稠密氣固兩相流顆粒質(zhì)量流量測量方法研究①

張 虎，胡春波，孫海俊，鄧 哲，徐義華

(1. 西北工業(yè)大學 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場重點實驗室，西安 710072；2. 南昌航空大 學飛行器工程學院，南昌 330063)

?

稠密氣固兩相流顆粒質(zhì)量流量測量方法研究①

張 虎1，胡春波1，孫海俊1，鄧 哲1，徐義華2

(1. 西北工業(yè)大學 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場重點實驗室，西安 710072；2. 南昌航空大 學飛行器工程學院，南昌 330063)

為解決粉末火箭發(fā)動機和粉末沖壓發(fā)動機供粉系統(tǒng)冷流標定過程中顆粒質(zhì)量流量的測量問題，提出了一種稠密氣固兩相流中顆粒質(zhì)量流量的測量方法，并基于旋風分離器和電子天平運用該方法設計了一套氣固兩相流中固體質(zhì)量流量的測量裝置，同時運用粉末火箭發(fā)動機的供粉系統(tǒng)對該測量方法和裝置的測試性能進行了實驗驗證研究。結(jié)果表明：測量裝置的粉末收集效率可高達98.5%以上，為固體顆粒的質(zhì)量流量測量提供了保障；測量方法具有較好的可靠性和測量精度，其測量結(jié)果相對誤差低于3%；測量方法具有較好的測量穩(wěn)定性，重復性實驗中測量結(jié)果相對誤差低于2%；通過改變旋風分離器結(jié)構(gòu)設計等參數(shù)，可拓寬測量方法的適用范圍。

稠密氣固兩相流；顆粒質(zhì)量流量；粉末火箭發(fā)動機；測量方法；旋風分離器

0 引言

粉末火箭發(fā)動機[1]和粉末沖壓發(fā)動機[2]都是以固體粉末顆粒為燃料的新型發(fā)動機，其燃燒流動特性受顆粒質(zhì)量流量影響較大。所以，在發(fā)動機熱態(tài)實驗之前，均需要對供粉系統(tǒng)進行冷態(tài)標定，測量出固體顆粒質(zhì)量流量，并確定其與流化氣量等參數(shù)之間的關(guān)系。

在標定過程中，固體顆粒質(zhì)量比高達95%以上，屬稠密氣固兩相流動[3]。而目前用于固體質(zhì)量流量測量的手段和方法多適用于稀相氣固兩相流，針對稠密氣固兩相流固體顆粒質(zhì)量流量的測量相對較為困難，其相關(guān)研究仍處于探索階段[4-9]。

為解決粉末火箭發(fā)動機和粉末沖壓發(fā)動機冷態(tài)標定過程中稠密氣固兩相流中顆粒質(zhì)量流量的測量難題，本文基于旋風分離器，提出了一種用于測量稠密氣固兩相流中固體顆粒質(zhì)量流量的新方法，并設計了測量裝置[10]，同時對測量方法和裝置的性能進行理論分析和實驗驗證研究。

1 測量裝置及原理

稠密氣固兩相流顆粒質(zhì)量流量測量方法是首先采用旋風分離器對氣固兩相流進行氣固分離，而后運用電子天平對分離出的固體顆粒進行實時質(zhì)量測量，最后通過微分運算得出固體顆粒質(zhì)量流量。圖1為該測量裝置原理示意圖，圖2為該測量裝置實物圖。

圖1 測量裝置原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of measuring device

圖2 測量裝置實物圖Fig.2 Photo of measuring device

1.1 氣固分離原理及分離效率

由圖1可見，氣固兩相流經(jīng)切向進口進入旋風分離器形成外渦旋沿壁面由上而下作螺旋運動，在此過程中，顆粒在慣性離心力的推動下向壁面移動，到達壁面的顆粒失去其慣性在重力和二次渦流的作用下沿壁面向下滑動落入集粉筒內(nèi)，同時氣體在內(nèi)渦旋作用下，由下向上同向旋轉(zhuǎn)，并穿過篩網(wǎng)經(jīng)排氣口排出，從而實現(xiàn)氣固分離。該旋風分離器采用下部進氣，可充分利用裝置下部空間對大粒徑顆粒進行預先分離，進而減輕旋風分離的載荷。

旋風分離器的氣固分離效率對顆粒質(zhì)量流量的測量影響較大，較高的分離效率更有利于質(zhì)量流量的準確測量。而旋風分離器的氣固分離效率與顆粒粒徑有關(guān)，粒徑越大，其分離效率越高。旋風分離器粒級效率的理論預估值通常由最小粒徑dp和切割粒徑dc50的比值查圖表[11]而得。其中：

(1)

式中μ為含塵氣體粘度；D為分離器直徑；υ為進氣速度；ρs為顆粒密度；ρg為氣體密度。

根據(jù)旋風分離器設計參數(shù)及氣固兩相流參數(shù)查圖表，可知該旋風分離器對于粒徑在20 μm以上的Al2O3粉末顆粒，其氣固分離效率可達95%，同時在裝置中添加篩網(wǎng)可有效提高分離效率。經(jīng)氣固分離實驗表明，該旋風分離器分離效率實際高達98.5%以上，從而為顆粒質(zhì)量流量準確測量提供了保障。

1.2 實時測量原理

該測量裝置待測參數(shù)為兩相流進口處的固體顆粒質(zhì)量流量，而實測參數(shù)為集粉筒質(zhì)量增量，測量存在時間延遲。由于該時間延遲量在供粉系統(tǒng)穩(wěn)定工作階段為恒定值Δt，可通過對比實測質(zhì)量曲線和轉(zhuǎn)換質(zhì)量曲線得出，故該裝置對于粉末火箭發(fā)動機供粉系統(tǒng)的冷流標定能夠通過時間轉(zhuǎn)換實現(xiàn)固體顆粒質(zhì)量流量的實時測量。

測量系統(tǒng)中，采用瑞士Mettler Toledo公司生產(chǎn)的XP8002S精密電子天平對集粉筒進行實時的質(zhì)量稱量。該天平具有采樣頻率可調(diào)和采樣數(shù)據(jù)實時傳輸兩大功能，通過內(nèi)置的RS232C通訊接口將每一稱量時刻的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)接嬎銠C。實驗過程中，天平采樣頻率設置為10 Hz，即隔0.1 s天平對集粉筒稱量1次；天平可讀性為0.01 g，實驗中顆粒質(zhì)量流量一般在30 g/s以上，天平稱量誤差如式(2)所示，其值小于0.033%，可滿足稱量精度要求。

(2)

2 測量方法驗證

粉末火箭發(fā)動機和粉末沖壓發(fā)動機通過供粉系統(tǒng)將顆粒燃料輸送進燃燒室，供粉裝置示意圖如圖3所示。初始階段，粉末顆粒以一定的裝填密度充滿整個粉箱，在活塞的推動和流化氣的流化共同作用下，粉末顆粒以氣固兩相流的形式輸送出粉箱。在此過程中，由于流化氣體只作用于粉箱收斂段區(qū)域，對粉箱直筒段干擾影響較小，同時假定粉末在活塞推動過程中裝填密度不變，則活塞在一定時間段移動的距離對應粉末實際輸送質(zhì)量，其活塞位移與粉末質(zhì)量之間換算如式(3)所示。

圖3 驗證裝置示意圖Fig.3 Schematic of verification device

(3)

式中mi為ti時刻內(nèi)粉末實際輸送量；Si為ti時刻內(nèi)活塞位移；ρ為粉末裝填密度；A為粉箱內(nèi)腔橫截面積。

活塞位移測量采用德國FESTO公司生產(chǎn)的電位器式位移傳感器，該位移傳感器輸出信號大，且能夠?qū)崿F(xiàn)在線采集，其線性精度誤差為0.05%。

由上述方法換算成的粉末質(zhì)量為實際粉末輸出量，通過與天平實測的質(zhì)量進行對比，可有效驗證新提出的顆粒質(zhì)量流量測量方法的可行性和可靠性；反過來，質(zhì)量流量對比同樣可印證文中對粉末裝填密度不變等假設的正確性。

2.1 測量方法準確性分析

為研究質(zhì)量流量測量方法的準確性，分別對顆粒粒徑和顆粒氣固質(zhì)量比均不相同的2組工況進行了測量實驗，并將位移轉(zhuǎn)換得到的質(zhì)量-時間曲線與實測質(zhì)量-時間曲線進行對比分析。其中，粉末采用中性Al2O3顆粒，實驗A中顆粒粒徑為144～240 μm，氣固質(zhì)量比為0.058 9，實測氣固分離效率為99.4%，其質(zhì)量-時間曲線對比和流量-時間曲線對比如圖4所示；實驗B中顆粒粒徑為72～144 μm，氣固質(zhì)量比為0.054 8，實測氣固分離效率為98.7%，其質(zhì)量-時間曲線對比和流量-時間曲線對比如圖5所示。

同時，為便于對比分析，引入質(zhì)量曲線相對誤差εr和流量曲線相對誤差εx，其計算公式分別如下：

(4)

(5)

(a)質(zhì)量-時間曲線

(b)處理后質(zhì)量-時間曲線

(c)流量時間曲線

由圖4(a)可見，2條質(zhì)量-時間曲線基本呈平行直線增長趨勢，由于氣固兩相流需流經(jīng)輸送管道，再經(jīng)旋風分離，才使顆粒抵達集粉筒，故質(zhì)量實測時間滯后于活塞位移時間。為便于對比，根據(jù)時間延遲量Δt將實測質(zhì)量-時間曲線進行時間轉(zhuǎn)換處理，如圖4(b)所示。由圖可見，對比位移轉(zhuǎn)換后的質(zhì)量曲線，實測質(zhì)量曲線在起始時刻有較小的波動，這是由于系統(tǒng)剛啟動時，流化氣對粉末輸送影響較大，使稱量不太穩(wěn)定；而后，在7 s時刻達到穩(wěn)定，2條曲線基本重合，計算其相對誤差為1.67%；在18 s時刻，活塞停止移動，此時實測質(zhì)量曲線仍在上升。這是由于活塞達到粉箱收斂段時便停止運動，而收斂段內(nèi)仍有粉末，流化氣將其繼續(xù)輸送出粉箱，致使實測粉末質(zhì)量仍在增加。圖4(c)為實驗A的流量-時間曲線對比圖。由圖可見，2條曲線的運動及波動趨勢基本一致，在7～18 s穩(wěn)定工作時間段，曲線波動幅度小，流量曲線相對誤差為2.11%。

圖5(a)為實驗B起始時間重合處理后的質(zhì)量-時間曲線對比。由圖可見，2條曲線基本吻合，在起始階段相比圖4(b)有較明顯的質(zhì)量陡增現(xiàn)象，且質(zhì)量陡增段曲線重合較好；穩(wěn)定工作時間段，質(zhì)量-時間曲線的相對誤差為1.36%；在21 s時刻，活塞停止移動。圖5(b)為實驗B的流量-時間曲線對比。由圖可見，2條曲線的變化規(guī)律及波動趨勢基本一致，其穩(wěn)定工作時間段曲線相對誤差為2.79%。

(a) 質(zhì)量-時間曲線

(b)流量-時間曲線

綜上分析，在穩(wěn)定工作時間段，實測質(zhì)量-時間曲線與位移轉(zhuǎn)換后的質(zhì)量-時間曲線基本重合，其相對誤差低于2%，表明本文提出的測量方法準確性較好；同時質(zhì)量流量對比曲線表明，其相對誤差低于3%，表明測量方法具有較高的測量精度。

2.2 測量方法穩(wěn)定性分析

重復實驗A和實驗B工況，并對其質(zhì)量流量進行測量，以驗證該測量方法的穩(wěn)定性，其相同工況時的實測質(zhì)量-時間曲線對比如圖6所示。

由圖6可見，相同工況時，其實測質(zhì)量-時間曲線基本重合，只在起始階段有所波動。這是由于起始階段天平稱量受氣流影響相對較大，致使質(zhì)量曲線有所波動，圖6(a)中2條實測質(zhì)量-時間曲線相對誤差為0.96%，圖6(b)中曲線相對誤差為1.2%。整體而言，曲線吻合程度較高，表明該測量方法具有較好的測量穩(wěn)定性。

(a) 實驗A

(b) 實驗B

2.3 測量方法適用性分析

影響稠密氣固兩相流質(zhì)量流量測量精度的因素包括顆粒屬性(如粒徑、球形度、粘性)、氣固質(zhì)量比等。為分析該測量方法及測量裝置的適用范圍，針對不同粒徑顆粒進行流量測量試驗。3組測量實驗的粉末粒徑分別為48～72 μm、72～144 μm和144～240 μm。其測量結(jié)果對比如圖7所示。由圖7可見，相同工況下，粉末粒徑越大，該測量裝置收集效率越大，當粒徑增大到一定值時，收集效率增大不再明顯；而顆粒質(zhì)量相對誤差和流量相對誤差隨顆粒粒徑的增大呈先減小后增大趨勢。以上結(jié)果表明，該測量裝置對粒徑為72～144 μm的顆粒質(zhì)量流量進行測量時，粉末收集效率最高，且相對誤差最小。

圖7 不同粒徑的顆粒質(zhì)量流量測量結(jié)果Fig.7 Mass flow measurement results of different diameter particles

測量結(jié)果相對誤差大小主要與旋風分離器的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，通過改變旋風分離器的結(jié)構(gòu)設計參數(shù)，可使測量方法適用于不同粒徑顆粒的質(zhì)量流量測量。

綜上分析，通過對新提出的測量方法的性能驗證，表明該測量方法具有較高的測量精度和較好的穩(wěn)定性，完全滿足粉末火箭發(fā)動機和粉末沖壓發(fā)動冷態(tài)標定中對稠密氣固兩相流顆粒質(zhì)量流量測量的要求，同時通過改變旋風分離器的結(jié)構(gòu)設計等參數(shù)，可使測量方法適用于不同粒徑范圍的顆粒質(zhì)量流量測量。

3 結(jié)論

(1)測量裝置粉末顆粒收集效率高達98.5%以上，較高的收集效率為顆粒質(zhì)量流量的精確測量提供了良好保障。

(2)測量結(jié)果的相對誤差低于3%，表明測量方法具有較好的可靠性和較高的測量精度。

(3)對相同實驗工況下的顆粒質(zhì)量流量進行測量，其質(zhì)量-時間曲線吻合程度高，曲線相對誤差低于2%，表明測量方法具有較高的穩(wěn)定性。

(4)通過改變旋風分離器的結(jié)構(gòu)設計參數(shù)，可拓寬測量方法的適用范圍。

[1] 李芳,胡春波,何國強. Mg粉/CO2粉末火箭發(fā)動機性能分析[J]. 固體火箭技術(shù),2010,33(4)：414-418.

[2] Goroshin S，Higgins A J，Kamel M. Powdered metals as fuel for hypersonic ramjets[R]．AIAA 2001-3919.

[3] 曾卓雄. 稠密氣固兩相流動湍流模型及其應用[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社,2012.

[4] 章世秀,丁永前. 固體顆粒料質(zhì)量流量測量技術(shù)現(xiàn)狀分析及設想[J]. 中國農(nóng)機化,2004(5):52-53.

[5] 車得福,李會雄. 多相流及其應用[M]. 西安：西安交通大學出版社,2007.

[6] 闞偉,董群,王東軍,等. 氣固兩相流固體質(zhì)量流量測量技術(shù)[J]. 計量技術(shù),2007(12):36-39.

[7] Krabicka J,Yan Y. Finite-element modeling of electrostatic sensors for the flow measurement of particles in pneumatic pipelines[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2009,58(8): 2730-2736.

[8] Matsusaka S and Masuda H. Simultaneous measurement of mass flow rate and charge-to-mass ratio of particles in gas-solids pipe flow[J].Chemical Engineering Science,2006,61(7): 2254-2261.

[9] 蔣泰毅.氣固兩相流速度及質(zhì)量流量的靜電測量法研究[D].武漢:華中科技大學,2005.

[10] 胡馨博,張虎,何曉興,等. 一種氣固兩相流中固體顆粒質(zhì)量流率測量裝置及方法:中國,20131040098.X[P]. 2013-9-16.

[11] Hoffmann A S,Stein L E.旋風分離器:原理設計和工程應用[M].彭維明,姬忠禮,譯.北京:化學工業(yè)出版社,2004.

(編輯：薛永利)

Measuring method research on solid mass flow rate of dense gas-solid two-phase flow

ZHANG Hu1,HU Chun-bo1,SUN Hai-jun1,DENG Zhe1,XU Yi-hua2

(1. National Key Laboratory of Combustion,Flow and Thermo-Structure,College of Astronautics Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,China;2. Aircraft Engineering College,Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063,China)

To measure the solid particle mass flow rate in the cold calibration of powder rocket engine and powder ramjet system,a method of measuring the mass flow rate of dense gas-solid two-phase flow was introduced,and a measuring equipment was designed in accordance with the method,which is based on the cyclone separator and electronic balance. Then a list of experiments were carried out to test the accuracy and reliability,and the experimental repeatability of the measuring equipment,by using the powder-supplying system. Experimental results show that the powder collection efficiency of cyclone separator is up to 98.5%,which guarantees measurement of mass flow rate;The measuring method has a better reliability and accuracy,with the relative error of measuring results less than 5%;And the relative error of repeat experiments are less than 2%,which shows that the measuring method has a better stability;Once more,through changing the structure parameter,the range of application of measuring method will be broadened.

gas-solid two-phase flow;particle mass flow;powder rocket engine;measuring method;cyclone separator

2013-12-16；

：2014-04-03。

國家自然科學基金(51266013)；西北工業(yè)大學基礎研究基金(JC20110205)。

張虎(1986—)，男，碩士，研究方向為粉末火箭發(fā)動機。 E-mail:huhuheyu@163.com

V430

A

1006-2793(2015)01-0136-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.01.026