Page 191 - 《应用声学》2023年第1期

第 42 卷 第 1 期 宋志江等： 基于定量分析的气固两相流声速模型综述 187

表 1 空气和煤粉物性参数
Table 1 Parameters of air and coal particles

µ/(Pa.s) ρ g/(kg·m −3 ) ρ s/(kg·m −3 ) γ g c ps/(J·kg −1 ·k −1 ) c pg/(J·kg −1 ·k −1 ) C s/(m·s −1 )
18 × 10 −6 1.169 1500 1.4 1800 1005 2500

面与气相间相对滑移运动引起的黏滞损耗以及颗
350
粒介质引起声波的散射损耗。两相声速随浓度的增
300
大而减小是由于体积浓度的增加引起颗粒物数量
250 D=75 µm, f=5 kHz [35]
C gs /(mSs -1 ) 200 C g =348.35 m/s 的增加，从而引起上述 3 种损耗的增大 。两相声
速随粒径的增大而升高是由于相同浓度下，颗粒粒
Urickᄊവی
150
100 Amentᄊവی 径增加的同时，颗粒的数量会减少，且声波对颗粒的
ᬈܸ͛኎ᄊവی
扰动作用降低，相应损耗降低。声速随频率的增大
50
而增高的原因为：低频率声波引起的气相扰动会携
0
0 1 2 3 4 5 带颗粒一起运动，从而引起黏滞损耗和热损耗的增
ϕ/%
大。高频率下声波的携带作用很弱，颗粒基本不随
图 1 拟均相模式 3 种典型声速模型随体积浓度变
化规律 声波的扰动而运动 [38] ，颗粒处于 “冻结” 状态，黏滞
Fig. 1 Schematic on three typical sound speed 衰减和热衰减降低，故两相声速增大。在稀疏气固
models of pseudo-homogeneous mode changing
with volume concentration 350 f=5 kHz, D=75 µm Sooᄊവی
C g =348.35 m/s
345 ᨑᇲ஡ᄊവی
从图 1中可以看出，Urick的模型和陈大伟等的 Amentᄊവی
340
模型近乎重合，两相声速随体积浓度的变化幅度较 335
大，与 Ament 的模型声速变化的差异巨大。相比而 C gs /(mSs -1 ) 330 336.2778
言，Ament 的模型考虑了声波频率、粒径以及流体 325 336.2777
黏度的影响，两相声速随颗粒体积浓度的变化较小。 320 336.2776
由于 Ament 的模型与基于相间耦合的模型和基于 315
310
散射的模型均考虑了声波特性、颗粒粒径及体积浓 0 1 2 3 4 5
度对声速的影响，故下文将此三者一起比较，以研究 ϕ/%
不同模式建立的声速模型间的异同。 图 2 不同模式建立的声速模型随颗粒体积浓度变化

2.2.2 不同模式建立的声速模型对比 Fig. 2 The sound speed model established by differ-
ent modes changing with the particle volume fraction
依据式 (1)、式 (3)、式 (4)、式 (23) 和式 (27)，对
空气 -煤粉两相流中的基于相间耦合的 Soo 的模型、
350 ϕ=1%, C g =348.35 m/s, f=5 kHz
基于颗粒散射的钱祖文的模型及基于拟均相介质
300
改进的Ament的模型随颗粒浓度、粒径和声波频率 338.010
的变化规律进行数值模拟比较，模拟结果如图 2∼4 250
所示。 C gs /(mSs -1 ) 200 338.005
从图中可以看到，3 种模式的声速模型随颗粒 150 Sooᄊവی
ᨑᇲ஡ᄊവی
体积浓度、粒径以及声波频率的变化趋势相同。随 100 Amentᄊവی
着颗粒相体积分数的增大，气固两相声速逐渐降低。 0 20 40 60 80 100
随着粒径和声波频率的增大，两相声速增加，逐渐趋 D/µm
向于纯气相中的声速。这可由影响声波在气固两相 图 3 不同模式建立的声速模型随颗粒粒径变化
介质中传播的 3 种主要因素来解释：颗粒表面与气 Fig. 3 The sound speed model established by dif-
相之间的不可逆热传导过程引起的热损耗、颗粒表 ferent modes varing with the particle size