李小川，魏 濤，王啟立，胡海彬，王冬雪

(中國礦業(yè)大學 化工學院，江蘇 徐州 221116)

除塵器氣液混合狀態(tài)監(jiān)測

李小川，魏 濤，王啟立，胡海彬，王冬雪

(中國礦業(yè)大學 化工學院，江蘇 徐州 221116)

以小波分析為主，統(tǒng)計分析為輔，對自激式除塵器氣相壓力信號進行分析，探討氣液兩相混合狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)問題。結(jié)果表明：隨風速增大和初始液位b0值減小，氣液兩相流動的波動性增強，氣相壓力的統(tǒng)計均值增大；氣液充分混合時，小波重構(gòu)信號子頻段能量占總能量的比值趨于穩(wěn)定，約80%維持氣液的宏觀流動，約20%完成液滴和氣泡等捕集體的激發(fā)；小波分析的低頻重構(gòu)信號(A4)關(guān)聯(lián)了氣液的宏觀流動過程，高頻重構(gòu)信號(D1,D2,D3和D4)共同關(guān)聯(lián)了氣液微觀流動過程；隨b0值減小，低頻段和中高頻段重構(gòu)信號的能量值都不斷增大，低頻段規(guī)律性較強，而中頻段的離散性更強。

除塵器； 氣液兩相流動； 監(jiān)測系統(tǒng)

0 引 言

流體流動是過程裝備與控制工程專業(yè)的一個重要學科方向[1]，多相流動的監(jiān)測是重要的實踐教學內(nèi)容，對提升學生創(chuàng)新能力有重要意義。但目前并沒有與工程背景相適應(yīng)的本科教學實驗系統(tǒng)，成為工程教育和科研創(chuàng)新教學過程的短板[2]。

煤炭是我國主要的一次能源，但燃煤排放大量細顆粒物成為我國大氣污染的重要組成部分。自激式除塵器對粉塵的適應(yīng)性強，適合于各種環(huán)境的粉塵治理，但目前該除塵器對微細粉塵的去除效率還不夠高[3-5]。于慶波等[3]對液位、風速、接觸室夾角等影響除塵器性能的指標進行了定性研究；熊建軍等[6]通過檢測除塵腔內(nèi)不同位置的壓力波動均值，得出了除塵腔內(nèi)負壓分布規(guī)律；李小川等[7]測量了除塵器脈動壓力時均值；Byeon等[8-9]在研究湍流濕式洗滌器時得到了除塵效率隨湍流程度劇烈程度增加先增加后降低的定性結(jié)論和定性解釋，但缺乏對湍流程度的定量研究；李靜海等[10]建議大力研究反應(yīng)器宏觀結(jié)構(gòu)和微觀反應(yīng)之間的介尺度科學。

在兩相流領(lǐng)域，許多學者通過小波分析方法分析氣相壓力的波動規(guī)律，研究氣液兩相流動形態(tài)。冀海峰等[11]對氣固流化床中壓力信號進行小波分析，提出了判別流化床由固定床向鼓泡床轉(zhuǎn)變的新方法；馬麗萍等[12]利用小波分析理論對循環(huán)流化床風帽壓力波動信號進行消噪；陳鴻偉等[13]指出風帽壓力的低頻波動信號能夠反映工況時氣固流動狀態(tài)的變化。以上研究給我們啟示，可以將小波分析方法引入自激式除塵器氣液兩相混合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)。

本文以小波分析方法為主要手段，以統(tǒng)計分析為輔助，對自激式除塵器的氣相壓力信號進行分析，通過不同操作參數(shù)的壓力信號的統(tǒng)計數(shù)據(jù)特性和不同頻段壓力重構(gòu)信號的研究，探討自激式除塵器氣液兩相混合狀態(tài)基本特征，并進一步開發(fā)適用于本科教學的實驗系統(tǒng)。

1 實驗裝置與方法

自激式除塵器結(jié)構(gòu)及傳感器布置如圖1所示，其中除塵器由節(jié)流板、除塵腔、限流板、脫水板、除塵風機等部分構(gòu)成。含塵氣流由進氣口流入除塵器，經(jīng)節(jié)流板加速，在節(jié)流口以沖擊、卷吸等方式作用于除塵液面，在除塵腔中產(chǎn)生液滴、液幕或液面之下產(chǎn)生氣泡等捕集體，捕集體以碰撞、截留或布朗擴散等方式捕獲固相粉塵，最后清潔氣體經(jīng)排氣口排出。除塵器靜止時的液位稱為初始液位b0，當初始液位淹沒節(jié)流口末端時，b0為負值；當初始液位遠離節(jié)流口末端時，b0為正值。

圖1 實驗裝置及測試元件布置圖

通過調(diào)節(jié)液位設(shè)定不同的初始液位；TES-1341型熱線風速儀測量除塵器入口流速；SMP131型擴散硅壓力傳感器測量除塵器出口靜壓；變頻器調(diào)節(jié)風速；i-SPEED 3高速攝像儀記錄除塵器氣液流動狀態(tài)；UBS-DAQ-V50型數(shù)據(jù)采集卡采集壓力信號；LabView軟件編寫數(shù)據(jù)采集、存儲程序。

設(shè)置除塵器b0分別為42、24、10、0、-13和-23 mm，各液位調(diào)節(jié)不同風速，記錄除塵器出口壓力數(shù)據(jù)和除塵腔內(nèi)氣液流動狀態(tài)圖像。

2 分析方法

2.1統(tǒng)計分析

壓力信號的統(tǒng)計分析(包括均值、標準偏差、概率密度等)可以對除塵器氣相壓力波動情況進行初步了解，其中壓力均值表示為：

(1)

壓力信號的標準偏差可表示為：

(2)

對于壓力波動時間樣本序列x(t)，其值落在x和x+Δx范圍內(nèi)的概率可取tx/t之比得到。tx是在觀察時間t內(nèi)，x(t)落在(x,Δx)范圍內(nèi)的總時間，可得：

(3)

定義壓力的概率密度函數(shù)為：

(4)

2.2小波分析

對于任意連續(xù)信號f(t)的小波變換定義為：

(5)

(6)

從而實現(xiàn)用不同分辨率來逐級逼近一個信號或函數(shù)。原始信號通過小波變換被分解為具有不同頻率范圍的低頻概貌和高頻細節(jié)部分。分解過程被重復(fù)進行，直到達到理想的分解層數(shù)J。正交小波級數(shù)將一個連續(xù)信號s(ti)近似表達為：

s(ti)=Aj(ti)+Dj(ti)+Dj-1(ti)+

…+D1(ti)

(7)

式中：D1(ti),D2(ti),…,Dj(ti)為分辨率2j下的多分辨率分解的細節(jié)信號；Aj(ti)為分辨率2j下的多分辨率分解的概貌信號。其分解樹狀結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 小波多分辨率分析分解結(jié)構(gòu)圖

小波分解、重構(gòu)后得到的各層低頻、高頻信號代表了不同頻段上的信息，分解層數(shù)越多得到的低頻、高頻信號對應(yīng)的頻率越低。本文對壓力波動信號進行4層小波分析，采樣頻率為256 Hz，能夠檢測到0～128 Hz的信號，根據(jù)小波理論，重構(gòu)信號D1對應(yīng)的頻率為64～128 Hz，D2為32～64 Hz，D3為16～32 Hz，D4為8～16 Hz，A4為0～8 Hz。

信號能量的定義為振幅的平方和：

(8)

則信號分解j層細節(jié)信號和j層逼近信號的累積能量：

(9)

(10)

不同尺度能量占總量的比值能更好地顯示各尺度能量的相對分布：

(11)

(12)

信號分解與重構(gòu)的質(zhì)量取決于母小波的選取，小波對信號進行多分辨率分析，最終分解為低頻概貌部分和高頻細節(jié)部分。Daubechies(db)小波由于其緊支集、正交，且具有一定的光滑性，一直受到極大的重視[14-15]。對本文研究的壓力信號分析認為，二階Daubechies(db2)小波的平均分解誤差最小，可用于壓力信號的分解。

3 結(jié)果與討論

李小川等[16]在自激式除塵器的前期研究中通過對氣相壓力的時域信號和氣液耦合的宏觀狀態(tài)研究，總結(jié)出氣液流動具有微弱波動、靜液位差、共振水擊、剪切液幕和卷吸氣泡5種主要模式，各種模式對應(yīng)的氣相壓力波動不盡相同。但氣相壓力原始的時域信號較難明顯區(qū)分氣液耦合模式，需借助統(tǒng)計分析和小波分析等對數(shù)據(jù)進一步處理，來發(fā)現(xiàn)氣液流動的深層次特征。

3.1氣相壓差信號的動態(tài)變化規(guī)律

3.1.1氣相壓力波動均值及標準偏差

圖3為不同液位下的整體壓力均值隨風速的變化情況?？梢钥闯?，壓力均值隨風速增大、b0減小而不斷增大，但曲線的變化趨勢隨b0變化有所區(qū)別，當b0較大時，壓力均值與風速呈現(xiàn)出非線性關(guān)系，隨b0減小，線性關(guān)系逐漸凸顯。除塵器全程阻力可用整體壓差來表示[7]，壓力均值的這種變化，就是除塵器阻力變化規(guī)律的體現(xiàn)，主要是節(jié)流口前后液面在節(jié)流作用下產(chǎn)生的液位差對氣相動能與液相壓力能轉(zhuǎn)換的抑制結(jié)果。

圖3 壓力均值隨液位與風速的變化

圖4為不同液位氣相壓力標準差隨風速的變化關(guān)系?？梢钥闯?，當風速較小且b0較大時，氣相壓力波動的標準差較小，隨b0減小、風速增大，壓力標準差逐漸變大。這是因為隨風速增大，氣相對液相的沖擊增強，使液面湍動加劇，氣相波動隨之加??；另外，隨b0減小，氣相在節(jié)流口與液相接觸幾率增大，兩者更易發(fā)生能量交換，氣相與液相流動過程中的角力與平衡促使除塵器內(nèi)部壓力波動更加劇烈，標準差也就越大。因此，可以認為，壓力波動的標準差一定程度上表達了氣液混合的劇烈程度。

圖4 壓力標準差隨液位與風速的變化

3.1.2概率密度函數(shù)

部分初始液位的壓力信號概率密度分布見圖5?？梢钥闯觯龎m器氣相壓力信號的概率密度近似為正態(tài)分布，且隨風速增大，概率密度分布趨于平緩，其峰值整體呈減小趨勢，但其壓力值不斷增大，壓力振幅范圍越來越寬。實際上此概率密度分布表征了瞬時壓力偏離平均壓力的程度，說明壓力波動幅值整體趨勢隨風速的增大而增加，即氣相與液相的波動越來越劇烈。

圖5 壓力波動的概率密度分布

由圖5可見，當風速分別為2.85和3.62 m/s時，其概率密度的峰值都小于其兩側(cè)的值，這是由于此時除塵器進入共振水擊模式，氣液兩相湍動劇烈，表現(xiàn)為液相壓力波動振幅變寬，波峰值變小。對比圖5中(a)和(b)可見，b0的變化對概率密度分布也有一定的影響，在風速較小時，概率密度分布差別不大，但隨b0減小相應(yīng)概率密度峰值就越小，這是由于當b0較小時，氣相動能主要用于克服節(jié)流液位差，氣液波動不明顯，僅體現(xiàn)為靜壓力的增大；而當風速較大時，氣相動能主要消耗在氣液流動過程中，氣液兩相波動劇烈，分散了壓力分布范圍，使概率密度分布趨于平緩，波動振幅范圍增大。

由此可見，概率密度的峰值越顯著，說明各壓力樣本點越接近樣本均值，此時壓力波動幅度較小，氣液兩相混合程度越弱，除塵效果也較差；當概率密度分布越平坦則各壓力波動樣本點越遠離樣本均值，此時壓力波動幅度越大，氣液兩相混合程度越充分，除塵效果較好。

3.2壓力信號不同頻段的小波能量分布特性

3.2.1不同風速的氣相壓力小波能量分布

對b0=-13 mm不同風速的壓力信號進行小波分析，計算小波分解后不同頻段重構(gòu)信號的能量值及其占總能量的比值，得到兩者隨風速變化的分布規(guī)律，如圖6和圖7所示。

圖6 不同風速下小波能量分布

圖7 不同風速下相對小波能量的分布

由圖6知，隨風速不斷增大，各頻段信號的能量值變化不一，其中EA4(0～8 Hz)一直呈增大趨勢，且增長速度最快，而ED1(64～128 Hz)、ED2(32～64 Hz)、ED3(16～32 Hz)和ED4(8～16 Hz)隨風速增大，也都不同程度的增大，但其能量值都較小且增長幅度不很明顯，說明除塵器壓力信號的頻率主要集中在0～8 Hz。進一步分析，壓力的低頻波動產(chǎn)生于氣相與液面的宏觀作用過程，這一過程是氣流激發(fā)液相產(chǎn)生各種混合的基礎(chǔ)，消耗了很大部分的氣相能量。在這一宏觀流動基礎(chǔ)上，隨風速等參數(shù)不同，將發(fā)生液滴從液相剝離、氣流進入液相產(chǎn)生氣泡等捕集體的產(chǎn)生過程，此時的氣液作用過程顯得更為微觀，液滴或氣泡的產(chǎn)生需要的時間極短，消耗能量也較少，氣相壓力波動處于較高頻頻段，即>8 Hz?？梢钥闯觯皖l波動信號反映了氣液流動的宏觀狀態(tài)；而較高頻率波動信號反映了氣液流動的微觀狀態(tài)。

由圖7可以看出，各頻段的變化趨勢都較為明顯。在風速由0.15 m/s增大到2.85 m/s過程中，除MA4急劇增大外，MD3，MD4變化也較為明顯，隨風速增大而快速減??；而風速進一步增大后(>2.85 m/s)，相對小波能量都趨于平衡，說明當風速增大到一定值后，各頻段壓力能量的相對值都趨于穩(wěn)定，約占80%的能量主要用于維持氣液的宏觀流動；而約20%的能量主要用于激發(fā)液滴和氣泡等捕集體的微觀流動。

結(jié)合氣液流動的動態(tài)圖像分析，當風速為0.15 m/s時，液面比較平靜，伴有少量氣體以鼓泡形式通過，此時低頻段的能量相對值較小(氣液宏觀流動耗能)，而高頻段的能量相對值較大(鼓泡耗能)；當風速增大到2.85 m/s時，液面波動明顯加強，氣液宏觀流動能耗提高，而微觀的捕集體也有一定量的產(chǎn)生，能量分布基本達到平衡；當風速進一步增大，宏觀流動能耗和微觀能耗相對比例基本不變，說明隨風速增大，宏觀波動和微觀液滴(氣泡)的激發(fā)都得到加強，即當再次提高風速，微觀液滴(氣泡)的增長是隨風速呈線性增長的，這一結(jié)論為捕集體及除塵效率的定量研究提供了理論數(shù)據(jù)。然而，由于MD1、MD2、MD3和MD4都具有較大比重，所表達的更微觀的氣液流動過程還得不到提取與區(qū)分，更為深入的研究有待進一步展開。

3.2.2不同初始液位的能量分布

b0不同，氣液流動過程壓力的能量分布也有差異，選取不同b0壓力重構(gòu)信號A4、D4、D3的能量值進行分析，如圖8所示。

圖8 不同初始液位的小波能量

由圖8看出，b0值由42 mm降低到-23 mm時，EA4、ED4、ED3的值均有不同程度的增大，EA4的絕對值遠大于ED4和ED3，且不同液位EA4的值隨風速增大的趨勢與氣相波動均值(見圖3)相近。當風速較高時，不同b0的ED4、ED3值隨風速增大有部分速度點有偏離變化趨勢的跡象，這是因為隨風速的提高，氣流在節(jié)流口激起液相的量增多，氣液混合激烈程度明顯提高，氣流對液相的激發(fā)顯現(xiàn)出階躍性特性，導(dǎo)致中高頻壓力隨機性增強，偏離主趨勢?？傊S液位升高，低頻段和中高頻段的能量值都不斷增大，低頻段規(guī)律性較強，直接影響氣液流動的宏觀特性，而中頻段的離散性更強，主要顯示氣液流動微觀特性的復(fù)雜性和氣液混合的激烈程度。這些數(shù)據(jù)能夠一定程度的定量表征氣液流動的微觀特征，為除塵器的定量研究提供依據(jù)。

4 本科教學實驗系統(tǒng)實效

通過理論研究，提出了氣液混合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的主要特征參數(shù)，并接合其他研究內(nèi)容，利用LabVIEW平臺開發(fā)了氣液混合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

系統(tǒng)涉及到數(shù)據(jù)處理、傳感器技術(shù)、軟件技術(shù)、多相流動等多學科知識，能夠培養(yǎng)學生的流動過程認知能力、數(shù)據(jù)采集和處理能力、軟件開發(fā)能力等科研素養(yǎng)。

經(jīng)過2年多的實踐，系統(tǒng)在開發(fā)過程和后期利用中為過程裝備與控制工程專業(yè)本科教學和大學生科研創(chuàng)新實踐提供了良好的平臺，提高了本科教學的工程背景和研究性背景，成為課堂教學的重要補充。2年來，為40余名本科生提供了多相流動、傳感技術(shù)和軟件技術(shù)等方面的科研實踐，本科生申請國家級、省級和校級科研創(chuàng)新訓練計劃10余項，發(fā)表SCI和Ei論文各1篇，核心期刊論文多篇，開發(fā)了監(jiān)測軟件1套，申請發(fā)明專利和實用新型專利各2項，參加全國過程裝備實踐與創(chuàng)新大賽特等獎和一等獎多項，顯示出較好的教學和大學生實踐創(chuàng)新培養(yǎng)效果。

5 結(jié) 語

(1) 壓力信號的統(tǒng)計分析和概率密度分析發(fā)現(xiàn)，隨風速增大和b0值減小，除塵器氣液兩相流動的波動性增強，氣相壓力的統(tǒng)計均值增大。

(2) 除塵器氣液充分混合時，小波重構(gòu)信號子頻段能量占總能量的比值趨于穩(wěn)定，可通過該結(jié)論來識別氣液流動狀態(tài)的轉(zhuǎn)變(當b0=-13 mm時，該能量可分為兩個相對穩(wěn)定的部分，約80%維持氣液的宏觀流動，約20%完成液滴和氣泡等捕集體的激發(fā))。

(3) 小波分析的低頻重構(gòu)信號(A4)關(guān)聯(lián)了氣液的宏觀流動過程，高頻重構(gòu)信號(D1、D2、D3和D4)共同關(guān)聯(lián)了氣液微觀流動過程；隨b0值減小，低頻段和中高頻段重構(gòu)信號的能量值都不斷增大，低頻段規(guī)律性較強，而中頻段的離散性更強。

(4) 開發(fā)了氣液混合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)處理、傳感器技術(shù)、軟件技術(shù)和多相流動等方面提供本科教學和大學生科研創(chuàng)新訓練，取得了較好的實踐教學效果。

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Gas-liquid Mixture State Monitoring of Dust Scrubbers

LIXiaochuan,WEITao,WANGQili,HUHaibin,WANGDongxue

(School of Chemical Engineering and Technology,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,Jiangsu,China)

The paper analyzes the gas phase pressure signal of the dust scrubber,based on the wavelet analysis and statistical analysis.The fundamental problems of the monitoring of the gas-liquid two phase mixture state are discussed.The results show that,with the increase of gas velocity and the increase of liquid level the fluctuation of gas-liquid two phase flow is enhanced; and the average of gas phase pressure is increased.When the gas and liquid phase are fully mixed each other,the ratio of the sub-band energy to the total energy of the wavelet reconstructed signal tends to be stable (about 80% total energy to be maintained the macro-flow of gas and liquid; and about 20% total energy to be consumed on exciting the capturers such as liquid droplets and bubbles).The low-frequency reconstruction signal (A4) from wavelet analysis is associated with the gas-liquid macro-flow process.While the high-frequency reconstruction signal (D1,D2,D3andD4) are associated with the gas-liquid microcosmic-flow process.With the decrease ofb0value,the energy values of the reconstructed signal of low-frequency and middle-frequency segments are both increasing,the regularity of the low-frequency bands is stronger,and the dispersion of the middle-frequency bands.

undergraduate education；dust scrubber; gas-liquid two phase flow; monitoring system

2016-10-27

國家自然科學基金資助項目(51404252)；中國礦業(yè)大學課程建設(shè)與教學改革項目(2015QN17,2014YB23)；國家級大學生創(chuàng)新訓練計劃項目(201410290028)

李小川(1984-),男,四川大英縣人,博士,副教授,主要研究方向為過程流體機械及多相流動的教學及科研工作。

Tel.:0516-83995268,E-mail:xiaochuanli2008@163.com

G 644.6；TD 463

：A

：1006-7167(2017)07-0009-05