一種判斷氣/固兩相流流型的新方法

闞 哲，王曉蕾

（遼寧石油化工大學(xué) 遼寧 撫順 113001）

氣/固兩相流廣泛的存在于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，例如，在電力、建材、冶金、化工、環(huán)衛(wèi)、醫(yī)藥和糧食加工等很多工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)用管道氣力輸送工藝來(lái)傳送煤粉、水泥、礦石、鹽類(lèi)以及面粉等都是屬于典型的氣/固兩相流流動(dòng)。氣/固兩相流系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)氣/固兩相流流動(dòng)參數(shù)（如速度、濃度等）的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，對(duì)科學(xué)研究具有更加廣泛的意義。針對(duì)氣/固兩相流流動(dòng)參數(shù)測(cè)量，出現(xiàn)了一些性能較好的測(cè)量?jī)x器，如基于熱學(xué)法的測(cè)量?jī)x器、科里奧利流量計(jì)、利用差壓法的測(cè)量?jī)x器、電容傳感器、靜電傳感器、超聲傳感器、微波傳感器、射線傳感器、光纖傳感器和圖像傳感器等[1-3]。在眾多測(cè)量?jī)x器中，靜電傳感器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便和非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)吸引著廣大學(xué)者和研究人員。因?yàn)闅?固兩相流的流動(dòng)狀態(tài)是決定兩相流的傳熱、傳質(zhì)特性以及在管道中壓力損失的重要因素，是測(cè)量氣/固兩相流速度分布和濃度分布的關(guān)鍵，所以在給定條件下，預(yù)知流型的種類(lèi)是研究?jī)上嗔魇紫纫鉀Q的問(wèn)題[4]。

測(cè)量氣/固兩相流流型的儀器有多種，大致可分為直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。雖然其中的每一種測(cè)量?jī)x器都可以完成氣/固兩相流流型的測(cè)量，但是到目前為止，任何一種測(cè)量?jī)x器都不能完成流型的準(zhǔn)確測(cè)量。這其中電容層析成像法（ECT）和電阻層析成像法（ERT）可以獲得較好的流型判斷結(jié)果。本文基于靜電傳感器，提出了一種新型的氣/固兩相流流型判斷方法。

1 氣/固兩相流流型判斷方法

在氣/固兩相流中，雖然相界面的形狀不會(huì)變化，但是由于固體顆粒的分布情況在流動(dòng)過(guò)程中是隨時(shí)變化的，因此相界面的分布情況也是不斷變化的。氣/固兩相流的相界面的這種多變性，致使兩相流的流型不僅是多種多樣的，而且變化帶有隨機(jī)性。

1.1 直接測(cè)量法

根據(jù)兩相流的流動(dòng)形式，直接確定氣/固兩相流流型的方法為直接測(cè)量法。如圖像傳感器（Imaging Sensor）[3]和射線傳感器（Radiometric Sensor）[5]測(cè)量法等。

1.1.1 圖像傳感器測(cè)量法

圖像傳感器主要由CCD照相機(jī)和激光片 （Laser Sheet）構(gòu)成，其簡(jiǎn)圖由圖1所示。物料傳送管的一部分制成透明的，當(dāng)氣/固兩相流在傳送管中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由激光片照亮透明段傳送管，照相機(jī)通過(guò)光電傳感器（CCD）將圖像信號(hào)采集出來(lái)，在應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)，即可得到氣/固兩相流流型狀況。固體顆粒尺寸為150 μm～25 mm范圍進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[3]。

然而，在實(shí)時(shí)采集處理過(guò)程中，快門(mén)（Shutter）速度會(huì)給整個(gè)測(cè)量過(guò)程帶來(lái)影響。當(dāng)氣/固兩相流固體顆粒較多時(shí)，對(duì)于處于中心或底層的固體顆粒很難在采集的圖像中體現(xiàn)出來(lái)，由于處于上層的固體顆粒對(duì)處于中心或底層的固體顆粒起到遮擋作用，這樣由圖像傳感器采集到的圖像不能完全的體現(xiàn)氣/固兩相流流型。而且在應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)時(shí)，大量復(fù)雜的計(jì)算會(huì)加重測(cè)量?jī)x器的工作負(fù)擔(dān)。

圖1 圖像傳感器Fig.1 Image sensor

1.1.2 射線衰減法

射線傳感器主要由點(diǎn)光源 （Point Source）、光敏二極管（Photodiode）陣列和采樣電路構(gòu)成[6]，其簡(jiǎn)圖由圖2所示。當(dāng)光源通過(guò)氣/固兩相流時(shí)，光子不斷被吸收，射線輻射強(qiáng)度不斷減弱。其強(qiáng)度變化可由下式表示：

圖2 射線傳感器Fig.2 Ray sensor

β（t）表示固體顆粒的體積分?jǐn)?shù)；C表示光源照到傳送管上的長(zhǎng)度。

然而，在射線測(cè)量方法中，散射計(jì)數(shù)器應(yīng)用范圍要求粒子尺寸為1～10 μm，而且粒子數(shù)量濃度近似為每立方厘米105個(gè)。此外，粒子材質(zhì)也能影響光的散射，如折射指標(biāo)和粒子結(jié)構(gòu)等。射線傳感器相對(duì)窄的測(cè)量范圍和要求射線源安全性限制了射線傳感器應(yīng)用。

1.2 間接測(cè)量法

通過(guò)某一個(gè)參量，進(jìn)行成像處理，間接判斷氣/固兩相流流型，如電容層析成像法（ECT)和電阻層析成像法（ERT)。或者根據(jù)對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而確定流型。

1.2.1 電容層析成像法

電容層析成像（ECT）技術(shù)是基于電容敏感機(jī)理的PT技術(shù)。ECT系統(tǒng)由3個(gè)基本部分組成：傳感器陣列；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；圖像重建計(jì)算機(jī)。其簡(jiǎn)圖如圖3所示。非導(dǎo)電物場(chǎng)內(nèi)固體顆粒分布變化而引起電容值的變化，通過(guò)測(cè)量電容值的變化來(lái)重建物場(chǎng)內(nèi)固體顆粒分布，而實(shí)現(xiàn)測(cè)量氣/固兩相

I（t），I分別表示被固體顆粒吸收前、后的光強(qiáng)；x（t）表示固體顆粒的有效厚度；μ表示固體顆粒對(duì)射線的線性吸收系數(shù)。

利用串聯(lián)的光敏二極管線性陳列可以直接檢測(cè)。根據(jù)關(guān)系式（2）可以直接求出固體顆粒的體積分?jǐn)?shù) β（t），進(jìn)而可以得到氣/固兩相流流型。流流型。

圖3 電容傳感器Fig.3 Capacitive sensor

環(huán)境因素很大程度上影響了電容傳感器，如溫度、壓力、濕度和機(jī)械振動(dòng)等。大多數(shù)ECT成像都是二維的，這就要對(duì)三維ECT技術(shù)進(jìn)行研究。而且ECT技術(shù)成像過(guò)程中計(jì)算量比較大。ECT技術(shù)是一門(mén)涉及電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形圖像處理、工程熱物理等多學(xué)科知識(shí)的新興高新技術(shù)，它能提供過(guò)程參數(shù)的二/三維可視化信息，這是傳統(tǒng)的檢測(cè)手段和方法所無(wú)法比擬的。但是ECT技術(shù)目前不論在理論方面還是在應(yīng)用方面尚存在一些問(wèn)題需要解決[7]。

1.2.2 電阻層析成像法

電阻層析成象技術(shù)是一種基于電阻傳感機(jī)理的層析成象技術(shù)，通過(guò)測(cè)量電阻率分布而測(cè)得氣/固兩相流固體顆粒分布。電阻傳感器包括用于激勵(lì)測(cè)量的電極陣列、數(shù)據(jù)采集與處理單元、圖象重建和分析顯示單元，其簡(jiǎn)圖如圖4所示。ERT技術(shù)實(shí)質(zhì)上是根據(jù)敏感場(chǎng)的電導(dǎo)率分布獲得固體顆粒分布信息，在敏感場(chǎng)邊界施加激勵(lì)電流，當(dāng)場(chǎng)內(nèi)電導(dǎo)率分布變化時(shí)，導(dǎo)致場(chǎng)內(nèi)電勢(shì)分布變化，從而邊界上的測(cè)量電壓發(fā)生變化，通過(guò)一定的圖象重建算法，可以重建出場(chǎng)內(nèi)的電導(dǎo)率分布。進(jìn)而得到氣/固兩相流流型。

圖4 電阻傳感器Fig.4 resistance sensor

與ECT技術(shù)相類(lèi)似，ERT技術(shù)在成像過(guò)程中計(jì)算量較大。就面向?qū)嶋H工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，還存在許多問(wèn)題需要探討，仍有大量的基礎(chǔ)研究工作要做，如建立快速準(zhǔn)確的三維圖象重建算法；數(shù)據(jù)采集電路的速度、精度的進(jìn)一步提高；新的重建精度高、速度快的圖象重建算法的開(kāi)發(fā)；傳感器電極材料的穩(wěn)定性、加工尺寸的一致性、安裝定位準(zhǔn)確性的保證；應(yīng)用性的開(kāi)發(fā)等[8]。

2 概率密度判斷法

2.1 電壓U的概率密度

概率密度判斷流型的方法曾經(jīng)應(yīng)用于氣/液兩相流中，其分析的是空隙率的概率密度，畫(huà)出測(cè)量數(shù)據(jù)的圖形，通過(guò)觀察曲線的峰值，來(lái)斷定流型的形狀[4]。

文中主要應(yīng)用概率密度判斷法來(lái)判斷氣/固兩相流流型。基于靜電傳感器測(cè)量的電壓隨機(jī)信號(hào)，對(duì)電壓的概率密度進(jìn)行分析，進(jìn)而得到氣/固兩相流流型。靜電傳感器如圖5所示。具體計(jì)算過(guò)程如下所示。

圖5 靜電傳感器Fig.5 Electrostatic sensor

找出電壓U的最大值和最小值，將最大值和最小值間分成n份，每一份用ΔUi表示。ni表示采樣電壓U的值落在ΔUi范圍內(nèi)的次數(shù)。令采樣時(shí)間為Δtj，有：

2.2 仿真分析

靜電傳感器是利用靜電感應(yīng)原理進(jìn)行測(cè)量氣/固兩相流參數(shù)，因此被命名為靜電流體電極（Electrostatic Flow Probe）[9]。進(jìn)而將靜電流體電極輸出信號(hào)稱(chēng)為靜電流體噪聲，其符合窄帶（Band-Limited）高斯波動(dòng)[9]。仿真輸入信號(hào)是隨機(jī)分布的高斯信號(hào)（無(wú)干擾信號(hào)），利用等式（3）和（4）進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。得到仿真圖像如圖6所示。

圖6 均值u=0、1.3和2.1時(shí)電壓U概率密度圖Fig.6 Mean u=0，1.3 and 2.1 voltage U of probability density

假設(shè)氣/固兩相流固體顆粒尺寸、速度不變時(shí)，其不同流型將輸出不同的信號(hào)，根據(jù)圖6的電壓U概率密度峰值的位置，建立固體顆粒濃度與概率密度峰值的關(guān)系。由于靜電流體噪聲符合高斯變化，這樣就可以通過(guò)靜電流體噪聲均值來(lái)判斷氣/固兩相流固體顆粒濃度。

2.3 測(cè)量原理

利用繩流數(shù)學(xué)模型可以得出距離r，在利用均值判斷固體顆粒濃度。進(jìn)而可以快速地判斷氣/固兩相流流型。

圖7 繩流數(shù)學(xué)模型幾何圖Fig.7 Schematic plot of the model of the roping flow

3 結(jié) 論

靜電傳感器測(cè)量氣/固兩相流流型，利用本文提出的概率密度判斷方法，僅需要計(jì)算出測(cè)量電壓信號(hào)的均值和繩流數(shù)學(xué)模型中的距離r。可以實(shí)時(shí)快速地判斷氣/固兩相流流型的變化。而不需要進(jìn)行計(jì)算概率密度。

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