張 虎，胡春波，孫?？?，鄧 哲，徐義華

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場(chǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072；2. 南昌航空大 學(xué)飛行器工程學(xué)院，南昌 330063)

?

稠密氣固兩相流顆粒質(zhì)量流量測(cè)量方法研究①

張 虎1，胡春波1，孫?？?，鄧 哲1，徐義華2

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場(chǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072；2. 南昌航空大 學(xué)飛行器工程學(xué)院，南昌 330063)

為解決粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和粉末沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)供粉系統(tǒng)冷流標(biāo)定過(guò)程中顆粒質(zhì)量流量的測(cè)量問(wèn)題，提出了一種稠密氣固兩相流中顆粒質(zhì)量流量的測(cè)量方法，并基于旋風(fēng)分離器和電子天平運(yùn)用該方法設(shè)計(jì)了一套氣固兩相流中固體質(zhì)量流量的測(cè)量裝置，同時(shí)運(yùn)用粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的供粉系統(tǒng)對(duì)該測(cè)量方法和裝置的測(cè)試性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究。結(jié)果表明：測(cè)量裝置的粉末收集效率可高達(dá)98.5%以上，為固體顆粒的質(zhì)量流量測(cè)量提供了保障；測(cè)量方法具有較好的可靠性和測(cè)量精度，其測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差低于3%；測(cè)量方法具有較好的測(cè)量穩(wěn)定性，重復(fù)性實(shí)驗(yàn)中測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差低于2%；通過(guò)改變旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等參數(shù)，可拓寬測(cè)量方法的適用范圍。

稠密氣固兩相流；顆粒質(zhì)量流量；粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)；測(cè)量方法；旋風(fēng)分離器

0 引言

粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)[1]和粉末沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)[2]都是以固體粉末顆粒為燃料的新型發(fā)動(dòng)機(jī)，其燃燒流動(dòng)特性受顆粒質(zhì)量流量影響較大。所以，在發(fā)動(dòng)機(jī)熱態(tài)實(shí)驗(yàn)之前，均需要對(duì)供粉系統(tǒng)進(jìn)行冷態(tài)標(biāo)定，測(cè)量出固體顆粒質(zhì)量流量，并確定其與流化氣量等參數(shù)之間的關(guān)系。

在標(biāo)定過(guò)程中，固體顆粒質(zhì)量比高達(dá)95%以上，屬稠密氣固兩相流動(dòng)[3]。而目前用于固體質(zhì)量流量測(cè)量的手段和方法多適用于稀相氣固兩相流，針對(duì)稠密氣固兩相流固體顆粒質(zhì)量流量的測(cè)量相對(duì)較為困難，其相關(guān)研究仍處于探索階段[4-9]。

為解決粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和粉末沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)標(biāo)定過(guò)程中稠密氣固兩相流中顆粒質(zhì)量流量的測(cè)量難題，本文基于旋風(fēng)分離器，提出了一種用于測(cè)量稠密氣固兩相流中固體顆粒質(zhì)量流量的新方法，并設(shè)計(jì)了測(cè)量裝置[10]，同時(shí)對(duì)測(cè)量方法和裝置的性能進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究。

1 測(cè)量裝置及原理

稠密氣固兩相流顆粒質(zhì)量流量測(cè)量方法是首先采用旋風(fēng)分離器對(duì)氣固兩相流進(jìn)行氣固分離，而后運(yùn)用電子天平對(duì)分離出的固體顆粒進(jìn)行實(shí)時(shí)質(zhì)量測(cè)量，最后通過(guò)微分運(yùn)算得出固體顆粒質(zhì)量流量。圖1為該測(cè)量裝置原理示意圖，圖2為該測(cè)量裝置實(shí)物圖。

圖1 測(cè)量裝置原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of measuring device

圖2 測(cè)量裝置實(shí)物圖Fig.2 Photo of measuring device

1.1 氣固分離原理及分離效率

由圖1可見(jiàn)，氣固兩相流經(jīng)切向進(jìn)口進(jìn)入旋風(fēng)分離器形成外渦旋沿壁面由上而下作螺旋運(yùn)動(dòng)，在此過(guò)程中，顆粒在慣性離心力的推動(dòng)下向壁面移動(dòng)，到達(dá)壁面的顆粒失去其慣性在重力和二次渦流的作用下沿壁面向下滑動(dòng)落入集粉筒內(nèi)，同時(shí)氣體在內(nèi)渦旋作用下，由下向上同向旋轉(zhuǎn)，并穿過(guò)篩網(wǎng)經(jīng)排氣口排出，從而實(shí)現(xiàn)氣固分離。該旋風(fēng)分離器采用下部進(jìn)氣，可充分利用裝置下部空間對(duì)大粒徑顆粒進(jìn)行預(yù)先分離，進(jìn)而減輕旋風(fēng)分離的載荷。

旋風(fēng)分離器的氣固分離效率對(duì)顆粒質(zhì)量流量的測(cè)量影響較大，較高的分離效率更有利于質(zhì)量流量的準(zhǔn)確測(cè)量。而旋風(fēng)分離器的氣固分離效率與顆粒粒徑有關(guān)，粒徑越大，其分離效率越高。旋風(fēng)分離器粒級(jí)效率的理論預(yù)估值通常由最小粒徑dp和切割粒徑dc50的比值查圖表[11]而得。其中：

(1)

式中μ為含塵氣體粘度；D為分離器直徑；υ為進(jìn)氣速度；ρs為顆粒密度；ρg為氣體密度。

根據(jù)旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)參數(shù)及氣固兩相流參數(shù)查圖表，可知該旋風(fēng)分離器對(duì)于粒徑在20 μm以上的Al2O3粉末顆粒，其氣固分離效率可達(dá)95%，同時(shí)在裝置中添加篩網(wǎng)可有效提高分離效率。經(jīng)氣固分離實(shí)驗(yàn)表明，該旋風(fēng)分離器分離效率實(shí)際高達(dá)98.5%以上，從而為顆粒質(zhì)量流量準(zhǔn)確測(cè)量提供了保障。

1.2 實(shí)時(shí)測(cè)量原理

該測(cè)量裝置待測(cè)參數(shù)為兩相流進(jìn)口處的固體顆粒質(zhì)量流量，而實(shí)測(cè)參數(shù)為集粉筒質(zhì)量增量，測(cè)量存在時(shí)間延遲。由于該時(shí)間延遲量在供粉系統(tǒng)穩(wěn)定工作階段為恒定值Δt，可通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)質(zhì)量曲線和轉(zhuǎn)換質(zhì)量曲線得出，故該裝置對(duì)于粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)供粉系統(tǒng)的冷流標(biāo)定能夠通過(guò)時(shí)間轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)固體顆粒質(zhì)量流量的實(shí)時(shí)測(cè)量。

測(cè)量系統(tǒng)中，采用瑞士Mettler Toledo公司生產(chǎn)的XP8002S精密電子天平對(duì)集粉筒進(jìn)行實(shí)時(shí)的質(zhì)量稱量。該天平具有采樣頻率可調(diào)和采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸兩大功能，通過(guò)內(nèi)置的RS232C通訊接口將每一稱量時(shí)刻的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，天平采樣頻率設(shè)置為10 Hz，即隔0.1 s天平對(duì)集粉筒稱量1次；天平可讀性為0.01 g，實(shí)驗(yàn)中顆粒質(zhì)量流量一般在30 g/s以上，天平稱量誤差如式(2)所示，其值小于0.033%，可滿足稱量精度要求。

(2)

2 測(cè)量方法驗(yàn)證

粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和粉末沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)供粉系統(tǒng)將顆粒燃料輸送進(jìn)燃燒室，供粉裝置示意圖如圖3所示。初始階段，粉末顆粒以一定的裝填密度充滿整個(gè)粉箱，在活塞的推動(dòng)和流化氣的流化共同作用下，粉末顆粒以氣固兩相流的形式輸送出粉箱。在此過(guò)程中，由于流化氣體只作用于粉箱收斂段區(qū)域，對(duì)粉箱直筒段干擾影響較小，同時(shí)假定粉末在活塞推動(dòng)過(guò)程中裝填密度不變，則活塞在一定時(shí)間段移動(dòng)的距離對(duì)應(yīng)粉末實(shí)際輸送質(zhì)量，其活塞位移與粉末質(zhì)量之間換算如式(3)所示。

圖3 驗(yàn)證裝置示意圖Fig.3 Schematic of verification device

(3)

式中mi為ti時(shí)刻內(nèi)粉末實(shí)際輸送量；Si為ti時(shí)刻內(nèi)活塞位移；ρ為粉末裝填密度；A為粉箱內(nèi)腔橫截面積。

活塞位移測(cè)量采用德國(guó)FESTO公司生產(chǎn)的電位器式位移傳感器，該位移傳感器輸出信號(hào)大，且能夠?qū)崿F(xiàn)在線采集，其線性精度誤差為0.05%。

由上述方法換算成的粉末質(zhì)量為實(shí)際粉末輸出量，通過(guò)與天平實(shí)測(cè)的質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比，可有效驗(yàn)證新提出的顆粒質(zhì)量流量測(cè)量方法的可行性和可靠性；反過(guò)來(lái)，質(zhì)量流量對(duì)比同樣可印證文中對(duì)粉末裝填密度不變等假設(shè)的正確性。

2.1 測(cè)量方法準(zhǔn)確性分析

為研究質(zhì)量流量測(cè)量方法的準(zhǔn)確性，分別對(duì)顆粒粒徑和顆粒氣固質(zhì)量比均不相同的2組工況進(jìn)行了測(cè)量實(shí)驗(yàn)，并將位移轉(zhuǎn)換得到的質(zhì)量-時(shí)間曲線與實(shí)測(cè)質(zhì)量-時(shí)間曲線進(jìn)行對(duì)比分析。其中，粉末采用中性Al2O3顆粒，實(shí)驗(yàn)A中顆粒粒徑為144～240 μm，氣固質(zhì)量比為0.058 9，實(shí)測(cè)氣固分離效率為99.4%，其質(zhì)量-時(shí)間曲線對(duì)比和流量-時(shí)間曲線對(duì)比如圖4所示；實(shí)驗(yàn)B中顆粒粒徑為72～144 μm，氣固質(zhì)量比為0.054 8，實(shí)測(cè)氣固分離效率為98.7%，其質(zhì)量-時(shí)間曲線對(duì)比和流量-時(shí)間曲線對(duì)比如圖5所示。

同時(shí)，為便于對(duì)比分析，引入質(zhì)量曲線相對(duì)誤差εr和流量曲線相對(duì)誤差εx，其計(jì)算公式分別如下：

(4)

(5)

(a)質(zhì)量-時(shí)間曲線

(b)處理后質(zhì)量-時(shí)間曲線

(c)流量時(shí)間曲線

由圖4(a)可見(jiàn)，2條質(zhì)量-時(shí)間曲線基本呈平行直線增長(zhǎng)趨勢(shì)，由于氣固兩相流需流經(jīng)輸送管道，再經(jīng)旋風(fēng)分離，才使顆粒抵達(dá)集粉筒，故質(zhì)量實(shí)測(cè)時(shí)間滯后于活塞位移時(shí)間。為便于對(duì)比，根據(jù)時(shí)間延遲量Δt將實(shí)測(cè)質(zhì)量-時(shí)間曲線進(jìn)行時(shí)間轉(zhuǎn)換處理，如圖4(b)所示。由圖可見(jiàn)，對(duì)比位移轉(zhuǎn)換后的質(zhì)量曲線，實(shí)測(cè)質(zhì)量曲線在起始時(shí)刻有較小的波動(dòng)，這是由于系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)，流化氣對(duì)粉末輸送影響較大，使稱量不太穩(wěn)定；而后，在7 s時(shí)刻達(dá)到穩(wěn)定，2條曲線基本重合，計(jì)算其相對(duì)誤差為1.67%；在18 s時(shí)刻，活塞停止移動(dòng)，此時(shí)實(shí)測(cè)質(zhì)量曲線仍在上升。這是由于活塞達(dá)到粉箱收斂段時(shí)便停止運(yùn)動(dòng)，而收斂段內(nèi)仍有粉末，流化氣將其繼續(xù)輸送出粉箱，致使實(shí)測(cè)粉末質(zhì)量仍在增加。圖4(c)為實(shí)驗(yàn)A的流量-時(shí)間曲線對(duì)比圖。由圖可見(jiàn)，2條曲線的運(yùn)動(dòng)及波動(dòng)趨勢(shì)基本一致，在7～18 s穩(wěn)定工作時(shí)間段，曲線波動(dòng)幅度小，流量曲線相對(duì)誤差為2.11%。

圖5(a)為實(shí)驗(yàn)B起始時(shí)間重合處理后的質(zhì)量-時(shí)間曲線對(duì)比。由圖可見(jiàn)，2條曲線基本吻合，在起始階段相比圖4(b)有較明顯的質(zhì)量陡增現(xiàn)象，且質(zhì)量陡增段曲線重合較好；穩(wěn)定工作時(shí)間段，質(zhì)量-時(shí)間曲線的相對(duì)誤差為1.36%；在21 s時(shí)刻，活塞停止移動(dòng)。圖5(b)為實(shí)驗(yàn)B的流量-時(shí)間曲線對(duì)比。由圖可見(jiàn)，2條曲線的變化規(guī)律及波動(dòng)趨勢(shì)基本一致，其穩(wěn)定工作時(shí)間段曲線相對(duì)誤差為2.79%。

(a) 質(zhì)量-時(shí)間曲線

(b)流量-時(shí)間曲線

綜上分析，在穩(wěn)定工作時(shí)間段，實(shí)測(cè)質(zhì)量-時(shí)間曲線與位移轉(zhuǎn)換后的質(zhì)量-時(shí)間曲線基本重合，其相對(duì)誤差低于2%，表明本文提出的測(cè)量方法準(zhǔn)確性較好；同時(shí)質(zhì)量流量對(duì)比曲線表明，其相對(duì)誤差低于3%，表明測(cè)量方法具有較高的測(cè)量精度。

2.2 測(cè)量方法穩(wěn)定性分析

重復(fù)實(shí)驗(yàn)A和實(shí)驗(yàn)B工況，并對(duì)其質(zhì)量流量進(jìn)行測(cè)量，以驗(yàn)證該測(cè)量方法的穩(wěn)定性，其相同工況時(shí)的實(shí)測(cè)質(zhì)量-時(shí)間曲線對(duì)比如圖6所示。

由圖6可見(jiàn)，相同工況時(shí)，其實(shí)測(cè)質(zhì)量-時(shí)間曲線基本重合，只在起始階段有所波動(dòng)。這是由于起始階段天平稱量受氣流影響相對(duì)較大，致使質(zhì)量曲線有所波動(dòng)，圖6(a)中2條實(shí)測(cè)質(zhì)量-時(shí)間曲線相對(duì)誤差為0.96%，圖6(b)中曲線相對(duì)誤差為1.2%。整體而言，曲線吻合程度較高，表明該測(cè)量方法具有較好的測(cè)量穩(wěn)定性。

(a) 實(shí)驗(yàn)A

(b) 實(shí)驗(yàn)B

2.3 測(cè)量方法適用性分析

影響稠密氣固兩相流質(zhì)量流量測(cè)量精度的因素包括顆粒屬性(如粒徑、球形度、粘性)、氣固質(zhì)量比等。為分析該測(cè)量方法及測(cè)量裝置的適用范圍，針對(duì)不同粒徑顆粒進(jìn)行流量測(cè)量試驗(yàn)。3組測(cè)量實(shí)驗(yàn)的粉末粒徑分別為48～72 μm、72～144 μm和144～240 μm。其測(cè)量結(jié)果對(duì)比如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，相同工況下，粉末粒徑越大，該測(cè)量裝置收集效率越大，當(dāng)粒徑增大到一定值時(shí)，收集效率增大不再明顯；而顆粒質(zhì)量相對(duì)誤差和流量相對(duì)誤差隨顆粒粒徑的增大呈先減小后增大趨勢(shì)。以上結(jié)果表明，該測(cè)量裝置對(duì)粒徑為72～144 μm的顆粒質(zhì)量流量進(jìn)行測(cè)量時(shí)，粉末收集效率最高，且相對(duì)誤差最小。

圖7 不同粒徑的顆粒質(zhì)量流量測(cè)量結(jié)果Fig.7 Mass flow measurement results of different diameter particles

測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差大小主要與旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，通過(guò)改變旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，可使測(cè)量方法適用于不同粒徑顆粒的質(zhì)量流量測(cè)量。

綜上分析，通過(guò)對(duì)新提出的測(cè)量方法的性能驗(yàn)證，表明該測(cè)量方法具有較高的測(cè)量精度和較好的穩(wěn)定性，完全滿足粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和粉末沖壓發(fā)動(dòng)冷態(tài)標(biāo)定中對(duì)稠密氣固兩相流顆粒質(zhì)量流量測(cè)量的要求，同時(shí)通過(guò)改變旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等參數(shù)，可使測(cè)量方法適用于不同粒徑范圍的顆粒質(zhì)量流量測(cè)量。

3 結(jié)論

(1)測(cè)量裝置粉末顆粒收集效率高達(dá)98.5%以上，較高的收集效率為顆粒質(zhì)量流量的精確測(cè)量提供了良好保障。

(2)測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差低于3%，表明測(cè)量方法具有較好的可靠性和較高的測(cè)量精度。

(3)對(duì)相同實(shí)驗(yàn)工況下的顆粒質(zhì)量流量進(jìn)行測(cè)量，其質(zhì)量-時(shí)間曲線吻合程度高，曲線相對(duì)誤差低于2%，表明測(cè)量方法具有較高的穩(wěn)定性。

(4)通過(guò)改變旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，可拓寬測(cè)量方法的適用范圍。

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(編輯：薛永利)

Measuring method research on solid mass flow rate of dense gas-solid two-phase flow

ZHANG Hu1,HU Chun-bo1,SUN Hai-jun1,DENG Zhe1,XU Yi-hua2

(1. National Key Laboratory of Combustion,Flow and Thermo-Structure,College of Astronautics Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,China;2. Aircraft Engineering College,Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063,China)

To measure the solid particle mass flow rate in the cold calibration of powder rocket engine and powder ramjet system,a method of measuring the mass flow rate of dense gas-solid two-phase flow was introduced,and a measuring equipment was designed in accordance with the method,which is based on the cyclone separator and electronic balance. Then a list of experiments were carried out to test the accuracy and reliability,and the experimental repeatability of the measuring equipment,by using the powder-supplying system. Experimental results show that the powder collection efficiency of cyclone separator is up to 98.5%,which guarantees measurement of mass flow rate;The measuring method has a better reliability and accuracy,with the relative error of measuring results less than 5%;And the relative error of repeat experiments are less than 2%,which shows that the measuring method has a better stability;Once more,through changing the structure parameter,the range of application of measuring method will be broadened.

gas-solid two-phase flow;particle mass flow;powder rocket engine;measuring method;cyclone separator

2013-12-16；

：2014-04-03。

國(guó)家自然科學(xué)基金(51266013)；西北工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)研究基金(JC20110205)。

張虎(1986—)，男，碩士，研究方向?yàn)榉勰┗鸺l(fā)動(dòng)機(jī)。 E-mail:huhuheyu@163.com

V430

A

1006-2793(2015)01-0136-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.01.026