多相流顆粒運(yùn)動(dòng)特性的激光測(cè)試技術(shù)研究.pdf

1、多相流在能源、環(huán)境和化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但是由于多相流的復(fù)雜性，目前的測(cè)試技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足對(duì)多相流運(yùn)動(dòng)特性以及工業(yè)在線測(cè)量的需求。本文針對(duì)多相流研究和測(cè)試中的幾個(gè)難點(diǎn)，對(duì)若干激光測(cè)試技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行了研究。 首先，把高速數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)應(yīng)用到了冷態(tài)循環(huán)流化床稀相區(qū)固相顆粒的旋轉(zhuǎn)和碰撞等微觀層面運(yùn)動(dòng)特性的研究中。探討了該測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際氣固流場(chǎng)中顆粒旋轉(zhuǎn)測(cè)量可行性，并提出了四種顆粒轉(zhuǎn)速的判別方法：旋轉(zhuǎn)角度人工量取法，數(shù)圈法，基于轉(zhuǎn)軸

2、重建的轉(zhuǎn)速算法和基于相關(guān)性分析的計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別法。其中轉(zhuǎn)軸重建算法可確定流場(chǎng)中部分顆粒的轉(zhuǎn)軸三維方向，并比較精確地測(cè)定其轉(zhuǎn)速。而計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別算法主要針對(duì)旋轉(zhuǎn)軸垂直或近似垂直于拍攝平面顆粒轉(zhuǎn)速的測(cè)定；比較詳細(xì)地分析了顆粒轉(zhuǎn)速測(cè)量過程中的影響測(cè)量準(zhǔn)確性和可信度的若干不確定因素；理論預(yù)測(cè)了流化床典型工況下顆粒最大轉(zhuǎn)速；用顆粒軌跡驗(yàn)證法對(duì)所測(cè)顆粒轉(zhuǎn)速的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證；提出了雙幀頻拍攝方法，有效地提高了顆粒轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍。 對(duì)一截面為2

3、00×200 mm高為4 m的冷態(tài)循環(huán)流化床稀相區(qū)的氣固兩相流進(jìn)行了顆粒旋轉(zhuǎn)和碰撞特性的實(shí)驗(yàn)研究。1)用統(tǒng)計(jì)的方法研究了影響顆粒旋轉(zhuǎn)的因素，結(jié)果表明：在相同的流場(chǎng)區(qū)域中，小顆粒的平均轉(zhuǎn)速高于大顆粒；同一粒徑檔的顆粒，平均水平橫向運(yùn)動(dòng)速度大，顆粒的平均轉(zhuǎn)速就高，但是平均垂直運(yùn)動(dòng)速度對(duì)顆粒轉(zhuǎn)速影響較?。煌粭l件下，不規(guī)則顆粒的平均轉(zhuǎn)速明顯高于規(guī)則球形顆粒；隨著流場(chǎng)區(qū)域顆粒碰撞頻率的增加，顆粒的平均轉(zhuǎn)速升高；2)對(duì)稀相區(qū)的顆粒平均轉(zhuǎn)速空間分布

4、特性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。研究表明，在同一工況下，稀相區(qū)橫向截面上邊壁區(qū)域的顆粒平均轉(zhuǎn)速高于中心區(qū)域，在垂直高度方向，隨著高度的增加，顆粒平均轉(zhuǎn)速有降低的趨勢(shì)。運(yùn)行參數(shù)對(duì)顆粒平均轉(zhuǎn)速空間分布的影響有：隨著表觀氣速的增加，截面邊壁區(qū)域的顆粒平均轉(zhuǎn)速明顯增加，但截面中心區(qū)域則無明顯變化；循環(huán)物料量對(duì)顆粒平均轉(zhuǎn)速分布的影響恰恰相反；而隨著床料靜止高度的增加，截面邊壁和中心區(qū)域的顆粒平均轉(zhuǎn)速均有所提高。3)對(duì)顆粒的碰撞率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，顆粒的

5、碰撞率近似與顆粒濃度的平方成正比，其規(guī)律與其他學(xué)者通過分子動(dòng)力學(xué)理論類比所得的碰撞率公式相符，但是需要附加一個(gè)修正系數(shù)，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析，該修正系數(shù)可取為0.42-0.68。另外，還對(duì)顆粒碰撞參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。 其次，提出了一種便攜式的和可用于在線測(cè)量的基于近后向散射的激光多普勒測(cè)量系統(tǒng)BLDMS，該技術(shù)基于多普勒原理測(cè)速和近后向散射光強(qiáng)測(cè)量粒徑的原理。為了研究近后向散射測(cè)量不規(guī)則顆粒粒徑分布的性能，分別進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究

6、。在理論模擬中，用散射響應(yīng)帶描述了實(shí)際不規(guī)則顆粒的散射響應(yīng)特性，并用浮動(dòng)系數(shù)κ進(jìn)行了表征。通過對(duì)單峰和雙峰分布的多分散不規(guī)則顆粒群的詳細(xì)模擬測(cè)試，表明了基于近后向散射的多普勒測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用于不規(guī)則顆粒粒徑分布的測(cè)試是可行的。在此基礎(chǔ)上，自行搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)對(duì)玻璃珠和石英砂顆粒流進(jìn)行了研究，主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括轉(zhuǎn)換矩陣和顆粒平均散射響應(yīng)曲線的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和已知顆粒群的粒徑分布測(cè)試實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，BLDMS能夠很好地用于多相流中透明或者不

7、透明不規(guī)則顆粒的速度、粒徑和濃度分布的測(cè)試。最后，利用基于成像的激光相關(guān)測(cè)速技術(shù)ILCV對(duì)脈沖噴嘴出口附近高濃度的氣液兩相流速度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。用廣義米氏理論的程序理論分析了ILCV光學(xué)系統(tǒng)，研究了顆粒經(jīng)過測(cè)量體時(shí)產(chǎn)生的光信號(hào)的特點(diǎn)以及頻譜分布，重點(diǎn)研究了ILCV測(cè)量體在光軸方向的有效長(zhǎng)度。對(duì)ILCV信號(hào)處理進(jìn)行研究，比較系統(tǒng)地研究窗函數(shù)、信號(hào)預(yù)平移、插值等輔助方法對(duì)數(shù)據(jù)處理的作用，相關(guān)性計(jì)算中各種參數(shù)的選取，以及信號(hào)的噪聲、疏密等參數(shù)對(duì)計(jì)