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稀疏气固两相流经旋流浓集的电容层析成像测量

孙猛  
【摘要】: 随着科学技术的迅速发展,粉体物料的气力输送在能源、冶金、化工、环境、国防等有关部门中的应用越来越广泛,为了满足生产过程中所需的连续测量及自动化控制,以达到安全、高效和经济运行的要求,粉体质量流量的在线测量已成为气力输送系统中的重大关键课题。电容层析成像(ECT)是目前广泛研究的一种两相流过程层析成像技术,能够呈现观测截面上的物质分布图像,是在线流型识别、多相流参数检测的有力工具,提供了实时、非干扰和全区域测量的多相流研究新方法。 本文通过引入一旋流浓集装置,将气固两相流中的固体颗粒浓缩在管壁区域,以合理利用电容层析成像技术的敏感场分布特性,获得了较为准确的质量流量测量结果。本文的研究工作一方面为气力输送气固两相流提供了一种有力的在线测量技术,另一方面推动了电容层析成像技术的量化测量技术研究,拓宽了电容层析成像技术的应用范围,具有重要的理论意义和实用价值。 本文的主要工作包括以下四个方面: (1)对目前常用的电容层析成像图像重建算法进行了总结,分析了各自的特点及局限性。根据稀疏气固两相流质量流量的在线测量要求,本文提出了一种新型的在线重建算法,该算法能够在满足数据采集速度要求的同时保证重建图像的质量,并将其与传统的图像重建算法进行了比较分析; (2)使用商用软件Fluent 6.2的雷诺应力模型(RSM)对旋流浓集装置内部的强旋流特性进行了数值计算,分析了其气相流场下的速度分布、压力分布特性,以及对其项部是否抽吸进行了比较分析;使用Euler双流体模型对其内部的气固两相流动分离特性进行了模拟计算,分析了其分离效果。从数值模拟结果可知,本文引入的旋流浓集装置能够达到预期的分离效果,为ECT的准确测量提供了理论依据; (3)使用单层电容层析传感器对旋流浓集装置内部的浓度分布进行测量。通过调节给料电机速度、气泵给风量以及旋流浓集器顶部抽吸风量,针对不同工况的测量结果进行比较分析,从截面浓度分布图及平均体积浓度值可知旋流浓集装置达到了很好的浓缩效果。通过调节顶部排气口的抽吸风量可以改变旋流浓集器内的浓度分布,但抽吸风量不能过大,否则将会扰乱整个流场,必须合理控制其风量大小; (4)使用双层电容层析传感器对旋流浓集装置内的浓度和速度同时进行测量,为了提高测量速度,并合理利用测量电容值,上层传感器使用8电极,其电容测量值用来重建图像以计算平均体积浓度并与下层的4电极传感器测量电容值进行轴向相关速度计算,由下层传感器相邻电极对间的电容值可以通过相关计算得到切向旋转速度。由测得的流体浓度与速度进行质量流量的计算,并与称重法测量结果进行比较可知本文提出的旋流浓集测量方法可获得较为准确的测量结果。


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