顆粒-壁面作用的聲發(fā)射檢測及其在氣力輸送過程中的應用.pdf

1、隨著氣力輸送過程研究的深入，特別是密相輸送應用的愈加廣泛，人們對于認識氣力輸送過程流動本質(zhì)的需求也愈加迫切。從氣力輸送過程的研究現(xiàn)狀來看，無論是對于流型的識別、壓降的預測還是固體流量的測量，都需要從顆粒運動及受力分析，特別是顆粒-壁面相互作用分析的層面出發(fā)，更進一步地挖掘氣力輸送過程流動的本質(zhì)。由于輸送管徑一般較小，因此顆粒與壁面作用的壁效應就顯得尤為重要。但是，顆粒-壁面相互作用在以往的研究中卻沒有得到足夠的重視，而且局限在柱塞流壓降

2、預測模型中應力轉變系數(shù)的離線測定。究其原因，是沒有找到合適的方法來實現(xiàn)顆粒-壁面作用的在線檢測。氣力輸送過程中，顆粒-壁面的相互作用究竟是如何影響管道內(nèi)氣固兩相流體力學行為、輸送壓降及輸送穩(wěn)定性的呢？這是氣力輸送領域中亟待解決的關鍵科學問題，具有重要的理論意義和實際應用價值。
　　本研究利用對顆粒運動極為敏感的聲發(fā)射檢測技術，借助小波分解和功率譜分析等信號處理手段，建立了顆粒-壁面作用的在線檢測方法。在此基礎上，利用該方法，結合壓

3、降、攝像和靜電等多種檢測手段，在實驗室條件下，系統(tǒng)研究了豎直管稀相輸送過程、稀相到密相流型轉變過程以及密相柱塞流中顆粒-壁面作用對管道壓降、輸送流型和輸送穩(wěn)定性等流體力學行為的影響規(guī)律。最后，在實驗室研究的基礎上，基于小波分解和V統(tǒng)計分析，提出了氣力輸送聲發(fā)射信號的多尺度劃分標準，闡明了各尺度聲發(fā)射信號的物理意義，進一步研究了工業(yè)裝置粉煤高壓密相輸送中顆粒-壁面作用對輸送穩(wěn)定性的影響，并建立了粉煤質(zhì)量流量的聲發(fā)射檢測方法。研究結果有助于

4、解決如何有效提取聲發(fā)射信號中的有效信息這一聲發(fā)射檢測技術發(fā)展過程中的難題。同時，對于如何保證在低速下進行穩(wěn)定輸送這一氣力輸送領域科研工作者和工程師關心的關鍵問題具有重要的指導意義。論文的主要研究內(nèi)容及結論如下:
　　1.發(fā)現(xiàn)了顆粒-壁面的碰撞（法向作用）和摩擦（切向作用）作用這兩種不同的聲信號產(chǎn)生機制，提出了顆粒-壁面碰撞和摩擦作用的聲發(fā)射檢測方法?？疾炝祟w粒粒徑、顆粒速度以及法向壓力對碰撞和摩擦聲發(fā)射信號主頻和能量的影響，建立了

5、聲發(fā)射信號的主頻和能量模型。實現(xiàn)了稀相氣力輸送固體質(zhì)量流量和顆粒-壁面碰撞角的聲發(fā)射檢測。
　　(1)顆粒-壁面碰撞和摩擦作用檢測的步驟為:首先，通過實驗研究確定顆粒-壁面碰撞和摩擦信號的主頻范圍和小波能量分率分布等頻域特征。實驗研究發(fā)現(xiàn)，對于不同Geldart分類的顆粒，其與壁面碰撞聲發(fā)射信號的主頻均顯著高于摩擦聲發(fā)射信號的主頻。其次，通過小波分析方法對聲發(fā)射信號進行分解，并將其中代表顆粒-壁面碰撞和摩擦成分的小波尺度進行重構，

6、提取聲發(fā)射信號中包含的顆粒-壁面碰撞和摩擦成分。
　　(2)基于Hertz接觸理論和分段塑性模型，建立了考慮顆粒塑性形變條件下的顆粒-壁面碰撞聲發(fā)射信號主頻模型，相比于基于完全彈性碰撞下推導的模型，該模型的預測精度更高。
　　fcolltston=v1/5r,0/[1.47+f(e)][(5/4π)(1-σ21/E1+1-σ22/E2)ρs]2/5dp
　　引入接觸時間數(shù)的概念，建立了顆粒-壁面摩擦聲發(fā)射信號的主頻模型

7、。模型可以很好地解釋碰撞和摩擦聲發(fā)射信號的主頻隨顆粒粒徑的增大而降低，摩擦信號主頻隨著顆粒速度的增大和法向壓力的增大而降低的實驗現(xiàn)象。
　　(3)在豎直管稀相氣力輸送過程中，顆粒的呈現(xiàn)形式有分散懸浮的單個顆粒和顆粒聚團兩種，這兩種類型的顆粒與壁面的作用方式是不同的。在此基礎上，建立了顆粒-壁面碰撞和摩擦聲發(fā)射信號的能量模型。基于聲發(fā)射信號的能量模型，建立了豎直管稀相氣力輸送固體質(zhì)量流量和顆粒-壁面碰撞角的檢測方法。碰撞聲發(fā)射信號能

8、量分率與固氣比的關系為c=1/a+bφ采用該模型測得的固體顆粒質(zhì)量流量與實驗值之間的平均相對誤差為3.78％。顆粒-壁面碰撞角α與碰撞和摩擦聲發(fā)射信號能量比的關系為Ep,colltston/Ep,frtcton=tanα/μ。
　　2.采用聲發(fā)射、壓降和靜電多種檢測手段相結合的方式，研究了最小輸送速度附近操作時的流型轉變現(xiàn)象，揭示了顆粒-壁面作用對流型轉變的影響規(guī)律，建立了基于聲能量和靜電荷累積量的流型轉變圖。
　　(1)單

9、一檢測手段無法準確地識別最小輸送速度附近的流型。恒定質(zhì)量流率下，隨著表觀氣速的降低，壓降、聲能量和靜電荷累積量均呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢，但是曲線轉折點所對應的轉變速度各不相同。聲發(fā)射能量得到的轉變速度(7.0m/s)略小于壓降最小輸送速度(7.5-8.0m/s)，而靜電荷累積量的轉變速度(6.0m/s)明顯小于前兩者。
　　(2)壓降最小輸送速度是氣體與壁面摩擦、顆粒-壁面相互作用以及顆粒濃度的變化共同作用的結果。當氣速大于壓降最

10、小輸送速度時，氣相壓降的影響占主導;當氣速小于流型轉變速度時，氣相壓降的影響幾乎可以忽略，顆粒濃度的變化和顆粒-壁面相互作用對壓降的影響占主導;當氣速介于壓降最小輸送速度和流型轉變速度之間時，上述三種因素對管道壓降的影響相當。
　　(3)當氣速等于流型轉變速度時，顆粒-壁面的碰撞聲能量分率最小，摩擦聲能量分率最大，顆粒-壁面的碰撞角最小。這是由于流型轉變時顆粒的聚集形態(tài)發(fā)生了變化，使得顆粒-壁面的碰撞及摩擦能量分率的變化曲線出現(xiàn)轉

11、折點。當氣速大于流型轉變速度時，顆粒-壁面的作用以懸浮單顆粒的形式為主，隨著氣速的減小，顆粒-壁面碰撞速度降低，顆粒-壁面碰能量降低，導致碰撞能量減小，摩擦能量分率增大;當氣速小于流型轉變速度時，顆粒-壁面的作用以回落顆粒與柱塞的作用為主，隨著氣速的減小，回落顆粒和柱塞之間的相對速度增大，碰撞能量增加，因此顆粒-壁面碰能量分率增大，摩擦能量分率減小。
　　(4)基于聲能量和靜電荷累積量與壓降的關系，建立了新的流型轉變圖?；诼暷芰?/p>

12、與壓降的流型圖不僅可以實現(xiàn)壓降最小輸送速度的識別，還能夠反映不同流型下壓力損失方式的不同?；陟o電信號與壓降的流型圖可以同時識別最小壓降速度和柱塞流轉變速度。
　　3.研究了密相柱塞流中最基本的流動結構柱塞與壁面的作用及其對管道壓降的影響，發(fā)現(xiàn)當柱塞長度較大或者表觀氣速較小時，柱塞流輸送時可能出現(xiàn)壓降二次上升的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于回落顆粒與柱塞前端的碰撞導致了額外的壓力損失。通過在模型中引入顆粒與柱塞的碰撞作用，建立了柱塞流

13、輸送的聲能量模型，能夠準確預測柱塞流輸送過程中顆粒壁面作用的變化，說明顆粒與柱塞的碰撞作用是柱塞流的典型特征。
　　4.將聲發(fā)射技術和多尺度分析方法相結合，用于粉煤高壓密相氣力輸送過程中氣固兩相流體力學行為的研究，給出了聲發(fā)射信號微尺度、介尺度和宏尺度的劃分標準，并進一步對各個尺度代表的物理意義進行了探討。在此基礎上，建立了粉煤質(zhì)量流量的聲發(fā)射檢測方法，并將其應用于工業(yè)裝置中。
　　(1)結合Ⅴ統(tǒng)計分析和小波分解，提出了粉煤

14、密相輸送的聲發(fā)射信號的多尺度劃分原則。研究發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射信號的d1-d4尺度(18.75-300kHz)和d8-d10尺度信號(0-2.34kHz)具有一個典型的周期性成分，而d5-d7尺度信號(2.34-18.75kHz)具有多個周期性成分?；谛盘栴l率及其復雜程度的不同，將粉煤密相輸送聲發(fā)射信號的d1-d4尺度、d5-d7尺度和d8-d10尺度分別劃分為微尺度、介尺度和宏尺度。進一步研究揭示了微尺度、介尺度和宏尺度聲信號的物理意義。三

15、者分別代表顆粒-壁面的碰撞和摩擦作用、氣固兩相的相互作用產(chǎn)生的非均勻結構以及氣體與管壁的摩擦。其中，介尺度信號是粉煤密相輸送聲發(fā)射信號中的主要成分。隨著粉煤質(zhì)量流量的增加，微尺度信號能量分率下降，介尺度信號能量分率上升，宏尺度信號能量分率基本不變，說明在高濃度下粉煤更傾向于以聚團的形式運動。
　　(2)基于聲發(fā)射信號的多尺度分解理論，結合信號的時域特征和偏最小二乘回歸方法，建立了粉煤質(zhì)量流量和粉煤濃度的檢測模型。當粉煤質(zhì)量流量變化