引 言
在電力、化工、冶金等工業生產過程中，應用管道氣力輸送技術輸送煤粉、水泥、礦石等均屬于典型的氣固兩相流動 。由于氣固兩相流涉及領域的廣泛性以及過程參數的重要性使得對于氣固兩相流的研究工作得到了迅速發展。
目前，國內外學者對于氣固兩相流相關參數的測量所提出的方法可分為兩類，接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量方法主要有：傳熱法、摩擦電法、能量法、差壓法等 。由于接觸式測量會對管內流體產生干擾和增加原有阻力，在測量時會降低測量的精度。非接觸式測量方法主要有：光學法 、電容法、微波法 、超聲法等 。超聲法作為一種非接觸式測量方法，具有穿透性好、結構簡單、無污染、精度高、應用范圍廣等較多優勢，在近年來成為研究熱點并得到一定的發展 ’。上海理工大學的蘇明旭和蔡小舒在超聲法測量氣固兩相流方面做了大量研究工作并取得較大進展 “ 。
本文運用有限元軟件COMSOL構建了超聲法測量氣固兩相流的仿真模型，通過仿真，研究接收裝置接收信號的大小與氣固兩相流固相顆粒的粒徑和發射頻率的關系，為實際測量選取超聲波傳感器提供理論依據和指導建議。
1 仿真建模
在實際檢測過程中，固相顆粒隨機分布在氣固兩相流體中。為了獲取固相顆粒粒徑d和超聲波發射頻率廠對超聲波接收信號的影響，仿真過程中，在測量管道中心放置不同粒徑的固相顆粒，研究不同粒徑和不同發射頻率對接收裝置接收信號的影響情況。
本文選取610 mm直徑的工業輸粉管道作為研究對象，為簡化模型，取管道長度1 000mnl，并對其縱剖面進行仿真建模，基于超聲法測量管道中存在固相顆粒的氣固兩相流流體仿真模型如圖1所示。超聲波發射和接收傳感器剖面半徑為10mm，厚度為20mm，傳感器由復合壓電材料PZT_5H構成，在仿真建模時將發射和接收傳感器進行良好對中。輸粉管道中連續相介質采用軟件內置材料空氣，離散相選用電廠煤粉顆粒。常溫下，煤粉一空氣兩相流的其余相關參數如表1所示。在進行有限元分析時，網格的質量將直接影響整個過程的計算精度，因此，在網格劃分時，對輸粉管道、超聲波發射和接收傳感器以及固相顆粒分別進行細化、較細化和特別細化處理。圖2為網格劃分后的仿真模型，本文采用自由剖分三角形方式。
1．1 多物理場耦合方程
在仿真過程中，由激勵裝置產生激勵電壓驅動超聲波發射傳感器產生超聲波，超聲波經管道傳播到達接收傳感器，接收傳感器將衰減后的聲波信號轉換為電信號以供采集。因此，有限元分析主要涉及電一結構一聲三物理場耦合，其中聲場波動方程可表示為
在進行有限元分析時，設定發射傳感器內側邊界為發射端，其電邊界條件為：幅值為300 V的瞬時激勵電壓。設定接收傳感器內側邊界為接收端，并設定為終端。發射端與接收端的聲邊界條件為聲一結構耦合，外側邊界的電邊界條件為接地，結構邊界條件為輥支撐。
2 仿真過程與分析
2．1 仿真過程
在測量管道中心放置不同粒徑的固相顆粒，研究不同粒徑和不同發射頻率對接收裝置接收信號的影響情況。為了研究顆粒粒徑d對接收傳感器接收電壓的影響，仿真過程中，設定d由小到大分別為0，0.02，0.04，0.06，0.08，0.1，0.15，0.2 mm，并對接收傳感器接收電壓的數據進行采集。同時為了研究發射頻率，對接收傳感器接收電壓的影響，設定廠由4,N大分別為20，40，60，80，100，150，200 kHz，并對接收傳感器接收電壓的數據進行記錄。限于篇幅，本文只給出部分仿真結果。
圖3(a)為d=0 mm，f=40 kHz時接收電壓的變化情況。圖3(b)為d=0．1mm =40 kHz時接收電壓的變化情況。從圖3可以看出，存在顆粒時對接收電壓產生一定影響，但無法作出具體判斷。
2．2 分析與討論
為了進一步研究氣固兩相流固相顆粒粒徑和發射頻率對接收電壓的影響，需要對仿真數據進行處理，圖4和圖5為進行數據處理后得到的結果。由圖4可以看出：在同一頻率下，接收電壓隨著顆粒粒徑的增大而減小，但衰減較為緩慢；由圖5可以看出：在相同的顆粒粒徑下，接收電壓隨著發射頻率的增大而迅速減小，說明接收電壓對于頻率更為敏感。仿真發現：當超聲波的頻率在一定范圍內(20—100 kHz)，接收傳感器的接收電壓相對較大。在實際測量中，由于不可避免地會引入噪聲，而大多數噪聲信號頻率在50 kHz以下，因此，在測量中應當選用頻率在50～100 kHz的超聲波傳感器。
3 結論
運用有限元軟件COMSOL構建了超聲法測量氣固兩相流的仿真模型，研究接收傳感器的接收電壓與氣固兩相流固相顆粒的粒徑和發射頻率的關系。仿真結果表明：選用頻率在50—100 kHz的超聲波傳感器不僅能夠得到較高幅值的接收信號還能有效避免噪聲信號的引入，為實際測量中超聲波傳感器的選取提供了理論依據和指導建議。
作者：賈 華，郭 朔，王月明
(內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古包頭014010)
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