超聲法測量氣固兩相流傳感器選取研究*

賈 華， 郭 朔， 王月明

(內(nèi)蒙古科技大學 信息工程學院,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

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研究與探討

超聲法測量氣固兩相流傳感器選取研究*

賈 華， 郭 朔， 王月明

(內(nèi)蒙古科技大學 信息工程學院,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

超聲法因其穿透性好、精度高等優(yōu)點成為氣固兩相流參數(shù)檢測的一個新趨勢。由于超聲波在空氣中衰減較大，因此，選擇合適的超聲波傳感器對于氣固兩相流參數(shù)檢測至關重要。通過運用有限元軟件COMSOL構建超聲法測量氣固兩相流的仿真模型，研究接收裝置接收信號的大小與氣固兩相流固相顆粒的粒徑和發(fā)射頻率的關系，為實際測量選取超聲波傳感器提供了理論依據(jù)和指導建議。

氣固兩相流； 有限元； 粒徑； 頻率； 超聲波傳感器

0 引 言

在電力、化工、冶金等工業(yè)生產(chǎn)過程中，應用管道氣力輸送技術輸送煤粉、水泥、礦石等均屬于典型的氣固兩相流動[1,2]。由于氣固兩相流涉及領域的廣泛性以及過程參數(shù)的重要性使得對于氣固兩相流的研究工作得到了迅速發(fā)展。

目前，國內(nèi)外學者對于氣固兩相流相關參數(shù)的測量所提出的方法可分為兩類，接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量方法主要有：傳熱法、摩擦電法、能量法、差壓法等[3]。由于接觸式測量會對管內(nèi)流體產(chǎn)生干擾和增加原有阻力，在測量時會降低測量的精度。非接觸式測量方法主要有：光學法[4]、電容法[5,6]、微波法[7]、超聲法等[8]。超聲法作為一種非接觸式測量方法，具有穿透性好、結構簡單、無污染、精度高、應用范圍廣等較多優(yōu)勢，在近年來成為研究熱點并得到一定的發(fā)展[9,10]。上海理工大學的蘇明旭和蔡小舒在超聲法測量氣固兩相流方面做了大量研究工作并取得較大進展[11～13]。

本文運用有限元軟件COMSOL構建了超聲法測量氣固兩相流的仿真模型，通過仿真，研究接收裝置接收信號的大小與氣固兩相流固相顆粒的粒徑和發(fā)射頻率的關系，為實際測量選取超聲波傳感器提供理論依據(jù)和指導建議。

1 仿真建模

在實際檢測過程中，固相顆粒隨機分布在氣固兩相流體中。為了獲取固相顆粒粒徑d和超聲波發(fā)射頻率f對超聲波接收信號的影響，仿真過程中，在測量管道中心放置不同粒徑的固相顆粒，研究不同粒徑和不同發(fā)射頻率對接收裝置接收信號的影響情況。

本文選取610 mm直徑的工業(yè)輸粉管道作為研究對象，為簡化模型，取管道長度1 000 mm，并對其縱剖面進行仿真建模，基于超聲法測量管道中存在固相顆粒的氣固兩相流流體仿真模型如圖1所示。超聲波發(fā)射和接收傳感器剖面半徑為10 mm，厚度為20 mm，傳感器由復合壓電材料PZT—5H構成，在仿真建模時將發(fā)射和接收傳感器進行良好對中。輸粉管道中連續(xù)相介質(zhì)采用軟件內(nèi)置材料空氣，離散相選用電廠煤粉顆粒。常溫下，煤粉—空氣兩相流的其余相關參數(shù)如表1所示。在進行有限元分析時，網(wǎng)格的質(zhì)量將直接影響整個過程的計算精度，因此，在網(wǎng)格劃分時，對輸粉管道、超聲波發(fā)射和接收傳感器以及固相顆粒分別進行細化、較細化和特別細化處理。圖2為網(wǎng)格劃分后的仿真模型，本文采用自由剖分三角形方式。

圖1 管道中存在固相顆粒的仿真模型

參數(shù)空氣煤粉密度/(kg/m3)1.231702聲速/(m/s)3431800比熱容/(J/(kg·K))1004850導熱系數(shù)0.0250.89膨脹系數(shù)3.47×10-31.0×10-5剪切粘度1.8×10-59.04×10-4

圖2 網(wǎng)格劃分后的仿真模型

1.1 多物理場耦合方程

在仿真過程中，由激勵裝置產(chǎn)生激勵電壓驅動超聲波發(fā)射傳感器產(chǎn)生超聲波，超聲波經(jīng)管道傳播到達接收傳感器，接收傳感器將衰減后的聲波信號轉換為電信號以供采集。因此,有限元分析主要涉及電—結構—聲三物理場耦合，其中聲場波動方程可表示為

(1)

結構力學方程可表示為

(2)

式中 ρ為壓電材料密度； u為位移；s為應力；FV為體積力。

電場的麥克斯韋方程可表示為

(3)

式中 D為電位移; ρV為體積電荷密度。

在進行有限元分析時，設定發(fā)射傳感器內(nèi)側邊界為發(fā)射端，其電邊界條件為：幅值為300V的瞬時激勵電壓。設定接收傳感器內(nèi)側邊界為接收端，并設定為終端。發(fā)射端與接收端的聲邊界條件為聲—結構耦合，外側邊界的電邊界條件為接地，結構邊界條件為輥支撐。

2 仿真過程與分析

2.1 仿真過程

在測量管道中心放置不同粒徑的固相顆粒，研究不同粒徑和不同發(fā)射頻率對接收裝置接收信號的影響情況。為了研究顆粒粒徑d對接收傳感器接收電壓的影響，仿真過程中，設定d由小到大分別為0，0.02，0.04，0.06，0.08，0.1，0.15，0.2mm，并對接收傳感器接收電壓的數(shù)據(jù)進行采集。同時為了研究發(fā)射頻率f對接收傳感器接收電壓的影響，設定f由小到大分別為20，40，60，80，100，150，200kHz，并對接收傳感器接收電壓的數(shù)據(jù)進行記錄。限于篇幅，本文只給出部分仿真結果。

圖3(a)為d=0mm,f=40kHz時接收電壓的變化情況。圖3(b)為d=0.1mm,f=40kHz時接收電壓的變化情況。從圖3可以看出，存在顆粒時對接收電壓產(chǎn)生一定影響，但無法作出具體判斷。

圖3 有無顆粒存在時的接收電壓

2.2 分析與討論

為了進一步研究氣固兩相流固相顆粒粒徑和發(fā)射頻率對接收電壓的影響，需要對仿真數(shù)據(jù)進行處理，圖4和圖5為進行數(shù)據(jù)處理后得到的結果。由圖4可以看出：在同一頻率下，接收電壓隨著顆粒粒徑的增大而減小，但衰減較為緩慢；由圖5可以看出：在相同的顆粒粒徑下，接收電壓隨著發(fā)射頻率的增大而迅速減小，說明接收電壓對于頻率更為敏感。仿真發(fā)現(xiàn)：當超聲波的頻率在一定范圍內(nèi)(20～100 kHz)，接收傳感器的接收電壓相對較大。在實際測量中，由于不可避免地會引入噪聲，而大多數(shù)噪聲信號頻率在50 kHz以下，因此，在測量中應當選用頻率在50～100 kHz的超聲波傳感器。

圖4 粒徑與接收電壓的關系

圖5 發(fā)射頻率與接收電壓的關系

3 結 論

運用有限元軟件COMSOL構建了超聲法測量氣固兩相流的仿真模型，研究接收傳感器的接收電壓與氣固兩相流固相顆粒的粒徑和發(fā)射頻率的關系。仿真結果表明：選用頻率在50～100 kHz的超聲波傳感器不僅能夠得到較高幅值的接收信號還能有效避免噪聲信號的引入，為實際測量中超聲波傳感器的選取提供了理論依據(jù)和指導建議。

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Research on selection of gas-solid two phase flow transducer with ultrasonic measurement*

JIA Hua， GUO Shuo， WANG Yue-ming

(School of Information Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China)

The ultrasonic method has become a new trend of gas-solid two phase flow parameter measurement because of its excellent penetration and high precision.Due to the large attenuation of ultrasonic wave in air,it is of great importance to select the suitable ultrasonic transducer for the parameter measurement of gas-solid two phase flow.The simulation model for gas-solid two phase flow measurement is established by the finite element software COMSOL,the relationship between signal magnitude recieved by receiving device and the solid phase particle size of gas-solid two phase flow and transmitting frequency is studied,which provides theoretical basis and guidance for choosing the ultrasonic transducer in practical measurement.

gas-solid two phase flow； finite element； particle size； frequency； ultrasonic transducer

10.13873/J.1000—9787(2017)07—0005—03

2016—09—05

國家自然科學基金資助項目(61463042)； 內(nèi)蒙古自然科學基金資助項目(2014MS0609)

TP 212

A

1000—9787(2017)07—0005—03

賈 華(1961-)，男，副教授，從事控制理論與控制工程研究工作。

郭 朔，通訊作者，碩士研究生，研究方向為氣固兩相流檢測,E—mail：cavicent@163.com。