管内气固两相流的静电层析成像技术

摘要

气固两相流流动参数检测对于两相流体的理论研究以及工业生产过程的安全、经济、高效运行均具有重要意义，但气固两相流动过程的复杂性和随机性致使其流动参数的检测难度很大。近年气固两相流检测技术已成为多相流研究中的一个热点。静电层析成像技术(EST)是近些年发展起来的一门新型层析成像技术，它是在电容层析成像技术(ECT)的基础上结合颗粒静电理论和技术，用于测量气固两相流流动参数的检测新技术。本文主要对EST技术进行了系统的研究，并且结合ECT技术对二者信息融合进行了探讨。
　　 本文首先对EST获取静电信号的阵列式静电传感器进行了研究。采用有限元分析的方法，利用ANSYS，ANSOFT和MATLAB软件对影响阵列式静电传感器特性的结构参数进行了分析，包括极片的覆盖角和轴向长度，绝缘管道的厚度和屏蔽罩的尺寸。在此基础上通过对其动态灵敏度的分析研究了阵列式静电传感器的空间频率分布特性，速度响应特性，以及极片长度对传感器频率特性的影响，从而为分析阵列式静电传感器的信号特征提供了理论依据。
　　 在传感器结构参数和动态特性研究的基础上，对不同的静电传感器输出信号的调理电路进行了实验对比研究，最终确定选取电流放大电路作为EST的信号调理电路，并设计了一套实现EST的数据采集系统。该采集系统采用8通道信号调理放大电路，通过多路切换开关实现单通道AD芯片对8路信号的转换，数据通信采用了USB和485通信两种设计。
　　 EST的图像重建算法是实现EST图像重建的重要手段。该部分主要包括对先验信息灵敏场的优化，以及重建算法的优化。根据阵列式静电传感器灵敏场不均匀分布的特点，采用了非等网格划分的方法进行灵敏场的计算，较有效的克服了管道中心处灵敏度低的缺点。重建算法采用了收敛速度较快的Tikhonov迭代法，对Tikhonov迭代法正则化系数难以确定的问题，提出了一种奇异值分解选取最大奇异值作为正则化系数的方法，取得了较好的效果。为了提高图像的分辨率，采用最大熵滤波的方法实现了对重建图像的优化。最后针对电荷全对称分布重建质量差的缺点，提出采用分割成像法和BP算法分别实现环状和中心电荷分布的图像重建，取得了较好的效果。
　　 在算法研究的基础上，研究了荷电颗粒流动中颗粒对EST的影响。通过ANSOFT软件建立了三维仿真模型，研究了电荷集中分布和分散分布在管内时颗粒分布对EST的影响。并且通过信号发生器模拟静电信号，研究了颗粒分布对EST的影响。在重力输送实验台，将ECT与EST传感器相融合，研究了颗粒分布与电荷分布的关系，实验发现重力输送的垂直管段，颗粒分布与电荷分布是比较一致的。为了提高EST重建图像的质量，提出了采用ECT得到的颗粒分布改进EST重建图像的方法，得到了较好的效果。由于颗粒流动中带电的特性，还对管内电荷对ECT的影响进行了研究，研究发现电荷分布在管壁处对ECT的影响大于管中心的影响;并且管壁处的电荷主要对靠近电荷分布的极片作为检测电极时的电容值影响较大。
　　 最后设计了应用于高压浓相气力输送系统的厚管壁EST与ECT组合传感器，通过高压浓相气力输送台对不同煤粉粒径，不同输送气体，以及不同湿度煤粉条件下的管内颗粒分布和荷电情况进行了研究。最后根据颗粒分布与电荷分布的关系，还对ECT与EST的信息融合做了进一步的分析。

目录

声明

摘要

主要符号说明

第一章 绪论

1．1 气固两相流流动参数检测的意义和方法

1．1．1 气固两相流流动参数检测的意义

1．1．2 气固两相流流动参数检测的方法

1．2 气固两相流的静电现象

1．3 静电传感器在气固两相流参数检测中的应用

1．3．1 静电传感器的原理

1．3．2 静电传感器的分类

1．3．3 静电传感器的应用

1．4 静电层析成像技术综述

1．4．1 层析成像技术简介

1．4．2 静电层析成像系统的原理

1．4．3 静电层析成像技术的发展现状

1．4．4 静电层析成像技术存在的问题

1．5 本文的主要内容与组织结构

参考文献

第二章 阵列式静电传感器的有限元仿真

2．1 引言

2．2 仿真模型

2．2．1 阵列式静电传感器的结构图

2．2．2 数学模型

2．3 传感器静态特性分析

2．3．1 灵敏度的定义

2．3．2 灵敏度影响因素分析

2．3．3 模拟结果分析

2．3．4 实验

2．4 传感器动态特性分析

2．4．1 动态灵敏度特性的数值模拟

2．4．2 实验研究

2．4．3 结论

2．5 本章小结

参考文献

第三章 EST数据采集系统设计

3．1 引言

3．2 静电传感器信号调理电路设计

3．2．1 静电传感器敏感元件等效电路

3．2．2 静电传感器信号调理放大电路

3．3 KST数据采集与通信电路设计

3．3．1 数据采集电路

3．3．2 数据通信电路设计

3．3．3 系统电源设计

3．3．4 单片机程序设计

3．4 本章小结

参考文献

第四章 EST图像重建算法

4．1 引言

4．2 EST图像重建算法

4．2．1 LBP算法

4．2．2 FLBP算法

4．2．3 ILBP算法

4．2．4 BP算法

4．3 灵敏场优化

4．4 算法优化

4．4．1 Tikhonov迭代法

4．4．2 重建结果的修正

4．4．3 算法对比分析

4．4．4 全对称电荷分布的图像重建

4．4．5 实验与分析

4．5 灵敏场的细化

4．6 本章小结

参考文献

第五章 颗粒对EST与电荷对ECT的影响

5．1 颗粒对EST的影响

5．1．1 仿真模型

5．1．2 仿真结果

5．1．3 实验

5．2 颗粒分布与电荷分布的关系

5．2．1 实验装置

5．2．2 实验结果

5．2．3 EST与ECT在质量流量测量方面的应用

5．2．4 采用ECT修正EST的重建结果

5．3 电荷分布对ECT的影响

5．3．1 电路分析

5．3．2 数值模拟

5．3．3 实验装置

5．3．4 实验结果和讨论

5．4 本章小结

参考文献

第六章 高压浓相煤粉气力输送系统

6．1 气力输送简介

6．1．1 气力输送的特点

6．1．2 气力输送的分类

6．2 高压浓相气力输送系统

6．2．1 高压气体供给系统

6．2．2 发料罐

6．2．3 测量装置

6．3 传感器结构设计

6．4 本章小结

参考文献

第七章 高压浓相煤粉气力输送实验

7．1 颗粒大小的影响

7．1．1 小颗粒气力输送实验

7．1．2 大颗粒气力输送实验

7．1．3 粒径影响小结

7．2 不同输送气体的影响

7．2．1 粒径为208．5μm的煤粉

7．2．2 粒径为308．5μm的煤粉

7．2．3 不同输送气体影响小结

7．3 湿度的影响

7．3．1 湿度为10．39％的煤粉

7．3．2 湿度为15．05％的煤粉

7．3．3 湿度为20．35％的煤粉

7．3．4 湿度影响小结

7．4 ECT与EST的数据融合

7．5 本章小结

参考文献

第八章 结论与展望

8．1 工作总结

8．2 展望

作者简介

致谢