混合颗粒系蒙特卡罗消光模型及反演方法

在单一颗粒系中,消光光谱法颗粒粒径测量模型通常基于Mie散射理论和Lambert-Beer(LB)定律。但多种颗粒物构成的混合颗粒系的消光特性更为复杂,颗粒粒径与混合比均会影响消光谱,需要发展新的理论模型。作者设计一种蒙特卡罗(Monte Carlo,MC)原理的混合颗粒系消光模型,将入射光束离散化成光子,通过追踪其从发射至接收/逃逸过程中所有事件,统计光子去向并研究混合颗粒系的消光特性。为了验证蒙特卡罗模型的准确性,分别对聚苯乙烯和玻璃微珠单一颗粒系中消光谱进行数值计算,结果与Lambert-Beer定律预测误差小于2%。进一步将模型扩展至由聚苯乙烯和玻璃微珠构成的混合颗粒系,其消光谱随玻璃微珠占比(混合比)增大而依次递增,直至混合比为1时退化为单一颗粒系,而波长减小时,消光随混合比变化趋势由线性向非线性转变,两种颗粒自身消光特性差异越大则非线性趋势越明显,说明混合系消光值由颗粒类型、混合比、颗粒粒径和光波长共同决定且相互耦合。根据预测消光谱,采用三种全局最优算法对混合颗粒粒径和混合比参数反演。结果表明:混合比单参数反演结果的误差最小,均在1.5%以内;对两种颗粒粒径进行双参数反演时,误差均在3%以内;对两种粒径和混合比进行三参数同步反演时,误差增大,但均在10%以内。综合分析三种反演算法,PSO算法耗费时间最长,是其他算法的数倍,IGA算法效果较好且更加稳定。初步验证了设计的蒙特卡罗模型可应用于混合颗粒系的消光谱预测,实现了两种颗粒粒径与颗粒系混合比的同步反演。

基于蒙特卡罗模型的高浓度浆液细度在线测量

近年来颗粒粒径测量问题受到了国内外的广泛研究。针对燃煤电厂高浓度脱硫石灰石浆液细度在线测量,将基于蒙特卡罗方法的声衰减模型拓展至高浓度范围,高浓度蒙特卡罗模型(HC-MCM)预测衰减系数与实验测量值相吻合。构建HC-MCM矩阵用于颗粒粒径分布的反演可减小计算时间,且差分进化算法的计算结果与设定粒径和分布宽度的相对误差小于1%。搭建基于透射和反射法的双模式超声检测装置并开发软件测量系统,加工适用于高浓度浆液细度测量的透射传感器和超声探针,依托燃煤电厂完成长达168 h的浆液细度在线测量实验。结果表明,两种模式超声衰减谱的变化趋势和数值大小基本吻合。粒径分布参数D_(V50)与激光粒度仪测量结果的相对误差小于8%,其粒径分布满足燃煤电厂成品石灰石浆液的细度要求。

超声衰减法测量悬浊液中颗粒粒度和浓度

研究了由颗粒悬浊液中3个频率下声衰减系数测量颗粒粒度分布和浓度的方法。用FFT对测得的1,2和5 MHz 3个频率的声信号进行降噪后得到声幅度和声衰减系数,再根据描述不同频率下声衰减系数与颗粒粒径及浓度关系的ECAH模型,运用Philip-Twomey-NNLS算法和改进Chahine算法求解相关的第一类Fredholm方程,反演出颗粒的尺寸分布和浓度。用该方法对两种不同尺寸体积浓度为5％的玻璃微珠-水悬浊液颗粒进行测量,结果与显微镜法结果吻合。这表明:测量3个频率下的声衰减信号,结合Philip-Twomey-NNLS或改进的Chahine算法,可在较高浓度条件下较准确地测得颗粒粒度和浓度,从而简化了现有的高频率宽频带测量方法。

超声速差法平面叶栅流场试验和数值研究

针对平面叶栅狭小通道中流场非接触测量难题,提出一种基于超声速差原理的二维流场测量方法。设计一种2×4超声波斜、平口换能器组合阵列,研制一套多通道超声法测量和气流速度场重建系统。开展平面叶栅流场测量试验,成功获取了3种不同进口速度条件下流道二维速度场。利用COMSOL Multiphysics中CFD模块同步开展叶栅流场数值模拟,并与试验结果对比。结果表明:超声测量与数值模拟结果较为接近,速度大小和偏转角误差均在5%以内,较好地反映叶栅通道的流动特点。提出的超声测量技术有望进一步用于高马赫数流场研究。

基于超声的高浓度浆液两相流粒径在线测量

近年来颗粒粒径测量问题受到了国内外的广泛研究,其中高浓度两相流的在线测量越来越成为关注的焦点。为测量石灰石浆液在流动过程中的颗粒粒径分布,由超声在线测量装置获得质量分数10%~40%浆液在不同时间的超声衰减谱。根据Harker&Temple和BLBL散射叠加模型预测,结合基于最优正则化的加权非负最小二乘算法(ORT-WTLS)计算浆液粒径分布。结果表明:由不同粒径理论衰减谱和10dB含噪衰减谱计算的颗粒直径与设定值的相对误差均小于5%。衰减系数并非随浆液浓度线性递增,表明Harker&Temple和BLBL非线性模型适用于高浓度浆液体系的理论预测。使用ORT-WTLS算法对浆液实验衰减谱中的测量误差作加权处理并计算颗粒粒径分布,其测量结果与图像法基本吻合,动态测量误差小于7%。因此结合实验超声衰减谱、颗粒测量的非线性声学理论模型及ORT-WTLS反演算法可准确计算高浓度浆液的颗粒粒径分布。

新型水上油膜厚度测量系统研制

浮油污染对生态环境造成了严重的影响,各国投入大量资金和人力用于水上浮油的研究。其中,水上油膜厚度的高精度测量对于浮油预防与处理至关重要。以柴油为研究对象,利用傅里叶变换红外光谱仪获取了不同温度下(293/298/303/308/313/318 K)柴油和常温下(298 K)水的吸收光谱,发现柴油和水在近红外区域(6000.0~11000.0 cm^(-1))存在明显吸收,且柴油的吸收光谱不随温度发生偏移。选取了柴油吸收系数最大的波数位置ν_(1)(8381.6 cm^(-1))用于建立单波长水上油膜厚度反演模型。选取了ν_(1)和吸收系数趋于零的波数位置ν_(2)(8918.7 cm^(-1))用于建立双波长水上油膜厚度反演模型。此外,水在这两个波数位置的吸收系数极小,对测量结果几乎没有影响。利用已知油膜厚度(0~1000μm)的标准具对两种反演模型的测量精度进行验证,发现两种模型获得的膜厚值与已知值的平均相对偏差分别为36.4%和2.5%,最大相对偏差分别为44.7%和3.7%,最大标准差分别为7.0和5.6μm。可见,双波长水上油膜厚度反演模型明显优于单波长水上油膜厚度反演模型。在此基础上,研制了一套基于双波长吸收光谱法的新型水上油膜厚度测量系统,该系统的时间分辨率为0.03 s。最后,利用该系统研究水面上逐滴滴入一定体积(1 mL)柴油后的水上油膜厚度变化,并结合超声脉冲反射法进行同步测量对比分析。每滴入一次柴油利用两种方法各重复测量10次,总共测量了20组油膜厚度数据(16~35 mL),将两种方法测量结果的平均值进行对比。结果表明,两种方法测得的油膜厚度平均相对偏差为2.5%,最大相对偏差为3.7%。其中,双波长吸收光谱法10次重复测量获得的油膜厚度的最大标准差为6.4μm。综上所述,所研制的系统可以实现高精度测量水上油膜厚度,具有无干扰、响应快、结构紧凑等优势,且可应用于不同类型的浮油测量,有望为溢油的监控、预防和处理提供新思路和科学指导。

超声衰减与光散射法蒸汽液滴粒径和含量对比测试

搭建蒸汽测试实验系统,结合经典ECAH(Epstein-Carhart-Allegra-Hawley)理论模型,提出三频率超声波声衰减颗粒测量方法,采用中心频率为22,40和200 k Hz的超声波开展蒸汽液滴粒径和含量(体积分数)的超声法测量实验,在相同工况下基于光散射法的原理,同时开展多波长消光法和激光散射法对比测试研究。实验结果表明:超声衰减法测得蒸汽液滴粒径和含量与消光法和激光散射法的测量值接近,超声衰减法有望用于气液两相流中蒸汽液滴粒径以及含量(湿度)参数的在线监测。

超细颗粒悬浊液中声衰减和声速的数值分析研究

为研究应用超声测量超细颗粒的粒度和浓度,本文由描述声波在悬浊液中传播的Allegra &Hawley数学模型出发,通过两个算例的数值模拟计算,研究了二氧化钛－水,铁粉-水两种超细颗粒悬浊液中声波传播的衰减和相速度,分析了声波的频率、颗粒尺寸和浓度对衰减和相速度的影响规律,并讨论了计算模型对不同物性参数的敏感程度。

一种颗粒系超声衰减谱的改进计算方法

Epstein和Carhart,Allegra和Hawley先后研究建立起的超声谱颗粒粒径测量的经典理论模型——ECAH,针对直接求解ECAH理论模型预测颗粒两相系中物理量声衰减系数时出现的困难,通过构造与Bessel(Hankel)函数有关的新变量,改造原有系数矩阵,降低矩阵的条件数,避免了数值溢出问题,拓展该模型的计算范围至频率100MHz和毫米级颗粒,通过与BLBL(Bouguer-Lambert-Beer-Law)散射方法的比较验证了文中提出的改进方法的有效性。

超声衰减法测量颗粒粒度大小

提出一种基于两个频率下超声衰减系数测量,并结合ECAH超声衰减模型得到悬浊液中颗粒平均粒径的方法。并通过对亚微米范围的钛白粉悬浊液在1和2MHz频率下进行测量。测量结果与消光法测量进行对比,表明该方法应用到颗粒粒度大小测量是切实可行的。

超声衰减和速度谱测量亚微米乳液的粒径

研究了超声衰减谱法和相速度测量高浓度多分散脂肪两相乳浊液的粒径分布问题。在理论分析基础上,实验测量了多个浓度(2%～20%)脂肪乳试样在2～13 MHz频带下超声衰减和相速度谱,结合反演算法由实验数据计算出乳浊液颗粒的粒径分布,并讨论了相速度法的意义和特点。将原始浓度(20%)下测得粒径分布与消光法在稀释条件下相同试样测量结果作对比,二者比较吻合,表明超声谱法可在无稀释的高浓度条件下作乳浊液粒径分布的表征。

LM优化算法在消光法测粒技术中的应用

基于限定模式反演算法,由LM优化算法对消光法测量衰减光谱进行反演处理,获得颗粒粒径和分布。讨论了目标函数构造,不同的粒径分布函数,单双峰分布及优化初值对于反演结果的影响及重要性。表明该算法具有很好稳定性和精确度。

超细颗粒悬浊液中声衰减和声速的数值模拟——4种模型的比较

分别运用了4种数学模型: ECAH模型、Harker & Temple模型、BLBL模型以及McClements模型研究了声波在超细颗粒悬浊液中传播的衰减和相速度,对各种模型的数值模拟计算结果进行了比较,讨论了各种衰减机制对模拟结果的影响. 结果对将超声方法用于悬浊液和乳剂中的颗粒粒度、浓度测量的实验研究和工程应用均有一定参考价值.

管式电除尘器中粉尘颗粒运动轨迹的数值模拟

对管式电除尘器中的气固两相流动流场进行数值模拟 ,实质上是研究粉尘颗粒在有电场力作用下的运动轨迹。计算中 ,将气相作为连续介质 ,采用 K- ε双方程湍流模型 ,并用 SIMPL E算法对流场进行数值模拟 ;将固相作为离散体系 ,采用颗粒轨迹法计算其运动轨迹。计算时分别选取 4种电压、4种气流速度和 4种颗粒直径为计算工况 ,计算结果显示出颗粒运动特性和除尘效率 ,并指出其与电压、气流速度和颗粒粒径等 3个主要因素相关。计算结果与实验较为一致 ,表明文中提出的理论模型可用于管式电除尘器中颗粒运动的数值模拟 。

超声谱法在颗粒两相流测量中的应用进展

颗粒两相流测量技术指对连续相中的颗粒粒度和浓度等参数进行测量,是两相流测量中非常重要的分支。它与化工、能源、动力、材料、食品等诸多行业都有着密切联系,随着近年来工业的高速发展,颗粒两相流测量技术获得越来越多关注。结合近几年超声谱法在颗粒测量中的研究现状,重点回顾超声谱法颗粒两相流测量技术的应用进展状况,并分析其发展前景。

消光测粒反演方法的正则化参数优化

独立模式反演算法求解消光法颗粒粒径测量中病态反演问题,参数优化非常关键.研究了GCV准则和L曲线准则的参数优化性能,通过数值模拟和实测数据验证,讨论了上述准则在消光法测粒反演中的应用.表明它们均具有一定的数据误差自适应能力.结合Twomey-NNLS算法,对单峰分布颗粒系给出合理的反演结果.

超声脉冲反射法和激光吸收光谱法同步测量流动液膜厚度

液膜流动现象在工业过程中广泛存在,对流动液膜厚度测量方法的测量研究至关重要。首先利用已知液膜厚度的标准具(100~1000μm)对超声脉冲反射法和激光吸收光谱法精度进行验证;结果表明,超声脉冲反射法测量液膜厚度的平均测量误差为1.07%,激光吸收光谱法测量液膜厚度的平均测量误差为1.29%。同时结合两种方法对流动液膜进行研究,结果表明,当液膜在低速/中速/高速流动时,两种方法测量流动液膜的平均厚度吻合良好,平均厚度差值分别为16.59、16.26、13.36μm,流动液膜厚度的标准方差的相对偏差分别为0.29%、7.71%、25.37%,且在三种不同速度下两种方法测得在1s的周期内液膜波动次数一致。

锰矿矿浆颗粒粒度的超声测量方法研究

为了检测锰矿矿浆中反映矿粉特性的颗粒粒度参数，通过声学理论模型的推导和数值计算，分析颗粒粒径与超声衰减谱的关系和敏感度，实验测量体积分数达45％的高浓度锰矿矿浆在频率为3-6MHz之间的超声衰减谱，基于预测模型，结合正则化反演算法，由实验数据计算出矿浆中颗粒粒度分布。结果表明：矿浆中矿粉颗粒的粒径分布曲线均呈现单峰分布。该结果与稀释样品的激光散射法和显微镜图像法测量结果较为吻合。

玻璃微珠颗粒系中超声散射的数值和实验研究

利用超声在球形颗粒中的单散射理论模型，分析了散射系数计算收敛问题，玻璃微珠颗粒的散射声压分布和消声系数随物性参数和颗粒尺寸参数的变化关系，进而研究了不同粒度分布颗粒群中声衰减谱的特性。由变声程脉冲回波法测量了3种不同粒度分布玻璃微珠声散射衰减谱，与理论计算进行了对比，二者较好地吻合。结果表明，具有合适物性参数的弹性颗粒声散射模型可用于声散射衰减谱准确预测，采用宽频超声衰减谱有利于对颗粒系进行粒度分布分析。

新的水和水蒸汽热力性质国际标准IAPWS—IF97及计算软件

介绍了最新的工业用水和水蒸汽热力性质国际标准IAPWS—IF97的特点及根据该标准计算公式编写的计算软件。该软件在Windows下运行，并可与Excel等软件调用，可供锅炉、汽轮机等设计、运行、试验等的技术人员使用。