多相流颗粒运动特性的激光测试技术研究

摘要

多相流在能源、环境和化工等领域应用广泛，但是由于多相流的复杂性，目前的测试技术还远远不能满足对多相流运动特性以及工业在线测量的需求。本文针对多相流研究和测试中的几个难点，对若干激光测试技术及其应用进行了研究。 首先，把高速数字摄像技术应用到了冷态循环流化床稀相区固相颗粒的旋转和碰撞等微观层面运动特性的研究中。探讨了该测试系统进行实际气固流场中颗粒旋转测量可行性，并提出了四种颗粒转速的判别方法：旋转角度人工量取法，数圈法，基于转轴重建的转速算法和基于相关性分析的计算机自动识别法。其中转轴重建算法可确定流场中部分颗粒的转轴三维方向，并比较精确地测定其转速。而计算机自动识别算法主要针对旋转轴垂直或近似垂直于拍摄平面颗粒转速的测定；比较详细地分析了颗粒转速测量过程中的影响测量准确性和可信度的若干不确定因素；理论预测了流化床典型工况下颗粒最大转速；用颗粒轨迹验证法对所测颗粒转速的合理性进行了验证；提出了双帧频拍摄方法，有效地提高了颗粒转速测量范围。 对一截面为200×200 mm高为4 m的冷态循环流化床稀相区的气固两相流进行了颗粒旋转和碰撞特性的实验研究。1)用统计的方法研究了影响颗粒旋转的因素，结果表明：在相同的流场区域中，小颗粒的平均转速高于大颗粒；同一粒径档的颗粒，平均水平横向运动速度大，颗粒的平均转速就高，但是平均垂直运动速度对颗粒转速影响较小；同一条件下，不规则颗粒的平均转速明显高于规则球形颗粒；随着流场区域颗粒碰撞频率的增加，颗粒的平均转速升高；2)对稀相区的颗粒平均转速空间分布特性进行了统计分析。研究表明，在同一工况下，稀相区横向截面上边壁区域的颗粒平均转速高于中心区域，在垂直高度方向，随着高度的增加，颗粒平均转速有降低的趋势。运行参数对颗粒平均转速空间分布的影响有：随着表观气速的增加，截面边壁区域的颗粒平均转速明显增加，但截面中心区域则无明显变化；循环物料量对颗粒平均转速分布的影响恰恰相反；而随着床料静止高度的增加，截面边壁和中心区域的颗粒平均转速均有所提高。3)对颗粒的碰撞率进行实验研究，结果表明，颗粒的碰撞率近似与颗粒浓度的平方成正比，其规律与其他学者通过分子动力学理论类比所得的碰撞率公式相符，但是需要附加一个修正系数，根据本实验的结果分析，该修正系数可取为0.42-0.68。另外，还对颗粒碰撞参数进行实验研究。 其次，提出了一种便携式的和可用于在线测量的基于近后向散射的激光多普勒测量系统BLDMS，该技术基于多普勒原理测速和近后向散射光强测量粒径的原理。为了研究近后向散射测量不规则颗粒粒径分布的性能，分别进行了理论和实验研究。在理论模拟中，用散射响应带描述了实际不规则颗粒的散射响应特性，并用浮动系数κ进行了表征。通过对单峰和双峰分布的多分散不规则颗粒群的详细模拟测试，表明了基于近后向散射的多普勒测量系统应用于不规则颗粒粒径分布的测试是可行的。在此基础上，自行搭建了实验系统，并利用该系统对玻璃珠和石英砂颗粒流进行了研究，主要实验内容包括转换矩阵和颗粒平均散射响应曲线的标定实验和已知颗粒群的粒径分布测试实验。结果表明，BLDMS能够很好地用于多相流中透明或者不透明不规则颗粒的速度、粒径和浓度分布的测试。最后，利用基于成像的激光相关测速技术ILCV对脉冲喷嘴出口附近高浓度的气液两相流速度场进行测试。用广义米氏理论的程序理论分析了ILCV光学系统，研究了颗粒经过测量体时产生的光信号的特点以及频谱分布，重点研究了ILCV测量体在光轴方向的有效长度。对ILCV信号处理进行研究，比较系统地研究窗函数、信号预平移、插值等辅助方法对数据处理的作用，相关性计算中各种参数的选取，以及信号的噪声、疏密等参数对计算结果的影响；搭建了实验测试平台和喷雾系统，对低速脉冲喷雾进行了详细测试，研究了不同脉冲宽度下的喷雾速度场以及喷嘴出口附近喷雾速度轴向和径向分布规律。一系列测试研究表明，ILCV可以很好地应用于喷嘴出口附近区域喷雾速度场的测量。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表及图表目录

声明

第一章 绪论

§1.1多相流在能源领域的地位

§1.2流场测量技术在多相流颗粒运动特性研究中的重要性

§1.3多相流颗粒运动特性的光学测量技术现状

§1.4高速摄影技术应用于气固两相流场测试

§1.5便携式多普勒测量系统应用于不规则颗粒测试

§1.6基于成像的激光相关测速技术应用于高浓度气液两相流

§1.7本文主要研究内容

第二章 气固多相流中颗粒旋转和碰撞研究现状

§2.1研究背景及意义

§2.2颗粒旋转研究综述

§2.2.1颗粒转速测量研究

§2.2.2升力系数的研究

§2.2.3颗粒旋转对流场的影响

§2.2.4颗粒旋转与多相流数值模型

§2.3颗粒碰撞研究

§2.3.1颗粒碰撞率

§2.3.2颗粒碰撞在数值模拟中的考虑

§2.3.3碰撞动力学研究

§2.4主要结论和研究不足

§2.5本章小节

第三章 高速数字成像系统应用于流化床内颗粒旋转和碰撞的可视化研究

§3.1实验设备和测试方法

§3.1.1循环流化床冷态试验台

§3.1.2高速数字摄像测试系统

§3.1.3实验床料

§3.1.4实验参数确定方法

§3.1.5实验主要工况

§3.2颗粒旋转可视化实验研究

§3.2.1可行性分析

§3.2.2玻璃珠旋转的可视化及分析

§3.2.3石英砂旋转可视化及分析

§3.2.4颗粒碰撞可视化及分析

§3.3本章小节

第四章 颗粒转速的测量方法研究

§4.1转速判别方法研究

§4.1.1旋转角度人工量取方法

§4.1.2数圈法

§4.1.3基于转轴重建的转速算法

§4.1.4基于相关性分析的计算机自动识别算法

§4.2转速测量方法的误差分析及其验证实验

§4.2.1人为因素产生的误差

§4.2.2方法Ⅰ中特征点位置产生的误差

§4.2.3方法Ⅲ转轴三维重建的误差分析

§4.2.4方法Ⅳ的误差分析

§4.2.5转速测量其他不确定因素

§4.3流化床中颗粒最大转速预测

§4.4颗粒运动轨迹验证法

§4.4.1旋转颗粒在流场中的转速变化规律

§4.4.2颗粒在不同转速下的运动轨迹

§4.5双帧频拍摄法

§4.5.1理论分析

§4.5.2实验验证

§4.6本章小结

第五章 循环流化床颗粒旋转和碰撞特性实验研究

§5.1引言

§5.2影响颗粒旋转因素的实验研究

§5.2.1颗粒粒径的影响

§5.2.2颗粒运动速度的影响

§5.2.3颗粒形状的影响

§5.2.4颗粒碰撞频率(颗粒浓度)的影响

§5.3颗粒转速床内分布特性研究

§5.3.1测试点布置

§5.3.2颗粒转速空间分布特点

§5.3.3表观气速的影响

§5.3.4物料循环量的影响

§5.3.5床料静止高度的影响

§5.4颗粒碰撞实验研究

§5.4.1碰撞率实验研究

§5.4.2碰撞参数测量

§5.5本章小结

第六章 基于近后向散射的多普勒测粒测速技术

§6.1引言

§6.1.1 PDA测量非球形颗粒粒径的研究进展

§6.1.2不规则颗粒的激光测试技术

§6.1.3基于光散射的颗粒粒径测量技术研究现状

§6.2 BLDMS测粒测速原理

§6.2.2双光束模式测量体分析

§6.2.3多普勒测速原理

§6.2.4光散射测粒原理

§6.3 BLDMS粒径分布测量的模拟和预测

§6.3.1散射响应曲线和转换矩阵的计算

§6.3.2粒径分布测试模拟程序和工况

§6.3.3对理想颗粒的模拟结果及分析

§6.3.4对透明球形颗粒的模拟结果及分析

§6.3.5对不规则颗粒的模拟结果及分析

§6.4光散射测量粒径的误差分析

§6.5本章小结

第七章 BLDMS测量不规则颗粒实验研究

§7.1实验测试系统

§7.1.1硬件系统

§7.1.2测量体实验测定

§7.1.3信号处理分析

§7.2颗粒流系统

§7.3玻璃珠标定实验

§7.4玻璃珠粒径分布测试实验

§7.5石英砂标定实验

§7.6石英砂粒径分布测试实验

§7.7本章小结

第八章 基于成像的激光相关测速技术

§8.1引言

§8.2实验系统

§8.2.1冷态脉冲喷雾系统

§8.2.2 ILCV测量系统

§8.3 ILCV光学系统分析

§8.3.2成像面光强分布

§8.3.3探测器接收信号特点

§8.3.4 ILCV测量体有效长度

§8.4实验数据处理

§8.4.1相关测速计算原理

§8.4.2 ILCV程序介绍

§8.4.3 ILCV模拟信号处理

§8.5低速脉冲喷雾测试

§8.5.1 ILCV信号的分析和处理

§8.5.2不同脉冲宽度下喷雾速度场

§8.5.3喷雾速度轴向分布规律

§8.5.4喷雾速度径向分布规律

§8.6高压高速喷嘴初步测试

§8.7本章小结

第九章 全文总结和研究展望

§9.1全文工作和总结

§9.2本文的主要创新点

§9.3不足之处和研究展望

附录

参考文献

作者攻读博士期间发表的学术论文

致谢