[发明专利]一种丝状物料在气流床矩形提升管中三维颗粒浓度信息的测量装置和方法

说明书

本发明属于多相流测量技术领域，特别涉及一种丝状物料在气流床矩形提升管中三维颗粒浓度信息的测量装置和方法；测量装置包括弧形光源、匀光器、提升管、高速CCD相机以及图像后处理单元；测量方法包括：首先，拍摄45°视场方向清晰稳定的丝状颗粒流动信息，并将图片二值化；然后，分别计算划分后两个区域的光线传播方向浓度和提升管中颗粒浓度分布的关系；再次，对提升管中颗粒浓度分布函数进行简化，得到函数f(x,y)的二阶精度的二元泰勒展开式；最后，通过多元回归求得提升管中颗粒浓度分布函数；本发明实现了单CCD相机对三维空间丝状颗粒浓度的测量；无需相机耦合同步；无需深度扫描；该装置设计合理，易于操作，计算理论性强，数据处理快速便捷。

技术领域

本发明属于多相流测量技术领域，特别涉及一种丝状物料在气流床矩形提升管中三维颗粒浓度信息的测量装置和方法。

背景技术

柔性丝状颗粒在气流床中的流动具有广阔的应用背景。在很多工业过程领域都涉及到细长柔性丝状颗粒在气流场中的运动特性问题，例如生物质(牧草、烟丝、天然纤维)，化工产品(化工纺织纤维、复合材料)，农业、食品加工、环保、生物医药等领域。

细长柔性丝状颗粒是一类非常特殊的非球形颗粒，其特征有：颗粒细长，形状在轴向上占优；柔软，易弯曲变形；各向异性，受力、转动、取向分布和扰动变形很复杂；柔性丝状颗粒在气固两相流化床中会以单个离散颗粒和絮团出现，由于颗粒的柔性和形状的不均匀性，这种类型的颗粒容易相互缠绕团结且很不容易分离。气流床中的颗粒流动的不均匀特性非常复杂，颗粒亦可能会经历一系列更复杂的过程，如传热&传质、干燥、化学反应等。柔性丝状颗粒在流场中的运动构成了一个复杂的动力系统。对这一流动系统，虽早已引起重视，但由于其复杂性，目前对于此类复杂的非球形颗粒的研究结果很少。该领域的研究很不完善，还处于不断地发展中，许多问题有待解决。因此，对丝状物料气流床内流化特性的研究将对开拓此类非球形颗粒的两相流研究和应用具有重要的理论意义。

气固两相流具有瞬态性，即其流动状态变化迅速且运动模型复杂，搭建合理的测量系统，并采集良好的气固两相流动信息是研究的重要前提。多项流测量主要可以分为两种方式，一种是侵入式的，一种是非侵入式的。侵入式的方式是将相应的探头(速度、压力、温度、动量探头、内窥镜等)侵入流场内部来获取侵入点处局部的流动信息。这种测量方式有一个显著的弊端就是会对所测量的流动产生一定的干扰。这种方式经常用于球形颗粒流动的测量，当用于测量丝状物料流动时，由于丝状物料的特殊性，颗粒容易在探头上缠绕堆积而严重干扰所测量处的流场，测量结果会产生重大误差或者错误。另一种测量方式是非侵入式的，这种方式的突出的优点就是不会对流场产生干扰。其又可以分为两种形式，一种是非光学式的，另一种是光学式的。非光学式的方法有电容层析成像(ECT)、电阻抗、声学测量等方式。例如，超声成像技术成本低，能够实现对声场各点的成像，但容易受气体介质的干扰。核磁共振成像技术具有较高的分辨率和精确度，能够对物体的分子结构进行分析。但容易受外部磁场干扰，其抗噪能力较弱。过程层析成像以非侵入的形式对物体横截面特征参数进行测量，在气固两相流领域应用较广，但该技术三维重建难度大，且分辨率低。这些技术是否能够成功应用,在很大程度上取决于重建算法的实现和测量精度的控制，目前其大都还一直处于不断发展研究中。光学式多项流测量主要以波动光学测量为主，即用红外线、激光、自然光等对所测量的流体进行照射，然后用相应的感光原件(如高速相机CCD等)对流动信息进行捕捉。由于其直观、不对流场产生扰动、后处理简单等优点而被广泛应用于多项流测量中，特别是类二维流动的测量以及三维流场中某截面流场信息的测量。