專利名稱：非均勻氣固兩相流顆粒濃度和速度的測量方法及探針的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣固兩相流測量技術(shù)，涉及一種可同時測量不均勻氣固兩相流中顆粒濃度和速度的方法及探針，該探針對顆粒濃度具有線性響應(yīng)，可測量瞬時顆粒濃度和瞬時顆粒真實及表觀速度，通過對瞬時顆粒真實速度進(jìn)行濃度加權(quán)平均或?qū)Ρ碛^速度直接進(jìn)行時間平均而得到顆粒速度平均值，可應(yīng)用于石油、化工、冶金、能源、環(huán)境和材料等領(lǐng)域。
氣固兩相流是物質(zhì)轉(zhuǎn)換、能源利用和環(huán)境保護(hù)過程中的重要操作方式之一，其特征為既存在局部不均勻性(表現(xiàn)為顆粒和氣流分別聚集形成稀、密兩相)，又存在整體不均勻性(表現(xiàn)為徑向和軸向顆粒濃度的不均勻分布)。這種高度不均勻的流動結(jié)構(gòu)對反應(yīng)器性能影響很大，因此對于科研和工業(yè)過程控制來講，測量這種非均勻結(jié)構(gòu)是一項極為重要的工作，其中顆粒濃度和速度的測量是這項工作的兩個重要內(nèi)容。
然而，由于稀密兩相結(jié)構(gòu)的存在，測量工作極其復(fù)雜，盡管許多研究者從事這一工作，目前仍然找不到測量顆粒速度和濃度的合理方法(R.A.Williams，C.G.Xie，F(xiàn).J.Dickin，S.J.R.SimonsandM.S.Beck，PowderTechnology，Vol.66，p.203(1991))，其原因在于以下兩方面的困難1.均勻的氣固兩相流是不存在的(尤其是顆粒濃度較高時)，而現(xiàn)有探針又都是非線性的，所以顆粒濃度測量的標(biāo)定極為困難。
2.在系統(tǒng)某一局部，稀、密兩相隨時間交替變化，因此，首先要測量瞬時顆粒速度，再求得其時間平均值，而瞬時速度的連續(xù)直接測量十分困難，其時間平均值的求取又存在很多異議。
目前，已有的顆粒速度測量方法主要有互相關(guān)法、激光多普勒法、動量法和取樣法等。盡管互相關(guān)法可以近似得到某些瞬時的顆粒速度(主要是聚團(tuán)速度)，但很難連續(xù)測量顆粒速度的瞬時變化，激光多普勒法適用于很稀的流動，目前的動量法和取樣法也只得到時間平均信號。
已有的顆粒濃度測量方法主要有光纖法、X射線、γ射線、取樣等，除光纖法可以進(jìn)行局部和瞬時測量外，其它均為時間平均和整體測量，而現(xiàn)有的光纖探針大都由于有無限的測量體積(Krohn.，D.A.，SPIEVol.718，F(xiàn)iberOpticandLaserSensorsIV，p.122(1986))而很難實現(xiàn)局域化和線性化，難以標(biāo)定。
前人在顆粒濃度測量中注重于探針的標(biāo)定，未提出過通過設(shè)計探針結(jié)構(gòu)來解決標(biāo)定的方案。在顆粒速度測量中，前人應(yīng)用直接時間平均法或由平均濃度和平均動壓強(qiáng)求取平均速度。分析表明，這兩種方法實際上是不可行的。
本發(fā)明的目的在于提出一種可以同時測量瞬時顆粒濃度和速度的方法及探針，使?jié)舛葴y量線性化和局域化，克服目前顆粒速度測量中直接進(jìn)行真實速度時間平均帶來的誤差，由瞬時濃度和瞬時速度通過加權(quán)時間平均得到正確的顆粒平均速度。
為了實現(xiàn)這一目的，本發(fā)明通過縮小顆粒濃度測量中探針端部的測量體積，使探針僅僅接受這一有限體積內(nèi)顆粒的反射光，滿足局域化的要求。利用氣固系統(tǒng)兩相結(jié)構(gòu)的特點，通過局域化來實現(xiàn)測量的線性化。本發(fā)明的另一個關(guān)鍵是同時測量某一局部的瞬時顆粒濃度和動壓強(qiáng)，從而得到瞬時顆粒真實速度或表觀速度，然后對真實速度進(jìn)行濃度加權(quán)平均得到顆粒平均速度。


圖1為本發(fā)明的復(fù)合探針結(jié)構(gòu)圖，其中(1)入射光纖;(2)反射光纖;(3)光纖交叉角度定位頭;(4)固定物;(5)光學(xué)玻璃;(6)外套;(7)受力元件1;(8)受力元件2圖2為測量顆粒濃度的光纖探針原理示意圖，其中(1)入射光;(2)光導(dǎo)纖維;(3)光學(xué)玻璃;(4)測量體積;(5)反射物;(6)反射光圖3為本發(fā)明與常規(guī)光纖探針(兩光纖平行排列，即β＝0)對顆粒濃度響應(yīng)的比較，其中(1)常規(guī)光纖探針對顆粒濃度的響應(yīng);(2)本發(fā)明探針對顆粒濃度的響應(yīng)圖4為本發(fā)明的復(fù)合探針對顆粒濃度和動壓強(qiáng)的響應(yīng)信號，其中(1)探針對顆粒濃度的瞬時響應(yīng);(2)探針對顆粒動壓強(qiáng)的瞬時響應(yīng)圖5為由圖4信號轉(zhuǎn)化的瞬時顆粒真實速度和表觀速度，其中(1)瞬時顆粒表觀速度;(2)瞬時顆粒真實速度圖6為用本發(fā)明的復(fù)合探針測量的垂直氣固兩相流系統(tǒng)中顆粒濃度和顆粒平均速度的徑向分布，其中(1)顆粒真實速度直接時間平均所得徑向分布;(2)顆粒真實速度濃度加權(quán)時間平均所得徑向分布以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的原理和實施例。顆粒流體兩相流由稀密兩相組成，顆粒濃度和速度變化的波形如圖4、圖5所示。
對于濃度測量，其時間平均值為

其中，
平均空隙率;∈C濃相空隙率;∈f稀相空隙率;f濃相體積百分比。對應(yīng)的信號的時間平均值Y＝Y(jié)cf+Yf(1-f)其中，Y光纖探針輸出信號平均值;Yc光纖探針對應(yīng)濃相的輸出信號;Yf光纖探針對應(yīng)稀相的輸出信號。在探針具有局域化的條件下，探針對稀相(氣泡)的響應(yīng)為零，即∈f＝1.0時，Yf＝0.，可以推得

對于氣固兩相流而言，∈c可以看作常量，因此Yc也為常量。由此可見，如果探針具有很好的局域性，平均濃度與信號輸出的時間平均值應(yīng)成線性關(guān)系。為此，本發(fā)明通過致力于設(shè)計很小的測量體積來實現(xiàn)探針的局域性，從而解決了標(biāo)定問題，實現(xiàn)線性測量。
如前所述，在顆粒速度測量中，一般的方法是將如圖5所示真實顆粒速度進(jìn)行時間平均，即

其中，V′d:顆粒真實速度直接時間平均值;T積分時間;υd(t)瞬時顆粒真實速度。然而，這樣的平均是不合理的，因為在不均勻系統(tǒng)中，盡管稀相中顆粒速度很高，但顆粒數(shù)目卻很少，因而對平均速度的貢獻(xiàn)并不大，而密相中顆粒速度低，但由于其數(shù)目很多，對平均速度的貢獻(xiàn)很大，以上直接時間平均值未考慮稀密相中的這一差別，因而是不正確的。正確的平均值應(yīng)考慮濃度的加權(quán)。然而，顆粒流率可以直接時間平均，即GS=1TOTgs( t ) d t =ρPTOTυd( t ) ( 1 - ∈ ( t ) ) d t]]>其中，Gs平均顆粒流率;gs(t)瞬時顆粒流率;ρp顆粒密度;∈(t)瞬時空隙率。因此，正確的真實顆粒速度平均值為

其中，Vd顆粒真實速度濃度加權(quán)時間平均值。很顯然，Vd≠V′d也就是說，正確的顆粒速度的平均值應(yīng)考慮濃度的加權(quán)。為此，本發(fā)明通過同時測量瞬時顆粒濃度和速度，然后進(jìn)行加權(quán)平均，或?qū)⒈碛^速度進(jìn)行時間平均來測量顆粒速度的平均值。
圖1中探針外套(6)內(nèi)用固定物(4)固定入射光纖(1)和反射光纖(2)，用光纖交叉角度定位頭(3)固定入射光和反射光的交角，受力元件(7)和受力元件(8)分別固定在光纖探針前端，光學(xué)玻璃(5)固定在光纖探針外套的前端。入射光纖和反射光纖可以是單根，也可是多根組成的光纖束，傳輸入射光的光纖和傳輸反射光的光纖形成大于其捕捉角的交角。入射光和反射光的交角可以通過調(diào)整兩光纖的幾何角度，也可以通過任何可以改變兩光纖捕捉角重疊區(qū)域大小的手段如附加光學(xué)器件來實現(xiàn)，測量的線性性取決于測量體積的大小;受力元件可以是任何具有一定響應(yīng)頻率可連續(xù)感受顆粒動壓強(qiáng)的傳感器如應(yīng)力應(yīng)變片、壓電晶體、微型壓力傳感器等。
由(1)和(2)為主體的光纖探針，兩光纖的捕捉角的重疊區(qū)域(即測量體積)很小(見圖2)，只有這一很小區(qū)域的信號可以被探針響應(yīng)，所以實現(xiàn)了區(qū)域化測量，局域化的程度取決于測量體積的長度lmax(見圖2定義)。
由前述可知，局域化的探針對顆粒濃度呈線性響應(yīng)，圖3為本發(fā)明與常規(guī)光纖探針(兩光纖平行排列，即β＝0)對顆粒濃度響應(yīng)的比較，可見本發(fā)明接近于線性響應(yīng)。因此，其信號與顆粒濃度的響應(yīng)關(guān)系可通過分別測量最小流化狀態(tài)和純空氣時的信號來確定。而常規(guī)平行排列的探針呈高度非線性響應(yīng)。
在光纖探針對顆粒濃度響應(yīng)的同時，兩受力元件對顆粒動壓強(qiáng)作出響應(yīng)，圖1中(8)響應(yīng)向上運動的顆粒，(7)響應(yīng)向下運動的顆粒。因此可以得到瞬時顆粒動壓強(qiáng)的變化信號，動壓強(qiáng)與信號之間的關(guān)系可用皮托管在單相氣流中標(biāo)定。圖4為測量結(jié)果的典型示例，根據(jù)圖4中瞬時顆粒濃度和瞬時顆粒動壓強(qiáng)，即可由以下公式計算瞬時顆粒真實速度和表觀速度υd( t ) =2P ( t )ρP( 1 - ∈ ( t ) )]]>υd( t ) = υd( t ) ( 1 - ∈( t ))]]>其中，υd(t)瞬時顆粒真實速度;μd(t)瞬時顆粒表觀速度;P(t)瞬時顆粒動壓強(qiáng)。結(jié)果如圖5所示。對所得速度波形采用兩種方法平均，用直接的時間平均所得速度為0.61m/s，而濃度加權(quán)平均則得到0.37m/s，說明直接時間平均是不合理的。圖6為在快速流化床中測量的空隙率(6-a)和顆粒平均速度徑向分布(6-b)，圖中同時標(biāo)出了用直接時間平均法計算的顆粒平均速度，很顯然，直接時間平均法得到的顆粒速度和濃度加權(quán)平均值差別很大。
本發(fā)明與已有測量方法比較具有以下優(yōu)點1.可以同時測量顆粒濃度和速度，既可以得到瞬時值，又可以得到平均值;
2.濃度測量實現(xiàn)了局域化和線性化，簡化了標(biāo)定過程，速度測量實現(xiàn)了瞬時化，這對于研究和了解流動結(jié)構(gòu)極為重要;
3.得到正確反映實際情況的顆粒平均速度，糾正了常規(guī)方法中直接時間平均的錯誤。
權(quán)利要求
1.一種同時測量非均勻氣固兩相流中顆粒濃度和速度的方法。其特征是通過限制測量顆粒濃度的光纖探針端部的測量體積，實現(xiàn)濃度測量的局域化和線性化；和通過同時測量顆粒的瞬時濃度和動壓強(qiáng)，然后得到瞬時顆粒真實速度，并對其進(jìn)行濃度加權(quán)時間平均求取顆粒平均真實速度或?qū)Ρ碛^速度直接時間平均得到顆粒平均表觀速度。
2.按照權(quán)利要求1所述方法的探針，其特征在于通過調(diào)整測量顆粒濃度的光導(dǎo)纖維探針的入射光纖和反射光纖交角或者通過任何可以改變兩光纖捕捉角重疊區(qū)域大小的手段(如附加光學(xué)器件)來限制測量體積;由傳感器元件測量局部顆粒的瞬時動壓強(qiáng)。探針的組合方式為探針外套(6)內(nèi)用固定物(4)固定入射光纖(1)和反射光纖(2)，用光纖交叉角度定位頭(3)固定入射光和反射光的交角，受力元件(7)和受力元件(8)分別固定在光纖探針前端，光學(xué)玻璃(5)固定在光纖探針外套的前端。
3.按權(quán)利要求2所述的探針，其特征在于所使用的入射光纖和反射光纖可以是單根，也可是多根組成的光纖束;傳輸入射光的光纖和傳輸反射光的光纖形成大于其捕捉角的交角;受力元件可以是任何具有一定響應(yīng)頻率可連續(xù)感受顆粒動壓強(qiáng)的傳感器如應(yīng)力應(yīng)變片、壓電晶體、微型壓力傳感器等。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測量非均勻氣固兩相流中顆粒濃度和速度的方法及探針。其要點是通過限制測量顆粒濃度的光纖探針端部的測量體積來實現(xiàn)顆粒濃度測量的局域化和線性化，通過同時測量瞬時顆粒濃度和動壓強(qiáng)，得到瞬時顆粒真實速度，然后對其進(jìn)行濃度加權(quán)平均得到顆粒平均速度。本發(fā)明提出的測量方法和探針集濃度和速度測量于一體，結(jié)構(gòu)簡單，標(biāo)定方便，解決了濃度測量中的標(biāo)定和速度測量中的平均值問題，可用于石油、化工、冶金、能源、環(huán)境和材料等領(lǐng)域。
文檔編號G01N21/00GK1089031SQ9211491
公開日1994年7月6日 申請日期1992年12月28日 優(yōu)先權(quán)日1992年12月28日
發(fā)明者李靜海, 錢貴華 申請人:中國科學(xué)院化工冶金研究所