内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
超声波在介质中的散射、衍射、折射、反射等传播规律，和可闻声波的规律没有本质上区别。但超声波的波长非常短，仅有几厘米，甚至千分之几毫米。同可闻声波比较，超声波拥有很多奇异特性：传播特性──超声波的波长十分短，一般的障碍物的尺寸要比超声波的波长大很多倍，所以超声波的衍射能力很差，其在均匀介质中能直线传播，超声波的波长越短，此特性就越明显。功率特性──当声音在空气中传播的时候，推动空气里的微粒往复震荡从而对微粒做功。声波功率是用来表示声波做功快慢的物理量。在强度相同条件下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。因为超声波频率非常高，所以超声波和一般声波相比较，它的功率是很大的。空化作用──超声波在介质的传播过程中，有一个正负压强的交变周期，处于正压相位时，它对介质分子挤压，从而改变介质本来的密度，使其增大；在负压相位时，使得介质分子稀疏，介质的密度会减小，当用够大振幅的超声波作用于液体介质的时候，介质分子间的平均距离将会超过使液体介质保持不变的临界分子距离，这时液体介质就会断裂，从而形成微泡。这部分小空洞迅速地膨胀和闭合，会使得液体微粒之间发生猛烈的撞击，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使得液体的温度急剧升高，起到很好的搅拌作用，从而使两种互不相溶的液体（如油和水）发生乳化，并加速溶质的溶解，使得化学反应加速进行。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称作超声波的空化作用。
2.2气固两相流基本知识
气固两相流就是由气体和固体两种单相物质组成的的流动体（必须保证最少有一相物质是流动的）。气固两相流中的单相为固体颗粒，当气流的速度足够高时，这些固体的流动特性和普通流体相似，把它们称为伪流体。两相有各自的流动参数，如密度、压强、温度、速度等。
下面介绍与本实验有关的参数。设气固两相混合物的质量为 M，体积为 V，气体的
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质量为 Mg，体积为 Vg，固体颗粒的质量为 Ms，体积为 Vs。 （1）容积含气率
气体体积占两相混合物体积的份额为容积含气率，即 η=
VgVg= （2-1） VVs?Vg
因此含固率为：
1－η=
VsVs= （2-2） VVs?Vg
（2）浓度 气相的浓度为：
ρg'=MgV=ηρg （2-3）
固相的浓度为：
ρs'=MsV=(1－η)ρs （2-4）
式中，ρg、ρs分别为气体、固体颗粒的密度。
2.3超声在两相介质中的声衰减
声波在颗粒两相介质中传播时，会与固相颗粒以及连续相介质产生相互作用，结果导致声波幅值随着传播距离的增大而减小，这种现象被称为声衰减。从接收器方向上看，声衰减是由于声波的吸收和散射引起的。其中吸收效应非常强烈，在很多情况下可以占到主导地位。超声波在气固两相介质中发生衰减的机制对利用超声波检测输送过程的研究非常重要，通过对气固两相输送检测过程中的一些声学参数的采集，尤其是声波的衰
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减和相速度的采集，可以获得相应的输送参数，这是因为当超声波通过气固两相流时，会通过衰减等形式载上两相流的信息。超声波在气固两相中的衰减过程大体可以描述为：一组连续的压缩平面波从气相介质中传播到固体颗粒中，在两相接触的界面上产生压缩波，同时固体颗粒内部产生压缩波，固体颗粒内部也有热波和剪切波发出，因此超声波和固体颗粒以及连续介质空气之间的相互作用是超声衰减的主要原因。超声波在两相介质中具体的衰减机制可以根据具体的原理不同分为 6种： （1）热损失
在波的压缩区，压力升高，同时温度升高，由于较热的分子有较高的速度，并且按温度梯度扩散到温度较低的区域内。这种效应将降低压缩的压力，使波的振幅减小。由于压力与温度的热力学耦合关系，波动的热力损失将会出现。在颗粒两相介质中，颗粒相对周围介质脉动，如果连续相和颗粒相的压力和温度不同，那么颗粒与周围流体的界面上就会出现温度梯度，引起热损失，导致能量流失。 （2）粘性损失
如图 2-1，在平面压缩波由连续介质入射到一个半径为 R 的球形颗粒时，球体会反射一个压缩波，并同时在球体内外会分别产生一组压缩波、热波和剪切波。当颗粒和周围介质的密度不同时，有粘滞性的传递机制，靠近颗粒的液体层将相对滑动，在动量交换的过程中，黏度导致能量离开颗粒。
图 2-1 声波与颗粒的相互作用
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（3）吸收机制
吸收机制损失即介质本身吸收，是由于声波与介质、颗粒的材料在分子水平上直接作用直接产生的。这与样品的宏观特性无关。总体来讲，本身吸收给总声波衰减的贡献很小。但当总的声衰减非常小时，例如在很低的浓度或小颗粒的测量时，需要考虑内在吸收机制损失。 （4）结构损失
该损失产生的主要原因是因为在输送过程中，其固相因实际输送的情况发生了相应的变化，这种结构上的变化下颗粒依然会在声场中振动，而固体颗粒之间又因为浓度的增加，相互作用增强，超声波的声能出现衰减。 （5）电应力损失
在超声场中存在带电颗粒，带电颗粒发生相对与连续相的运动，形成电流，即声能转化为电能，并且这些电能最终会转化为热能损失掉，造成超声波的衰减。但是其对超声波信号影响不大。 （6）散射损失
声的散射和光的散射在本质上是基本相同的。声波在颗粒两相介质中传播，当遇到颗粒物质时，就会在颗粒表面产生二级波，二次波和原来入射波的形式与传播方向都不相同，被称为散射波。在声散射中颗粒仅仅是改变了部分的声能流方向，这就会使得这部分声波不能被换能器接收到，而不是将该部分声波转化成其他形式的能量。散射损失与吸收损失有着本质上的区别。
声波遇到在不同物性、大小的颗粒上时，就会产生不同的散射波。当声波碰到与波长相比较小的颗粒的时候，由物体产生的再生声波几乎向各个方向均匀发散，这种散射被称为瑞利散射。当物体很小的时候，在物体的后向会有声波出现，而且它的声场和入射波十分相像，这种情况被称为绕射现象。当声波入射到无限大平面分界面上就会产生
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反射和折射现象，如果分界表面凹凸不平，就会在表面产生漫反射现象。当颗粒直径大于1μm 时，散射作用对于声衰减影响十分重要。伴随着颗粒尺寸的减小，声散射也迅速减小。
图 2-2 几种主要损失机制
以上几种主要衰减，是超声波检测气固两相流浓度常见衰减。通过实验的检测衰减的平均值，找到其和浓度变化的函数关系以及适合测量沙粒的探头频率。
2.4本章小结
首先，简单介绍了超声波的产生及其应用。超声波的传播就是能量的一种转移方式，人们利用其特点，广泛的应用到了我们的生活中，如超声波测距，清洗，杀菌消毒等等。
其次，介绍了气固两相流的基本知识，包括其参数定义等。
最后，详细论述了，超声波在气固两相流中的几种能量衰减情况，主要有热损失、粘性损失、吸收机制、结构损失、电声损失、散射损失几种损失。以及各自的损失原理。 方便接下来的实验分析。
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