电容层析成像测量气固两相流的影响因素.pdf

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1、化工自动化及仪表第39卷电容层析成像测量气固两相流的影响因素王泽璞刘石贾磊刘乾曹丽平陈江涛刘岩(华北电力大学能源与动力工程学院，北京102206)摘要气力输送管道内经常出现的磨损现象和被测介质的不透明性．使得运用常规方法测量固体流动时的参数困难重重。ECT作为最先进和最有效的方法之一，可在线测量流动管道内固体横截面浓度分布和固体速度，便可计算得到固体质量流量。然而在大部分实际应用中，存在许多因素会影响管内固体的横截面浓度分布和固体的湿度值，使计算质量流量时产生误差。本文通过探讨找到解决此问题的方法，使得计算误差减小到可以忽略，结果更贴近实际情况。关键词电容层析成像固体浓度水分中图分

2、类号TH715．2文献标识码A文章编号1000-3932(2012)04-0504-05电容层析成像技术(ECT)是一种可视化介质技术。利用管道中不同介质介电常数不同的特点，阵列电极测量管道中介电常数分布和变化，重建管道截面各相介质分布图像，实现流型识别。由于其具有价格低廉、结构简单、安全性好、易于实现等优点，广泛应用于多相流流型、物质分布及物质浓度测量、搅拌反应器及分离器中物质截面成像、火焰检测等研究及工业应用领域。然而，在实际应用中存在多个问题：多相流内固相不是理想的单一物质，吸收有一定的水分，水分的存在直接引起介电常数变化，导致ECT成像结果出现偏差；多相流流动过程十分复杂，

3、检测场内固相颗粒分布不均匀，固相浓度不均匀。为了解决上述问题，笔者在电容层析成像技术及相关分析方法的基础之上，同时运用数值模拟和试验探索的方法，找到具体解决方案，使得在线精确检测物质分布、固体浓度、固体流动速度、多相流质量流量等参数成为必然性。1理论分析ECT基于电容原理测量物质逆向成像得到物质分布图。ECT检测得到的数据都是微小电容，外界及物质本身存在许多影响电容值变化的因素。为了去除这些因素的影响，使得ECT得到精确的物质分布成像图。鉴于ECT电容成像原理的思想，笔者思索在ECT测量管道中同样运用电容法去除固体浓度分布不均匀和固体含水量对ECT图像成像质量的影响，进而得到精确图

4、像。为了获得固体水分值、固体浓度分布与电容值之间的关系，设计测试了不同结构的传感器。如，在底面内侧中央铺有微型小电极的矩形或圆形传感器。理论上，数值分析和实验都可去除固体横截面浓度对ECT图像成像质量的影响，主要寻找电容与固体湿度值的关系。针对电场问题，需要运用电磁场定律处理电容器的电容值相关计算问题。基本公式有：V×E=0(1)X7×D=p(2)对于各向同性电介质，辅助方程有：D=8E(3)式中E——电场强度；D——电位移；P——电荷量密度；s——介电常数。对于定量电荷Q电极i和J之间的电容值计算公式为：C=Q／U(4)式中u——电极i和_『之间的电压值。模型中，电极平铺在传感器

5、内壁面的中央位置，保证流体可顺利流过管道。管道内介质的流动导致传感器间静电场的变化，电压值可通过镜收稿日期：2012-02-25基金项目：国家自然科学基金资助项目(50736002和61072005)；国家重点基础研究发展计划项目(2005CIM22100)；长江学者和创新团队发展计划项目第4期王泽璞等．电容层析成像测量气固两相流的影响因素505像法获得，具体算式为：U：--e-i!n盟逛尘+叮r占IR(,／d2+12+z)警ln[“巫祟笺婴](5)再≯戈i万i莳而。p’式中尺——圆形电极半径；z——电极长度一半；h——流体管道内流体高度；g，，8：——管道内流动的固体和气体介电常

6、数值；d——两电极之间的间距。由电容计算原理可得两电极之间的电容值为：C：1r占．／Iln—d—(—~／—F=R=2=+==12=—+一1)+R(,／d2+12+z)鬟In[监2h(垡．，／d2婴+4h2+12+1)]}(6)占l+占2⋯’、’式(6)的计算工况是管道内的流动界面无穷大。但实际流动管道界面都是有限大，不可能出现无穷大的情况，因此式(6)不能适用于实际应用，仍需一定的修订。在式(6)的基础上加一修正系数

7、j}，形成适用于实际应用中的电容计算式(7)。其中，传感器内两电极之间电容值用c．表示。C。：kC：碣／IIn垫墨兰≥+R(~／d‘+Z‘+1)警ln[“壁集竺婴]}

8、(7)sI+占22h(／d2+4^2+12+1)其中修订系数七是形状因子，主要由管道形状及尺寸等因素决定。图1是运用式(7)计算的宽为14cm的方形截面内流动介质高度与电容值的关系图。流动介质高度hlmm图1方形截面传感器的电容值与固体介质高度关系曲线2有限元分析原理由于给定的条件限制，泊松方程不能成功求解时，需要选择用有限元分析方法把泊松方程的计算转化为求解泛函数的极值问题。有限元分析方法具体计算步骤：把需要求解的连续求解域离散分成连续的子域(单元)，子域之间通过共