CN1039748C - 测量非均匀气固两相流颗粒浓度同时得到速度的方法及探针 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量非均匀气固两相流中颗粒浓度同时得到速度的方法及探针。其要点是通过限制测量颗粒浓度的光纤探针端部的测量体积来实现颗粒浓度测量的局域化和线性化，通过同时测量瞬时颗粒浓度和动压强，得到瞬时颗粒真实速度，然后对其进行浓度加权平均得到颗粒平均速度。本发明提出的测量方法和探针集浓度和速度测量于一体，结构简单，标定方便，解决了浓度测量中的标定和速度中的平均值问题，可用于石油、化工、冶金、能源、环境和材料等领域。

Description

测量非均匀气固两相流颗粒浓度同时得到速度的方法及探针

本发明涉及冶金行业中的一种测量技术，特别是涉及一种测量非均匀气固两相流中颗粒浓度同时得到速度的方法及专用探针。

气固两相流是物质转换、能源利用和环境保护过程中的重要操作方式之一，其特征为既存在局部不均匀性(表现为颗粒和气流分别聚集形成稀、密两相)，又存在整体不均匀性(表现为径向和轴向颗粒浓度的不均匀分布)。这种高度不均匀的流动结构对反应器性能影响很大，因此对于科研和工业过程控制来讲，测量这种非均匀结构是一项极为重要的工作，其中颗粒浓度和速度的测量是这项工作的两个重要内容。

然而，由于稀密两相结构的存在，测量工作极其复杂，尽管许多研究者从事这一工作，目前仍然找不到测量颗粒速度和浓度的合理方法(R.A.Williams，C.G.Xie，F.J.Dickin，S.J.R.Simons and M.S.Beck，Powder Technology，Vol.66，P.203(1991))，其原因在于以下两方面的困难：

1.均匀的气固两相流是不存在的(尤其是颗粒浓度较高时)，而现有探针又都是非线性

  的，所以颗粒浓度测量的标定极为困难。

2.在系统某一局部，稀、密两相随时间交替变化，因此，首先要测量瞬时颗粒速度，再

  求得其时间平均值，而瞬时速度的连续直接测量十分困难，其时间平均值的求取又

  存在很多异议。

目前，已有的颗粒速度测量方法主要有互相关法、激光多普勒法、动量法和取样法等。尽管互相关法可以近似得到某些瞬时的颗粒速度(主要是聚团速度)，但很难连续测量颗粒速度的瞬时变化，激光多普勒法适用于很稀的流动，目前的动量法和取样法也只得到时间平均信号。

已有的颗粒浓度测量方法主要有：光纤法、X射线、γ射线、取样等，除光纤法可以进行局部和瞬时测量外，其它均为时间平均和整体测量，而现有的光纤探针大都由于有无限的测量体积(Krohn.，D.A.，SPIE Vol.718，Fiber Optic and Laser Sensors IV，p.122(1986))而很难实现局域化和线性化，难以标定。

前人在颗粒浓度测量中注重于探针的标定，未提出过通过设计探针结构来解决标定的方案。在颗粒速度测量中，前人应用直接时间平均法或由平均浓度和平均动压强求取平均速度。分析表明，这两种方法实际上是不可行的。

本发明的目的在于：提出一种可以测量瞬时颗粒浓度同时得到速度的方法及探针，克服目前颗粒速度测量中直接进行真实速度时间平均带来的误差，由瞬时浓度和瞬时速度通过加权时间平均得到正确的颗粒平均速度。本发明的目的是这样实现的：

本发明的专用于测量非均匀气固两相流颗粒浓度同时得到颗粒速度的探针是由入射光纤、反射光纤、角度定位头、受力元件、外套主要部件组成。探针外套内用固定物固定入射光纤和反射光纤，用光纤交叉角度定位头固定入射光和反射光的交角，受力元件和受力元件分别固定在光纤探针前端。光学玻璃固定在光纤探针外套的前端。入射光纤和反射光纤可以是单根，也可是多根组成的光纤柬，传输入射光的光纤和传输反射光的光纤形成大于其捕捉角的交角。入射光和反射光的交角可以通过调整两光纤的几何角度，也可以通过任何可以改变两光纤捕捉角重叠区域大小的手段如附加光学器件来实现，测量的线性取决于测量体积的大小；受力元件可以是任何具有一定响应频率可连续感受颗粒动压强的传感器如应力应变片、压电晶体、微型压力传感器等。

使用该探针进行测量过程如下：由入射光纤和反射光纤为主体组成的探针，两光纤的捕捉角的重叠区域(即测量体积)很小(见图2)，只有这一很小区域的信号可以被探针响应，所以实现了区域化测量，局域化的程度取决于测量体积的长度l_max＝dfsinβ/2+(dfcosβ+δ/2)/tg(β-θ)(见图2定义)。将探针放在被测系统内，通过调整探针的入射光纤和反射光纤交角或者通过任何可以改变两光纤捕捉角重叠区域大小限止测量体积l_max，入射光被测量体积中的颗粒反射到接收光纤后转换成电信号，该电信号与颗粒浓度成正比，通过对固定床和纯空气流的标定值求得1-ε(t)，两受力元件(微型传感器)直接输出颗粒瞬时动压强P(t)，根据公式 和u_d(t)=v_d(t)(1-ε(t))得到瞬时颗粒真实速度v_d(t)和瞬时颗粒表观速度u_d(t)，并对真实速度进行浓度加权时间平均求取颗粒平均真实速度 或对表观速度直接时间平均得到颗粒平均表现速度

简单说本发明的方法即：通过缩小颗粒浓度测量中探针端部的测量体积，使探针仅仅接受这一有限体积内颗粒的反射光，满足局域化的要求。利用气固系统两相结构的特点，通过局域化来实现测量的线性化。本发明的另一个关键是同时测量某一局部的瞬时颗粒浓度和动压强，从而得到瞬时颗粒起初蘧度或表观速度二然后对真实速度进行浓度加权时间平均得到颗粒平均速度。

本发明与已有测量方法比较具有以下优点：

1.可以同时测量颗粒浓度和速度，既可以得到瞬时值，又可以得到平均值；

2.浓度测量实现了局域化和线性化，简化了标定过程，速度测量实现了瞬时化，这对于

  研究和了解流动结构极为重要；

3.得到正确反映实际情况的颗粒平均速度。纠正了常规方法中直接时间平均的错误。下面结合附图及具体实施方案对本发明作进一步详细地说明：

图1为本发明的复合探针结构图，其中：(1)入射光纤；(2)反射光纤；(3)光纤交叉角度定位头；(4)固定物；(5)光学玻璃；(6)外套；(7)受力元件1；(8)受力元件2图2为测量颗粒浓度的光纤探针原理示意图，其中：(1)入射光纤；(2)反射光纤；(5)光学玻璃；(9)测量体积图3为本发明与常规光纤探针(两光纤平行排列，即β＝0)对颗粒浓度响应的比较，其中：曲线A为常规光纤探针对颗粒浓度的响应；曲线B为本发明探针对颗粒浓度的响应图4为本发明的复合探针对颗粒浓度和动压强的响应信号，其中：图4a是探针对颗粒浓度的瞬时响应；图4b是探针对颗粒动压强的瞬时响应图5为由图4信号转化的瞬时颗粒真实速度和表观速度，其中：图5a是瞬时颗粒表观速度；图5b是瞬时颗粒真实速度图6为用本发明的复合探针测量的垂直气固两相流系统中颗粒浓度和颗粒平均速度的径向分布，其中：图6a是颗粒真实速度直接时间平均所得径向分布；图6b是颗粒真实速度浓度加权时间平均所得径向分布

颗粒流体两相流由稀密两相组成，颗粒浓度和速度变化的波形如图4、图5所示。对于浓度测量，其时间平均值为：

              1- ε＝1-[ε_cf+ε_f(1-f)]其中， ε：平均空隙率；ε_c：浓相空隙率；ε_f：稀相空隙率；f：浓相体积百分比。对应的信号的时间平均值：

                        Y＝Y_cf+Y_f(1-f)其中，Y：光纤探针输出信号平均值；Y_ε：光纤探针对应浓相的输出信号；Y_f：光纤探针对应稀相的输出信号。在探针具有局域化的条件下，探针对稀相(气泡)的响应为零，即：ε_f＝1.0时，Y_f＝0，可以推得： $1-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{1-{\mathrm{\ϵ}}_c}{Y_c}Y$ 对于气固两相流而言，ε_c可以看作常量，因此Y_c也为常量。由此可见，如果探针具有很好的局域性，平均浓度与信号输出的时间平均值应成线性关系。为此，本发明通过致力于设计很小的测量体积来实现探针的局域性，从而解决了标定问题，实现线性测量。

如前所述，在颗粒速度测量中，一般的方法是将如图5所示真实颗粒速度进行时间平均，即 ${{\stackrel{\‾}{V}}^{\′}}_d=\frac{1}{T}{\∫}_O^T{v}_d\left(t\right)\mathrm{dt}$ 其中， V′_d：颗粒真实速度直接时间平均值；T：积分时间；v_d(t)：瞬时颗粒真实速度。然而，这样的平均是不合理的，因为在不均匀系统中，尽管稀相中颗粒速度很高，但颗粒数目却很少，因而对平均速度的贡献并不大，而密相中颗粒速度低，但由于其数目很多，对平均速度的贡献很大，以上直接时间平均值未考虑稀密相中的这一差别，因而是不正确的。正确的平均值应考虑浓度的加权。然而，颗粒流率可以直接时间平均，即： $G_s=\frac{1}{T}{\∫}_O^T{g}_s\mathrm{dt}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_P}{T}{\∫}_O^T{v}_d\left(t\right)(1-\mathrm{\ϵ}\left(t\right))\mathrm{dt}$

其中，G_s：平均颗粒流率；g_s(t)：瞬时颗粒流率；ρ_p：颗粒密度；ε(t)：瞬时空隙率。因此，正确的真实颗粒速度平均值为： ${\stackrel{\‾}{V}}_d=\frac{G_s}{{\mathrm{\ρ}}_P(1-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}})}=\frac{1}{(1-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}})T}{\∫}_O^T{v}_d\left(t\right)(1-\mathrm{\ϵ}\left(t\right))\mathrm{dt}$

其中，V_d：颗粒真实速度浓度加权时间平均值。很显然， V_d≠ V′_d，也就是说，正确的颗粒速度的平均值应考虑浓度的加权。为此，本发明通过同时测量瞬时颗粒浓度和速度，然后进行加权平均，或将表观速度进行时间平均来测量颗粒速度的平均值。

在光纤探针对颗粒浓度响应的同时，两受力元件对颗粒动压强作出响应，图1中(8)响应向上运动的颗粒，(7)响应向下运动的颗粒。因此可以得到瞬时颗粒动压强的变化信号，动压强与信号之间的关系可用皮托管在单相气流中标定。图4为测量结果的典型示例，根据图4中瞬时颗粒浓度和瞬时颗粒动压强，即可由以下公式计算瞬时颗粒真实速度和表观速度： $v_d\left(t\right)=\sqrt{\frac{2P\left(t\right)}{{\mathrm{\ρ}}_P(1-\mathrm{\ϵ}\left(t\right))}}$

                   u_d(t)＝v_d(t)(1-ε(t))其中，v_d(t)：瞬时颗粒真实速度；u_d(t)：瞬时颗粒表观速度；P(t)：瞬时颗粒动压强。结果如图5所示。对所得速度波形采用两种方法平均，用直接的时间平均所得速度为0.61m/s，而浓度加权平均则得到0.37m/s，说明直接时间平均是不合理的。图6在为快速流化床中测量的空隙率(6-a)和颗粒平均速度径向分布(6-b)，图中同时标出了用直接时间平均法计算的颗粒平均速度，很显然，直接时间平均法得到的颗粒速度和浓度加权平均值差别很大。

由(1)和(2)为主体的光纤探针，两光纤的捕捉角的重叠区域(即测量体积)很小(见图2)，只有这一很小区域的信号可以被探针响应，所以实现了区域化测量，局域化的程度取决于测量体积的长度l_max(见图2定义)。

由前述可知，局域化的探针对颗粒浓度呈线性响应，图3为本发明与常规光纤探针(两光纤平行排列，即β＝0)对颗粒浓度响应的比较，可见本发明接近于线性响应。因此，其信号与颗粒浓度的响应关系可通过分别测量最小流化状态和纯空气时的信号来确定。而常规平行排列的探针呈高度非线性响应。

Claims (4)

1.一种测量非均匀气固两相流中颗粒浓度同时得到速度的探针，包括探针、光纤、探针外套，其特征在于：探针外套(6)内用固定物(4)固定入射光纤(1)和反射光纤(2)，用光纤交叉角定位头(3)固定入射光和反射光的交角，受力元件(7)和受力元件(8)分别固定在光纤探针前端，光学玻璃(5)固定在光纤探针外套的前端。

2.按权利要求1所述的探针，其特征在于所使用的入射光纤和反射光纤可以是单根，也可是多根组成的光纤束；传输入射光的光纤和传输反射光的光纤形成大于其捕捉角的交角。

3.按权利要求1、2所述的探针，其特征在于受力元件可以是任何具有一定响应频率可连续感受颗粒动压强的传感器如应力应变片、压电晶体、微型压力传感器等。

4.一种测量非均匀气固两相流中颗粒浓度同时得到颗粒速度的方法，其特征在于：使用权利要求1所述的专用探针，将探针放在被测系统内，通过调整探针的入射光纤和反射光纤交角或者通过任何可以改变两光纤捕捉角重叠区域大小限止测量体积l_max，入射光被测量体积中的颗粒反射到接收光纤后转换成电信号，该电信号与颗粒浓度成正比。通过对固定床和纯空气流的标定值求得1-ε(t)，两受力元件(7)和(8)直接输出颗粒瞬时动压强P(t)，根据公式 和u_d(t)=v_d(t)(1-ε(t))得到瞬时颗粒真实速度v_d(t)和瞬时颗粒表观速度u_d(t)，并对真实速度进行浓度加权时间平均求取颗粒平均真实速度 或对表观速度直接时间平均得到颗粒平均速度

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