声波衰减国内外研究动态

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1945 年，美国国家水下声学研究所的 Foldy [20]

在忽略了气泡空间分布相关性的

基础上，理论上研究了气泡散射对声波传播的影响。Calflisch [21][22]

等人在 1985 年给

出了气泡非线性振动的数学模型，并对方程的有效范围及特性给出了精确的描述。 1985 年，Rubinstein [23]

等人将气泡间的相互作用计入声传播方程中，与 Foldy 理论 相对照，声速数值有所升高。朱哲民 [24]

等于 1991 年测量了气泡处于共振状态时，

含气泡水中的强二次谐波声压，并估计了混合物的等效非线性声参量。1992 年 Ruffa [25]

用三维有限元方法，探讨当气泡周期性分布时，平面声波的声场特性，得到 了含气泡区域内的有效声速及声衰减。1996 年，Feuillade [26]

将气泡的半径分布及所

处的位置等因素计入了声传播方程，讨论了声速及衰减系数。1998 年，李福新 [27]

等在计入了气泡声吸收作用的同时，讨论了气泡空间分布的相关性对含气泡水介质 中声传播特性的影响。1999 年，高永慧 [28]

等利用超声检测中的穿透法等，测量了气

水混相介质中的声速比值和声透射损失。1999 年赵晓亮 [29]

等人针对实际气泡尺寸总

是存在一定分布的事实，发展了一系列计算声波在含气泡水中的声传播特性和该介 质非线性参数的解析公式，同时，研究了声波在含气泡水中传播的声速及声衰减等 特性。2002 年，田宗漠 [30]

在传统体积分数的理论基础上，考虑了气泡间的相互作用，

再次推出了适用于任意体积分数的含气泡液体内的声波方程式，求出了声波通过气 泡幕的穿透系数及反射系数，实验结果与理论计算一致。2004 年，Ichihara [31] 等人

研究了声波在高粘度(>10 5

Pas)的两相介质中的传播，并以硅树脂和糖浆为例进行了 实验研究。

从以上液固、液气两相流介质内声传播的研究动态，可以看出液固、液气两相

介质内声传播的研究已比较成熟，而气固两相介质内声传播的研究尚有很多空白， 所以本课题具有很强的创新性。

1.2.2 声发射的气固两相流监测研究动态

基于声波理论的气固两相流监测的研究，国内外文献也鲜见报道，而关于固体 颗粒碰撞发声的声学测量研究较多。

在国外，2000 年，挪威化学计量应用研究会的 Maths [32]

等基于声波测量，结合

最小二乘回归法，通过大量实验得到了三元刚性颗粒粒径分布的预测。2003 年，挪 威泰利马科学院的 Saba Mylvaganam [33]

对声波测量方法在颗粒学测量的应用进行了

综述，认为通过两个或两个以上的传感器作用在合适的位置上可以计算颗粒的运动 速度，进一步提出了用声波替代电容、γ射线、电阻、微波和光学装置的可行性 [34] 。

2003 年，Jun Huang [35]

等在气力输送管道中运用声波测量技术，对六种不同类型和

粒径分布的铝粉进行了测量。将声波信号和颗粒流动进行关联，通过关联，可以估 算出过程中的粉尘分布率，预测出传输过程中颗粒的破损程度，并建立了回归模型。2 数，以后随着频率的增加声速也增大，而到 10 6

Hz 时声速又等于另一常数。声波在

纯媒质中的衰减和吸收原因有媒质的粘滞、热传导以及媒质的微观过程中引起的弛 豫效应等。在非纯媒质中，如空气中的灰尘粒子、雾滴，江海中的气泡、泥沙、浮 游生物等悬浮微粒子。媒质中的悬浮微粒对媒质做相对运动的摩擦损耗，以及声波 对粒子的散射引起了附加的能量耗散，是非纯媒质中声衰减的主要原因。另外，当 媒质中存在弹性与密度不同的颗粒时，声波会发生散射现象。研究声波在气固两相 流介质中的传播特性是解决这些问题的基础。

所以，研究声波在气固两相流介质中的传播特性，寻找声信号与两相流参数的 联系，既能够为声学方法的气固两相流监测提供依据，又能够为一些声学监测技术 在实际情况下出现的气固两相流介质中声波频散、衰减、散射问题提供支持，这也 正是本课题研究意义的所在。 1.2 国内外研究现状

1.2.1 两相流介质声传播研究动态

两相流介质中声波传播特性的研究主要集中在液固和液气两相介质中声波传

播特性的研究。这主要是因为固体颗粒和气泡都可以较容易的悬浮在液体中，便于 研究。本课题研究的气固两相流介质中声传播特性鲜见报道，而其传播特性与液固、 液气两相介质中的传播特性有相似之处，对本课题的研究具有借鉴意义，固将液固、 液气两相流介质内声传播的研究动态综述如下。 1.2.1.1 液固两相流介质中声传播的研究动态

自从 20 世纪初 Swell 开始对声在烟雾中的吸收问题进行研究以后，对于颗粒相 弥散在一种连续介质中的衰减和声速的理论研究引起了人们的广泛兴趣。1953 年

Epstein [14]

在他的论文中提出了一个不仅考虑了液体介质的粘性和固体的弹性效应，

同时还考虑到热传导影响的数学模型。美国加利福尼亚技术研究所的 Epstein 和 Carhart [15]

还通过一个详细的理论推导出热损失对声衰减的影响。在此基础上，1972 年，哈佛大学的 Allegra 和 Hawley [16]

发展了该模型，使其适用于悬浊液。所以这一 模型被称为 ECAH 模型（或 AH 模型）。上世纪末，国内学者张叔英对悬浮泥沙的 声学观测原理进行了分析。2002 年前后，上海理工大学苏明旭、蔡小舒等对超声波 测量悬浊液中颗粒粒度和浓度大量理论与实验研究，指出超声波在颗粒两相介质传 递过程的衰减谱含有颗粒的粒度大小和浓度的信息，为超声波衰减测量颗粒浓度和 粒度打下了基础 [2,17-19] 。

1.2.1.2 液气两相流介质中声传播的研究动态1 第一章 引 言

1.1 课题背景及意义

在工业实际过程中，气固两相流动的存在范围十分广泛。能源工程中固体燃料 在锅炉内的流动和燃烧过程；煤粉的制备、分离和管道输送；在化学工程中，各种 反应、分离装置都牵涉到气固两相流动过程，如流化床、固定床等反应器；食品和 运输工业中的固体微粒的输送；环保工程中各种除尘设备内的气固分离等等。可以 讲，气固两相流在整个国民经济的各个生产部门中都得到应用 [1] 。

燃煤电站锅炉运行中广泛存在着气固两相流问题，如一次风管道的煤粉输送， 增压流化床锅炉中煤颗粒的输送和在床内的沸腾燃烧等。随着电站锅炉容量的增 大，对于锅炉的安全经济运行的要求也变得越来越高。影响锅炉安全经济运行的因 素是多方面的，而锅炉的燃烧调整无疑是其中最重要的影响因素之一。比如：当锅 炉容量较大或燃烧器数目很多时，只有每个燃烧器都按一定的风粉比向炉内送入燃 料和空气，才能使整个炉膛的燃烧效果最佳。如果各燃烧器以差异悬殊的比例送入 燃料和空气，尽管炉膛过量空气系数仍维持在规定的范围内，但对单个燃烧器来说， 空气量和煤粉的不均匀分配，将使各个燃烧器有的严重缺风，有的严重缺煤，从而 带来一系列不良后果 [2-3] 。

解决此类问题的关键是要有实用、准确的监测手段，实现气固两相流的在线监

测能为燃烧调整提供指导依据，使运行人员可以监测风粉量，有的放矢的进行调节， 才能保证锅炉安全经济运行 [4]

。但由于气固两相流中固相浓度分布不均、流态不定、

加速度造成测量偏差、测量对流场造成的干涉、堵塞与磨损对测量精度的影响等，

使得传统测量技术无法克服，需要新的测量技术的引入加以解决 [1] 。

声学作为一门基础性和交叉性极强的学科，近年来已渗透到几乎所有重要的自 然科学和工程技术领域。在电力行业，声学检测技术以其自身的非接触式特点，逐 步受到国内外电力科研单位、高等院校和发电企业的重视。利用声学方法对气固两 相流浓度和粒径分布等参数进行在线监测是一项很有意义的研究。

另外，在长期电厂设备声学监测研究的基础上，一些较成熟的声学监测技术应 用于电厂设备状态监测。这些技术在推向应用层面时，往往遇到一些实际困难亟待 解决。比如，基于声波理论的炉膛温度场 [5-7] 、动力场 [8]

、炉管泄露声在线监测技术、 声波除灰 [10-11]

和声波助燃技术 [12-13]

等，都遇到了声波在气固两相流介质传播时声波

的频散、衰减和散射的问题。在多原子气体中，有声速随频率变化的现象，这种现 象叫声波的频散或色散。例如，在二氧化碳中，当频率小于 10 5

Hz 时的声速为一常在国内，2001 年，浙江大学的赵贵兵 [2,36-37]

等提出了在器壁上安装压电陶瓷传

声器，对流化床流动状态的声学监测方法。他们认为实际测量的声波信号主要来源 于颗粒与器壁的摩擦和碰撞，流化床器壁实际上是起着声波波导的作用。由于频率 低于 20kHz 的可闻声波和次生波很难被固体所吸收，因此床层内部（未接触器壁部 分）的各种低于 20kHz 的声发射很难传播到传感器上。同理床层外部周围环境中的 各种低频声波也对实验声波测量的影响甚微。另外，高频声波如超声波对固体的穿 透能力很强，却很难透过气体，因此床层内部未接触器壁部分产生的超声波却因很 难透过流化气体而难于被传感器检测到。因此，此类流化床声发射检测主要反映了 颗粒与器壁的摩擦和碰撞。2005 年，浙江大学的石喜光 [38]

对电站锅炉煤粉管道内的

煤粉浓度的声学测量进行一些初步研究。他在煤粉的弯头外侧装设超声波接收器， 通过接收气固两相流内固体颗粒撞击弯头管壁产生的超声波信号，经过增益器将信 号传送到计算机，计算机对超声波信号处理后，根据不同固体浓度下信号特征的变 化获得管内气固两相流的浓度。2005 年，阳永荣 [39-42]

等认为，声波主频的变化反映

为声波各尺度（频段）能量分布的改变，正是由于不同粒径的颗粒所产生的声波能 量叠加，导致声波在各尺度的能力分布不同，因此有可能通过多尺度声波能量分布 率的分析，实现粒径分布的预测。

以上研究结果从另一个侧面预示着两相流动介质中声波的发生、传播的研究将 成为探索颗粒的浓度和粒径的有效途径，对于两相流动状态监测，预防结块，避免 事故具有重要意义。 综上所述，“声波在气固两相流介质中传播特性的研究”属于国内外前沿课题， 具有很强的创新性。

1.3 本课题的主要研究内容

本课题以管内平面波为研究对象，对管中声波在不同浓度、不同粒径气固两相 流介质中传播特性进行研究。课题的主要内容包括： (1)阐述声波在气固两相流介质中的传播机理。

(2)研究一维管内气固两相流声学测量方法，搭建实验平台，进行相关实验。 (3)实验研究声波在气固两相流介质的传播规律，包括：声波频率、气固两相流 浓度以及颗粒粒径大小对声衰减系数的影响。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/p3e7.html