Page 193 - 《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 189

实验台中颗粒物下落的重量，利用式 (36) 换算得到
3 实验验证
管内两相介质中煤粉颗粒的体积分数 [34] ：
3.1 实验 m
φ = , (36)
气固两相声速测量实验系统由颗粒重力沉降 ∆tρ s U pt S
实验台、声波测量系统以及颗粒重量计量系统组成， 其中：m为∆t时间内颗粒沉降的重量，kg；S 为管道
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如图 5 所示。颗粒重力沉降实验台依据颗粒沉降原 内横截面积，m ；在对应体积分数下发射和采集声
理建立，由可调节振动频率的振动给料筛和透明亚 波，测得两声传感器间声波传播时间，可得到声波通
克力圆管组成。振动给料筛直径略大于沉降管道直 过气固两相流的声速。
径，以使管道横截面上颗粒分布尽可能均匀。管道 实验测量中声波频率为 5 kHz，将一定量粒径
内径为 0.194 m，长1 m。通过调节振动给料机的振 为75 µm的煤粉置于振动给料机内。打开称重传感
动频率可改变沉降颗粒的质量流量。 器上位机软件进行称重校准，调节振动给料机至指
定振动频率使相应流量的煤粉颗粒在管内自由沉
降，沉降过程中进行声波发射与采集。不断重复上
૝үፌந఻
述操作，取不同振动频率进行了8 组实验，共采集到
Ҫဋஊܸ٨ ࢺ଍఻/஝૶᧔ᬷӵ
8 组不同体积分数下的声波数据。由公式 (37) 计算
᧘ҧ 得到不同颗粒体积分数之下的声速：
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d trans
C gs = , (37)
ੴܦ٨ " # (P nB − P nA ) /f c
其中，d trans 为两拾声器的距离，这里受测量孔局
ૅܦ٨
限，将近侧拾声器布置于管外并面向扬声器，相应
两传感器间距 d trans = 0.21 m，在计算两相流声速
ԍҧሦ᧘͜ਖ٨
时，考虑了近侧传感器信号接收面与相应管内壁间
图 5 气固两相声速测量系统
的空气介质距离；P nA 和 P nB 为拾声器 A 和 B 在初
Fig. 5 Gas-solid sound speed measurement system 6
始时刻采集的采样点数；采样频率 f c = 5 × 10 Hz；
颗 粒 重 量 计 量 系 统 由 平 顶 梁 压 力 传 感 器、 本次实验在环境温度为 25 C、一个标准大气压下
◦
RS485 数字通讯模块以及相应的上位机软件组成。 的条件下进行，实验时测得的纯气相声速 C g 约为
压力称重传感器测得的重量可实时记录在上位机 349.05 m/s。8 组不同体积分数之下的实验参数如
软件中。利用称重传感器测得一段时间内重力沉降 表3所示。

表 3 煤粉 -空气两相介质声速测量实验结果
Table 3 Experimental results of sound speed measurement in two-
phase media of coal particles in air

组别 沉降重量/g 沉降时间/s 颗粒体积分数/% P nA P nB 两相声速/(m·s −1 )
1 19.17 14.012 0.012 1987 4997 348.84
2 23.06 14.187 0.015 1997 5004 349.18
3 28.53 14.291 0.018 1991 5001 348.83

4 36.49 14.008 0.023 2039 5055 348.14
5 25.23 7.102 0.032 2000 5011 348.69
6 56.44 12.045 0.041 1997 5009 348.56
7 26.92 5.013 0.048 2038 5048 348.78
8 42.78 7.049 0.054 2004 5018 348.39