高耀東，武衛(wèi)曉

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

現(xiàn)如今，利用氣固兩相流運輸物料被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、食品等各個行業(yè).隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對氣固兩相流運輸過程中的計量和控制越來越精準(zhǔn)、要求越來越高.氣固兩相流流速的測量方法主要有光學(xué)傳感器和互相關(guān)系數(shù)法相結(jié)合、電學(xué)傳感器和互相關(guān)系數(shù)法相結(jié)合、新型電容傳感器的信號處理方法[1]等.李文濤等[2]利用參數(shù)延時估計法處理電容傳感器信號，改善了相關(guān)法測量氣固兩相流流速.闞哲[3]在靜電傳感器設(shè)計中，通過實驗證明了電極屏蔽設(shè)計可有效獲取被測信號，并將其應(yīng)用于氣固兩相流流動速度的測量中.周云龍等[4]利用靜電感應(yīng)原理，在分析傳感器電荷信號產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新型陣列式靜電傳感器.

然而，關(guān)于超聲法測量氣固兩相流流速的研究卻較少，超聲波具有指向性好、穿透力強、能量集中等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于測量領(lǐng)域.利用超聲波在兩相流中的傳播特性，提出了一種基于超聲波測量氣固兩相流流速的方法.并利用有限元軟件對其進(jìn)行仿真驗證.

1 超聲時差法測量氣固兩相流流速原理

利用超聲時差法測量氣固兩相流流速，原理是以傾斜角度在流動的氣固兩相流中發(fā)送超聲波信號，利用聲波信號在兩相流順流和逆流傳播時所需要的時間之差來計算流速.如圖1所示，A，B兩端為超聲波傳感器，2個傳感器既可以作為超聲波發(fā)射裝置也可以作為超聲波接收裝置.由A端發(fā)射B端接受時的信號傳播時間為T1，s；由B端發(fā)射A端接受時的信號傳播時間為T2，s.測量2個發(fā)射信號之間的時間差，利用這一時間差來推導(dǎo)計算管道中氣固兩相流的流速.

受氣固兩相流流動的影響，超聲波信號在信號管中(即A端和B端之間)傳播，當(dāng)其傳播方向不同時，傳播速度也會有所差異.當(dāng)信號由A端向B端傳播時，超聲波信號的傳播速度會受到兩相流的阻礙，其傳播速度小于聲速.反之，當(dāng)信號由B端向A端傳播時，超聲波信號的部分分量與兩相流流動方向相同，其傳播速度大于聲速.式(1)和式(2)分別為T1，T2的計算公式.

(1)

(2)

式中：c0為超聲波傳播速度，m/s；V0為管道中氣固兩相流流動速度，m/s；α為氣固兩相流流動方向與信號傳播方向的夾角，°；L2為信號傳播距離，mm；通過管道直徑和角度α計算得知.

設(shè)傳播時間之差由ΔT表示，則ΔT為：

ΔT=T2-T1.

(3)

由式(2)和式(3)得：

(4)

由式(4)可以推導(dǎo)出基于測量信號傳播時間差ΔT來計算氣固兩相流流速表達(dá)式，表達(dá)式如下：

(5)

式中：ΔT除其余參數(shù)均為已知量，因此只需測量ΔT便可計算出氣固兩相流的流動速度.

2 超聲法測兩相流流速的數(shù)值仿真

與氣體單相流動相比，氣固兩相流動要復(fù)雜很多，在實際運輸中，氣固兩相流的固相顆粒在管道中的運動軌跡是隨機(jī)的，受流體曳力的作用,顆粒與顆粒、顆粒與管壁之間會發(fā)生相互碰撞[5].另外，由于氣場流的不穩(wěn)定以及固體顆粒的尺寸、形狀、化學(xué)成分等影響因素，導(dǎo)致了固體顆粒在管道內(nèi)運動的復(fù)雜性，由于對氣固兩相流流動形態(tài)的研究方法不同，至今對其流型的識別也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[6].考慮到氣固兩相流流動的復(fù)雜性，在建立氣固兩相流模型時，假設(shè)連續(xù)相的流態(tài)為湍流，在管道入口處固相顆粒受流體曳力作用而向前運動.

2.1 仿真模型的建立

基于超聲時差法測量氣固兩相流流速時，傳感器與管道需要呈一定角度，模擬氣固兩相流在直管道中的輸送狀況，在建立模型時，管道水平布置，傳感器與管道以角度α放置，α=45°.氣固兩相流管道直徑為300 mm，長度為1 200 mm,傳感器直徑為120 mm，兩端傳感器既可以發(fā)射超聲波信號也可以接受超聲波信號.

圖2為模型的網(wǎng)格劃分，其中圖2(a)為CFD網(wǎng)格，采用自由四面體網(wǎng)格；圖2(b)為聲學(xué)網(wǎng)格，聲學(xué)網(wǎng)格中間部分采用自由四面體網(wǎng)格，兩端為虛擬域，用于吸收流體中傳播的聲波，采用映射網(wǎng)格.

2.2 仿真過程及結(jié)果

整個仿真過程分為兩部分，即兩相流流場仿真和超聲場仿真.在仿真氣固兩相流時，首先對連續(xù)相的流動進(jìn)行仿真，設(shè)定管道入口處連續(xù)相的流動速度為10 m/s，連續(xù)相的材料為空氣.計算完連續(xù)相，在管道的入口添加固體顆粒，顆粒釋放時長為0.6 s，每0.01釋放50個粒子.考慮到在實際情況下氣固兩相流固相顆粒尺寸的復(fù)雜性，在管道入口處同時釋放3種不同直徑的粒子，分別為50，150和250 μm.粒子屬性采用煤粉材料，具體參數(shù)如表1.

表1 物性參數(shù)表

固體顆粒受曳力的作用下在管道內(nèi)向前運動，圖3為某一時刻固體顆粒的運動軌跡，從圖中可以看出固體顆粒的位置分布比較復(fù)雜，顆粒與顆粒之間存在相互碰撞.圖4為管道內(nèi)氣固兩相流流速分布曲線，從圖中觀察到，靠近管壁處兩相流的流速最低，這是由于兩相流在流動過程中與管壁存在一定的摩擦，而位于管道軸線附近兩相流的速度最大，達(dá)到了11.7 m/s，取橫坐標(biāo)為-1.5，-0.1，-0.05，0，0.05，0.1，1.5位置處的速度，計算管道內(nèi)氣固兩相流的平均流速，計算結(jié)果為V=9.74 m/s.

將上述計算結(jié)果映射到聲場中，在聲場中對超聲波在氣固兩相流中的傳播進(jìn)行數(shù)值仿真.采用的超聲波信號為脈沖信號，脈沖信號與連續(xù)信號相比具有更好的指向性，當(dāng)傳感器發(fā)出一個脈沖信號后傳感器便停止發(fā)射聲波，這樣可以避免反射回來的聲波與傳感器發(fā)出的聲波發(fā)生相互干擾，從而減少了傳感器接受端的信號紊亂，提高了接收端信號的有效性.脈沖信號的表達(dá)式如下：

v(t)=Ae-(f0(t-3T0)2)sin(ω0t) .

(6)

式中：A為信號幅值，值為10；ω0為角速度，ω0=2πf0；f0為頻率，f0=20 kHz；T0為周期，T0=1/f0.

圖5為脈沖信號在氣固兩相流中的傳播聲壓圖，其中(a)和(b)分別為信號在順流中傳播和逆流中傳播時的聲壓圖，通過切換信號發(fā)射端與接受端來完成.

圖6是脈沖信號分別在順流和逆流中傳播時接受端所接收到的信號壓力，從圖中可以看出，向上游傳播所需要的時間要滯后于向下游傳播的時間，這是由于氣固兩相流的流動造成的，通過對比計算2個信號的傳播時間之差，得知ΔT=5.19×10-5s，將ΔT帶入公式(5)中，計算得知V0=9.98 m/s.

將這一結(jié)果與管道內(nèi)的兩相流平均流速V進(jìn)行對比，用誤差cv來衡量測量的精度，cv計算式如下：

(7)

式中：V0為測得的兩相流速度，m/s；V為管道內(nèi)平均流速，m/s.將V和V0代入上式得，cv=0.025.為了使超聲法測量氣固兩相流流速的可行性更加具有說服力，分別對5種不同流速的氣固兩相流進(jìn)行了數(shù)值模擬，表2所示，模擬的氣固兩相流平均流速分別為5，10，15，20，25 m/s時的測量結(jié)果.

表2 各流速下的測量結(jié)果表

從表2中可以看出，在5種速度下,根據(jù)超聲時差法測量出的兩相流流速與管道中的平均流速非常接近，其誤差均控制在小數(shù)點后兩位，由此也證明了超聲視察法測量氣固兩相流流速的可行性.

表3為氣固兩相流流速在10 m/s下固體顆粒粒徑分別為50，150和250 μm時的測量結(jié)果.從表中得知，固相顆粒徑的變化對測量結(jié)果的影響很小.

表3 各粒徑下的測量結(jié)果表

3 總結(jié)

利用超聲時差法測量氣固兩相流流速，首先，通過有限元法建立氣固兩相流管道仿真模型，分析了氣固兩相流在管道內(nèi)的流動，隨后對超聲波脈沖信號在氣固兩相流中的傳播進(jìn)行數(shù)值仿真，通過計算信號在順流和逆流中傳播的時間差計算兩相流流速，結(jié)果發(fā)現(xiàn)基于超聲時差法測量的氣固兩相流流速與管道中的平均流速非常接近.最終證明超聲時差法測量氣固兩相流流速的可行性，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ).同時，分析了3種不同粒徑對測量結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)固相顆粒粒徑對超聲法測量氣固兩相流流速影響很小.在后續(xù)研究中，對可能影響測量誤差的因素進(jìn)行研究探討，例如溫度、管道直徑、氣固兩相流固相濃度等因素對測量結(jié)果所產(chǎn)生的影響.