提升管气固两相流动特性及非线性特征分析

摘要

近年来，随着科学技术的发展，作为多相流重要形式之一的气固两相流普遍存在于电力、煤炭、化工、制药、食品等诸多行业，并得到了广泛的应用。但由于气固两相流动系统相界面的复杂性、多变性以及界面速度和其他效应的存在，使其通常呈现出较强的非线性与非稳定性特征，这对进一步认识气固两相流动特性与耦合作用机制造成了阻碍，从而限制了工业设备的结构优化以及生产效率的提高，使得工程实际落后于基础理论研究。因此，采用先进的参数检测技术与现代分析方法从气固两相流动过程着手，深入研究其流动特性以及系统非线性特征是有必要的，具有完善多相流基础理论的理论价值以及指导工业反应器结构优化、放大的工程意义。
　　本文在自行搭建的循环床提升管实验台上，采集了气固两相流动过程压力（压差）信号、流动型态图像样本。结合压差法、数字图像处理技术、多源信息融合理论、分形理论、混沌理论以及递归分析方法主要对提升管内轴向方向压力梯度及颗粒浓度分布进行了研究；对局部区域颗粒运动行为、分布结构及浓度进行了检测；对多源信息的分形特征进行了分析和联系；就不同团聚结构对系统混沌特征的影响机制进行了讨论。
　　首先，采集了提升管不同高度位置间的压差信号，研究了管内轴向方向压力梯度和颗粒浓度分布情况。发现随轴向高度的提升，管内压力梯度和颗粒浓度均逐渐减小。保持颗粒循环流量一定，增加操作气速，可以减小提升管内轴向压力梯度和颗粒浓度分布不均的趋势，同时可以减小流动过程消耗的总压降。
　　其次，利用高速摄像机拍摄提升管底部局部区域气固两相流动过程图像，分析了在不同流态化状态下该区域内颗粒的运动行为和分布形式。在节涌床和湍动床阶段，颗粒分别呈现柱塞式流动结构和顺时针内循环流动结构。在此基础上，基于图像法实现了对稀相输送过程局部颗粒浓度的检测。整合了流动过程中压差信号与流动图像两部分信息，基于分形理论，从多尺度分析的角度研究了各尺度信号所对应的物理意义，并将两种信息的分形特征联系到了一起。
　　最后，人工制造石英砂团聚物。采用递归分析的方法研究了在节涌床和湍动床两种流化状态下，系统混沌特征受团聚物种类和颗粒循环流量的影响。在节涌床状态下，压力信号递归图沿对角线方向发展显著，系统周期性较强。在湍动床状态下，随颗粒循环流量的提高，对于原始物料及产生微团聚的物料，递归图中块状结构增多，沿对角线发展趋势增强，系统周期性增强。对于成核团聚物料，系统混沌特征变化不显著。对于粘结及糊状团聚的颗粒物，递归图孤立点状结构增多，对角线发展趋势减弱，系统随机性增强。

目录

主要符号表

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2气固两相流动特性研究方向及进展

1.3 本文的主要研究内容

第2章 轴向压力梯度及颗粒浓度分布

2.1 提升管实验平台

2.2 压力梯度轴向分布规律研究2.2.1 压力梯度沿轴向的变化规律

2.3 颗粒浓度沿轴向分布规律研究

2.4 本章小结

第3章 局部颗粒运动行为分析及浓度检测

3.1 提升管气固两相流动图像的采集3.1.1 实验系统与操作流程

3.2 流型图像的预处理方法3.2.1 图像去噪

3.3 底部区域颗粒分布情况及流动结构分析3.3.1 底部区域颗粒分布规律

3.4 稀相输送过程颗粒浓度的图像法检测3.4.1 图像法检测颗粒浓度的原理

3.5 本章小结

第4章 多源信息分形特征分析

4.1 实验系统与操作条件

4.2 分形与分维

4.3 压差波动信号的多尺度分形分析4.3.1 基于db2小波变换的R/S分析

4.4 流动图像分形特征分析

4.5 压差信号分形特征与图像分形维数的联系

4.6 本章小结

第5章 系统混沌特征的递归分析

5.1 实验部分

5.2 递归图及递归定量分析5.2.1 递归图分析

5.3 颗粒团聚的分区域辨识

5.4 压力信号递归图分析

5.5 压力信号递归定量分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

声明

致谢