(華北水利水電大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450045)

引言

流型又稱(chēng)為流態(tài)，是流體流動(dòng)的形式和結(jié)構(gòu)[1]。流型作為氣力輸送過(guò)程中的重要特征，直接影響氣力輸送的穩(wěn)定性及機(jī)器的正常運(yùn)行[2]。氣力輸送的穩(wěn)定性關(guān)乎顆粒是否能夠穩(wěn)定、安全、可控地輸出。

在氣力輸送過(guò)程中，由于受到氣流場(chǎng)、顆粒之間及顆粒與管道的接觸碰撞等因素影響，單個(gè)顆粒或者顆粒團(tuán)均會(huì)呈現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。單個(gè)顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有懸浮、翻滾、旋轉(zhuǎn)、下降、跳躍、滑動(dòng)、碰撞等[3-4]；顆粒團(tuán)則會(huì)出現(xiàn)顆粒均勻分布的懸浮流，上部懸浮而下部滑移的分層流，有時(shí)還出現(xiàn)上層顆粒懸浮而下層無(wú)滑移的沉積層流，滿(mǎn)管狀態(tài)的栓塞流和柱塞流等各種各樣的運(yùn)動(dòng)流型。大量的實(shí)驗(yàn)表明在氣力輸送的過(guò)程中，顆粒在管道中流型并不單一，而是多種流型交替的出現(xiàn)[5]，并引起管內(nèi)壓力信號(hào)持續(xù)變化。壓力信號(hào)的變化具有極大的隨機(jī)性，但究其本質(zhì)，取決于流體流動(dòng)的狀態(tài)，與管內(nèi)的流型關(guān)系密切。

流型的準(zhǔn)確識(shí)別受到諸多因素的影響，一直是一個(gè)復(fù)雜且難以解決的問(wèn)題。王小鑫等[1]基于過(guò)程層析成像技術(shù)，對(duì)像素進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，利用二維最大熵閥值分割技術(shù)及遺傳算法優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)器對(duì)重構(gòu)的圖像進(jìn)行處理從而實(shí)現(xiàn)流型識(shí)別。高鶴明等[6]提出了一種基于陣列式靜電傳感器實(shí)現(xiàn)高壓密相氣-固兩相流動(dòng)狀態(tài)識(shí)別流型的方法，利用靜電傳感器來(lái)感知具有敏感特性的流動(dòng)帶電微粒的流動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算每個(gè)電極的熵，當(dāng)電極的多尺度樣本熵變化相似時(shí)，表明流動(dòng)穩(wěn)定，反之則流動(dòng)不穩(wěn)定。陳利東等[7]提出一種檢測(cè)流型與判斷穩(wěn)定性的方法，通過(guò)分析和處理壓力傳感器采集的管內(nèi)壓力波動(dòng)信號(hào)，發(fā)現(xiàn)不同流型的壓力信號(hào)及功率譜的特征。

通過(guò)上述分析可知，壓力信號(hào)可以作為流型判別的重要依據(jù)[8-9]。本研究從不同氣力輸送系統(tǒng)中取得了壓力信號(hào)時(shí)域信息，通過(guò)提取壓力信號(hào)的概率密度分布和功率譜分布特征，將其與高速攝像采集的流型對(duì)比，獲得了管內(nèi)不同流型與壓力信號(hào)特征關(guān)聯(lián)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及物料

實(shí)驗(yàn)裝置由動(dòng)力源組件葆德螺桿式空壓機(jī)DHF-30PM、1 m3儲(chǔ)氣罐、凌宇LY-D 30AH干燥機(jī)，川祺0.35 m3倉(cāng)泵給料組件、旋轉(zhuǎn)閥給料組件、卸料除塵組件、采集控制系統(tǒng)和輸送管道組成，如圖1所示。在卸料器與旋轉(zhuǎn)供料器之間布設(shè)亞克力透明管并采用高速攝像機(jī)NPX-GS6599UM獲得物料輸送流態(tài)圖像信息；同時(shí)采用量程為0～1 MPa的壓力傳感器收集壓力信號(hào)。

輸送用的物料為黑色母粒，如圖2所示。黑色母粒由高濃度炭黑和聚乙稀樹(shù)脂高溫密煉生成，外觀呈直徑為2.5 mm、高為3.5 mm的圓柱狀，表面光滑亮澤和實(shí)色顏色穩(wěn)定，韌性好，環(huán)保、無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)煙，熔點(diǎn)在130～350 ℃，含水量0.001%。經(jīng)測(cè)量，黑色母粒的真實(shí)密度為1.687 g/cm3，堆積密度為1.142 g/cm3。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

此次實(shí)驗(yàn)中有2個(gè)不同的輸送線路，涉及兩種類(lèi)型的氣力輸送：當(dāng)選擇A線路時(shí)，輸送系統(tǒng)為密相，物料從倉(cāng)泵給料組件的料倉(cāng)加入，被來(lái)自緩沖罐的空氣流化后進(jìn)入管道A，最終經(jīng)旋風(fēng)集料器到達(dá)料倉(cāng)；當(dāng)選擇B線路時(shí)，輸送系統(tǒng)為稀相，物料從旋轉(zhuǎn)供料器上方的料倉(cāng)加入，被空氣攜帶經(jīng)管道B至旋風(fēng)集料器，最終被卸到料倉(cāng)內(nèi)。

2 流型劃分及預(yù)測(cè)

2.1 流型劃分

氣力輸送過(guò)程中，管內(nèi)顆粒的流動(dòng)狀態(tài)是一個(gè)重要的特征參數(shù)，隨著表觀氣速的變化，水平管內(nèi)會(huì)出現(xiàn)各種各樣的流型[10]：如圖3a所示的懸浮流，該流型出現(xiàn)在表觀氣速較高的水平管內(nèi)，為稀相輸送，固體顆粒全部以懸浮的形式輸送；如圖3b所示的分層流，該流型由于重力的作用，顆粒在管道底部沉積，在管道上部的顆粒被高速氣體攜帶，從而形成了上部稀相下部濃相的分層，上部顆粒高速向前而底部顆粒沿管道向前滑移；如圖3c所示的沙丘流，該流型部分顆粒團(tuán)聚在一起呈現(xiàn)栓狀，管道頂部的顆粒團(tuán)被高速氣體吹散，呈現(xiàn)沙丘狀沿管道前進(jìn)，每一個(gè)沙丘之間存在分層流；如圖3d所示的栓塞流，該流型栓塞與栓塞之間存在顆粒沉積層，顆粒充滿(mǎn)整個(gè)管道并呈現(xiàn)清晰的前部邊界和尾部邊界特征，移動(dòng)過(guò)程中，前部拾起顆粒尾部丟棄顆粒；如圖3e所示的柱塞流，該流型出現(xiàn)在高固氣比并且給料罐流化狀態(tài)好的工況下，顆粒填滿(mǎn)整個(gè)管道截面，并以柱塞狀不斷向前移動(dòng)，此時(shí)表觀氣速較低[11]。

2.2 流型過(guò)渡的預(yù)測(cè)

文獻(xiàn)[12]表明，雷諾數(shù)Re和阿基米德數(shù)Ar可用來(lái)描述顆粒運(yùn)動(dòng)的特征速度，兩者呈冪指數(shù)關(guān)系：

Re=c·Arm

(1)

其中,c，m為常數(shù)，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得；雷諾數(shù)Re和阿基米德數(shù)Ar計(jì)算方法如下：

(2)

(3)

式中,d—— 顆粒平均粒徑

Ug—— 表觀氣速

ρg—— 氣體密度

μ—— 氣體黏度

g—— 重力加速度

ρp—— 顆粒密度

雷諾數(shù)Re和阿基米德數(shù)Ar能夠較好的預(yù)測(cè)水平管流型的變化，在相同的阿基米德數(shù)Ar時(shí)，分層流和沙丘流的雷諾數(shù)Re比柱塞流和栓塞流的雷諾數(shù)Re大。因此，通過(guò)雷諾數(shù)和阿基米德數(shù)的關(guān)系可大致判斷輸送管道內(nèi)的流型轉(zhuǎn)換。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 參數(shù)分析

采用阿爾泰USB3100數(shù)據(jù)采集卡采集壓力數(shù)據(jù)，根據(jù)奈奎斯特采樣定理可知，為了防止顆粒流型特性的有效信息丟失，采樣頻率至少是最高信號(hào)頻率的2倍，實(shí)際工程中一般取3～5倍。因此，采樣頻率為：

fs=5fmax

(4)

式中,fmax—— 壓力信號(hào)中有效信息的最高頻率

研究表明，氣-固兩相流的壓力信號(hào)有效成分通常集中在10 Hz以下[12-15]，只有屈指可數(shù)的有效成分存在于10 Hz以上。為保證所有有效信號(hào)得到采集，實(shí)驗(yàn)設(shè)定采樣頻率為1000 Hz，滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)需求，同時(shí)采用渦街流量計(jì)收集瞬時(shí)流量的變化，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中兩種系統(tǒng)的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 兩種系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experimental parameters of two systems

穩(wěn)定階段的標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式[12]如下：

(5)

式中,pstd—— 壓力信號(hào)穩(wěn)定階段的標(biāo)準(zhǔn)差

pi—— 壓力信號(hào)

pm—— 壓力信號(hào)的平均值

N—— 壓力信號(hào)采集數(shù)

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)懸浮流的壓力波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值為7.72e-5 MPa而沙丘流的壓力波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值為9.62e-4 MPa。與懸浮流相比，沙丘流的數(shù)值大的多，原因是當(dāng)管內(nèi)為沙丘流時(shí)，顆粒的吹散與聚集導(dǎo)致管道實(shí)際橫截面積不斷發(fā)生變化，引起了實(shí)際氣體流速的變化，從而導(dǎo)致壓力信號(hào)p波動(dòng)劇烈，使得其標(biāo)準(zhǔn)差較大。

3.2 流量分析

采用渦街流量計(jì)采集的數(shù)據(jù)繪制瞬時(shí)流量變化，如圖4所示，其中Q1為稀相瞬時(shí)流量變化，Q2為密相瞬時(shí)流量變化。從圖上可以得出，在輸送的開(kāi)始階段，稀相的瞬時(shí)流量快速上升到220 m3/h，然后緩慢下降并維持在100 m3/h，表明稀相需要很大的氣量將顆粒吹起，待顆粒在管道中懸浮后，流量逐漸穩(wěn)定；而密相的瞬時(shí)流量先上升后下降，并穩(wěn)定在50 m3/h。稀相輸送過(guò)程持續(xù)了100 s而密相輸送持續(xù)了50 s，密相氣力輸送系統(tǒng)在更短時(shí)間內(nèi)輸送了更多的物料，說(shuō)明密相氣力輸送系統(tǒng)的輸送能力遠(yuǎn)超稀相[16]。

3.3 壓力信號(hào)波動(dòng)處理

實(shí)驗(yàn)中收集的穩(wěn)定階段的壓力信號(hào)難免受到各種噪聲的影響，叢星亮[12]采用小波包技術(shù)分解壓力信號(hào)，再通過(guò)自相關(guān)函數(shù)分析不同頻段壓力信號(hào)的時(shí)間相關(guān)性來(lái)判斷該頻段信號(hào)是否為噪聲，得出了氣力輸送的壓力信號(hào)波動(dòng)的有效值主要集中在低頻段6.5 Hz以下，噪聲的信號(hào)主要集中在6.5 Hz之上。因此，將采集到的穩(wěn)定階段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)濾波器過(guò)濾(低通濾波器，截止頻率10 Hz)，然后根據(jù)過(guò)濾后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制壓力波動(dòng)圖，如圖5所示。

從圖5可以看出，稀相的壓力信號(hào)波動(dòng)范圍為0～0.025 MPa，壓力信號(hào)的脈動(dòng)頻率和幅度較小，曲線重復(fù)上升下降的過(guò)程；密相的壓力信號(hào)波動(dòng)范圍為0～0.18 MPa，壓力信號(hào)的脈動(dòng)頻率和幅度較大，曲線粗糙且不規(guī)律。上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因如下：當(dāng)管內(nèi)流型為懸浮流時(shí)，氣速較高且穩(wěn)定，顆?？梢詰腋〔⑶曳€(wěn)定輸送，當(dāng)管內(nèi)流型為沙丘流時(shí)，氣速較低并且顆粒的聚集與吹散導(dǎo)致了管道實(shí)際截面的變化，引起了實(shí)際氣體流速的變化，從而導(dǎo)致壓力信號(hào)波動(dòng)。因此相比懸浮流，沙丘流的壓力信號(hào)波動(dòng)更劇烈。

圖6為高速攝像機(jī)所記錄下的信息。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，懸浮流的顆粒在管道內(nèi)懸浮并且穩(wěn)定向前移動(dòng)，因此，認(rèn)定其為穩(wěn)定流型，壓力信號(hào)波動(dòng)平緩且平均幅度較??；而沙丘流前端不停拾起顆粒后端丟棄顆粒，管道實(shí)際橫截面積變化頻繁，為不穩(wěn)定流型，壓力信號(hào)波動(dòng)劇烈且平均幅度較大，存在大量波動(dòng)脈沖。

3.4 壓力信號(hào)波動(dòng)程度分析

為了更加直觀的了解壓力信號(hào)波動(dòng)的程度，采用頻數(shù)分布的方法對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行分析[17]，得到如圖7所示的壓力信號(hào)概率密度分布圖，其橫坐標(biāo)是壓力p，縱坐標(biāo)是計(jì)數(shù)n，即壓力重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)。

由圖7可以得出，稀相的壓力信號(hào)概率密度主要分布在0～0.0075 MPa，概率密度分布比較窄，呈現(xiàn)單峰分布；密相的壓力信號(hào)概率密度主要分布在0.04～0.16 MPa，其概率密度分布較為分散，近似正態(tài)分布。上述現(xiàn)象說(shuō)明：在氣力輸送過(guò)程中，物料流動(dòng)越復(fù)雜，擾動(dòng)越大，壓力信號(hào)的概率密度分布越分散；物料流動(dòng)越平穩(wěn)，壓力信號(hào)的概率密度分布越窄，呈現(xiàn)單峰狀。因此，可以得出懸浮流的壓力信號(hào)概率密度分布較窄，呈現(xiàn)單峰狀；沙丘流的壓力信號(hào)概率密度分布較寬，近似正態(tài)分布。

3.5 壓力信號(hào)功率譜分析

功率譜密度(PSD)函數(shù)是快速傅里葉變換(FFT)的幅值的平方除以時(shí)間周期，定義了信號(hào)或者時(shí)間序列的功率如何隨頻率分布，其單邊譜的功率譜密度(PSD)定義如下[12]：

(6)

單邊譜密度函數(shù)中最大峰值定義為：

Pm=max(ρPSD(f))

(7)

研究表明，壓力信號(hào)的功率譜密度函數(shù)的特征與管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)緊密相連[18]。分析圖5中的2組壓力波動(dòng)，做功率譜分析，得到不同流型的功率譜，如圖8所示，橫坐標(biāo)為頻率f，縱坐標(biāo)為幅度Pa。

通過(guò)觀察圖8所示的功率譜密度，發(fā)現(xiàn)稀相的頻率主要集中在0～0.5 Hz小頻率區(qū)間，幅度最大值為250 MPa2/Hz，功率譜曲線存在一個(gè)很突出的峰；密相的頻率分布較為分散，幅度最大值為180 MPa2/Hz，功率譜曲線呈現(xiàn)多峰狀，在低、中、高頻域皆有分布。上述現(xiàn)象說(shuō)明：當(dāng)功率譜呈現(xiàn)多峰狀時(shí)，管內(nèi)的流型相當(dāng)不穩(wěn)定，氣力輸送過(guò)程中發(fā)生了多尺度的脈動(dòng)，壓力信號(hào)變化頻繁，此時(shí)管道內(nèi)為沙丘流；當(dāng)功率譜因表觀氣速增加，其多峰現(xiàn)象減弱呈單峰狀時(shí)，管內(nèi)的流型穩(wěn)定，輸送過(guò)程發(fā)生較為單一尺度的脈動(dòng)，此時(shí)管內(nèi)為懸浮流。因此可以得出，管內(nèi)流動(dòng)形式為懸浮流且壓力波動(dòng)幅度較小時(shí)，其頻率主要集中在低頻段；當(dāng)管內(nèi)流動(dòng)形式為沙丘流且壓力波動(dòng)較大時(shí)，其頻率在較寬的頻域上分布。

通過(guò)上述分析可知，在氣力輸送穩(wěn)定的情況下，水平管內(nèi)不同的流型對(duì)應(yīng)不同的功率譜函數(shù)圖形，從而確定不同流型與功率譜函數(shù)圖形的關(guān)系。

4 結(jié)論

本研究從不同氣力輸送系統(tǒng)中取得了壓力信號(hào)時(shí)域信息，通過(guò)目標(biāo)提取壓力信號(hào)的概率密度分布和功率譜分布特征，并將其與高速攝像采集的流型對(duì)比，得到了管道不同流型與壓力信號(hào)特征關(guān)聯(lián)，結(jié)論如下：

(1) 通過(guò)計(jì)算壓力信號(hào)波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差，發(fā)現(xiàn)懸浮流的壓力波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值為7.72e-5 MPa而沙丘流的壓力波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值為9.62e-4 MPa，與懸浮流相比，沙丘流的數(shù)值大的多，原因是當(dāng)管內(nèi)為沙丘流時(shí)，顆粒的吹散與聚集導(dǎo)致管道實(shí)際橫截面積不斷發(fā)生變化，引起了實(shí)際氣體流速的變化，從而導(dǎo)致壓力信號(hào)波動(dòng)劇烈，使得其標(biāo)準(zhǔn)差較大；

(2) 根據(jù)穩(wěn)定階段的數(shù)據(jù)繪制兩種系統(tǒng)壓力信號(hào)波動(dòng)圖，發(fā)現(xiàn)懸浮流的壓力最大值為0.025 MPa，壓力波動(dòng)的范圍在0～0.025 MPa之間且有規(guī)律，沙丘流的壓力最大值為0.18 MPa，壓力波動(dòng)的范圍在0～0.18 MPa之間并且壓力信號(hào)曲線粗糙不規(guī)律；

(3) 通過(guò)對(duì)壓力信號(hào)的概率密度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)懸浮流的壓力信號(hào)概率密度分布集中并且呈現(xiàn)單峰狀；沙丘流的壓力信號(hào)概率密度分布分散并且呈現(xiàn)正態(tài)分布狀，因此沙丘流流動(dòng)更加復(fù)雜；

(4) 通過(guò)分析兩種工況的功率譜密度圖，發(fā)現(xiàn)懸浮流的頻率很集中且處于低頻域，而沙丘流的頻率分布分散且低，中，高頻域皆有分布。