顆粒-壁面作用的聲發(fā)射檢測(cè)及其在氣力輸送過(guò)程中的應(yīng)用.pdf

1、隨著氣力輸送過(guò)程研究的深入，特別是密相輸送應(yīng)用的愈加廣泛，人們對(duì)于認(rèn)識(shí)氣力輸送過(guò)程流動(dòng)本質(zhì)的需求也愈加迫切。從氣力輸送過(guò)程的研究現(xiàn)狀來(lái)看，無(wú)論是對(duì)于流型的識(shí)別、壓降的預(yù)測(cè)還是固體流量的測(cè)量，都需要從顆粒運(yùn)動(dòng)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(jìn)一步地挖掘氣力輸送過(guò)程流動(dòng)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(yīng)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(méi)有得到足夠的重視，而且局限在柱塞流壓降

2、預(yù)測(cè)模型中應(yīng)力轉(zhuǎn)變系數(shù)的離線測(cè)定。究其原因，是沒(méi)有找到合適的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)顆粒-壁面作用的在線檢測(cè)。氣力輸送過(guò)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(xué)行為、輸送壓降及輸送穩(wěn)定性的呢？這是氣力輸送領(lǐng)域中亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　本研究利用對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)極為敏感的聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)，借助小波分解和功率譜分析等信號(hào)處理手段，建立了顆粒-壁面作用的在線檢測(cè)方法。在此基礎(chǔ)上，利用該方法，結(jié)合壓

3、降、攝像和靜電等多種檢測(cè)手段，在實(shí)驗(yàn)室條件下，系統(tǒng)研究了豎直管稀相輸送過(guò)程、稀相到密相流型轉(zhuǎn)變過(guò)程以及密相柱塞流中顆粒-壁面作用對(duì)管道壓降、輸送流型和輸送穩(wěn)定性等流體力學(xué)行為的影響規(guī)律。最后，在實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上，基于小波分解和V統(tǒng)計(jì)分析，提出了氣力輸送聲發(fā)射信號(hào)的多尺度劃分標(biāo)準(zhǔn)，闡明了各尺度聲發(fā)射信號(hào)的物理意義，進(jìn)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(duì)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(cè)方法。研究結(jié)果有助于

4、解決如何有效提取聲發(fā)射信號(hào)中的有效信息這一聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的難題。同時(shí)，對(duì)于如何保證在低速下進(jìn)行穩(wěn)定輸送這一氣力輸送領(lǐng)域科研工作者和工程師關(guān)心的關(guān)鍵問(wèn)題具有重要的指導(dǎo)意義。論文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)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(hào)產(chǎn)生機(jī)制，提出了顆粒-壁面碰撞和摩擦作用的聲發(fā)射檢測(cè)方法?？疾炝祟w粒粒徑、顆粒速度以及法向壓力對(duì)碰撞和摩擦聲發(fā)射信號(hào)主頻和能量的影響，建立了

5、聲發(fā)射信號(hào)的主頻和能量模型。實(shí)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(cè)。
　　(1)顆粒-壁面碰撞和摩擦作用檢測(cè)的步驟為:首先，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究確定顆粒-壁面碰撞和摩擦信號(hào)的主頻范圍和小波能量分率分布等頻域特征。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同Geldart分類的顆粒，其與壁面碰撞聲發(fā)射信號(hào)的主頻均顯著高于摩擦聲發(fā)射信號(hào)的主頻。其次，通過(guò)小波分析方法對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)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(jìn)行重構(gòu)，

6、提取聲發(fā)射信號(hào)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(hào)主頻模型，相比于基于完全彈性碰撞下推導(dǎo)的模型，該模型的預(yù)測(cè)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(shí)間數(shù)的概念，建立了顆粒-壁面摩擦聲發(fā)射信號(hào)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(hào)的主頻隨顆粒粒徑的增大而降低，摩擦信號(hào)主頻隨著顆粒速度的增大和法向壓力的增大而降低的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
　　(3)在豎直管稀相氣力輸送過(guò)程中，顆粒的呈現(xiàn)形式有分散懸浮的單個(gè)顆粒和顆粒聚團(tuán)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(chǔ)上，建立了顆粒-壁面碰撞和摩擦聲發(fā)射信號(hào)的能量模型?；诼暟l(fā)射信號(hào)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(cè)方法。碰撞聲發(fā)射信號(hào)能

8、量分率與固氣比的關(guān)系為c=1/a+bφ采用該模型測(cè)得的固體顆粒質(zhì)量流量與實(shí)驗(yàn)值之間的平均相對(duì)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(hào)能量比的關(guān)系為Ep,colltston/Ep,frtcton=tanα/μ。
　　2.采用聲發(fā)射、壓降和靜電多種檢測(cè)手段相結(jié)合的方式，研究了最小輸送速度附近操作時(shí)的流型轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，揭示了顆粒-壁面作用對(duì)流型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變圖。
　　(1)單

9、一檢測(cè)手段無(wú)法準(zhǔn)確地識(shí)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(shì)，但是曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)變速度各不相同。聲發(fā)射能量得到的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)果。當(dāng)氣速大于壓降最

10、小輸送速度時(shí)，氣相壓降的影響占主導(dǎo);當(dāng)氣速小于流型轉(zhuǎn)變速度時(shí)，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(duì)壓降的影響占主導(dǎo);當(dāng)氣速介于壓降最小輸送速度和流型轉(zhuǎn)變速度之間時(shí)，上述三種因素對(duì)管道壓降的影響相當(dāng)。
　　(3)當(dāng)氣速等于流型轉(zhuǎn)變速度時(shí)，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(zhuǎn)變時(shí)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(zhuǎn)

11、折點(diǎn)。當(dāng)氣速大于流型轉(zhuǎn)變速度時(shí)，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(dǎo)致碰撞能量減小，摩擦能量分率增大;當(dāng)氣速小于流型轉(zhuǎn)變速度時(shí)，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(duì)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(guān)系，建立了新的流型轉(zhuǎn)變圖?；诼暷芰?/p>

12、與壓降的流型圖不僅可以實(shí)現(xiàn)壓降最小輸送速度的識(shí)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(hào)與壓降的流型圖可以同時(shí)識(shí)別最小壓降速度和柱塞流轉(zhuǎn)變速度。
　　3.研究了密相柱塞流中最基本的流動(dòng)結(jié)構(gòu)柱塞與壁面的作用及其對(duì)管道壓降的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)柱塞長(zhǎng)度較大或者表觀氣速較小時(shí)，柱塞流輸送時(shí)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(dǎo)致了額外的壓力損失。通過(guò)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(zhǔn)確預(yù)測(cè)柱塞流輸送過(guò)程中顆粒壁面作用的變化，說(shuō)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(shù)和多尺度分析方法相結(jié)合，用于粉煤高壓密相氣力輸送過(guò)程中氣固兩相流體力學(xué)行為的研究，給出了聲發(fā)射信號(hào)微尺度、介尺度和宏尺度的劃分標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)一步對(duì)各個(gè)尺度代表的物理意義進(jìn)行了探討。在此基礎(chǔ)上，建立了粉煤質(zhì)量流量的聲發(fā)射檢測(cè)方法，并將其應(yīng)用于工業(yè)裝置中。
　　(1)結(jié)合Ⅴ統(tǒng)計(jì)分析和小波分解，提出了粉煤

14、密相輸送的聲發(fā)射信號(hào)的多尺度劃分原則。研究發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射信號(hào)的d1-d4尺度(18.75-300kHz)和d8-d10尺度信號(hào)(0-2.34kHz)具有一個(gè)典型的周期性成分，而d5-d7尺度信號(hào)(2.34-18.75kHz)具有多個(gè)周期性成分?；谛盘?hào)頻率及其復(fù)雜程度的不同，將粉煤密相輸送聲發(fā)射信號(hào)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(jìn)一步研究揭示了微尺度、介尺度和宏尺度聲信號(hào)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(jié)構(gòu)以及氣體與管壁的摩擦。其中，介尺度信號(hào)是粉煤密相輸送聲發(fā)射信號(hào)中的主要成分。隨著粉煤質(zhì)量流量的增加，微尺度信號(hào)能量分率下降，介尺度信號(hào)能量分率上升，宏尺度信號(hào)能量分率基本不變，說(shuō)明在高濃度下粉煤更傾向于以聚團(tuán)的形式運(yùn)動(dòng)。
　　(2)基于聲發(fā)射信號(hào)的多尺度分解理論，結(jié)合信號(hào)的時(shí)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(cè)模型。當(dāng)粉煤質(zhì)量流量變化