CN106226214A - 一种稀相气固两相流粒子浓度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稀相气固两相流粒子浓度测量系统和方法，测量系统包括设置在管道一端的鼓风机、与管道连通的送料罐和PIV测量组件；送料罐中装有粒子，PIV测量组件包括激光光源和高速摄像机，高速摄像机连续拍摄粒子运动的图像。测量方法为：利用高速摄像机以1024×1024的分辨率连续拍摄1024张粒子的运动图像；取D×L×b的矩形体积块为测量域，把测量域沿垂直方向分割成n个小区域，使用SigmaScan Pro5软件计算出每个小区域内的粒子个数,进而计算每个小区域内的粒子浓度。本发明能够有效测量出粒子在管道内不同位置的瞬态浓度大小和整个测量域的平均浓度大小。

Description

一种稀相气固两相流粒子浓度测量系统及方法

技术领域

本发明涉及气力输送系统中稀相气固两相流的浓度测量系统及其计算方法。

背景技术

气固两相流广泛的存在于能源、化工、食品、制药等工业过程，由于气固两相流流型多样复杂，需要了解并掌握其复杂的流动规律，才能有效的监控设备运行情况并对其进行优化控制。

作为两相流的关键参数之一，固相粒子浓度测量一直是气固两相流领域研究的热点问题。根据不同的测量原理，粒子浓度测量方法可分为光学法、过程层析成像法、放射射线法、相关法、微波法、磁核共振法和超声波法等，其中光学法由于采用非侵入式的测量方式得到了广泛的研究和应用。目前基于光学法测量粒子浓度的方法主要有激光多普勒测速技术(LDA)、激光相位多普勒测速技术(PDA)和粒子成像测速技术(PIV)。应用LDA和PDA技术可以测量粒子浓度，但它只能提供粒子的平均浓度信息，而且只能单点测量。同LDA和PDA技术相比，PIV技术以图像方式直观显示粒子流动状态,能够进行全流场瞬时测定，在多相流粒子浓度测量领域中得到了广泛的应用。目前应用PIV已经能够实现粒子速度和空间分布的测量，但是这种测量针对的是整个测量域，实际过程中，受粒子重力、升力以及粒子和管道碰撞的影响，测量域内的各个点的浓度分布并不均匀，有必要提出一种能够反映粒子在测量域内不同位置浓度分布的量化计算方法。

发明内容

本发明针对现有技术中不能分别测量测量域内各个小区域的粒子浓度的问题而研究设计一种稀相气固两相流粒子浓度测量系统及方法。

本发明采用的技术方案是：

一种稀相气固两相流粒子浓度测量系统，其特征在于，包括设置在管道一端的鼓风机、与所述管道连通的送料罐和PIV测量组件；所述送料罐中装有粒子，粒子从所述送料罐下端的粒子入口处靠自身重力进入管道，所述PIV测量组件包括激光光源和高速摄像机，所述激光光源产生的光束照亮沿管道轴向运动的粒子，所述高速摄像机连续拍摄粒子运动的图像。

进一步地，所述高速摄像机以1024×1024的分辨率连续拍摄1024张粒子运动图像，快门速度为0.1ms，帧速率为1000fps。

进一步地，所述管道的内径为80mm。

进一步地，测量粒子浓度的测量位置位于管道的出口端，测量位置处空气流动速度为14m/s,粒子的质量流量为0.4kg/s。

进一步地，所述粒子采用的材料为聚乙烯颗粒。

进一步地，所述粒子的当量直径为3.3mm。

一种稀相气固两相流粒子浓度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用PIV测量组件的高速摄像机以1024×1024的分辨率连续拍摄1024张粒子运动图像，快门速度为0.1ms，帧速率1000fps；

S2、取D×L×b的矩形体积块为测量域，其中D为管道内径，L为测量域沿管道轴向的长度，b为测量域的厚度，粒子的浓度计算过程如下：

把测量域沿垂直方向分割成n个小区域，使用SigmaScan Pro5软件计算出每个小区域内的粒子个数,每个小区域内的粒子浓度ρ_pi通过下式计算：

${\mathrm{\ρ}}_{pi}=\frac{m_p}{\mathrm{\Δ}y\·L\·b}\·N_i---\left(1\right)$

式中Δy为每个小区域的高度，Ni表示的是第i个区域内所包含的粒子的个数(i＝1,…,n)。

测量域内的粒子浓度通过下式获得：

${\mathrm{\ρ}}_{p0}=\frac{m_p}{D\·L\·b}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{N}_i---\left(2\right)$

对每个小区域内的粒子浓度相对于测量域内的粒子浓度进行无量纲处理：

$\frac{{\mathrm{\ρ}}_{pi}}{{\mathrm{\ρ}}_{p0}}=\frac{1}{\frac{\mathrm{\Δ}y}{D}}\frac{N_i}{\underset{i=1}{\overset{10}{\Σ}}{N}_i}=n\frac{N_i}{\underset{i=1}{\overset{10}{\Σ}}{N}_i}---\left(3\right).$

相对于现有技术，本发明显而易见地具有以下有益效果：

1、本发明利用PIV测量组件直接进行稀相气固两相流中粒子浓度的测量，本发明采用的方法具有非接触式测量和所需计算参数少的特点。

2、利用本发明的方法能够有效测量出粒子在管道内不同位置的瞬态浓度大小和整个测量域的平均浓度大小，为管道内的流型识别和流动状态监测提供了有效的量化分析手段。

附图说明

图1是本发明测量系统结构示意图；

图2是PIV测量组件工作示意图；

图3是粒子浓度计算示意图；

图4是水平管道内不同高度位置的小区域内粒子平均浓度分布图。

图中，1、管道，2、鼓风机，3、送料罐，31、粒子入口，4、激光光源，5、高速摄像机，6、测量位置，7、粒子。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“径向”、“轴向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1和图2所示的稀相气固两相流粒子浓度测量系统，包括一水平设置的管道1，管道1的一端设置一鼓风机2，靠近鼓风机2处的管道1上设置有一送料罐3，送料罐3中具有粒子7，粒子7靠重力从其下端的粒子入口31进入管道1内，粒子7在鼓风机2的吹动下沿管道1向出口一端流动，管道1应足够长以保持粒子7充分加速。粒子7浓度的测量位置6设置在管道1靠近出口的一端，并在测量位置6处根据需要布置PIV测量组件，其中测量组件包括激光光源4和高速摄像机5，激光光源4产生的光束照亮沿管道1轴向运动的粒子7，所述高速摄像机5连续拍摄粒子7运动的图像。

本实施例中，粒子7选用聚乙烯颗粒，其当量直径为3.3mm。

本实施例中，管道1内径为80mm。测量位置6处空气流动速度为14m/s,粒子7的质量流量为0.4kg/s。

本发明实施例测量方法为：

(1)根据上述测量装置搭建气力输送平台和PIV测量组件；

(2)启动鼓风机2，打开送料罐3使粒子7落入管道1，鼓风机2对粒子7加速，将粒子7送至测量位置6；

(3)利用PIV测量组件在测量位置6进行粒子7图像拍摄；高速摄像机5以1024×1024的分辨率连续拍摄1024张粒子运动图像，快门速度为0.1ms，帧速率1000fps；

(4)取测量位置6处的D×L×b的矩形体积块为测量域，参见图3，其中D为管道1内径，L为测量域沿管道1轴向的长度，b为测量域的厚度，粒子的浓度计算过程如下：

把测量域沿垂直方向分割成n个小区域，使用SigmaScan Pro5软件计算出每个小区域内的粒子个数,每个小区域内的粒子浓度ρ_pi通过下式计算：

${\mathrm{\ρ}}_{pi}=\frac{m_p}{\mathrm{\Δ}y\·L\·b}\·N_i---\left(1\right)$

式中Δy为每个小区域的高度，Ni表示的是第i个区域内所包含的粒子7的个数(i＝1,…,n)。

测量域内的粒子浓度通过下式获得：

${\mathrm{\ρ}}_{p0}=\frac{m_p}{D\·L\·b}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{N}_i---\left(2\right)$

对每个小区域内的粒子浓度相对于测量域内的粒子浓度进行无量纲处理：

$\frac{{\mathrm{\ρ}}_{pi}}{{\mathrm{\ρ}}_{p0}}=\frac{1}{\frac{\mathrm{\Δ}y}{D}}\frac{N_i}{\underset{i=1}{\overset{10}{\Σ}}{N}_i}=n\frac{N_i}{\underset{i=1}{\overset{10}{\Σ}}{N}_i}---\left(3\right).$

很明显，通过上式可计算出粒子7在测量域内不同位置的瞬时浓度大小，浓度大小仅取决于小区域个数n和小区域内的粒子个数Ni，而这两个参数可通过对粒子图像进行区域划分和SigmaScan Pro5实现。基于高速PIV测量组件测得的粒子7图像，本方法可计算出不同时刻下管道1内不同位置的粒子浓度大小，在此基础上对测量时间内的瞬态浓度进行平均计算，还可得到粒子的平均浓度大小。图4表示的是在1s测量时间内管道1中不同位置的粒子浓度分布情况，其中y代表距离测量域最底端的竖直距离，从图中可以发现，越靠近管底，粒子浓度越大，最大浓度发生在管底部，同已有的研究结果相符，这也验证了该方法的可行性。

上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种稀相气固两相流粒子浓度测量系统，其特征在于，包括设置在管道(1)一端的鼓风机(2)、与所述管道(1)连通的送料罐(3)和PIV测量组件；所述送料罐(3)中装有粒子(7)，粒子(7)从所述送料罐(3)下端的粒子入口(31)处靠自身重力进入管道(1)，所述PIV测量组件包括激光光源(4)和高速摄像机(5)，所述激光光源(4)产生的光束照亮沿管道(1)轴向运动的粒子(7)，所述高速摄像机(5)连续拍摄粒子(7)运动的图像。

2.根据权利要求1所述的稀相气固两相流粒子浓度测量系统，其特征在于，所述高速摄像机(5)以1024×1024的分辨率连续拍摄1024张粒子(7)的运动图像，快门速度为0.1ms，帧速率为1000fps。

3.根据权利要求1所述的稀相气固两相流粒子浓度测量系统，其特征在于，所述管道(1)的内径为80mm。

4.根据权利要求1所述的稀相气固两相流粒子浓度测量系统，其特征在于，测量粒子(7)浓度的测量位置(6)位于管道(1)的出口端，测量位置(6)处空气流动速度为14m/s,粒子(7)的质量流量为0.4kg/s。

5.根据权利要求1所述的稀相气固两相流粒子浓度测量系统，其特征在于，所述粒子(7)采用的材料为聚乙烯颗粒。

6.根据权利要求5所述的稀相气固两相流粒子浓度测量系统，其特征在于，所述粒子(7)的当量直径为3.3mm。

7.一种稀相气固两相流粒子浓度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用PIV测量组件的高速摄像机(5)以1024×1024的分辨率连续拍摄1024张粒子(7)的运动图像，快门速度为0.1ms，帧速率1000fps；

S2、取D×L×b的矩形体积块为测量域，其中D为管道(1)内径，L为测量域沿管道(1)轴向的长度，b为测量域的厚度，粒子的浓度计算过程如下：

把测量域沿垂直方向分割成n个小区域，使用SigmaScan Pro5软件计算出每个小区域内的粒子个数,每个小区域内的粒子浓度ρ_pi通过下式计算：

${\mathrm{\ρ}}_{pi}=\frac{m_p}{\mathrm{\Δ}y\·L\·b}\·N_i---\left(1\right)$

式中Δy为每个小区域的高度，Ni表示的是第i个区域内所包含的粒子(7)的个数(i＝1,…,n)；

测量域内的粒子(7)浓度通过下式获得：

${\mathrm{\ρ}}_{p0}=\frac{m_p}{D\·L\·b}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{N}_i---\left(2\right)$

对每个小区域内的粒子浓度相对于测量域内的粒子浓度进行无量纲处理：

$\frac{{\mathrm{\ρ}}_{pi}}{{\mathrm{\ρ}}_{p0}}=\frac{1}{\frac{\mathrm{\Δ}y}{D}}\frac{N_i}{\underset{i=1}{\overset{10}{\Σ}}{N}_i}=n\frac{N_i}{\underset{i=1}{\overset{10}{\Σ}}{N}_i}---\left(3\right).$