CN105842130B - 一种非牛顿基液流体纳米颗粒团聚超声监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非牛顿基液流体纳米颗粒团聚超声监测装置及方法，包括样品池和超声波直探头，样品池内设置有用于放置纳米溶液的流体输送槽，流体输送槽内设置有反射板，超声波直探头用于发出超声波脉冲到流体输送槽内的反射板上，并接收反射板反射回的反射波，超声波直探头经过超声脉冲发射接收仪连接至数据采集处理系统，通过超声脉冲发射接收仪发送至数据采集处理系统对其进行数据处理。利用本方法可得到纳米溶液内部粒子团簇的平均半径和粒子簇团在单位时间内的位移等特性参数，实时监测纳米溶液分形结构中随机行走途径的分形维数和不同粒径的颗粒在全部纳米颗粒中所占的权重，准确测量固‑液两相流中颗粒相的声衰减系数，实现快速在线监测。
Description
【技术领域】
本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种流动状态下非牛顿基液中纳米颗粒团聚现象的超声波监测装置及方法。
【背景技术】
目前，主流的观测纳米溶液中颗粒扩散行为的方法都是基于激光散斑法的原理，这些方法由于穿透能力有限，需要对样品进行采样、稀释后测量，不适合高浓度下的在线测量，且对光路设备要求较高、测量存在较大误差、对所得数据和图像的后期处理较难，此外还有许多其他方法，但这些方法的缺点主要存在两方面：一是只能在静态条件下观测非牛顿流体中纳米颗粒扩散现象，没有考虑流体流动对颗粒传质现象的影响，二是在观测过程中由于与非牛顿流体的基液产生直接接触，而对观测结果产生了无法避免的影响。
非牛顿流体流场中纳米颗粒具有一系列独特的输运，扩散，团簇，与固体边界的相互作用等基本现象，而接触性观测测量容易促使非牛顿流体在输运中呈现出管流剪切变稀、应力松弛、蠕变、滞后、残余应力、粘弹性回复及滑移等现象，这些现象将势必对流场中的纳米颗粒产生重要的影响，现有文献包括法国巴黎皮埃尔和玛丽居里大学Jean Le RondD’Alembert国际联合实验室Michael Baudoin教授等研究声冲击波在纳米颗粒悬浮液中传播时，悬浮液浓度的变化以及颗粒与液体间流速的变化等均会引起声散射场的变化；上海理工大学苏明旭等采用高频宽带超声衰减谱来表征纳米颗粒粒度；北京理工大学的徐春广、阎红娟等提供了一种高精度多相流体密度和浓度及颗粒粒度的超声阵列检测方法等，并没有关于如何使用超声测量装置测量流动状态下非牛顿基液中纳米颗粒分形结构随机行走途径的分形维数以及不同粒径的颗粒在全部纳米颗粒中所占权重的监测方法，本发明便是考虑到上述方法存在的种种缺陷，提出一种在纳米溶液的研究以及实际应用中可以广泛采用的手段。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种非牛顿基液流体纳米颗粒团聚超声监测装置及方法，是一种实时高精度检测纳米溶液中粒子的扩散-团聚-沉降现象对其流体特性影响的方法。
本发明采用以下技术方案：
一种非牛顿基液流体纳米颗粒团聚超声监测方法，包括以下步骤：
(1)以计量泵向纳米流体容纳池内注入纳米流体，模拟动态纳米流体；
(2)在纳米流体容纳池内沿垂直方向设置反射板，在反射板上沿垂直方向设置多个检测点，超声脉冲经反射板反射后被超声波接收仪接收，记录经反射后的超声脉冲强度V1以及超声波探头与反射板之间的距离r1；
(3)超声波探头发出的超声波强度以及超声波探头与反射板之间的距离不变，依次移动超声波探头对第二个、第三个……第N个检测点发出超声波脉冲，依次记录第二个、第三个……第N个检测点经反射后的超声脉冲强度V2、V3、……VN，直至完成对所有检测点的测量；
(4)移动反射板位置，使超声波探头和反射板之间的距离为r2，改变超声波探头发出的超声波强度，重复步骤(2)到步骤(3)，记录经反射后的超声脉冲强度V1'、V2'、V3'、……VN'；
(5)根据步骤(2)至步骤(4)的得到的超声脉冲强渡和超声波探头和反射板之间的距离获取频谱图，然后将该频谱图利用最优正则化反演算法得到纳米溶液中颗粒团簇的粒径分布图，根据所述粒径分布图获得纳米溶液内部粒子的位移l、分形维数dw和不同粒径的颗粒在全部纳米颗粒中所占的权重βi。
所述步骤(5)的频谱图根据以下方法获得：首先根据反射前后超声波强度的变化计算声衰减系数，然后将声衰减系数换算为声波频率信号，然后再将声波频率信号通过快速傅里叶变换得到频谱图。
所述的声衰减系数根据以下公式计算：
其中，α为声衰减系数，Vi'和Vi分别表示超声探头与反射板距离为r2和r1处的超声波强度。
所述声波频率信号的计算公式为：α＝α0ωγ，其中，ω为声波频率信号，α0为大于0的实数，介质参数γ为0到2的任意实数。
所述纳米溶液内部粒子的位移l的计算公式为：
其中，kB表示玻尔兹曼常数，T表示绝对温度，μ表示纳米流体的动力粘度，当粒子浓度小于5％时，粒子浓度引起的粘性变化可以忽略，μ表示基液的粘度系数。
所述的纳米溶液内部粒子的分形维数dw的计算公式为：
其中，L表示t时间后随机行走的平均距离，L计算公式为：L＝l·t。
所述不同粒径的颗粒在全部纳米颗粒中所占的权重βi的计算公式为：
R＝Riβi
其中，R为流体中纳米颗粒的平均粒径，Ri为被测纳米颗粒的粒径。
所述纳米流体被注入到纳米流体容纳池之前，首先将纳米流体直接置于超声场中，用超声波加以振动，克服纳米颗粒原有粒子之间的作用力，使纳米颗粒分散于液体中。
步骤(4)中，移动反射板位置时，保证注入到纳米流体容纳池内的流速不变。
一种非牛顿基液流体纳米颗粒团聚超声监测装置，包括纳米流体容纳池以及超声波发射接收仪，在纳米流体容纳池连接有计量泵用以向纳米流体容纳池内注入纳米流体，所述纳米流体容纳池内垂直放置有反射板，用于对超声脉冲进行反射，该反射板上述沿垂直方向依次设置有多个检测点，超声脉冲以直线方式打在该检测点上，所述的超声波发射接收仪的输出端进一步连接有数据处理单元，数据处理单元根据超声脉冲反射后强度发生的变化获取纳米流体中颗粒团簇的粒径分布图。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明实现了对待测流体动态条件下悬浮颗粒的无接触观测测量，避免了超声换能器与非牛顿基液接触造成损坏，并使观测者难以判断纳米颗粒的独特“反常”现象究竟是由于非牛顿流体基液与其相互作用所引起的还是接触性测量所带来的实验误差，超声波具有良好的穿透性，并具有较宽的频带，可以确保测量纳米级到毫米级的颗粒粒径范围，宽带超声能快速精确测量颗粒尺寸分布。
最优正则化算法(ORT)，反演计算得到该纳米溶液中颗粒团簇的粒径分布；通过快速傅里叶变换，缩短了反演计算时间，准确测量固-液两相流中颗粒相的声衰减系数，可近似得出不同粒径的颗粒在全部纳米颗粒中所占的权重，测量结果受透光性及浓度变化影响较小，有限监测纳米颗粒团聚沉淀现象，超声衰减谱法的非浸入式测量特性，可实现快速在线监测。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【附图说明】
图1为本发明监测装置示意图。
【具体实施方式】
本发明提供了一种非牛顿基液流体纳米颗粒团聚超声监测方法，主要利用超声波在纳米颗粒两相介质中传播时的声衰减谱，通过声衰减普与数学模型的比较和反演计算可获得颗粒相的粒度分布和浓度分布，可对生产生活实践中大量出现的纳米颗粒团聚沉淀现象对非牛顿流体在流动状态下传质现象的影响进行监测，当纳米颗粒悬浮后，决定其悬浮稳定性与数量的决定性因素是纳米颗粒之间、纳米颗粒与基液之间相互作用力的综合效果。此时将纳米溶液注入到流体输送槽中，此时观测到的纳米颗粒聚集-沉淀现象便是重力作用下流动过程中纳米颗粒真实的团聚效果。因此，准确测量超声波在颗粒两相介质中的声衰减谱、数学模型的选择、反演算法的研究是该技术所采用原理的三个重要组成部分。
一种非牛顿基液流体纳米颗粒团聚超声监测方法，具体步骤包括：
第一步，为保证实施方法的可靠性，在纳米流体的制备过程中需要先采用超声分散法来分散纳米颗粒，将纳米溶液直接置于超声场中，用超声波加以振动，克服纳米颗粒原有粒子之间的作用力，使纳米颗粒分散于液体中。将配置好的非牛顿基液纳米溶液装入保温型计量泵中，调节保温型计量泵的温度和流量，将纳米溶液灌入流体输送槽内；配置以非牛顿流体为基液的纳米溶液，并加热到所想要的温度，将保温型计量泵调节到所需流量，使用保温型计量泵将纳米溶液灌入流体输送槽，保温型计量泵流量可以在0-100％范围内无级调节，且能够保持所需的流体温度。
第二步，在流体输送槽侧面设置一系列的测量点，便于纳米颗粒在重力影响下的扩散传质现象得到捕捉和观测，启动超声脉冲发射接收仪和数据采集处理系统，使超声脉冲发射接收仪通过超声波直探头发射超声波脉冲，调节超声波直探头的位置，使其刚好对准流体输送槽最上边的一个测量点，超声脉冲发射接收仪通过超声波直探头向流体输送槽发射超声波脉冲，数据采集处理系统记录超声波强度V1和测量探头与反射板之间的距离r1。
第三步，维持流速不变，调节反射板与超声波直探头之间的距离，数据采集处理系统重新记录测量点超声波强度V2和测量探头与反射板之间的距离r2，根据声衰减系数α换算获得声波频率信号ω；
将超声波直探头的位置调整到下一个待测量的点重复上述步骤，然后调节反射板到超声波直探头之间的距离，维持流速不变，重新对测量点进行测量，实现变声程测量。超声波粒度分析法的基本测量为声衰减系数，单声程测量需已知多个参数(比如缓冲块的声衰减系数)，而变声程测量则很好地避免了这个问题，本方法中只需改变一次超声波直探头到反射板的距离，通过两次测量，得到超声波频谱幅度和超声波直探头与反射板之间距离的改变量便可得到声衰减系数。
由于纳米颗粒粒径远小于超声波波长，因此符合“长波长条件”，此条件下采用ECAH的简化模型，即McClements模型，结合声散射模型BLBL(Bouguer-lambert-Beer-Law)预测超声声能损失。试样颗粒呈球形且假设与入射平面波仅发生一次作用，颗粒和外部连续流体介质中将产生三种不同模式波：压缩波、热波和剪切波，由于剪切波和热波在液体中迅速衰减而不能被远场探测器检测到，因此最终固-液两相流中颗粒相的声衰减系数仅与压缩波散射系数有关。本实验系统的声衰减系数可由下式给出：
式中V1和V2分别表示超声探头与反射板距离为r1和r2处某一频率的超声波强度。
第四步，数据采集处理系统将声波频率信号ω通过快速傅里叶变换得到频谱图，再用最优正则化反演算法得到纳米溶液中颗粒团簇的粒径分布图，根据粒径分布图获得纳米溶液内部粒子的位移l、分形维数dw和不同粒径的颗粒在全部纳米颗粒中所占的权重βi。
声波频率信号ω的计算公式为：α＝α0ωγ，其中α0为大于0的实数，介质参数γ为0到2的任意实数。
利用接收与发射的声波信号计算纳米溶液内部粒子团簇的平均半径和粒子簇团在单位时间内的位移等特性参数，可实时监测纳米溶液分形结构中随机行走途径的分形维数和不同粒径的颗粒在全部纳米颗粒中所占的权重。
根据此模型，将溶液中采集到的超声反射信号经过快速傅里叶变换得到频谱图，已获得的声衰减谱将采用最优正则化反演算法(Optimum regularization technique,ORT)进行反演计算就可以得到纳米溶液中颗粒团簇的粒径分布。根据粒径分布的正态图像便可以得到统计意义上纳米溶液内部粒子团簇的平均半径r，这反映了纳米溶液内部粒子簇团聚集的紧密程度，对于回转半径为r的粒子簇团，该粒子簇团在单位时间内的位移l为：
式中kB表示玻尔兹曼常数，T表示绝对温度，μ表示流体(含粒子)的动力粘度，当粒子浓度小于5％时，粒子浓度引起的粘性变化可以忽略，μ可以直接使用基液的粘度系数。
若用dw表示分形结构中随机行走途径的分形维数，则有用L表示t时间后随机行走的平均距离，L计算公式为：L＝l·t。
此外，若流体中存在若干种已知粒径的颗粒但其在全部纳米颗粒中的比例未知，根据实验所得流体中纳米颗粒的平均粒径R可以近似得到不同粒径Ri的颗粒在全部纳米颗粒中所占的权重βi：R＝Riβi。
请参阅图1所示，本发明还公开了一种非牛顿基液流体纳米颗粒团聚超声监测装置，该套监测设备包括样品池和超声波直探头，样品池内设置有用于放置纳米溶液的流体输送槽，流体输送槽内设置有反射板，反射板可在流体输送槽内部左右移动，超声波直探头用于发出超声波脉冲到所述流体输送槽内的反射板上，并接收反射板反射回的反射波，超声波直探头经过超声脉冲发射接收仪连接至数据采集处理系统，通过超声脉冲发射接收仪发送至数据采集处理系统对其进行数据处理。
Claims (7)
1.一种非牛顿基液流体纳米颗粒团聚超声监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)以计量泵向纳米流体容纳池内注入纳米流体，模拟动态纳米流体；
(2)在纳米流体容纳池内沿垂直方向设置反射板，在反射板上沿垂直方向设置多个检测点，超声脉冲经反射板反射后被超声波接收仪接收，记录经反射后的超声脉冲强度V1以及超声波探头与反射板之间的距离r1；
(3)超声波探头发出的超声波强度以及超声波探头与反射板之间的距离不变，依次移动超声波探头对第二个、第三个……第N个检测点发出超声波脉冲，依次记录第二个、第三个……第N个检测点经反射后的超声脉冲强度V2、V3、……VN，直至完成对所有检测点的测量；
(4)移动反射板位置，使超声波探头和反射板之间的距离为r2，改变超声波探头发出的超声波强度，重复步骤(2)到步骤(3)，记录经反射后的超声脉冲强度V1'、V2'、V3'、……VN'；
(5)根据步骤(2)至步骤(4)的得到的超声脉冲强度 和超声波探头和反射板之间的距离获取频谱图，然后将该频谱图利用最优正则化反演算法得到纳米溶液中颗粒团簇的粒径分布图，根据所述粒径分布图获得纳米溶液内部粒子的位移l、分形维数dw和不同粒径的颗粒在全部纳米颗粒中所占的权重βi；
所述纳米溶液内部粒子的位移l的计算公式为：
其中，kB表示玻尔兹曼常数，T表示绝对温度，μ表示纳米流体的动力粘度，当粒子浓度小于5％时，粒子浓度引起的粘性变化可以忽略，μ表示基液的粘度系数，r表示根据粒径分布的正态图像得到的统计意义上纳米溶液内部粒子团簇的平均半径；
所述的纳米溶液内部粒子的分形维数dw的计算公式为：
其中，L表示t时间后随机行走的平均距离，L计算公式为：L＝l·t；
所述不同粒径的颗粒在全部纳米颗粒中所占的权重βi的计算公式为：
R＝Riβi
其中，R为流体中纳米颗粒的平均粒径，Ri为被测纳米颗粒的粒径。
2.根据权利要求1所述的一种非牛顿基液流体纳米颗粒团聚超声监测方法，其特征在于：所述步骤(5)的频谱图根据以下方法获得：首先根据反射前后超声波强度的变化计算声衰减系数，然后将声衰减系数换算为声波频率信号，然后再将声波频率信号通过快速傅里叶变换得到频谱图。
3.根据权利要求2所述的一种非牛顿基液流体纳米颗粒团聚超声监测方法，其特征在于：所述的声衰减系数根据以下公式计算：
其中，α为声衰减系数，Vi'和Vi分别表示超声探头与反射板距离为r2和r1处的超声波强度。
4.根据权利要求2所述的一种非牛顿基液流体纳米颗粒团聚超声监测方法，其特征在于：所述声波频率信号的计算公式为：α＝α0ωγ，其中，ω为声波频率信号，α0为大于0的实数，介质参数γ为0到2的任意实数。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种非牛顿基液流体纳米颗粒团聚超声监测方法，其特征在于：所述纳米流体被注入到纳米流体容纳池之前，首先将纳米流体直接置于超声场中，用超声波加以振动，克服纳米颗粒原有粒子之间的作用力，使纳米颗粒分散于液体中。
6.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种非牛顿基液流体纳米颗粒团聚超声监测方法，其特征在于：步骤(4)中，移动反射板位置时，保证注入到纳米流体容纳池内的流速不变。
7.一种基于权利要求1至6中任一项所述的一种非牛顿基液流体纳米颗粒团聚超声监测方法的装置，其特征在于：包括纳米流体容纳池以及超声波发射接收仪，在纳米流体容纳池连接有计量泵用以向纳米流体容纳池内注入纳米流体，所述纳米流体容纳池内垂直放置有反射板，用于对超声脉冲进行反射，该反射板沿上述垂直方向依次设置有多个检测点，超声脉冲以直线方式打在该检测点上，所述的超声波发射接收仪的输出端进一步连接有数据处理单元，数据处理单元根据超声脉冲反射后强度发生的变化获取纳米流体中颗粒团簇的粒径分布图。
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