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。

基于Mie散射在线测量真空弧放电液滴方法探索

金属液滴是真空弧放电的伴随产物,它对理解阴极斑放电性质具有重要作用,而且对工程应用也有重要影响.金属液滴的测量一般采用离线的收集法,不能获得全部空间和单次放电信息.本文提出了一种通过Mie散射在线测量真空弧放电液滴的新方法,并对它的可行性进行了探索研究.首先通过仿真程序计算了钛金属液滴的散射光性质,结果表明小直径颗粒散射光在全部角度上均有分布,随着直径增加,散射光越来越集中在前向,这为不同直径液滴信号的反演提供了可能.接着对探测器进行了分环设计,当探测器分为35环时,光能系数矩阵容易求解,同时保证测量系统具有良好的分辨率.初步实验结果表明,钛金属液滴直径主要分布在9.8μm附近,验证了Mie散射测量真空弧液滴方法的有效性.但液滴直径分布和离线测量有较大差异,缺少小直径液滴信息,主要原因来源于测量系统信噪比不够,不能有效地获得小直径液滴散射信号,还需要进一步优化.

内混式造雪机雪晶粒径分布实验研究

为研究人工造雪的雪晶生长规律,利用激光粒度仪测量模拟环境室内人造雪的雪晶粒径,分析了雪晶粒径随落雪高度的变化情况以及气水压力比和环境温度对雪晶生长的影响。实验结果表明:雪晶粒径随落雪高度的增加而增大,且增大趋势逐渐变缓;在落雪高度为80 cm处,晶核生长至成熟雪晶状态,索特平均直径为57~73μm;此高度时雪晶粒径接近正态分布,气水压力比和环境温度对其影响较大:气水压力比为0.5 MPa∶0.4 MPa时,成雪效果好,雪晶粒径较大且分布更均匀;低温环境也能加快雪晶生长,随着环境温度的降低,小粒径占比减少,大粒径占比增多。

基于噪声分析的压力变送器响应时间原位测量方法研究

响应时间是反映压力变送器动态性能的关键技术指标,针对现有测试手段无法对在役设备直接检测的问题,分别建立基于噪声信号自回归与功率谱密度响应时间的时、频模型,研究噪声分析实时获取压力变送器响应时间方法。对噪声分析法进行仿真验证,结果表明该方法具有较高准确性和稳定性,且对不同参数的系统具有良好的适用性。对罗斯蒙特3051型压力变送器进行实验,与斜坡信号实验比对,噪声分析法与斜坡法响应时间结果偏差小于5%,对算法优化分析看出MTM算法和Welch算法较MUSIC算法结果更加吻合,分析数据长度达到1×105后结果趋于稳定。对核电站现场数据进行噪声法分析,结果符合预期,验证了所提方法用于传感器现场测试中的有效性。

外加液滴条件下固体细颗粒声凝并特性

外加声场激励下固体细颗粒的声凝并在燃烧污染物超低排放中具有应用潜力,添加大粒径液滴有望提高细颗粒声凝并效果.本文从颗粒运动、碰撞、凝并与反弹的动力学过程出发,基于直接模拟蒙特卡罗方法,建立气相中液滴与固体颗粒共存的气-液-固三相体系的声凝并模型,对外加液滴条件下固体细颗粒声凝并的过程和效果开展数值模拟.将模拟结果与实验相对比,验证模型可靠性.在此基础上,探究外加液滴条件下细颗粒声凝并动力学行为,考察外加液滴直径和数目浓度对细颗粒声凝并效果的影响规律.结果表明,外加液滴条件下,固体细颗粒迅速与大粒径液滴凝并,形成液-固混合相颗粒,细颗粒凝并效率显著提升.外加液滴直径和数目浓度是影响细颗粒声凝并的重要因素,随着直径的增大或数目浓度的提高,细颗粒凝并效率增大,而增幅趋于减小.研究结果可为复杂颗粒系统凝并模型的建立提供理论基础,并可为燃烧源细颗粒超低排放提供方法指导.

超声波峰谷拟合方法及平面叶栅通道二维流速测量

为准确获取复杂二维流场中超声传播的时差信息,研究了超声波峰和波谷幅值多项式拟合确定回波特征点的信号处理方法,应用于一维和二维流速测量。研制了多通道超声测速装置,在0~40 m/s流速范围内采集一维流动超声信号,使用峰谷拟合法获得流速,其与毕托管流速测量结果的最大相对误差较波峰拟合法减小了0.72%。提出了以对角换能器时差计算二维流速的方法,开展了平面叶栅流道内二维流速测量实验。在多工况下测量的流速与三孔探针的实验结果相对误差均小于3.16%,较好地反映不同进口流速条件下由流道截面变化和叶片弯曲引起的测点处流速大小和方向变化趋势。

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。

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.

低压开关柜一次接插件温度实时智能监测系统研制

为降低化工生产过程中因低压开关柜一次接插件无法及时监测温度而导致的爆炸风险,针对低压开关柜一次接插件设计研制了实时智能监测系统。结果表明:智能监测系统可为低压开关柜设备安全监测、检修及维护提供重要依据和参数,提高低压开关柜运行的安全性。

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。