超聲法氣固兩相流流速測(cè)量機(jī)理研究*

高耀東，武衛(wèi)曉

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

現(xiàn)如今，利用氣固兩相流運(yùn)輸物料被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、食品等各個(gè)行業(yè).隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)氣固兩相流運(yùn)輸過程中的計(jì)量和控制越來越精準(zhǔn)、要求越來越高.氣固兩相流流速的測(cè)量方法主要有光學(xué)傳感器和互相關(guān)系數(shù)法相結(jié)合、電學(xué)傳感器和互相關(guān)系數(shù)法相結(jié)合、新型電容傳感器的信號(hào)處理方法[1]等.李文濤等[2]利用參數(shù)延時(shí)估計(jì)法處理電容傳感器信號(hào)，改善了相關(guān)法測(cè)量氣固兩相流流速.闞哲[3]在靜電傳感器設(shè)計(jì)中，通過實(shí)驗(yàn)證明了電極屏蔽設(shè)計(jì)可有效獲取被測(cè)信號(hào)，并將其應(yīng)用于氣固兩相流流動(dòng)速度的測(cè)量中.周云龍等[4]利用靜電感應(yīng)原理，在分析傳感器電荷信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型陣列式靜電傳感器.

然而，關(guān)于超聲法測(cè)量氣固兩相流流速的研究卻較少，超聲波具有指向性好、穿透力強(qiáng)、能量集中等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于測(cè)量領(lǐng)域.利用超聲波在兩相流中的傳播特性，提出了一種基于超聲波測(cè)量氣固兩相流流速的方法.并利用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證.

1 超聲時(shí)差法測(cè)量氣固兩相流流速原理

利用超聲時(shí)差法測(cè)量氣固兩相流流速，原理是以傾斜角度在流動(dòng)的氣固兩相流中發(fā)送超聲波信號(hào)，利用聲波信號(hào)在兩相流順流和逆流傳播時(shí)所需要的時(shí)間之差來計(jì)算流速.如圖1所示，A，B兩端為超聲波傳感器，2個(gè)傳感器既可以作為超聲波發(fā)射裝置也可以作為超聲波接收裝置.由A端發(fā)射B端接受時(shí)的信號(hào)傳播時(shí)間為T1，s；由B端發(fā)射A端接受時(shí)的信號(hào)傳播時(shí)間為T2，s.測(cè)量2個(gè)發(fā)射信號(hào)之間的時(shí)間差，利用這一時(shí)間差來推導(dǎo)計(jì)算管道中氣固兩相流的流速.

受氣固兩相流流動(dòng)的影響，超聲波信號(hào)在信號(hào)管中(即A端和B端之間)傳播，當(dāng)其傳播方向不同時(shí)，傳播速度也會(huì)有所差異.當(dāng)信號(hào)由A端向B端傳播時(shí)，超聲波信號(hào)的傳播速度會(huì)受到兩相流的阻礙，其傳播速度小于聲速.反之，當(dāng)信號(hào)由B端向A端傳播時(shí)，超聲波信號(hào)的部分分量與兩相流流動(dòng)方向相同，其傳播速度大于聲速.式(1)和式(2)分別為T1，T2的計(jì)算公式.

(1)

(2)

式中：c0為超聲波傳播速度，m/s；V0為管道中氣固兩相流流動(dòng)速度，m/s；α為氣固兩相流流動(dòng)方向與信號(hào)傳播方向的夾角，°；L2為信號(hào)傳播距離，mm；通過管道直徑和角度α計(jì)算得知.

設(shè)傳播時(shí)間之差由ΔT表示，則ΔT為：

ΔT=T2-T1.

(3)

由式(2)和式(3)得：

(4)

由式(4)可以推導(dǎo)出基于測(cè)量信號(hào)傳播時(shí)間差ΔT來計(jì)算氣固兩相流流速表達(dá)式，表達(dá)式如下：

(5)

式中：ΔT除其余參數(shù)均為已知量，因此只需測(cè)量ΔT便可計(jì)算出氣固兩相流的流動(dòng)速度.

2 超聲法測(cè)兩相流流速的數(shù)值仿真

與氣體單相流動(dòng)相比，氣固兩相流動(dòng)要復(fù)雜很多，在實(shí)際運(yùn)輸中，氣固兩相流的固相顆粒在管道中的運(yùn)動(dòng)軌跡是隨機(jī)的，受流體曳力的作用,顆粒與顆粒、顆粒與管壁之間會(huì)發(fā)生相互碰撞[5].另外，由于氣場(chǎng)流的不穩(wěn)定以及固體顆粒的尺寸、形狀、化學(xué)成分等影響因素，導(dǎo)致了固體顆粒在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，由于對(duì)氣固兩相流流動(dòng)形態(tài)的研究方法不同，至今對(duì)其流型的識(shí)別也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[6].考慮到氣固兩相流流動(dòng)的復(fù)雜性，在建立氣固兩相流模型時(shí)，假設(shè)連續(xù)相的流態(tài)為湍流，在管道入口處固相顆粒受流體曳力作用而向前運(yùn)動(dòng).

2.1 仿真模型的建立

基于超聲時(shí)差法測(cè)量氣固兩相流流速時(shí)，傳感器與管道需要呈一定角度，模擬氣固兩相流在直管道中的輸送狀況，在建立模型時(shí)，管道水平布置，傳感器與管道以角度α放置，α=45°.氣固兩相流管道直徑為300 mm，長(zhǎng)度為1 200 mm,傳感器直徑為120 mm，兩端傳感器既可以發(fā)射超聲波信號(hào)也可以接受超聲波信號(hào).

圖2為模型的網(wǎng)格劃分，其中圖2(a)為CFD網(wǎng)格，采用自由四面體網(wǎng)格；圖2(b)為聲學(xué)網(wǎng)格，聲學(xué)網(wǎng)格中間部分采用自由四面體網(wǎng)格，兩端為虛擬域，用于吸收流體中傳播的聲波，采用映射網(wǎng)格.

2.2 仿真過程及結(jié)果

整個(gè)仿真過程分為兩部分，即兩相流流場(chǎng)仿真和超聲場(chǎng)仿真.在仿真氣固兩相流時(shí)，首先對(duì)連續(xù)相的流動(dòng)進(jìn)行仿真，設(shè)定管道入口處連續(xù)相的流動(dòng)速度為10 m/s，連續(xù)相的材料為空氣.計(jì)算完連續(xù)相，在管道的入口添加固體顆粒，顆粒釋放時(shí)長(zhǎng)為0.6 s，每0.01釋放50個(gè)粒子.考慮到在實(shí)際情況下氣固兩相流固相顆粒尺寸的復(fù)雜性，在管道入口處同時(shí)釋放3種不同直徑的粒子，分別為50，150和250 μm.粒子屬性采用煤粉材料，具體參數(shù)如表1.

表1 物性參數(shù)表

固體顆粒受曳力的作用下在管道內(nèi)向前運(yùn)動(dòng)，圖3為某一時(shí)刻固體顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，從圖中可以看出固體顆粒的位置分布比較復(fù)雜，顆粒與顆粒之間存在相互碰撞.圖4為管道內(nèi)氣固兩相流流速分布曲線，從圖中觀察到，靠近管壁處兩相流的流速最低，這是由于兩相流在流動(dòng)過程中與管壁存在一定的摩擦，而位于管道軸線附近兩相流的速度最大，達(dá)到了11.7 m/s，取橫坐標(biāo)為-1.5，-0.1，-0.05，0，0.05，0.1，1.5位置處的速度，計(jì)算管道內(nèi)氣固兩相流的平均流速，計(jì)算結(jié)果為V=9.74 m/s.

將上述計(jì)算結(jié)果映射到聲場(chǎng)中，在聲場(chǎng)中對(duì)超聲波在氣固兩相流中的傳播進(jìn)行數(shù)值仿真.采用的超聲波信號(hào)為脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)與連續(xù)信號(hào)相比具有更好的指向性，當(dāng)傳感器發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)后傳感器便停止發(fā)射聲波，這樣可以避免反射回來的聲波與傳感器發(fā)出的聲波發(fā)生相互干擾，從而減少了傳感器接受端的信號(hào)紊亂，提高了接收端信號(hào)的有效性.脈沖信號(hào)的表達(dá)式如下：

v(t)=Ae-(f0(t-3T0)2)sin(ω0t) .

(6)

式中：A為信號(hào)幅值，值為10；ω0為角速度，ω0=2πf0；f0為頻率，f0=20 kHz；T0為周期，T0=1/f0.

圖5為脈沖信號(hào)在氣固兩相流中的傳播聲壓圖，其中(a)和(b)分別為信號(hào)在順流中傳播和逆流中傳播時(shí)的聲壓圖，通過切換信號(hào)發(fā)射端與接受端來完成.

圖6是脈沖信號(hào)分別在順流和逆流中傳播時(shí)接受端所接收到的信號(hào)壓力，從圖中可以看出，向上游傳播所需要的時(shí)間要滯后于向下游傳播的時(shí)間，這是由于氣固兩相流的流動(dòng)造成的，通過對(duì)比計(jì)算2個(gè)信號(hào)的傳播時(shí)間之差，得知ΔT=5.19×10-5s，將ΔT帶入公式(5)中，計(jì)算得知V0=9.98 m/s.

將這一結(jié)果與管道內(nèi)的兩相流平均流速V進(jìn)行對(duì)比，用誤差cv來衡量測(cè)量的精度，cv計(jì)算式如下：

(7)

式中：V0為測(cè)得的兩相流速度，m/s；V為管道內(nèi)平均流速，m/s.將V和V0代入上式得，cv=0.025.為了使超聲法測(cè)量氣固兩相流流速的可行性更加具有說服力，分別對(duì)5種不同流速的氣固兩相流進(jìn)行了數(shù)值模擬，表2所示，模擬的氣固兩相流平均流速分別為5，10，15，20，25 m/s時(shí)的測(cè)量結(jié)果.

表2 各流速下的測(cè)量結(jié)果表

從表2中可以看出，在5種速度下,根據(jù)超聲時(shí)差法測(cè)量出的兩相流流速與管道中的平均流速非常接近，其誤差均控制在小數(shù)點(diǎn)后兩位，由此也證明了超聲視察法測(cè)量氣固兩相流流速的可行性.

表3為氣固兩相流流速在10 m/s下固體顆粒粒徑分別為50，150和250 μm時(shí)的測(cè)量結(jié)果.從表中得知，固相顆粒徑的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響很小.

表3 各粒徑下的測(cè)量結(jié)果表

3 總結(jié)

利用超聲時(shí)差法測(cè)量氣固兩相流流速，首先，通過有限元法建立氣固兩相流管道仿真模型，分析了氣固兩相流在管道內(nèi)的流動(dòng)，隨后對(duì)超聲波脈沖信號(hào)在氣固兩相流中的傳播進(jìn)行數(shù)值仿真，通過計(jì)算信號(hào)在順流和逆流中傳播的時(shí)間差計(jì)算兩相流流速，結(jié)果發(fā)現(xiàn)基于超聲時(shí)差法測(cè)量的氣固兩相流流速與管道中的平均流速非常接近.最終證明超聲時(shí)差法測(cè)量氣固兩相流流速的可行性，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ).同時(shí)，分析了3種不同粒徑對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)固相顆粒粒徑對(duì)超聲法測(cè)量氣固兩相流流速影響很小.在后續(xù)研究中，對(duì)可能影響測(cè)量誤差的因素進(jìn)行研究探討，例如溫度、管道直徑、氣固兩相流固相濃度等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果所產(chǎn)生的影響.