超声波在非均匀气固两相介质中的传播特性研究

论文摘要

气固两相介质广泛存在于工业生产过程等领域,其固相参数的监测具有重要的研究意义。近年来超声波因具有非接触、穿透力强和指向性好等优点在测量方面被用于气固两相流固相参数的测量。本文以在线监测燃煤电厂的煤粉粒径为大的研究背景,理论与实验相结合,重点研究超声波在非均匀气固两相介质中的传播特性,提出分层假想模型,为颗粒粒径在线测量系统的开发提供理论依据,具有理论意义和较好的应用前景。主要研究成果有如下几个方面:（1）在气固两相介质中,根据拓展耦合相模型、ECAH模型和Gregor-Rumpf模型分别研究不同参数时超声波传播过程中的粘性衰减、散射衰减和热衰减,当颗粒粒径在50μm500μm范围内时,频率为20kHz、40kHz、60kHz和80kHz的超声波均表现为总声衰减系数随颗粒粒径增大而减小。（2）超声测量系统由超声换能器、驱动装置和信号采集处理装置组成,超声换能器是整个测量系统最核心的部分。频率为20kHz的压电换能器截面直径为10cm,频率为40kHz、60kHz和80kHz的压电换能器截面直径为8cm,利用COMSOL多物理场耦合软件建立几何模型,仿真研究超声换能器的振动模态和频域特性,结果表明四种频率的压电换能器在空气域截面圆半径小于15cm时声压场范围趋于稳定,为实验中固相颗粒的放置提供准确位置范围。（3）利用与煤粉性质相近的玻璃微珠作为实验研究对象,提出分层假想模型,认为非均匀气固两相介质在空间上可分割为多个空气层和颗粒局部聚集层,超声波在非均匀气固两相介质中的传播可认为是空气层的传播和颗粒局部聚集层的传播的叠加,其中颗粒局部聚集层中的声衰减特性符合现有的气固两相介质传播模型。根据上述分层模型,研究单集中、双分散和三分散分布状态的三种典型非均匀气固两相介质中传播的传播特性,实验结果表明当颗粒局部聚集层分布相邻间距小于10mm时,声压衰减率均近似满足指数衰减规律。频率为80kHz的超声波在颗粒局部聚集层为双分散分布时进一步研究扩大分布距离对超声波传播特性的影响,当颗粒局部聚集层分布间距在510倍波长范围内时,声衰减规律由指数衰减渐变为平方衰减,当颗粒局部聚集层分布间距大于10倍波长时,声衰减满足平方衰减规律,这是因为超声波与非均匀气固两相介质之间重新建立新平衡状态,实现自由度能量分配。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘金

导师: 朱曙光

关键词: 超声波,气固两相介质,声压衰减率,声衰减系数,粒径测量

来源: 南京理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 南京理工大学

分类号: O359

DOI: 10.27241/d.cnki.gnjgu.2019.001215

总页数: 89

文件大小: 5241K

下载量: 30

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