多相流顆粒運(yùn)動特性的激光測試技術(shù)研究.pdf

1、多相流在能源、環(huán)境和化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但是由于多相流的復(fù)雜性，目前的測試技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足對多相流運(yùn)動特性以及工業(yè)在線測量的需求。本文針對多相流研究和測試中的幾個(gè)難點(diǎn)，對若干激光測試技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行了研究。 首先，把高速數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)應(yīng)用到了冷態(tài)循環(huán)流化床稀相區(qū)固相顆粒的旋轉(zhuǎn)和碰撞等微觀層面運(yùn)動特性的研究中。探討了該測試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際氣固流場中顆粒旋轉(zhuǎn)測量可行性，并提出了四種顆粒轉(zhuǎn)速的判別方法：旋轉(zhuǎn)角度人工量取法，數(shù)圈法，基于轉(zhuǎn)軸

2、重建的轉(zhuǎn)速算法和基于相關(guān)性分析的計(jì)算機(jī)自動識別法。其中轉(zhuǎn)軸重建算法可確定流場中部分顆粒的轉(zhuǎn)軸三維方向，并比較精確地測定其轉(zhuǎn)速。而計(jì)算機(jī)自動識別算法主要針對旋轉(zhuǎn)軸垂直或近似垂直于拍攝平面顆粒轉(zhuǎn)速的測定；比較詳細(xì)地分析了顆粒轉(zhuǎn)速測量過程中的影響測量準(zhǔn)確性和可信度的若干不確定因素；理論預(yù)測了流化床典型工況下顆粒最大轉(zhuǎn)速；用顆粒軌跡驗(yàn)證法對所測顆粒轉(zhuǎn)速的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證；提出了雙幀頻拍攝方法，有效地提高了顆粒轉(zhuǎn)速測量范圍。 對一截面為2

3、00×200 mm高為4 m的冷態(tài)循環(huán)流化床稀相區(qū)的氣固兩相流進(jìn)行了顆粒旋轉(zhuǎn)和碰撞特性的實(shí)驗(yàn)研究。1)用統(tǒng)計(jì)的方法研究了影響顆粒旋轉(zhuǎn)的因素，結(jié)果表明：在相同的流場區(qū)域中，小顆粒的平均轉(zhuǎn)速高于大顆粒；同一粒徑檔的顆粒，平均水平橫向運(yùn)動速度大，顆粒的平均轉(zhuǎn)速就高，但是平均垂直運(yùn)動速度對顆粒轉(zhuǎn)速影響較?。煌粭l件下，不規(guī)則顆粒的平均轉(zhuǎn)速明顯高于規(guī)則球形顆粒；隨著流場區(qū)域顆粒碰撞頻率的增加，顆粒的平均轉(zhuǎn)速升高；2)對稀相區(qū)的顆粒平均轉(zhuǎn)速空間分布

4、特性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。研究表明，在同一工況下，稀相區(qū)橫向截面上邊壁區(qū)域的顆粒平均轉(zhuǎn)速高于中心區(qū)域，在垂直高度方向，隨著高度的增加，顆粒平均轉(zhuǎn)速有降低的趨勢。運(yùn)行參數(shù)對顆粒平均轉(zhuǎn)速空間分布的影響有：隨著表觀氣速的增加，截面邊壁區(qū)域的顆粒平均轉(zhuǎn)速明顯增加，但截面中心區(qū)域則無明顯變化；循環(huán)物料量對顆粒平均轉(zhuǎn)速分布的影響恰恰相反；而隨著床料靜止高度的增加，截面邊壁和中心區(qū)域的顆粒平均轉(zhuǎn)速均有所提高。3)對顆粒的碰撞率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，顆粒的

5、碰撞率近似與顆粒濃度的平方成正比，其規(guī)律與其他學(xué)者通過分子動力學(xué)理論類比所得的碰撞率公式相符，但是需要附加一個(gè)修正系數(shù)，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析，該修正系數(shù)可取為0.42-0.68。另外，還對顆粒碰撞參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。 其次，提出了一種便攜式的和可用于在線測量的基于近后向散射的激光多普勒測量系統(tǒng)BLDMS，該技術(shù)基于多普勒原理測速和近后向散射光強(qiáng)測量粒徑的原理。為了研究近后向散射測量不規(guī)則顆粒粒徑分布的性能，分別進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究

6、。在理論模擬中，用散射響應(yīng)帶描述了實(shí)際不規(guī)則顆粒的散射響應(yīng)特性，并用浮動系數(shù)κ進(jìn)行了表征。通過對單峰和雙峰分布的多分散不規(guī)則顆粒群的詳細(xì)模擬測試，表明了基于近后向散射的多普勒測量系統(tǒng)應(yīng)用于不規(guī)則顆粒粒徑分布的測試是可行的。在此基礎(chǔ)上，自行搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)對玻璃珠和石英砂顆粒流進(jìn)行了研究，主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括轉(zhuǎn)換矩陣和顆粒平均散射響應(yīng)曲線的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和已知顆粒群的粒徑分布測試實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，BLDMS能夠很好地用于多相流中透明或者不

7、透明不規(guī)則顆粒的速度、粒徑和濃度分布的測試。最后，利用基于成像的激光相關(guān)測速技術(shù)ILCV對脈沖噴嘴出口附近高濃度的氣液兩相流速度場進(jìn)行測試。用廣義米氏理論的程序理論分析了ILCV光學(xué)系統(tǒng)，研究了顆粒經(jīng)過測量體時(shí)產(chǎn)生的光信號的特點(diǎn)以及頻譜分布，重點(diǎn)研究了ILCV測量體在光軸方向的有效長度。對ILCV信號處理進(jìn)行研究，比較系統(tǒng)地研究窗函數(shù)、信號預(yù)平移、插值等輔助方法對數(shù)據(jù)處理的作用，相關(guān)性計(jì)算中各種參數(shù)的選取，以及信號的噪聲、疏密等參數(shù)對計(jì)