CN101876663B - 一种测量两相流颗粒团聚物速度及加速度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量两相流颗粒团聚物速度及加速度的方法，基于x射线探测装置实现，所述x射线探测装置包括射线源和线状的探测器阵列，反应器位于射线源和探测器阵列之间，所述测量两相流颗粒团聚物速度的方法包括如下步骤：1)获取探测器阵列的各探测器单元处的不含流动信息的反应器本底投影信号I_r；2)使反应器工作，在一段时间内，获取一系列测量时刻下，各探测器单元处的包含流动信息的投影信号I；3)根据步骤1)和2)的数据计算出各测量时刻下各探测器单元所对应的颗粒体积分率ε_p{n，i}；4)根据颗粒体积分率的涨落判断团聚物出现的位置及时刻，并计算出所述两相流颗粒团聚物速度及加速度。

Description

一种测量两相流颗粒团聚物速度及加速度的方法

技术领域

本发明属于多相流测量技术领域，具体地说，本发明涉及一种测量两相流反应器内的颗粒团聚物速度及加速度的方法。 

背景技术

流固两相流广泛存在于石油、化工、冶金等过程工业设备中。它具有非线性非平衡的典型特征：在远离平衡条件下，操作参数的微调可以导致两相流动结构的巨变，进而影响设备的性能。因此，深入理解流固两相流动及其结构的机理对提高生产效率、降低能耗意义重大。而颗粒团聚是流固两相流系统中的一个重要现象，它直接关系到流固两相间的滑移速度和接触效率，对系统的传热、传质和反应影响很大。颗粒团聚物的判定与表征一直是流固两相流研究领域的一个热点，其中颗粒团聚物的速度与加速度是团聚物表征涉及的两项重要测量参数。 

关于颗粒团聚物的判定，目前较为广泛接受的是Soong等提出的三条原则：(1)团聚物内的颗粒体积分率应显著高于同一位置处的时均颗粒体积分率；(2)团聚物引起的颗粒体积分率的涨落应显著大于背景颗粒的随机涨落；(3)该涨落能够在比颗粒直径大一到两个数量级的采样空间内探测到(参见参考文献1：C.H.Soong，K.Tuzla，J.C.Chen，Proceeding of the FourthInternational Conference on Circulating fluidized beds，PergamonPress，New York(1994))。 

目前，测量两相流中颗粒团聚物速度的方法主要有光纤探针法、电容探头法、激光多普勒法等。光纤探针与电容探头属于介入式测量，测量过程中需将探头插入反应器内，与流动物料直接接触，因此易干扰颗粒流动，测量结果无法反映颗粒运动的真实情况。另外，由于颗粒与插入的探针或探头之间的摩擦会产生静电，静电沿探针或探头传至测量系统的电路部分，影响测量仪器的正常工作。而激光多普勒法只对颗粒浓度极低的两相流系统有效，且要求被测反应器的器壁透明，这极大限制了该仪器的使用范围(参见参考文献2：J.Werther，Powder Technology，Vol.102，P.15(1999))。 

流固两相流设备中颗粒团聚物加速度的测量，需要在团聚物速度准确测量的基础上，跟踪观测其在一段时间内的连续速度变化序列，通过差分法计算得到加速度。现有技术的测量手段，尚无法达到这一要求。 

工业生产中的两相流反应器通常操作于高温、高压状态，这决定了探针探头等介入测量手段不适合工业应用。另外，工业反应器多采用金属材质，不透明的器壁使激光多普勒测速仪等基于光的测量手段无法使用。 

发明内容

本发明的目的是提出一种能够非介入式、无干扰的测量两相流反应器内颗粒团聚物的速度及加速度的方法。 

为实现上述发明目的，本发明提供的测量两相流颗粒团聚物速度的方法包括如下步骤： 

测量两相流颗粒团聚物速度的方法，其特征在于，该方法基于x射线探测装置实现，所述x射线探测装置包括射线源和线状的探测器阵列，反应器位于射线源和探测器阵列之间，所述测量两相流颗粒团聚物速度的方法包括如下步骤： 

1)获取探测器阵列的各探测器单元处的不含流动信息的反应器本底投影信号I_r； 

2)使反应器工作，在一段时间内，获取一系列测量时刻下，各探测器单元处的包含流动信息的投影信号I，得到投影序列I{n，i}，所述n代表探测器单元序号，i代表测量时间点序号； 

3)根据步骤1)得到的反应器本底投影信号I_r和步骤2)得到的投影序列I{n，i}计算出各测量时刻下各探测器单元所对应的颗粒体积分率ε_P，得到颗粒体积分率序列ε_p{n，i}； 

4)根据颗粒体积分率的涨落判断团聚物出现的位置及时刻，根据所判断出的团聚物出现的位置及时刻计算出所述两相流颗粒团聚物速度。 

其中，所述探测器阵列的端点对应的射线与探测器阵列中心射线形成的张角不超过30度。 

其中，所述x射线探测装置的采样频率为大于等于30Hz。 

其中，所述步骤3)中，所述颗粒体积分率按公式 ${\mathrm{\ϵ}}_p=\frac{\ln \left(\frac{I_r}{I}\right)}{{\mathrm{\μ}}_p{l}_i-{\mathrm{\μ}}_f{l}_i}$ 计算，其中μ_p为颗粒的线性衰减系数，μ_f为流体的线性衰减系数，l_i为射线在反应器 内穿过的距离。 

其中，所述步骤3)中，第n个探测器单元对应的射线在反应器的穿过距离值l_i{n}＝l_ic/cos(β{n})；其中l_ic为中心探测器单元对应的射线在反应器内穿过的距离，β{n}为第n个探测器对应的射线与中心射线形成的张角，所述中心射线水平。 

其中，所述步骤4)中，包括如下子步骤： 

41)对颗粒体积分率序列ε_p{n，i}进行滤波，消除噪声的影响； 

42)计算ε_p{n，i}的平均体积分率                                                  

及其涨落的标准偏差σ； 

43)设定团聚物判定阈值ε_c，   

确定用于判定团聚物的k值；确定k值的方法如下：计算不同的k值得到相应的ε_c，并求出对应的团聚物时间分率F_c1，得到F_c1-k关系图，将F_c1的变化拐点对应的k值作为区分团聚物的最佳值； 

44)根据所设定团聚物判定阈值ε_c，判断团聚物出现的位置及时刻。 

其中，所述步骤44)中，包括如下子步骤： 

441)对相邻时刻的颗粒体积分率序列ε_p{n，i}进行互相关运算，得出相邻抽样时间点的数据序列中团聚物在探测器上的投影位移量Δn； 

442)计算团聚物的速度序列 $u_i=\frac{\mathrm{\Δn}\×s}{\mathrm{\Δt}\×M};$ 其中s表示探测器单元长度，M表示放大因子，所述放大因子M是射线源至探测器阵列的距离与射线源至反应器的距离的比值。 

其中，所述放大因子M的取值范围是1.1～2.0。 

本发明还提供了一种测量两相流颗粒团聚物加速度的方法，包括如下步骤： 

1)按照权利要求1所述的方法测得颗粒团聚物的速度序列u_i； 

2)根据公式 $a_i=\frac{u_{i+1}-u_i}{\mathrm{\Δt}},$ 计算得到颗粒团聚物的加速度。 

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果： 

1.本发明采用x射线作为检测信号，测量部件无需插入反应器内部，对流场无干扰； 

2.无需反应器壁透明，应用范围广； 

3.能够在测得团聚物速度的基础上进一步测得所述团聚物加速度。 

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中： 

图1是本发明的系统结构示意图，其中1为X射线源，2为前准直器，3为后准直器，4为探测器阵列，5为三向微调平台，6为被测反应器，7为测量窗口，8为数据采集处理计算机，9为游标导轨； 

图2是敏感性分析确定团聚物判定阈值示意图； 

图3是团聚物的判定示意图； 

图4是互相关系数法确定团聚物位移量示意图； 

图5为团聚物速度序列图； 

图6为团聚物加速度序列图； 

图7是本实施例测量结果与光纤测量结果统计对比示意图。 

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的具体实施方式。 

本发明所涉及的两相流是流固两相流，包括气固两相流和液固两相流，下文中主要以气固两相流为例进行描述。液固两相流的测量原理与方法与气固两相流一致，不再赘述。 

本发明基于x射线探测装置实现，所述x射线探测装置包括射线源和线状的探测器阵列，反应器位于射线源和探测器阵列之间。所述x射线探测装置的结构如图1所示，射线源1与线状的探测器阵列4安装于三向微调平台5上，分位于气固两相流反应器6的两侧，前准直器2与后准直器3约束射束为扇形束，该射线束与反应器相交形成测量窗口7(图1所示为近壁处测量)。本实施例中，反应器为循环流化床的提升管，反应器材质为有机玻璃，反应器内固相物料为玻璃珠，流体为压缩空气；射线源的工作电压为100kV，工作电流为2.1mA；探测器阵列有1536个探测器单元，探测器单元均匀分布，相邻探测器单元的间距为0.4mm。游标导轨9用于测量射线源1、反应器6和探测器阵列4间的距离。探测器阵列4所探测到的数据送至数据采集处理计算机8进行数据处理，得出所测两相流颗粒团聚物的速度和加速度。 

射线穿过物质时，强度发生衰减，这一过程遵从Beer-Lambert定律，如下所示： 

I＝I₀e^-μl

其中，I₀与I分别为入射与出射射线强度，μ为物质的线性衰减系数，l为射线穿过物质的路径长度。对于流固两相流反应器，测量窗口内射线的衰减过程为 

$I=I_0{e}^{-({\mathrm{\μ}}_p{l}_i{\mathrm{\ϵ}}_p+{\mathrm{\μ}}_f{l}_i{\mathrm{\ϵ}}_f+{\mathrm{\μ}}_r{l}_r)}$

其中，μ_p、μ_f、μ_r分别为颗粒、流体(气体或液体)、管壁的线性衰减系数，l_i为射线在反应器内穿过的距离，l_r为射线穿过反应器壁的距离。ε_p、ε_f分别为颗粒与流体的体积分率，ε_p＝1-ε_f。 

$I=I_0{e}^{-({\mathrm{\μ}}_p{l}_i{\mathrm{\ϵ}}_p+{\mathrm{\μ}}_f{l}_i(1-{\mathrm{\ϵ}}_p)+{\mathrm{\μ}}_r{l}_r)}$

当反应器内无物料流动时，其出射强度I_r为： 

$I_r=I_0{e}^{-({\mathrm{\μ}}_r{l}_r+{\mathrm{\μ}}_f{l}_i)}$

因此，联立上述二式对I_r/I求对数， 

$\ln \left(\frac{I_r}{I}\right)={\mathrm{\μ}}_p{l}_i{\mathrm{\ϵ}}_p-{\mathrm{\μ}}_f{l}_i{\mathrm{\ϵ}}_p$

即可得到测量窗口内的颗粒体积分率ε_p， 

${\mathrm{\ϵ}}_p=\frac{\ln \left(\frac{I_r}{I}\right)}{{\mathrm{\μ}}_p{l}_i-{\mathrm{\μ}}_f{l}_i}$

当所述流体为空气时，由于玻璃珠的线性衰减系数比空气大三个数量级，因此，实际计算时，射线在空气中的衰减可以忽略。此时， ${\mathrm{\ϵ}}_p=\frac{\ln \left(\frac{I_r}{I}\right)}{{\mathrm{\μ}}_p{l}_i}.$

由于射线束中不同的张角射线穿过反应器内的距离不同，因此，第n个探测器单元对应的射线在反应器的穿过距离值l_i{n}为 

l_i{n}＝l_ic/cos(β{n}) 

其中，l_ic为中心探测器单元对应的射线在反应器内穿过的距离，β{n}为第n个探测器对应的射线与中心射线形成的张角。本实施例中，所述x射线源与所述中心探测器单元的连线水平，即中心射线水平。 

射线源1至探测器阵列4的距离(即中心射线从射线源1到达中心探测器单元的距离)与射线源1至反应器6的距离(即中心射线从射线源1到达反应器6被测点的距离)的比值是放大因子M。放大因子M用于所述数据采集处理计算机8中的数据处理。本实施例中，放大因子M为1.208。 

前文中提到的团聚物判定三原则可总结为公式   

其中   

为某一测量位置的时均颗粒体积分率，σ为颗粒体积分率涨落的标准偏差，k为标 准偏差的倍数，ε_c为颗粒团聚物的判定阈值，当实测信号大于ε_c时，即可认为是团聚物出现。 

概括地说，本实施例测量两相流颗粒团聚物速度的方法包括如下步骤： 

1)获取探测器阵列的各探测器单元处的不含流动信息的反应器本底投影信号I_r； 

2)使反应器工作，在一段时间内，获取一系列测量时刻下，各探测器单元处的包含流动信息的投影信号I，得到投影序列I{n，i}，所述n代表探测器单元序号，i代表测量时间点序号； 

3)根据步骤1)得到的反应器本底投影信号I_r和步骤2)得到的投影序列I{n，i}计算出各测量时刻下各探测器单元所对应的颗粒体积分率ε_P，得到颗粒体积分率序列ε_p{n，i}； 

4)根据颗粒体积分率的涨落判断团聚物出现的位置及时刻，根据所判断出的团聚物出现的位置及时刻计算出所述两相流颗粒团聚物速度。 

本实施例测量两相流颗粒团聚物速度及加速度的方法的具体步骤如下： 

1)在循环流化床未工作时进行背景信号采集，得到不含流动信息的本底投影信号I_r。 

2)开起流化床，在气固两相流动稳定后，采集包含气固两相流动与反应器本底的投影信号I，本实施例中的采样频率为50Hz，因此可测得物料运动的投影信号序列I{n，i}，n为探测器单元的序号，i为时间抽样点的序号。 

3)按照颗粒体积分率计算公式计算测量窗口内的颗粒体积分率序列ε_p{n，i}，对所述颗粒体积分率序列ε_p{n，i}进行滤波，消除噪声的影响；本实施例中采用小波滤波(wavelet filtering)的滤波方法。 

4)计算ε_p{n，i}的时均体积分率   

及其体积分率涨落的标准偏差σ。 

5)团聚物判定阈值为ε_c，   

对k值进行敏感性分析，确定用于判定团聚物的k值。敏感性分析方法可以是：计算不同的k值得到相应的ε_c，并求出对应的团聚物时间分率F_c1(团聚物时间分率F_c1是团聚物出现的时间长度与总测量时长之比)，得到F_c1-k关系图，F_c1的变化拐点对应的k值即为区分团聚物的最佳 值。拐点的确定方法可以采用拟合法(如图2所示)得出，也可以采用二阶差分法计算得出。在确定k值后，根据上述公式计算得到团聚物的判定阈值ε_c，本实施例中，k的最佳值为1.45，如图2所示； 

6)将团聚物判定标准ε_c应用于颗粒体积分率数据序列，其值大于ε_c即识别为团聚物，如图3所示； 

7)对颗粒体积分率序列ε_p{n，i}进行互相关运算，计算相邻测量时间点的数据序列(测量时间步长为Δt，一般取相邻采样时间点的间隔时间)中团聚物在探测器上的投影的位移量Δn，求出其物理位移量 $\mathrm{\Δ}{d}_i=\frac{\mathrm{\Δn}\×s}{M},$ s为相邻探测器单元间距(是指相邻探测器单元的中心点之间的间距)，根据公式 $u_i=\frac{{\mathrm{\Δd}}_i}{\mathrm{\Δt}}$ 计算团聚物的速度序列。图3为采样序列中相邻时间点的体积分率数据，其互相关系数见图4，本实例中，互相关系数最大处所对应的位移量为-42，意味着ε_p(n，i+1)比ε_p(n，i)要滞后42个探测器单元点，因为相邻探测器单元间距0.4毫米，因此，考虑放大因子M后，ε_p(n，i+1)相对ε_p(n，i)的位移量Δd_i为-13.91毫米； 

8)因为采样频率为50Hz，因此采样时间间隔Δt为20毫秒，根据公式 $u=\frac{\mathrm{\Δd}}{\mathrm{\Δt}},$ 该团聚物的运动速度为-0.696米/秒，负号表示其运动方向向下； 

9)同理通过分析不同采样时刻的颗粒体积分率数据，可计算得到该团聚物运动的速度序列u_i，如图5所示； 

10)根据公式 $a_i=\frac{u_{i+1}-u_i}{\mathrm{\Δt}},$ 可计算得到团聚物运动的加速度序列a_i。 

本实施例中，探测器阵列端点对应的射线与探测器阵列中心射线形成的张角一般不超过30度。所述探测器阵列端点对应的射线与探测器阵列中心射线形成的张角的优选范围是0度到20度。 

本实施例中，探测器的采样频率要大于团聚物出现频率的2倍。根据Nyquist-Shannon采样定理，采样频率高于信号的最高频率的2倍即可达到无混垒采样的要求。团聚物出现的频率一般在5-15Hz，因此，采样频率为大于等于30Hz即可，考虑到更宽的观察范围，本实施例采用的采样频率为50Hz。另外，团聚物速度在0.5-2m/s范围内，当探测器阵列的长度为0.5m，x射线源与探测器阵列距离为1.2m时，要测得团聚物的加速度，最少需要测得三个时刻的团聚物位置，对应0.5-2m/s的速度，需要采样频率 范围为3-12Hz，因此本实施例中，速度对采样频率的要求小于团聚物出现频率对采样频率的要求。一般来说，放大因子M的优选范围是1.1-2.0，选取这个范围有利于捕捉所述两相流颗粒，同时避免由于射线散射而导致颗粒体积分率测量不准。 

图5为使用本实施例的方法测量的团聚物速度序列图，负号表示其运动方向向下；图6为团聚物加速度序列，正值代表团聚物做加速运动，负值代表团聚物做减速运动。 

本应用实例中，采用的激发x射线的工作电压与电流分别为100kV与2.1mA，对于其它材质的反应器，由于其对x射线的线性衰减系数不同，因此在测量时改变工作电压与电流，产生相应强度的x射线，数据分析部分则与该实例完全一致。对于X射线，其穿透能力取决于射线机的工作电压，因此，对于金属材质的反应器，通过调节射线源的工作电压，即可达到穿透不同壁厚的反应器壁的目的。当反应器壁为金属材质时，X射线源的工作电压一般大于200kV。 

图7是本实施例测量结果与光纤测量结果统计对比，由于光纤所测为统计学上的一个概率分布，二者很难针对一个特定的团聚物进行测量验证，只能根据测量结果的概率密度分布进行对比。如图7所示，本实施例测得速度分布与光纤测量所得的速度分布吻合较好。本发明的测量部件无需插入反应器内部，对流场无干扰；无需反应器壁透明；并且能够进一步测得所述团聚物运动的加速度，因此应用前景十分广阔。 

最后，以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (9)

1.一种测量两相流颗粒团聚物速度的方法，其特征在于，该方法基于x射线探测装置实现，所述x射线探测装置包括射线源和线状的探测器阵列，反应器位于射线源和探测器阵列之间，所述测量两相流颗粒团聚物速度的方法包括如下步骤：

1)获取探测器阵列的各探测器单元处的不含流动信息的反应器本底投影信号I_r；

2)使反应器工作，在一段时间内，获取一系列测量时刻下，各探测器单元处的包含流动信息的投影信号I，得到投影序列I{n，i}，所述n代表探测器单元序号，i代表测量时间点序号；

3)根据步骤1)得到的反应器本底投影信号I_r和步骤2)得到的投影序列I{n，i}计算出各测量时刻下各探测器单元所对应的颗粒体积分率ε_P，得到颗粒体积分率序列ε_p{n，i}；

4)根据颗粒体积分率的涨落判断团聚物出现的位置及时刻，根据所判断出的团聚物出现的位置及时刻计算出所述两相流颗粒团聚物速度。

2.根据权利要求1所述的测量两相流颗粒团聚物速度的方法，其特征在于，所述探测器阵列的端点对应的射线与探测器阵列中心射线形成的张角不超过30度。

3.根据权利要求1所述的测量两相流颗粒团聚物速度的方法，其特征在于，所述x射线探测装置的采样频率为大于等于30Hz。

4.根据权利要求1所述的测量两相流颗粒团聚物速度的方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述颗粒体积分率按公式

计算，其中μ_p为颗粒的线性衰减系数，μ_f为流体的线性衰减系数，l_i为射线在反应器内穿过的距离。

5.根据权利要求4所述的测量两相流颗粒团聚物速度的方法，其特征在于，所述步骤3)中，第n个探测器单元对应的射线在反应器内穿过的距离l_i{n}＝l_ic/cos(β{n})；其中l_ic为中心探测器单元对应的中心射线在反应器内穿过的距离，β{n}为第n个探测器单元对应的射线与中心射线形成的张角，所述中心射线水平。

6.根据权利要求1所述的测量两相流颗粒团聚物速度的方法，其特征在于，所述步骤4)中，包括如下子步骤：

41)对颗粒体积分率序列ε_p{n，i}进行滤波，消除噪声的影响；

42)计算ε_p{n，i}的平均体积分率

及其体积分率涨落的标准偏差σ；

43)设定团聚物判定阈值ε_c，

确定用于判定团聚物的k值；确定k值的方法如下：计算不同的k值得到相应的ε_c，并求出对应的团聚物时间分率F_c1，得到F_c1-k关系图，将F_c1的变化拐点对应的k值作为区分团聚物的最佳值；

44)根据所设定团聚物判定阈值ε_c，判断团聚物出现的位置及时刻。

7.根据权利要求6所述的测量两相流颗粒团聚物速度的方法，其特征在于，所述步骤44)中，包括如下子步骤：

441)对相邻时刻的颗粒体积分率序列ε_p{n，i}进行互相关运算，得出相邻测量时间点的颗粒体积分率序列中团聚物在探测器阵列上的投影位移量Δn；

442)计算团聚物的速度序列

其中s表示探测器单元长度，M表示放大因子，所述放大因子M是射线源至探测器阵列的距离与射线源至反应器的距离的比值。

8.根据权利要求7所述的测量两相流颗粒团聚物速度的方法，其特征在于，所述放大因子M的取值范围是1.1～2.0。

9.一种测量两相流颗粒团聚物加速度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)按照权利要求7所述的方法测得颗粒团聚物的速度序列u_i；

2)根据公式

计算得到颗粒团聚物的加速度。

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