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3.2.2切换装置 ......................................................................................................... 18 3.2.3脉冲发生接受仪 ............................................................................................. 19 3.3本章小结 .................................................................................................................... 19 第四章 实验过程及结果分析 ................................................................................................ 21
4.1超声波检测目标及过程 ............................................................................................ 21 4.2实验结果及其分析 .................................................................................................... 21
4.2.1实验结果 ......................................................................................................... 22 4.2.2实验分析 ......................................................................................................... 27 4.3本章小结 .................................................................................................................... 29 第五章 总结与展望 ................................................................................................................ 30 参考文献 .................................................................................................................................. 32 附录 .......................................................................................................................................... 34 致谢 .......................................................................................................................................... 38
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第一章 绪论
1.1气固两相流浓度测量的意义
“既要绿水青山，又要金山银山”已经是当代我国社会主义现代化建设的要求和目标。现在，我国的自然环境可以说是十分恶劣，空中雾霾弥散、沙尘暴飞扬更是严重的影响到了我国人民的日常生活，这些自然现象现象都与气固两相流密切相关。而且在冶金、化工、电力、能源等很多工业实际生产中，是利用管道气力运送技术来输送固态粉体、水泥、煤粉等，如图1-1.
（a）电厂燃煤锅炉
（b）化工送粉管道
图 1-1 气固两相流应用
这些都是气固两相流的典型应用。就拿火电厂来说，火力发电在我国电力供给中依然占着相当大的比重。由于中国的能源结构以煤为主，因此中国的电力工业是以燃煤火电为主的，约占我国年发电量的百分之七十六。在火电厂，燃烧器中空气与煤粉的配比对燃烧效率有着十分明显的影响。首先，如果煤粉的质量流量在喷燃气出口分布不均匀，将会导致炉膛内的火焰中心偏移，从而引起炉膛中的气流冲刷后墙，导致高温再热器和高温过热器出现局部高温、结焦等现象。其次，如果浓度过高会导致燃烧不均匀和较高的能量消耗，增大氮氧化合物的排放以及燃烧不充分浪费能源。因此，控制空气和煤粉的混合比非常关键，所以我们必须掌握管道中煤粉质量流量的精确测量结果。因此，研
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究气固两相流浓度的精准测量技术已经势在必行。在经济新常态下，我国也准备或正在准备步入工业4.0时代，要想实现智能控制，我们的测量精度和使用范围也必须进一步的提升。在气固两相流的浓度测量中，超声波测量拥有其独特的优势，超声波测量气固两相流结构简单，无污染，可以适合介质不透明浓度测量等，适用范围较广。
1.2气固两相流浓度测量面对的困难
气固两相流为多相流的一种，其流动特点是比较复杂的。相对速度和界面效应在气固两相流中普遍存在，相界面在空间和时间上都随机可变。其参数除了常见的流量和速度外，还包括颗粒浓度、颗粒尺寸、流型以及固相分布等。使其比单向流系统要复杂的多。并且在气固两相流的测量过程中，固体颗粒的化学、物理以及流动特性都可能会对超声波检测仪器的测量的准确性产生一定影响。总的来看，可能会对气固两相流测量产生影响的的因素如下： （1）固体颗粒分布不均匀
在气固两相流输送过程中，固相颗粒沿管道长度和管道截面一般呈不均匀分布。就算流动状态稳定，因为气固两相相界面有界面效应，管道不同区域间也会存在向速度分布和浓度分布不均匀现象，另外，局部区域颗粒浓度和速度在时间和空间上的分布也体现着随机可变性。这和测量的位置、管道的方位、固相的载荷量以及固相颗粒的特性(包括颗粒尺寸，粘着力湿度成份、等)多种因素有关。 （2）固体颗粒速度分布不均匀
在气固两相流输送过程中，在管道的横截面上颗粒的速度分布也有可能不均匀。例如水平输送时，管道底面固相颗粒速度比管道顶部的颗粒速度慢，大体积的要比小体积的移速度慢。此外，当固相颗粒的浓度较大时，速度分布将呈现更加不规则的分布。 （3）颗粒形状和尺寸的变化
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在气固两相流中，它的颗粒尺寸也不是均匀统一的，它的粒径通常在几微米到几厘米之间变化，例如面粉加工厂的面粉和电厂煤粉。而且它的颗粒形状是千变万化，很难分类。对于一个给定的给料系统，通常只能保证给出固定的颗粒尺寸范围，很难保证颗粒尺寸不会变化。比如：煤粉颗粒体积的大小一般主要取决于磨煤机的当前工作状态和性能。 （4）颗粒成分
在很多工业生产中，固相颗粒种类并不是单一介质，并且会经常发生变化。比如燃煤电站使用的煤粉，煤粉与垃圾混合经常发生，这些固相颗粒物的组成非常复杂，并且一般不可预测，会对测量装置产生一定的影响。 （5）其他影响因素
除了以上因素之外，还有一些已知的影响因素如不可的避免噪声、震动，固相颗粒沉淀在测量段等非测量的干扰因素都会对仪器的测量产生影响，使测量结果不精确。而却这些因素一般是不可预测和控制的。
所以，气固两相流参数测量难度比较大。国内外很多研究机构做了大量的研究工作，但是目前为止，很多测量仪器都还正处于研究开发阶段，商业化的气固两相流流量计数量很少。实用、精确的测量装置对于了解相关自然现象，研究流体力学，管理工业生产过程的作用是重大的。
1.3常见的气固两相流测量方法
1.3.1差压法
目前差压法是研究较多的气固两相流测量方法之一，常用于气固两相流质量流量和固气质量流量比的测量。该方法在结构上是将喷嘴、文丘里管如图1-2、孔板等单相流差压式流量计进行组合，原理上就是利用气固两相流流过文丘里管或者孔板的节流元件
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时产生的压差进行计算得到气固两相流浓度，从而求得流量。该方法的关键是怎样可靠简单地获得压力差。和其他差压式检测装置相比，文丘里管压力损失小，结构简单，性能稳定，不易受被测物质影响，维护方便等优势。
（a）文丘里管实物图 （b）文丘里管简易结构图
图1-2文丘里管实物和结构图
但是也有其缺点，被测的流动固相颗粒很容易对节流式传感器产生磨损，造成管道的阻塞以及流动压力的减小。而且差压法的测量精度与固相浓度成正比例关系，只有在被测流体浓度较高时，才能获得较高的精度。 1.3.2光学法
随着激光技术的产生和应用领域的拓展，科学家们利用激光这一刚刚发展起来的工具试探着进行气固两相流的检测。利用激光光束的准度高、不容易发散性以及其具有一般光线的共同特性，演变出了很多基于激光技术的测量方法。利用颗粒散射光的特性，根据散射光强的Mie理论，就可以推算出激光通过气固两相流散射光的强度，从而求得颗粒的粒径体积。利用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与颗粒的运动速度成正比例关系而发展起来的测速技术在很多复杂流动领域已经得到了广泛的应用；后来发展起来的相位多普勒技术不仅能测量流体速度，还能同时获得颗粒尺寸的信息。为了使得这种技术能得到广泛应用，很多学者或改进理论模型或改变测量方法，如从光散射干涉条纹模型出发的相位多普勒技术等，来简化实际复杂工况，
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