聲波衰減國內(nèi)外研究動態(tài)(共6頁)

1、31945 年，美國國家(guji)水下聲學(xué)研究所的 Foldy20在忽略了氣泡空間(kngjin)分布相關(guān)性的基礎(chǔ)上，理論上研究了氣泡(qpo)散射對聲波傳播的影響。Calflisch2122等人在 1985 年給出了氣泡非線性振動的數(shù)學(xué)模型，并對方程的有效范圍及特性給出了精確的描述。1985 年，Rubinstein23等人將氣泡間的相互作用計入聲傳播方程中，與 Foldy 理論相對照，聲速數(shù)值有所升高。朱哲民24等于 1991 年測量了氣泡處于共振狀態(tài)時，含氣泡水中的強二次諧波聲壓，并估計了混合物的等效非線性聲參量。1992 年Ruffa25用三維有限元方法，探討當(dāng)氣泡周期性分布時，平面

2、聲波的聲場特性，得到了含氣泡區(qū)域內(nèi)的有效聲速及聲衰減。1996 年，F(xiàn)euillade26將氣泡的半徑分布及所處的位置等因素計入了聲傳播方程，討論了聲速及衰減系數(shù)。1998 年，李福新27等在計入了氣泡聲吸收作用的同時，討論了氣泡空間分布的相關(guān)性對含氣泡水介質(zhì)中聲傳播特性的影響。1999 年，高永慧28等利用超聲檢測中的穿透法等，測量了氣水混相介質(zhì)中的聲速比值和聲透射損失。1999 年趙曉亮29等人針對實際氣泡尺寸總是存在一定分布的事實，發(fā)展了一系列計算聲波在含氣泡水中的聲傳播特性和該介質(zhì)非線性參數(shù)的解析公式，同時，研究了聲波在含氣泡水中傳播的聲速及聲衰減等特性。2002 年，田宗漠30在傳統(tǒng)

3、體積分?jǐn)?shù)的理論基礎(chǔ)上，考慮了氣泡間的相互作用，再次推出了適用于任意體積分?jǐn)?shù)的含氣泡液體內(nèi)的聲波方程式，求出了聲波通過氣泡幕的穿透系數(shù)及反射系數(shù)，實驗結(jié)果與理論計算一致。2004 年，Ichihara31等人研究(ynji)了聲波在高粘度(105Pas)的兩相介質(zhì)中的傳播，并以硅樹脂和糖漿(tngjing)為例進(jìn)行了實驗(shyn)研究。從以上液固、液氣兩相流介質(zhì)內(nèi)聲傳播的研究動態(tài)，可以看出液固、液氣兩相介質(zhì)內(nèi)聲傳播的研究已比較成熟，而氣固兩相介質(zhì)內(nèi)聲傳播的研究尚有很多空白，所以本課題具有很強的創(chuàng)新性。1.2.2 聲發(fā)射的氣固兩相流監(jiān)測研究動態(tài)基于聲波理論的氣固兩相流監(jiān)測的研究，國內(nèi)外文獻(xiàn)也鮮見

4、報道，而關(guān)于固體顆粒碰撞發(fā)聲的聲學(xué)測量研究較多。在國外，2000 年，挪威化學(xué)計量應(yīng)用研究會的 Maths32等基于聲波測量，結(jié)合最小二乘回歸法，通過大量實驗得到了三元剛性顆粒粒徑分布的預(yù)測。2003 年，挪威泰利馬科學(xué)院的 Saba Mylvaganam33對聲波測量方法在顆粒學(xué)測量的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，認(rèn)為通過兩個或兩個以上的傳感器作用在合適的位置上可以計算顆粒的運動速度，進(jìn)一步提出了用聲波替代電容、射線、電阻、微波和光學(xué)裝置的可行性34。2003 年，Jun Huang35等在氣力輸送管道中運用聲波測量技術(shù)，對六種不同類型和粒徑分布的鋁粉進(jìn)行了測量。將聲波信號和顆粒流動進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過關(guān)聯(lián)，可

5、以估算出過程中的粉塵分布率，預(yù)測出傳輸過程中顆粒的破損程度，并建立了回歸模型。2數(shù)，以后隨著頻率的增加聲速也增大，而到 106Hz 時聲速又等于另一常數(shù)。聲波在純媒質(zhì)中的衰減和吸收原因有媒質(zhì)的粘滯、熱傳導(dǎo)以及媒質(zhì)的微觀過程中引起的弛豫效應(yīng)等。在非純媒質(zhì)中，如空氣中的灰塵粒子、霧滴，江海中的氣泡、泥沙、浮游生物等懸浮微粒子。媒質(zhì)中的懸浮微粒對媒質(zhì)做相對運動的摩擦損耗，以及聲波對粒子的散射引起了附加的能量耗散，是非純媒質(zhì)中聲衰減的主要原因。另外，當(dāng)媒質(zhì)中存在彈性與密度不同的顆粒時，聲波會發(fā)生散射現(xiàn)象。研究聲波在氣固兩相流介質(zhì)中的傳播特性是解決(jiju)這些問題的基礎(chǔ)。所以(suy)，研究聲波在氣

6、固兩相流介質(zhì)中的傳播特性，尋找聲信號與兩相流參數(shù)的聯(lián)系，既能夠為聲學(xué)方法的氣固兩相流監(jiān)測提供依據(jù)(yj)，又能夠為一些聲學(xué)監(jiān)測技術(shù)在實際情況下出現(xiàn)的氣固兩相流介質(zhì)中聲波頻散、衰減、散射問題提供支持，這也正是本課題研究意義的所在。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 兩相流介質(zhì)聲傳播研究動態(tài)兩相流介質(zhì)中聲波傳播特性的研究主要集中在液固和液氣兩相介質(zhì)中聲波傳播特性的研究。這主要是因為固體顆粒和氣泡都可以較容易的懸浮在液體中，便于研究。本課題研究的氣固兩相流介質(zhì)中聲傳播特性鮮見報道，而其傳播特性與液固、液氣兩相介質(zhì)中的傳播特性有相似之處，對本課題的研究具有借鑒意義，固將液固、液氣兩相流介質(zhì)內(nèi)聲傳播的研究

7、動態(tài)綜述如下。1.2.1.1 液固兩相流介質(zhì)中聲傳播的研究動態(tài)自從 20 世紀(jì)初 Swell 開始對聲在煙霧中的吸收問題進(jìn)行研究以后，對于顆粒相彌散在一種連續(xù)介質(zhì)中的衰減和聲速的理論研究引起了人們的廣泛興趣。1953 年Epstein14在他的論文中提出了一個不僅考慮了液體介質(zhì)的粘性和固體的彈性效應(yīng)，同時還考慮到熱傳導(dǎo)影響的數(shù)學(xué)模型。美國加利福尼亞技術(shù)研究所的 Epstein 和Carhart15還通過一個詳細(xì)的理論推導(dǎo)出熱損失對聲衰減的影響。在此基礎(chǔ)上，1972年，哈佛大學(xué)的 Allegra 和 Hawley16發(fā)展了該模型，使其適用于懸濁液。所以這一模型被稱為 ECAH 模型（或 AH 模

8、型）。上世紀(jì)末，國內(nèi)學(xué)者張叔英對懸浮泥沙的聲學(xué)觀測原理進(jìn)行了分析。2002 年前后，上海理工大學(xué)蘇明旭、蔡小舒等對超聲波測量懸濁液中顆粒粒度和濃度大量理論與實驗研究，指出超聲波在顆粒兩相介質(zhì)傳遞過程的衰減譜含有顆粒的粒度大小和濃度的信息，為超聲波衰減測量顆粒濃度和粒度打下了基礎(chǔ)2,17-19。1.2.1.2 液氣兩相流介質(zhì)中聲傳播的研究動態(tài)1第一章 引 言1.1 課題背景(bijng)及意義在工業(yè)實際(shj)過程中，氣固兩相流動的存在范圍十分廣泛。能源工程中固體燃料在鍋爐內(nèi)的流動和燃燒過程；煤粉的制備、分離和管道(gundo)輸送；在化學(xué)工程中，各種反應(yīng)、分離裝置都牽涉到氣固兩相流動過程，如

9、流化床、固定床等反應(yīng)器；食品和運輸工業(yè)中的固體微粒的輸送；環(huán)保工程中各種除塵設(shè)備內(nèi)的氣固分離等等?？梢灾v，氣固兩相流在整個國民經(jīng)濟的各個生產(chǎn)部門中都得到應(yīng)用1。燃煤電站鍋爐運行中廣泛存在著氣固兩相流問題，如一次風(fēng)管道的煤粉輸送，增壓流化床鍋爐中煤顆粒的輸送和在床內(nèi)的沸騰燃燒等。隨著電站鍋爐容量的增大，對于鍋爐的安全經(jīng)濟運行的要求也變得越來越高。影響鍋爐安全經(jīng)濟運行的因素是多方面的，而鍋爐的燃燒調(diào)整無疑是其中最重要的影響因素之一。比如：當(dāng)鍋爐容量較大或燃燒器數(shù)目很多時，只有每個燃燒器都按一定的風(fēng)粉比向爐內(nèi)送入燃料和空氣，才能使整個爐膛的燃燒效果最佳。如果各燃燒器以差異懸殊的比例送入燃料和空氣，盡

10、管爐膛過量空氣系數(shù)仍維持在規(guī)定的范圍內(nèi)，但對單個燃燒器來說，空氣量和煤粉的不均勻分配，將使各個燃燒器有的嚴(yán)重缺風(fēng)，有的嚴(yán)重缺煤，從而帶來一系列不良后果2-3。解決此類問題的關(guān)鍵是要有實用、準(zhǔn)確的監(jiān)測手段，實現(xiàn)氣固兩相流的在線監(jiān)測能為燃燒調(diào)整提供指導(dǎo)依據(jù)，使運行人員可以監(jiān)測風(fēng)粉量，有的放矢的進(jìn)行調(diào)節(jié)，才能保證鍋爐安全經(jīng)濟運行4。但由于氣固兩相流中固相濃度分布不均、流態(tài)不定、加速度造成測量偏差、測量對流場造成的干涉、堵塞與磨損對測量精度的影響等，使得傳統(tǒng)測量技術(shù)無法克服，需要新的測量技術(shù)的引入加以解決1。聲學(xué)作為一門基礎(chǔ)性和交叉性極強的學(xué)科，近年來已滲透到幾乎所有重要的自然科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域。在電

11、力行業(yè)，聲學(xué)檢測技術(shù)以其自身的非接觸式特點，逐步受到國內(nèi)外電力科研單位、高等院校和發(fā)電(fdin)企業(yè)的重視。利用聲學(xué)方法對氣固兩相流濃度和粒徑分布等參數(shù)進(jìn)行(jnxng)在線監(jiān)測是一項很有意義的研究。另外，在長期電廠設(shè)備聲學(xué)監(jiān)測研究的基礎(chǔ)上，一些(yxi)較成熟的聲學(xué)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于電廠設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。這些技術(shù)在推向應(yīng)用層面時，往往遇到一些實際困難亟待解決。比如，基于聲波理論的爐膛溫度場5-7、動力場8、爐管泄露聲在線監(jiān)測技術(shù)、聲波除灰10-11和聲波助燃技術(shù)12-13等，都遇到了聲波在氣固兩相流介質(zhì)傳播時聲波的頻散、衰減和散射的問題。在多原子氣體中，有聲速隨頻率變化的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫聲波的頻散

12、或色散。例如，在二氧化碳中，當(dāng)頻率小于 105Hz 時的聲速為一常在國內(nèi)，2001 年，浙江大學(xué)的趙貴兵2,36-37等提出了在器壁上安裝壓電陶瓷傳聲器，對流化床流動狀態(tài)的聲學(xué)監(jiān)測方法。他們認(rèn)為實際測量的聲波信號主要來源于顆粒與器壁的摩擦和碰撞，流化床器壁實際上是起著聲波波導(dǎo)的作用。由于頻率低于 20kHz 的可聞聲波和次生波很難被固體所吸收，因此床層內(nèi)部（未接觸器壁部分）的各種低于 20kHz 的聲發(fā)射很難傳播到傳感器上。同理床層外部周圍環(huán)境中的各種低頻聲波也對實驗聲波測量的影響甚微。另外，高頻聲波如超聲波對固體的穿透能力很強，卻很難透過氣體，因此床層內(nèi)部未接觸器壁部分產(chǎn)生的超聲波卻因很難透

13、過流化氣體而難于被傳感器檢測到。因此，此類流化床聲發(fā)射檢測主要反映了顆粒與器壁的摩擦和碰撞。2005 年，浙江大學(xué)的石喜光38對電站鍋爐煤粉管道內(nèi)的煤粉濃度的聲學(xué)測量進(jìn)行一些初步研究。他在煤粉的彎頭外側(cè)裝設(shè)超聲波接收器，通過接收氣固兩相流內(nèi)固體顆粒撞擊彎頭管壁產(chǎn)生的超聲波信號，經(jīng)過增益器將信號傳送到計算機，計算機對超聲波信號處理后，根據(jù)不同(b tn)固體濃度下信號特征的變化獲得(hud)管內(nèi)氣固兩相流的濃度。2005 年，陽永榮39-42等認(rèn)為，聲波主頻的變化(binhu)反映為聲波各尺度（頻段）能量分布的改變，正是由于不同粒徑的顆粒所產(chǎn)生的聲波能量疊加，導(dǎo)致聲波在各尺度的能力分布不同，因此有可能通過多尺度聲波能量分布率的分析，實現(xiàn)粒徑分布的預(yù)測。以上研究結(jié)果從另一個側(cè)面預(yù)示著兩相流動介質(zhì)中聲波的發(fā)生、傳播的研究將成為探索顆粒的濃度和粒徑的有效途徑，對于兩相流動狀態(tài)監(jiān)測，預(yù)防結(jié)塊，避免事故具有重要意義。綜上所述，“聲波在氣固兩相流介質(zhì)中傳播特性的研究”屬于國內(nèi)外前沿課題，具有很強的創(chuàng)新性。1.3 本課題的主要研究內(nèi)容本課題以管內(nèi)平面波為研究對象，對管中聲波在不同濃度、不同粒徑氣固兩相流介質(zhì)中傳播特性進(jìn)行研究。課題的主要內(nèi)容包括：(1)闡述聲波在氣固兩相流介質(zhì)中的傳播機理。(2)研究一維管內(nèi)氣固兩相流聲學(xué)測量方法，搭建實驗平臺，進(jìn)行相關(guān)實驗。(3)實驗研究聲波在氣固