存在相同的趨勢(shì)，隨著體積分?jǐn)?shù)的變化，聲速逐漸減小。而試驗(yàn)值略高于理論值，分析其影響因素主要有以下幾點(diǎn)。

①溫度的影響。在理論計(jì)算中，并未涉及溫度對(duì)聲速的影響，而在試驗(yàn)過程中，溫度對(duì)聲速產(chǎn)生的影響是不能忽略的。

②顆粒分布的影響。在理論計(jì)算中，假設(shè)氣相和顆粒相是均勻分布的。而在試驗(yàn)過程中，由于其氣力輸送屬于湍流狀態(tài)，難以實(shí)現(xiàn)理想狀態(tài)下的均勻狀態(tài)。在流動(dòng)過程中，局部濃度不均會(huì)對(duì)其超聲傳播造成影響。聲速-體積分?jǐn)?shù)結(jié)果對(duì)比如圖6所示。

圖6 聲速-體積分?jǐn)?shù)結(jié)果對(duì)比圖(R=180 μm,f=140 kHz)

4 結(jié)束語

通過理論推導(dǎo)出超聲聲速與顆粒相體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系，并對(duì)理論分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，理論結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。由此說明，對(duì)于低濃度的氣力輸送過程，Harker 和 Temple的兩相流理論的聲速法可以用來對(duì)其體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)量。在獲得其顆粒相密度的前提下，本文所采用的方法為顆粒相的體積分?jǐn)?shù)測(cè)量提供了一種行之有效的手段。