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稀疏气固两相流经旋流浓集的电容层析成像测量

作　者: 孙猛
导　师: 刘石
学　校: 中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
专　业: 工程热物理
关键词: 气固两相流电容层析成像旋流浓集器图像重建算法雷诺应力模型双流体模型浓度测量相关测速质量流量测量
分类号: TH814.6
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

随着科学技术的迅速发展,粉体物料的气力输送在能源、冶金、化工、环境、国防等有关部门中的应用越来越广泛,为了满足生产过程中所需的连续测量及自动化控制,以达到安全、高效和经济运行的要求,粉体质量流量的在线测量已成为气力输送系统中的重大关键课题。电容层析成像(ECT)是目前广泛研究的一种两相流过程层析成像技术,能够呈现观测截面上的物质分布图像,是在线流型识别、多相流参数检测的有力工具,提供了实时、非干扰和全区域测量的多相流研究新方法。本文通过引入一旋流浓集装置,将气固两相流中的固体颗粒浓缩在管壁区域,以合理利用电容层析成像技术的敏感场分布特性,获得了较为准确的质量流量测量结果。本文的研究工作一方面为气力输送气固两相流提供了一种有力的在线测量技术,另一方面推动了电容层析成像技术的量化测量技术研究,拓宽了电容层析成像技术的应用范围,具有重要的理论意义和实用价值。本文的主要工作包括以下四个方面:(1)对目前常用的电容层析成像图像重建算法进行了总结,分析了各自的特点及局限性。根据稀疏气固两相流质量流量的在线测量要求,本文提出了一种新型的在线重建算法,该算法能够在满足数据采集速度要求的同时保证重建图像的质量,并将其与传统的图像重建算法进行了比较分析;(2)使用商用软件Fluent 6.2的雷诺应力模型(RSM)对旋流浓集装置内部的强旋流特性进行了数值计算,分析了其气相流场下的速度分布、压力分布特性,以及对其项部是否抽吸进行了比较分析;使用Euler双流体模型对其内部的气固两相流动分离特性进行了模拟计算,分析了其分离效果。从数值模拟结果可知,本文引入的旋流浓集装置能够达到预期的分离效果,为ECT的准确测量提供了理论依据;(3)使用单层电容层析传感器对旋流浓集装置内部的浓度分布进行测量。通过调节给料电机速度、气泵给风量以及旋流浓集器顶部抽吸风量,针对不同工况的测量结果进行比较分析,从截面浓度分布图及平均体积浓度值可知旋流浓集装置达到了很好的浓缩效果。通过调节顶部排气口的抽吸风量可以改变旋流浓集器内的浓度分布,但抽吸风量不能过大,否则将会扰乱整个流场,必须合理控制其风量大小;(4)使用双层电容层析传感器对旋流浓集装置内的浓度和速度同时进行测量,为了提高测量速度,并合理利用测量电容值,上层传感器使用8电极,其电容测量值用来重建图像以计算平均体积浓度并与下层的4电极传感器测量电容值进行轴向相关速度计算,由下层传感器相邻电极对间的电容值可以通过相关计算得到切向旋转速度。由测得的流体浓度与速度进行质量流量的计算,并与称重法测量结果进行比较可知本文提出的旋流浓集测量方法可获得较为准确的测量结果。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-31
  1.1 研究问题的背景  12-13
    1.1.1 气固两相流普遍性及参数检测的意义  12
    1.1.2 气固两相流参数检测的难点  12-13
  1.2 气固两相流测试技术的国内外研究现状  13-22
    1.2.1 浓度测量方法  14-19
    1.2.2 速度测量方法  19-22
  1.3 过程层析成像技术概述  22-25
    1.3.1 过程层析成像技术特点  22-23
    1.3.2 过程层析成像技术综合评述  23-25
  1.4 电学层析成像技术  25-27
    1.4.1 电阻层析成像技术  25
    1.4.2 电磁层析成像技术  25-26
    1.4.3 电容层析成像技术  26-27
  1.5 旋流浓集装置测量原理  27-29
  1.6 本文的主要研究内容  29-31
第二章电容层析成像技术  31-41
  2.1 电容层析成像系统构成和原理  31-33
  2.2 电容层析成像测量电路  33-34
  2.3 电容传感器的结构  34-35
  2.4 电容层析图像重建  35-40
    2.4.1 电容层析成像正问题  36-38
    2.4.2 敏感场简介  38-40
    2.4.3 电容层析成像逆问题  40
  2.5 本章小结  40-41
第三章 ECT图像重建算法的研究  41-57
  3.1 图像重建算法研究的重要性  41
  3.2 ECT系统现有图像重建算法分析  41-47
    3.2.1 现有图像重建算法分类  42-43
    3.2.2 线性反投影算法  43-44
    3.2.3 Tikhonov正则化法  44-45
    3.2.4 Landweber迭代法  45-46
    3.2.5 OIOR算法  46-47
  3.3 ETRM图像重建算法  47-53
  3.4 算法图像重建比较  53-56
  3.5 本章小结  56-57
第四章旋流浓集装置的数值模拟  57-77
  4.1 旋流浓集装置原理与结构  57-58
  4.2 气相流场湍流模型  58-63
    4.2.1 直接数值模拟  59
    4.2.2 大涡模拟  59
    4.2.3 Reynolds平均法  59-63
  4.3 两相流模型  63-65
  4.4 计算结果及分析  65-75
    4.4.1 网格划分  65-66
    4.4.2 气相流场计算  66-72
    4.4.3 排气口封闭时的气相流场  72-74
    4.4.4 气固两相流动模拟结果  74-75
  4.5 本章小结  75-77
第五章固体颗粒浓度测量结果与分析  77-86
  5.1 实验系统  77-78
  5.2 浓度传感器  78
  5.3 测量结果及分析  78-84
    5.3.1 截面浓度分布  78-81
    5.3.2 截面平均体积浓度  81
    5.3.3 同种给料速度不同风量下的浓度测量  81-82
    5.3.4 分离器顶部抽吸风量对浓度测量的影响  82-84
  5.4 本章小结  84-86
第六章电容相关测速及质量流量测量  86-104
  6.1 电容相关测量原理  86-91
    6.1.1 电容相关质量流量测量原理  86-88
    6.1.2 切向旋转速度的计算  88-89
    6.1.3 实验系统及传感器  89-91
  6.2 实验结果及分析  91-103
    6.2.1 浓度分布  91-95
    6.2.2 切向旋转速度测量  95-99
    6.2.3 轴向速度测量结果  99-102
    6.2.4 流量测量结果  102-103
  6.3 本章小结  103-104
第七章结论与展望  104-107
  7.1 结论  104-105
  7.2 展望  105-107
主要符号表  107-109
参考文献  109-118
博士研究生在读期间参加的科研课题  118
博士研究生在读期间发表的论文  118-120
已申请的专利  120-121
致谢  121

稀疏气固两相流经旋流浓集的电容层析成像测量

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