（工程热物理专业论文）cfd和电容层析成像技术及其在下行床的应用.pdf

闫润生( 工程热物理) 指导教师：刘石研究员 随着工业技术的不断发展，对多相流测量技术的要求也越来越高。多相流的 实时测量能够快速反映流体流动状态的变化，为分析流动时的速度、各相成分， 进一步分析流动的流体力学特性，分析流动时的传热，解决实际问题提供可靠的 依据。过程层析成像技术是近二十年发展起来的一种新型检测技术，可广泛应用 于石油、化工、冶金、电力等行业中。电容层析成像技术是过程层析成像技术的 一种，具有测试系统简单、安全性好、非侵入、价格低廉等优点。 本文计算了1 2 电极方形传感器在几种典型不同形状气固流动模型条件下的 电容值，应用l b p 算法、l a n d w e b e r 迭代算法、正则迭代算法、正则法等不同成 像算法进行了图像重建计算，并且比较了这些算法的优缺点。结果表明，l b p 算法可以快速定性地反映气固流动情况，l a l l d w e b e r 迭代算法可以比较精确的反 映气固流动情况，快速的正则迭代算法可以快速和精确地显示流动情况。同时作 者使用现有的1 6 通道交流激励的电容层析成像测量系统测量了液固两相流在旋 转桶体内的流动情况，测量结果很好地反映了流动状况。 本文根据下行床内气固两相动量方程、连续性方程、颗粒轨道模型、数值求 解方法及定解条件，对下行床气固两相流动进行了数值计算。计算中下行床中的 气相体作为连续相，其中的湍流输运模型采用标准肛占双方程模型。计算得到了 下行段三个不同截面的气固流动分布状况，分布状况表明在下行床入口段固体颗 粒集中在中心处附近，随着向下流动，固体颗粒扩散，中心处颗粒浓度降低，截 面平均颗粒体积份额也降低。 本文应用电容层析成像的方法首次测量了下行床下行段固体颗粒浓度分布 情况。采用低介电系数物质进行标定以提高显示图像信号强度的方法。测量结果 表明，该方法可以用于测量气固两相流低颗粒体积份额( o 1 ) 情况。实验测 量结果与采用颗粒轨道模型计算的颗粒分布吻合较好，反映了在二次风量一定条 件下，随固体颗粒质量流量的增高，颗粒体积份额增大的规律，以及固体颗粒质 量流量一定，随二次风量的增大，颗粒体积份额减小的规律。 关键词：电容层析成像、图像重建算法、颗粒轨道模型、下行床 i 。- 一 a b s t r a c t a b s t r a c t y 抽r u i l s h e n g( e n 西n e 积n gn 锄o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp f o f e s s o r “us 1 l i w i t l ln e wa r c a sd e v d o p i n gi nm ei n d u s 奶s o m ec o r 枷o n a lt e c i l n i q u e so f m e a s u r 伽e 1 1 ta p p e a r1 i m i t e di nd i 插删l tf i e l d s h 1o r d e rt 0r e 丑e c tt h es t a t eo f m u l t i p l l a s en o w ，r e a l t i m em e a s u r a n e l l ti sv e r yi i n p o f t 锄t i no r d e rt oa 1 1 a 1 ) ，z et l l e h y d r o d y n 锄i cc h a r a c t e f i s d c so ft l l e 抑。一p h a s en o wa n dh e a t 恤s f 打i n s i d ea “b e ， p a r 锄e t e r ss u c h 鸽v d o c i t y 髓dc o n c e n 仃a t i o na r ei m p o r t a l l t p r o c c s st o m o 掣a p h y ( p t ) m e a s u r 锄e 1 1 ti san e wt e c h n o l o g yw l l ic ：hh a sb e e nd e v d o p i n gs i n c et h e1 a t e1 9 8 0 s p tc a nb ew i d d yu s c di nm a i l yf i e l d ss u c ha sp c n d l 叫m ，c h e m i c a l ，m e t a l l u 唱ya n d e l e c 砸c a le n 百n e d 昭e 1 e c m c a lc a p a c i t a n c et o m o 簪a p h y ( e c t ) i st y p i c a lt e c l l i l 0 1 0 9 y o f pt e c th a ss c v e r a la d v 锄t a g e ss u c ha ss i m p l i c i t y l o wc o s ta 1 1 ds a f b 够 1 1 1 i sm e s i sp r e s e n t sac o m p 删t i v es t u d yo n 铆op h a s en o w u s i n gc f d 锄de c t f o re c t ，l b pm e m o d ，i 删i v ea l g o 曲吼，缸ti t e r a t i v ea l g o 酣吼姐dr e 鲥a r i z a t i o n s i m l l l a t i o nm e 山o da r ca p p l i e dt or e c o n s 仃u c tt h ci m a g e e x p 耐m e n t a lr e s u l t ss h o w t l a te a c ha l g o r i h a si t sa d v a l l t a g e sa i l dd i s a d v a n t a g e s l b pm e t l l o di sf - a s t e rm 孤 o t l l e rm e n l o db u to r w i m p o o ri m a g eq u a l i 妣i t 耐i v ca l g o r i m mc a nc h a r a c t 甜z e s o l i d - g 鹪f l o wb e h a v i o rm o r ea c c u r a tc ：i y f h ti t e r a t i v ea l g o r i t l l mh a st h es 锄ei m a g e q u a l i t ya si t e r a t i v em e m o db u tw i t l lm u c hf 聃t e rs p c c do fi m a g ef e c o n s t r l l c t i o n t o v 丽母t h ea b o v em 甜1 0 d s ，as i x t e e n _ c h 锄c 1a cc h a r g e de c ts y s t e mi su s e dt o m e a s w cm el i q u i d s o l i d 柳o p h a s ef l o wi 1 1as w i r lb a 玎c l _ n u m c r i c a ls i r r m l a t i o n sa r ec 枷e do u tf b r l en o wi nad o 啊e mm es i m u l a t i o n m eg 船p h a s ei s 廿联娃e da st 1 1 ec o n t i n u o u sp h 嬲ea n dt 1 1 et l l f b u l e n c ei sa c c o u n t e df o rb y ac o n v e n t i o n a l 知st 、v o e q u a t i o n sm o d e l p 删c l et r a j e c t o r ym o d di s u s e dt o c a l c u l a t e 廿l es 0 1 i d sf l o wi nm r c es e c t i o n so ft l l ed o w n e li 沁s u l t si n d i c a t em a la t 也e i n l e to fm ed o w n e r m es 0 1 i dc o n c 黜岫t i o ni sh i g hi nt h ec e n t e ra r e a a st 1 1 ep 枷c l e n o wd o w n w a r d ，d i 髓s i o no fm ep a r t i c l e so c c u r st h a tm a k e st 1 1 ec o n c 锄仃a 缸o nm o r c u n i f o r mo v e f 吐忙c r o s s s e c t i o n s h la c c o r d a n c e 、i mm en u m e r i c a ls i m u l a t i o n s ，e c ti sa p p l i e dt om e a s u r et h e g a s - s o l i df l o wi n t 1 1 ed o w n e f fm e 嬲u r es i 辨a l sc a nb ei m p r o v e db yu s i n g1 0 w p e 咖i m “t ym a t e r i a l i oc a l i b r a t e e x p 硎m e n t a lr e s u l t si 1 1 u s 廿a t em a tt 1 1 i sm e t h o dc a n s u c c e s s m l l ym e a s u r et l l ev 0 1 u m ef h c t i o no fg a s s o l i de v c nw h c nt l l en o w i so f1 0 w 1 1 c o n c c n 仃a t i o n ( o ) 。则系统的解可以写为： 宫= p 。1 u 7 五 ( 2 1 8 ) 其中，矿。1 u 7 是s 的伪逆，而 = 纰鼢去爿 协 。是个m 的对角阵。可以进一步将式子( 2 - 1 8 ) 写成为： 宫= 善刍= 善降叫 协2 。， ，- 1 扛l ，f， 实际成像过程中，测量值五中往往含有噪声，即： = z + 一( 2 2 1 ) 其中石为无噪声的电容向量，行为掺杂在丑中的噪声。在这种情况下，雪的表达 式为： 謇= 扣喜降等卜 协z z ， 其中，童是不稳定的，五上轻微的扰动就可能使解产生很大的偏差。 2 2 1 3t i l 【l i 蛐o v 正则化法 c f d 和电容屠析成像技术及其在下行床的应用 在许多实际计算场合，并不需要确切知道广义逆矩阵，一般说，需要确 定的是一个表现为方程组曲= 五的正规解或拟正规解的向量a 。这种方程组的 解通常不稳定。因此，作为先决问题，要找到一种数值方法，它对于系数矩阵s + 和右端向量 的不精确性要保持稳定。 对于这类问题，t i 【1 1 0 n o v 正则化法是一种常用工具，而且被证明是很有效的。 方程基于t i k l l o n o v 正则化法的解可以表示为： 喜= 7 s + 肛) _ 1 s 7 五 ( 2 2 3 ) 其中，为正则化因子，一般为一个小正数。j 为单位矩阵。由于剖分单元的数 目十分大，矩阵j 7 s + 求逆的计算量很大。一般使用 s h 锄a n - m o r r i s i - w o o d b u 哆法来减轻计算量。采用n o v 正则化法，一般取 “= 0 0 0 0 3 。 2 2 2 迭代算法 鉴于非迭代算法的成像效果较差，e c t 的研究者们一直努力寻求更高成像 质量的算法。 近年来，迭代法在电容层析成像领域内得到了一定的发展。常用的包括 l a i l d w c b e r 迭代法f 5 4 】、同步迭代重建技术( s i r t ) 【“1 等。图像迭代算法的步骤如 图2 4 。 第二章电容层析成像技术算法研究 2 2 2 1t i l h o n o v 迭代法 t i k h o n o v 迭代法源于n e 州o r 卜_ r 印h s o n 法，加入正则项，j 避免了f s ) 1 不存 在的缺点。具体公式如下： 靠+ l = 乳+ 旺。( s 7 s + y “) 一s ( 九一墨吼) ( 2 2 4 ) 其中：j 。置“为单位矩阵，y 为正则系数，| i 为迭代次数。t i l ( 1 1 0 n o v 迭代法 在选取恰当的正则系数y 时，能够得到改善的结果，且收敛速度较快。 2 2 2 2l a n d w e b e r 迭代法 迭代法有多种，其中l 卸d w e b e r 法1 】【6 7 】是较为常用的方法，其表达式为： 掌0 = s 7 五 ( 2 2 5 ) g t + l = 窖i + 口 s 7 口 = 亭i + 口i s 7 以一i 踞i ) ( 露= o ，l ，) ( 2 2 6 ) 跏= ( 一，) ( 2 2 7 ) 图2 5l a n d w e b e r 法重建框图 图2 5 为l a n d w e b e r 法重建框图。此法首先根据测量的 通过l b p 法重建出 图像掌0 。g 。是误差较大的图像。为纠正误差，再从重建的图像靠( 即物质分布) 通过公式( 2 2 5 ) 换算成仿真的电容向量，仿真的电容向量与实测的电容向量相 减得到一个误差向量“，此误差向量再经l b p 重建成一误差图像。此误差图像 与原图像巩相加以进行图像修正，即公式( 2 - 2 6 ) 。其中为一松弛系数( 迭代 步长) ，根据经验选取为l 2 。每迭代一步判断# 。是否小于允许值。若气小于允 m l 。一 一一! 竺翌皇查星堑璧堡茎查墨茎垄! 堑堕墼堂里 许值，则输出修正的图像乳+ ，作为最终图像。否则g 。被用以下一次迭代。直至 气小于允许值。膏为迭代算法时的迭代次数，珊为一阈值函数，滤掉不符合实 际的误差值。 l a l l d w e b e r 迭代法是近年来应用最广泛的方法，已在流化床底部成像应用方 面获得了较好的结果【5 l 】。 同步迭代重建( s i i h ) 算法源于对代数重建( a r t ) 法的改进，能有效地抑 制测量数据中噪声1 5 4 j ，其公式为： 一瓤托p 筹蒜 沼z s ， d l d g l 6 6 1 ) 。 总结公式( 2 2 4 ) ( 2 - 2 6 ) ( 2 2 8 ) ，可以用以下个通用公式来表示： g “l = g t + t 嬲，矿( 九一) ( 2 2 9 ) 对于t i k h o n o v 法，u = ( s 7 s + 帆) 一，矿= k ，k 詹”一，为单位矩阵； 对于d w e b c r 法，u = 凡，矿= 如； 沂射盯、法如睢丽而。d i 略i s s f 、 为了改善迭代过程的稳定性以及加快收敛速率，还可以引入投影算子厂，将 每次迭代结果投影到个凸集上，( 2 2 9 ) 式改写为： 凰+ - 2 ，l 瓯+ d t 瑚7 y q 一虢) ( 2 3 0 ) 式( 2 3 0 ) 中，( 工) 为投影算子： f ，( 卫) ，o ，( 工) s l ，( x ) = o ，( x ) 0 公式( 2 - 3 0 ) 称为通用投影迭代公式。 由此可见，基于线性模型的不同迭代方法只是u 与矿选取的不同，这也可启 示我们根据公式( 2 - 2 9 ) 结合口与y 的选取探求能够适用于e c t 领域的新的收 i 。，。，。，。一 第二章电容层析成像技术算法研究 2 2 2 4 共轭梯度法( c o j u g a t eg r a 山姐tm e t h o d ) 共轭梯度法用于求解一般目标函数的极小值。 其基本定义为：给定两个向量f 和h ，如果满足： ( 五，5 窖) = 0 ( 2 3 2 ) 则两个向量可以称为关于s 共轭。 共轭梯度法适用于系数矩阵为对称正定，该方法按照共轭梯度关系不断选择 搜索的方向，求取最优的方程解。对于电容层析成像，采用最小二乘法，即： s 7 = j 五 ( 2 3 3 ) 取初始9 0 ，r 。= 一避。，风= ，则对于七= o ，l ，计算 口：墼( 2 - 3 4 ) ( 鼽，n ) g “t = g t + 口t ，t ( 2 3 5 ) 咯+ 1 = g 一口t 印 ( 2 3 6 ) 展：掣 ( 2 _ 3 7 ) l 气，j p + l = s 1 咯+ l + 风，t ( 2 3 8 ) 式中，p 。为第七次修正方向，而各修正方向满足共轭关系： ( p ，印，) = o ，f ， ( 2 - 3 9 ) 2 - 3 图像重建效果的评价参数 在进行图像重建算法的仿真计算中，需要对图像重建效果进行评价。重建后 图像与原始图像差异的客观标准可以采用下面几个参数进行评价： 一，一瞥 淫4 。， r 界丽 ( 2 4 1 ) 式中，g 为测试流型的分布，富为重建结果，岳和蚕分别是g 和雪的平均值 。_ ，h p _ p _ _ _ 一 c f d 和电容层析成像技术及其在下行床的应用 口h 叼r 为重建图像的相对误差，r 为重建图像的相关系数。p 玎卵越小，越接近 1 ，说明图像重建的效果越好。对于迭代法来说，另一个重要的参数是达到最优 化所需的迭代次数以及迭代算法是否收敛。 2 4 仿真实验结果分析b e 较 许多研究者在成像算法上做了许多工作，比较了各类算法的优缺点，逐步发 展了成像算法的速度和精度1 2 9 】【5 4 【5 6 l 【6 2 】 6 7 】。 为了比较u p 、l a n d w e b b e r 迭代法、正则迭代( n e n 它g u i a r m c l o d ) 算法、 t i 妫o n o v 正则( r e g u l 撕z a t i o nm e m o d ) 算法成像的不同效果，本文作者应用相 关软件计算了方形管道内6 种不同仿真流动模型下的电容值，并且计算了对应的 空管( s = 1 ) 和满管( 占= 2 5 ) 情况下的电容值。图2 6 ( a ) ( b ) ( c ) 和图2 7 ( d ) ( e ) ( f ) 中白色为f = 2 5 的物质，黑色为s 。1 的空气。通过不同的成像算 法，获得了成像结果。其中图2 6 ( a ) 为方形管道内分层流动模型，( b ) 为环状 流模型，( c ) 为设定的上部为给定物质，下部有一圆状物流动形式，图2 7 ( d ) 为三个泡的滴状流，( e ) 为方形管道内四个泡的滴状流动模型，( f ) 为设定的方 形管道内斜的层状和一个泡状的流动模型。成像时使用3 2 3 2 的敏感场。图2 6 ( 1 ) ( 1 2 ) 及图2 7 ( 1 ) ( 1 2 ) 给出了六种不同流型下四种不同成像算法得 到的二维和三维成像分布图。其中，l a l l d w e b b c r 迭代法迭代2 0 0 步，正则迭代 算法迭代1 0 步，正则参数取o 0 1 ，t i 妨o n o v 正则算法正则参数取0 0 0 3 【删。 ( a )( b ) 仿真流动模型 ( c ) i 第= 章电容层析成像技术算法研究 l a l l d w e b e rm e m o d 成像图( 迭代次数2 0 0 ) 2 7 ( 6 ) + ，。一 c f d 和电容层析成像技术及其在下行床的应用 ( 1 硼幽o n o v 正则法( r e g u l 州z a t i o nm e t h o d ) 成像图 图2 6 方形管道内几种不同流动模型通过不同算法得到的成像图 ( 1 2 ) 第二章电容层析成像技术算法研究 ( 4 )( 5 ) l d w e b e rm 劬0 d 成像图( 迭代次数2 0 0 ) 2 9 ( 6 ) c f d 和电容层析成像技术及其在下行床的应用 ( 1 0 )( 1 2 ) n 1 ( 1 l o n o v 正则法( r e g u l 鲥z 硝o n m 眦h o d ) 成像图 图2 7 方形管道内几种不同流动模型通过不同算法得到的成像图 针对四种不同的算法，即l b p 算法、l a n d w c b e r 迭代算法、正则迭代算法、 正则算法，计算了6 种仿真流动模型的成像评价指标，如表2 2 所示。表中( a ) 、 ( b ) 、( c ) 、( d ) 、( e ) 、( f ) 为计算的六种仿真流型，p ，m r 为重建图像的相对误 差，r 为重建图像的相关系数。可以看出，相同的算法针对不同的流动模型，其 误差和相关系数是不一样的；而同一流型不同的算法，其误差和相关系数也是不 一样的。这说明能够适用于某些流型的好的算法，并不一定能够适用于其他流型。 例如对于仿真流型( a ) 、( b ) 、( c ) 、( f ) ，应用l a n d w e b e f 迭代算法比应用i t e 玎e g u l a r 【胃i 百万1 矿再f ，曩丽一 j g 第二章电容层析成像技术算法研究 正则迭代算法成像效果好，但对于仿真流型( d ) 、( e ) ，反而应用i t e r r e g u l a r 正 则迭代算法比应用l a i l d w c b e r 迭代算法效果好。但从几种不同流型的总的成像效 果来看，l a n d w e b e r 迭代法成像质量总体上优于其他几种算法。 表2 2 成像评价参数 仿真流型 ( a ) ( b )( c )( d )( e )( f ) 0 2 1 7 7 l 0 2 8 6 3 50 5 0 0 1 5o 8 9 2 6 4o 8 8 5 7 3o 8 5 1 6 9 l b p 算法 f0 9 5 1 9 50 9 1 2 4 2o 8 1 4 1 l0 3 8 8 2 l0 3 7 6 5 40 4 1 7 3 7 l ，a n d h 曲口 e r r o r0 2 2 7 6 8o 1 6 6 5 20 2 9 1 8 5o 4 9 1 9 1o 4 8 8 7 8o 2 8 0 4 9 迭代算法 r o 9 4 7 2 6o 9 7 1 9 5o 9 4 2 4 lo 8 8 0 8 9o 8 7 1 6 90 9 3 9 4 2 i t e r r e 9 1 l l ”正则迭 e 力o ro 2 8 5 6 30 1 8 7 9 10 3 2 1 4 60 4 4 2 5 3o 4 4 5 6 40 _ 3 1 1 0 1 代算法 o 9 1 7 2 4o 9 6 3 4 10 9 2 8 3 50 8 9 9 8 l0 8 9 2 4 5o 9 2 3 8 4r r e g i l l a r i 髓o n 正 o 3 1 9 7 80 3 2 5 9 9o 4 7 0 5o 5 4 4 0 1 0 5 3 3 1 2o 4 0 4 8 9 则算法 o 9 0 6 9 80 8 8 7 3 6o 8 4 9 5 4o 8 5 2 4 8o 8 4 2 3 40 8 6 9 0 9 2 5 电容层析成像技术在测量旋转流动桶体内的液固流动的应用 2 5 1 混合流动实验装置介绍 根据模拟仿真计算的结果，可以知道l 矗n d w 曲髓迭代法成像质量总体上优于 其他几种算法。为了进一步说明该方法，并检验应用于实际两相流动的成像效果， 设计制作了圆形电容传感器，用于测量旋转流动桶体内的液，固流动。 两相流动中的液体和固体混合流动，同样在工业实际应用中有许多例子。例 如在石油开采中的液固流动，在电厂水力除灰管道内的流动。观察、分析和研究 管道内这样的流动情况，可以定性甚至定量的得到管道内流动的分布状况。该实 验的目的是得到旋转筒体内液固混合流动的实时记录。 下面介绍该实验装置的设计情况。 如图2 8 所示，该实验测试装置由四部分组成，即转动装置及被测体、电容 传感器、数据采集系统及成像计算机三部分组成。图2 9 为所使用的电容传感器， 该传感器设计为1 2 个电极，每个电极长为7 0 n 蛐，宽为1 9 n 珊，均匀布置在管外 。 ： c f d 和电容层析成像技术及其在下行床的应用 径为1 0 8 m m 的有机玻璃外壁，测试电极间有隔离电极。图2 1 0 为试验用旋转桶 体，内为试验用的液体和固体，液体为食用油，试验用固体为沙子。设计测试电 极宽1 2 m m ，隔离电极宽为5 m m ，隔离电极在测试时要接在机壳外部，降低外界 对测试信号的影响。 采集装置为1 6 通道的交流充放电系统，该系统灵敏度高，可测量到o 0 1 p f 的电容值，误差仅为0 o 0 0 2 p f ，测量范围宽0 0 1 2 p f ，该装置稳定性好，采集 速度快【6 5 】【3 9 】。 图2 一1 0 被测实验液固( 油和沙子) 转动体 测量时采用3 2 3 2 敏感场，测量结果图像显示为3 2 3 2 像素。对应相片是使 用数码相机拍照的，典型不同转速下的流动状况，可以比较清晰的观察到。 进行测量时要先进行空满管的标定。低介电参数的物质为液体即食用油，其 介电常数为占。= 3 ，高介电常数是平均颗粒尺寸为1 2 咖，介电常数为g 。= 6 5 的沙子。空管时认为只有液体充满，满管时认为只有沙子，空满管的测试电容分 叫酗目嘲f 罐l ， 第二章电容层析成像技术算法研究 别记为c 0 ，c 二。测试得到的电容值为归一化的电容值，即： 铲蒜筹器 协4 z ， ”c 口( 湖l d ) 一g ( d 豇) 式中f ，_ ，是1 2 个相对电极对，测量得到的归一化电容值为6 6 个。根据实验 时测量得到的归一化电容值可以用不同的成像算法进行计算，进一步分析流动情 况。本文采用l a l l d w c b e r 迭代法进行了计算。 2 5 2 测量结果 试验结果表明该装置可以实时测量和反映管道内液固两相流动的情况。图 2 1 l 为测量时拍摄不同流动情况的图片以对应不同转速测量的情况，图2 1 2 为 桶体内油沙子液固两相随桶体转动时的实时所测量的典型情况的图像。 ( g )( h ) 图2 1 1 不同流动形态时的照片 其中图2 1 1 ( a ) 、( b ) 为桶体静止时的固液分层现象，对应图2 1 2 ( 1 ) 、( 2 ) 。 r c f d 和电容层析成像技术及其在下行床的应用 图2 - 1 1 ( c ) 为桶体开始转动很慢，粘滞力和惯性力相互作用刚能够携带沙子， 对应图2 1 2 ( 3 ) ；图2 1 1 ( d ) 为转动速度加快时的沙子状况，对应图2 1 2 ( 4 ) ： 图2 1 1 ( e ) 为继续加快速度沙子可以被携带到顶端的情况，对应图2 1 2 ( 5 ) ： 图2 一1 1 ( f ) 为继续加快速度沙子在顶部并可能下落的情况，对应图2 1 2 ( 6 ) ； 图2 1 l ( g ) 为转动速度比较快，可以携带沙子一同均匀转动，由于离心力作用 沙子靠近壁面一起转动，对应图2 1 2 ( 7 ) 、图2 一l l ( h ) 为继续加快转动速度经 比较长时间后油和沙子的流动情况，对应图2 1 2 ( 8 ) 。 图2 一1 2 成像方法为l b p 算法，从所测量的结果可以看出，该装置及l b p 算 法可以很好的反映液固两相流动的情况。图示为从开始液固静止到缓慢转动到加 速转动到快速转动的过程各不同阶段桶体内的流动状况，与所拍摄的图片相比较 可以看出成像图可以很好的反映出流动情况。 ( 5 )( 6 ) 第二章电容层析成像技术算法研究 ( 1 1 )( 1 2 ) 图2 1 2 不同转速时测试韵成像结果 2 5 3 应用迭代算法得到的旋转通体管道内对应流动情况 在实验数据的基础上，应用m a t l b 程序对测量所得的归一化电容值进行 计算分析，并应用线性反投影算法( l b p ) 、l a i l d w e b 盯迭代算法重新成像并对成 像效果进行了对比。计算时采用6 2 x 6 2 敏感场，迭代次数为3 0 ，迭代步长为1 。 图中l a n 代表l a n d w e b e r 算法。 图2 1 3 为桶体转动很慢时，油的粘滞力和惯性力相互作用，刚好能够携带 沙子运动的情况，沙子顺桶壁向上运动一小段，随即流下，如此往复，对应图2 1 l 中( c ) 、( d ) 的情况。为了完整的记录下沙子的运动情况，每隔5 帧取一幅图像。 l ，# - ，f 一 日；* 、- - c f d 和电容层折成像技术及其在下行床的应用 图2 1 3 转速很慢时的成像结果 图2 - 1 4 和图2 - 1 5 是桶体转速较慢时，食用油可以带动沙子到顶部，然后下 落的情况。图2 1 4 中，桶体顺时针转动情况；图2 1 5 中，桶体逆时针转动，对 应图2 1 1 中( e ) 、( f ) 的情况。 图2 1 5 转速较慢时的成像结果( 逆时针) 图2 1 7 转速较快时的成像结果( 逆时针) 图2 一1 6 是桶体顺时针旋转，速度较快时沙子的运动情况，可以看到沙子被 食用油带动，在离心力作用下，贴近桶壁一起转动。图2 1 7 是桶体逆时针旋转， 速度较快时沙子的运动情况，对应图2 “中( g ) 、( h ) 的情况。 可以看出，l b p 法和l a n d w e b e r 迭代法都能够正确反映不同旋转速度下，液 固两相流( 食用油一沙子) 的运动情况。成像结果与实际情况相符。采用 l a l l d w e b e r 迭代法，能够有效消除所成图像中液固两相流交界的模糊现象，与l b p 法相比，具有更高的测量精度。 2 5 小结 本章介绍了电容层析成像的原理及常用的成像计算方法，同时计算了几种方 形传感器内气固流动模型电容值，并比较了l b p 算法、l a l l d w e b e r 迭代算法、正 则迭代( i t e 玎e g i l l a r ) 算法、正则( r e g u l 撕z a t i o n ) 算法的成像效果。同时设计制 作了圆形传感器，实际测量了液固( 油沙子) 在旋转桶体内的流动情况，结果 c f d 和电容层析成像技术及其在下行床的应用 表明，所设计的传感器及采用l b p 算法可以满足测量需要，能够快速反映流动 状况，而且可达到1 2 0 幅，秒的采集速度，该装置的实现为其他不同液固流动的 测量提供了新的方法，而且该方法可以实时、非干扰和全区域测量，实现在线流 型识别；采用l a n d w 西e r 迭代法则可以得到更高质量的图像，从而实现液固两相 流浓度、流量等参数的测量，具有工业应用潜力。 第三章顺重力场循环流化床发展概述 第三章顺重力场循环流化床发展概述 3 1 顺重力场循环流化床发展概述 顺重力循环流化床简称为下行床。从1 9 3 9 年开始就有利用下流式反应器进 行烃类等离子体裂解制乙炔的过程( h e i l l ze ta 1 1 9 8 8 ) ，到了6 0 年代初期，这一 反应器被应用于煤粉等离子体裂解制乙炔【8 1 - 【。从7 0 年代中期开始， s t o n e w 曲s t c r 工程公司i 斛】认识到了裂解反应对快速气固接触反应器的需要及上 行提升管作为这类反应器的局限性，而从反应器设计的角度提出了气固超短接触 ( q u i c k c o i l 诅c t ，q c ) 反应器的概念【9 9 ( g a f t s i d e a n d e i l l i s1 9 9 3 ，g a n s i d e1 9 8 9 ) 。 该反应器的主体是气固下行床，此技术的关键是基于下行床可以在气固接触时间 比提升管中短很多的条件下运行，一般可在2 0 0 m s 以内，在当时这是接触时间 最短的催化裂化反应器。自8 0 年代以来，清华大学祝京旭等8 1 】f 8 5 1 ( 1 9 9 1 ，1 9 9 5 ， 1 9 9 7 ) 、祁春鸣等1 0 0 h 1 0 3 1 ( 1 9 9 1 ，1 9 9 3 ) 、曹春社【9 8 1 、白丁荣哪】、金涌【9 7 】【9 9 】、魏 飞f 1 0 5 - 1 0 9 】对上行床、下行床气固两相流体力学及其混合扩散行为进行了系统的基 础研究，从诸多方面阐明了气囤顺重力场流态化的特性。中科院化工冶金研究所 1 1 0 】、清华大学删对下行床中气固接触的传热进行了研耕1 1 0 1 ，这些基础研究为实 际应用提供了理论基础。目前在国内以清华大学化学工程系为领先的研究者已经 积累了许多研究成果并开创了许多新的研究方向。 下行床管内流动与提升管内的流动特点和比较如表3 1 。可以看出，一方面 下行床中存在阻止颗粒聚集的顺重力场运动机制，因此气体速度、颗粒速度及颗 粒浓度径向分布更为均匀；另一方面下行床中气固停留时间短而一致，轴向返混 小。这两方面的因素都使得其流型比提升管更接近理想的平推流，因此下行床对 于提高裂解过程的选择性和收率是有利的。 同时许多研究者对下行床气固分离效果和气固混合空隙率的测定进行了许 多研究，而且对轴向和径向的扩散和混合进行了研究。l e l l i l e rp _ 【8 6 l 测量了下行 床内的气固分布，u l a c k 锄c i e r f 8 7 1 应用激光技术测量了下行床内的气固分布。 魏飞等人【9 l 】+ 同样进行了气固分离效果和气固混合的研究。 l “。“_ _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ - h _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ w - _ - - _ _ + 一 c f d 和电容层析成像技术及其在下行床的应用 表3 1 循环流态化中提升管和下行床管内流动比较 下行床提升管比较与分析 流 气体和颗粒三个运动阶段，固体速度永远小于气下行床中固体颗粒速度 轴速度分布固体速度可以 体速度可以超过气体速度，易于 体超过气体速度 快速分离 压力分布 整个下行床压分布简单，但提升管下降管总体压降比提升 力向降可正、可负或压降随轴向距离的增管小 恒值大而增大 学 气体速度分 颗粒加入较单 颗粒加入较单相气流 气固顺重力场使气速分 布 相气流更为均更不均匀布更为均匀 特 匀 径 颗粒速度分比提升管中颗速度分布抛物线型，提升管边壁处颗粒速度 征 布 粒速度更加均不均匀低，造成向下运动，导致 匀大量颗粒返混，气周停留 时问相差大 向 颗粒浓度分下行床颗粒浓靠近壁面处颗粒浓度下行床中颗粒速度高处 布 度几乎不随径较高，不均匀浓度也高，而提升管中与 向位置变化 此相反 混 轴颗粒混合单峰，轴向返混 双峰，轴向返混大， 逆重力场使得提升管颗 a 向 小 部分颗粒停留时间分 粒返混厉害口 行布宽 为径 颗粒混合颗粒浓度较低时相当，当颗粒浓度较大时，下行床径向混合小 向 气体混合径向扩散系数相当，但下行床随操作条件变化小 第三章顺熏力场循环流化床发展概述 到目前为止，气固下行快速床反应器主要在以下三个工业过程得到应用。7 0 年代后期前苏联研制成功功率为1 5 m w 的下行床氢等离子体煤粉裂解制乙炔的 工业试验装置，并获得了3 4 的乙炔工业产率及比乙炔一电石法节电1 ，4 的节能效 果；德国科学家也利用直流等离子体下行床反应器裂解煤粉，其反应功率达 1 2 m w ：2 0 世纪8 0 年代，m o b i l 和t e x a c o 公司也申请了下行床催化裂化反应器 的专利，如图3 1 。美国s t o n e - w 曲s t e r 公司开始开发后来被称为短接触( q u i c k c o n t a c t ) 的新型催化裂化下行床反应器如图3 2 。这种快速接触反应器主要包括 气固进料混合器、下行床反应器及特殊设计的快速气固分离器。目前，法国石油 研究院( f r 舡l c hp e 仃o l 啪h l s 舶呲e ，f p i ) 和加拿大w e s t e mo 呲a r i o 大学正联合在法 国进行中型工业规模气固超短接触催化裂化装置的开发工作( b e 毽o u 舻o u1 9 9 4 ) 。 与此同时，b e i 警等人( 1 9 8 6 ，1 9 8 9 ) 提出了超快速下行流化床反应器，并将其成 功地应用于农林有机物的高温裂解( f d e e le ta 1 1 9 8 7 ，g r a h 锄e ta 】1 9 9 1 ，r o d d 锄 1 9 9 3 ) 。j i a o 等( 1 9 9 8 ) 还研究了用下行床处理废塑料的技术，取得了同样好的效 果。国内中国科学院过程工程研究所也在下行床上进行煤裂解提取油等方面做了 许多研究工作【1 2 2 12 4 1 。 图3 1 m 西i l 和t e x a c 0 公司 下行床示意图 图3 _ 2s t o n e - w c b s t e r 公司下行床反应器示意图 总的来说，以前的研究工作主要集中在快速气固接触反应器的应用技术开发 上。目前更多对下行床中气、固两相流的流体力学、气固混合及传递行为等进行 更为基础的研究，而这些基础研究对于了解下行床与提升管的本质差别，从基本 原理上开发更为先进的反应器十分重要。 4 1 c f d 和电容层析成像技术及其在下行床的应用 下行床反应器的基本结构包括三部分：气固入口分布器、下行管反应器及气 固快速分离器。气固流化床反应器在反应速度非常快时，反应转化率与选择性不 仅与下行床的下行管主体长度有关，而且与气固分布器及气固快速分离器的结构 有关。对于快速反应系统，提高产品收益率的一个重要手段就是在反应器入口处 实现快速气固均匀混合，在出口处快速停止反应。随着气固反应速度的提高，气 固进料的均布及气固快速分离所需时间已接近或相当。 文献【1 1 5 】对下行床应用于工业试验的研究进展进行了评述，列举了如下的一 些工业应用，如表3 2 所示。 表3 2 应用于下行床反应器的主要工艺过程 过程规模停留时间 石油组分的裂化 s t o dw 曲s t e r 快接触( q c ) 反应器 中试 2 0 0 m s m o b i l 超短接触流化裂化( f c c ) 工艺专利技术 5 0 0 m s w i g t e mo n t “o 大学的沥青渣油超短裂解工艺 小型中试 5 0 0 m s 清华大学下行管流化裂化( f c c ) 工艺专利技术 5 0 0 m s 煤粉的裂解 1 e x a c o 的煤粉裂解工艺 中试 l m i n o c c i d e n t a lp e 廿o l e 啪的煤粉快速裂解工艺 中试 0 1 0 8 r o c k w e l l 闪蒸加氢煤粉裂解工艺中试 2 0 - 2 0 0 m s 煤粉等离子体裂解工艺 工业试验 1 m i n 煤粉的闪蒸加氢煤粉裂解液化工艺小试装置 1 n d n 术质素( b i o m a s s ) 裂解 美国s e i u 的木质素裂解反应器小试装置 7 5 - 1 7 5 m s 法国n c y 大学的木质素裂解反应器 小试装置 美国b r o o l 吐l a v e n 实验室木质素裂解反应器小试装置 l s w j s t e mo n t “o 大学木质素超短裂解反应器小试装黄 7 5 0 m s 3 2 下行床的流动分区 下行床与提升管的本质差异在于气固并流下行顺重力场与并流上行逆重力 场流动。 在气固顺重力场流动时，气体无需悬浮颗粒，颗粒沿重力场方向加速运动 的动力主要来源于自重力而非气固曳力，所以下行床内轴向压力降与提升管相比 会小的多，甚至会出现沿流动方向压力递增的现象。在下行床入口处，颗粒速度 小于气速，颗粒在