气固两相流颗粒荷电及流动参数检测方法研究

论文摘要

气固两相流流动参数检测对于两相流体的理论研究以及工业生产过程的安全、经济、高效运行均具有重要意义,但气固两相流动过程的复杂性和随机性致使其流动参数的检测难度很大。目前,气固两相流检测技术已成为多相流研究中的一个亟待解决的问题。早在20世纪60、70年代,国外就有将粉体颗粒静电现象应用于颗粒流动参数测量的研究,但静电传感技术在理论和应用中都还存在不少问题和难点。本文主要针对静电传感器仿真建模、微弱静电信号检测、静电传感器数据采集系统设计以及在气-固两相流流动参数（颗粒速度、质量流量）和颗粒荷电量的检测应用等方面进行了一些较为深入的研究:首先,在分析现有静电传感器理论模型的基础上,基于点电荷的思想提出了一种改进的静电传感器测量模型。该模型将传感器敏感元件的几何形状、绝缘管道材料特性以及周围电磁屏蔽罩的几何形状考虑在内,更加确切地描述了静电传感器的传感机理,为静电传感器的性能分析及优化设计提供了理论基础。其次,利用大型有限元分析软件ANSYS对影响静电传感器性能的主要因素,包括敏感元件的几何形状、绝缘管道材料特性、电磁屏蔽罩的几何形状以及固相介质的分布等,进行了仿真分析。在此基础上,进一步研究了静电传感器的空间滤波效应,并且从理论上分析了绝缘管段静电化对静电传感器性能的影响。然后,针对静电传感器输出信号微弱,文中设计了一种微弱信号检测电路。系统地推导了测量系统的频率响应特性,并对系统进行了动态标定试验。测试结果表明:该接口电路具有良好的性能,完全可实现微弱静电信号的实时检测;测量系统相当于一带通滤波器。最后,将静电传感器测量系统应用于颗粒速度、颗粒质量流量和颗粒荷电测量上。粉体颗粒自然粒荷电过程十分复杂,文中利用自行开发的静电传感器,对加压密相输送煤粉颗粒的荷电特性进行了试验研究。提出了一种基于静电传感器空间滤波效应的颗粒平均速度检测方法,并在理论上分析了静电传感器结构参数、颗粒截面分布、颗粒速度分布、颗粒尺寸、材料种类以及频率分辨率对颗粒平均速度测量精度的影响。重力输送颗粒流实验装置和加压密相气力输送系统上的试验结果都证明了该速度测量方法的有效性。在充分考虑静电传感器输出信号特征的差异与相似性的基础上,提出了一种基于分解合成的多模型加权平均固相质量流量非线性软测量模型。该软测量模型有效地解决了静电传感器无法给出颗粒质量流量绝对值以及多相流流动形态和结构变化影响传感器输出等问题,提高了软测量模型精度和减小了流型对测量结果的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 气-固两相流参数检测意义
• 1.1.1 气-固两相流普遍性及参数检测的意义
• 1.1.2 气-固两相流参数检测的难点
• 1.2 颗粒流动参数（速度、流量）测量方法
• 1.2.1 直接式测量法
• 1.2.2 间接式测量方法
• 1.2.3 结语
• 1.3 基于气-固两相流静电现象的流动参数检测方法
• 1.3.1 颗粒质量流量测量
• 1.3.2 颗粒浓度测量
• 1.3.3 颗粒速度测量
• 1.3.4 电荷层析成像技术
• 1.4 本文主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 气-固两相流静电现象及静电传感器测量原理
• 2.1 气-固两相流颗粒静电现象
• 2.1.1 粉体颗粒特性及其起电机理
• 2.1.2 气力输送粉体颗粒静电量的影响因素
• 2.1.3 气力输送粉体颗粒静电化危害与应用
• 2.2 静电传感器的基本测量原理
• 2.2.1 静电传感器的基本原理与种类
• 2.2.2 圆环状静电传感器的特点
• 2.2.3 圆环状静电传感器理论测量模型的研究现状
• 2.2.4 一种改进的静电传感器测量模型
• 2.2.5 静电传感器探头设计与材料选择
• 2.3 本章小结
• 参考文献
• 第三章 静电传感器敏感元件的有限元仿真
• 3.1 计算机仿真建模思想的提出
• 3.2 静电传感器敏感元件的有限元模型
• 3.2.1 静电传感器敏感元件静电场的有限元分析
• 3.2.2 有限元分析软件
• 3.2.3 静电传感器的有限元模型
• 3.3 静电传感器敏感元件传感特性分析
• 3.3.1 静电传感器敏感元件空间灵敏度特性分析
• 3.3.2 静电传感器灵敏度分布特性影响因素分析
• 3.3.3 静电传感器敏感元件空间滤波特性分析
• 3.3.4 绝缘管静电化对静电传感器输出的影响分析
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 数据采集系统设计及系统动态特性标定
• 4.1 引言
• 4.2 静电传感器等效电路
• 4.2.1 静电传感器敏感元件等效电路
• 4.2.2 静电传感器实际等效电路
• 4.3 静电传感器信号调理电路设计
• 4.3.1 信号调理电路设计的必要性
• 4.3.2 静电传感器两种接口检测电路
• 4.3.3 静电传感器数据采集系统设计
• 4.4 静电传感器系统动态特性及标定试验
• 4.4.1 静电传感器频率响应特性
• 4.4.2 静电传感器动态标定试验
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 加压密相气力输送试验系统简介
• 5.1 试验装置
• 5.1.1 加压密相气力输送研究的意义
• 5.1.2 加压密相气力输送试验装置
• 5.2 测量装置
• 5.3 试验方法和条件
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 基于静电传感器空间滤波效应的颗粒速度测量方法研究
• 6.1 引言
• 6.2 静电传感器空间滤波颗粒速度测量基本原理
• 6.2.1 空间滤波法速度测量原理
• 6.2.2 空间滤波法速度测量的几点说明
• 6.3 空间滤波颗粒平均速度测量方法误差分析
• 6.3.1 平均流速无量纲校正因子k
• 6.3.2 幅频特性曲线峰值位置分辨率的影响
• 6.4 重力输送颗粒速度测量试验
• 6.4.1 试验系统
• 6.4.2 静电传感器输出信号的处理方法
• 6.4.3 几何特征常数测试
• 6.4.4 不同径向位置上滤波法速度测量值与自由落体速度比较
• 6.4.5 颗粒截面分布对测量结果的影响分析
• 6.4.6 颗粒流平均速度测量试验研究
• 6.5 加压密相气力输送颗粒速度测量试验研究
• 6.6 本章小结
• 参考文献
• 第七章 基于模糊规则的多模型固相质量流量软测量研究
• 7.1 引言
• 7.2 静电传感器软测量系统架构及信号特征提取
• 7.2.1 软测量系统架构
• 7.2.2 静电感应信号特征提取
• 7.3 基于模糊规则的多模型固相流量软测量模型
• 7.3.1 模型的定义
• 7.3.2 模型参数辨识
• 7.3.3 模型的自适应模糊推理
• 7.4 颗粒流量测量试验研究
• 7.4.1 重力输送颗粒流试验结果
• 7.4.2 高压密相气力输送颗粒流试验结果
• 7.5 本章小结
• 参考文献
• 第八章 加压密相气力输送煤粉荷电特性试验研究
• 8.1 引言
• 8.2 试验方法和条件
• 8.2.1 试验装置与输送粉体
• 8.2.2 测量程序
• 8.3 试验结果与讨论
• 8.3.1 输送浓度对煤粉颗粒荷电特性的影响
• 8.3.2 输送气体表观速度对煤粉颗粒荷电特性的影响
• 8.4 本章小结
• 参考文献
• 第九章 结论与展望
• 9.1 论文工作总结
• 9.2 工作展望
• 发表论文
• 致谢