超声法测量气固两相流传感器选取研究*

贾 华， 郭 朔， 王月明

(内蒙古科技大学 信息工程学院,内蒙古 包头 014010)



研究与探讨

超声法测量气固两相流传感器选取研究*

贾 华， 郭 朔， 王月明

(内蒙古科技大学 信息工程学院,内蒙古 包头 014010)

超声法因其穿透性好、精度高等优点成为气固两相流参数检测的一个新趋势。由于超声波在空气中衰减较大，因此，选择合适的超声波传感器对于气固两相流参数检测至关重要。通过运用有限元软件COMSOL构建超声法测量气固两相流的仿真模型，研究接收装置接收信号的大小与气固两相流固相颗粒的粒径和发射频率的关系，为实际测量选取超声波传感器提供了理论依据和指导建议。

气固两相流； 有限元； 粒径； 频率； 超声波传感器

0 引 言

在电力、化工、冶金等工业生产过程中，应用管道气力输送技术输送煤粉、水泥、矿石等均属于典型的气固两相流动[1,2]。由于气固两相流涉及领域的广泛性以及过程参数的重要性使得对于气固两相流的研究工作得到了迅速发展。

目前，国内外学者对于气固两相流相关参数的测量所提出的方法可分为两类，接触式测量和非接触式测量。接触式测量方法主要有：传热法、摩擦电法、能量法、差压法等[3]。由于接触式测量会对管内流体产生干扰和增加原有阻力，在测量时会降低测量的精度。非接触式测量方法主要有：光学法[4]、电容法[5,6]、微波法[7]、超声法等[8]。超声法作为一种非接触式测量方法，具有穿透性好、结构简单、无污染、精度高、应用范围广等较多优势，在近年来成为研究热点并得到一定的发展[9,10]。上海理工大学的苏明旭和蔡小舒在超声法测量气固两相流方面做了大量研究工作并取得较大进展[11～13]。

本文运用有限元软件COMSOL构建了超声法测量气固两相流的仿真模型，通过仿真，研究接收装置接收信号的大小与气固两相流固相颗粒的粒径和发射频率的关系，为实际测量选取超声波传感器提供理论依据和指导建议。

1 仿真建模

在实际检测过程中，固相颗粒随机分布在气固两相流体中。为了获取固相颗粒粒径d和超声波发射频率f对超声波接收信号的影响，仿真过程中，在测量管道中心放置不同粒径的固相颗粒，研究不同粒径和不同发射频率对接收装置接收信号的影响情况。

本文选取610 mm直径的工业输粉管道作为研究对象，为简化模型，取管道长度1 000 mm，并对其纵剖面进行仿真建模，基于超声法测量管道中存在固相颗粒的气固两相流流体仿真模型如图1所示。超声波发射和接收传感器剖面半径为10 mm，厚度为20 mm，传感器由复合压电材料PZT—5H构成，在仿真建模时将发射和接收传感器进行良好对中。输粉管道中连续相介质采用软件内置材料空气，离散相选用电厂煤粉颗粒。常温下，煤粉—空气两相流的其余相关参数如表1所示。在进行有限元分析时，网格的质量将直接影响整个过程的计算精度，因此，在网格划分时，对输粉管道、超声波发射和接收传感器以及固相颗粒分别进行细化、较细化和特别细化处理。图2为网格划分后的仿真模型，本文采用自由剖分三角形方式。

图1 管道中存在固相颗粒的仿真模型

参数空气煤粉密度/(kg/m3)1.231702声速/(m/s)3431800比热容/(J/(kg·K))1004850导热系数0.0250.89膨胀系数3.47×10-31.0×10-5剪切粘度1.8×10-59.04×10-4

图2 网格划分后的仿真模型

1.1 多物理场耦合方程

在仿真过程中，由激励装置产生激励电压驱动超声波发射传感器产生超声波，超声波经管道传播到达接收传感器，接收传感器将衰减后的声波信号转换为电信号以供采集。因此,有限元分析主要涉及电—结构—声三物理场耦合，其中声场波动方程可表示为

(1)

结构力学方程可表示为

(2)

式中 ρ为压电材料密度； u为位移；s为应力；FV为体积力。

电场的麦克斯韦方程可表示为

(3)

式中 D为电位移; ρV为体积电荷密度。

在进行有限元分析时，设定发射传感器内侧边界为发射端，其电边界条件为：幅值为300V的瞬时激励电压。设定接收传感器内侧边界为接收端，并设定为终端。发射端与接收端的声边界条件为声—结构耦合，外侧边界的电边界条件为接地，结构边界条件为辊支撑。

2 仿真过程与分析

2.1 仿真过程

在测量管道中心放置不同粒径的固相颗粒，研究不同粒径和不同发射频率对接收装置接收信号的影响情况。为了研究颗粒粒径d对接收传感器接收电压的影响，仿真过程中，设定d由小到大分别为0，0.02，0.04，0.06，0.08，0.1，0.15，0.2mm，并对接收传感器接收电压的数据进行采集。同时为了研究发射频率f对接收传感器接收电压的影响，设定f由小到大分别为20，40，60，80，100，150，200kHz，并对接收传感器接收电压的数据进行记录。限于篇幅，本文只给出部分仿真结果。

图3(a)为d=0mm,f=40kHz时接收电压的变化情况。图3(b)为d=0.1mm,f=40kHz时接收电压的变化情况。从图3可以看出，存在颗粒时对接收电压产生一定影响，但无法作出具体判断。

图3 有无颗粒存在时的接收电压

2.2 分析与讨论

为了进一步研究气固两相流固相颗粒粒径和发射频率对接收电压的影响，需要对仿真数据进行处理，图4和图5为进行数据处理后得到的结果。由图4可以看出：在同一频率下，接收电压随着颗粒粒径的增大而减小，但衰减较为缓慢；由图5可以看出：在相同的颗粒粒径下，接收电压随着发射频率的增大而迅速减小，说明接收电压对于频率更为敏感。仿真发现：当超声波的频率在一定范围内(20～100 kHz)，接收传感器的接收电压相对较大。在实际测量中，由于不可避免地会引入噪声，而大多数噪声信号频率在50 kHz以下，因此，在测量中应当选用频率在50～100 kHz的超声波传感器。

图4 粒径与接收电压的关系

图5 发射频率与接收电压的关系

3 结 论

运用有限元软件COMSOL构建了超声法测量气固两相流的仿真模型，研究接收传感器的接收电压与气固两相流固相颗粒的粒径和发射频率的关系。仿真结果表明：选用频率在50～100 kHz的超声波传感器不仅能够得到较高幅值的接收信号还能有效避免噪声信号的引入，为实际测量中超声波传感器的选取提供了理论依据和指导建议。

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Research on selection of gas-solid two phase flow transducer with ultrasonic measurement*

JIA Hua， GUO Shuo， WANG Yue-ming

(School of Information Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China)

The ultrasonic method has become a new trend of gas-solid two phase flow parameter measurement because of its excellent penetration and high precision.Due to the large attenuation of ultrasonic wave in air,it is of great importance to select the suitable ultrasonic transducer for the parameter measurement of gas-solid two phase flow.The simulation model for gas-solid two phase flow measurement is established by the finite element software COMSOL,the relationship between signal magnitude recieved by receiving device and the solid phase particle size of gas-solid two phase flow and transmitting frequency is studied,which provides theoretical basis and guidance for choosing the ultrasonic transducer in practical measurement.

gas-solid two phase flow； finite element； particle size； frequency； ultrasonic transducer

10.13873/J.1000—9787(2017)07—0005—03

2016—09—05

国家自然科学基金资助项目(61463042)； 内蒙古自然科学基金资助项目(2014MS0609)

TP 212

A

1000—9787(2017)07—0005—03

贾 华(1961-)，男，副教授，从事控制理论与控制工程研究工作。

郭 朔，通讯作者，硕士研究生，研究方向为气固两相流检测,E—mail：cavicent@163.com。