【摘 要】
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气力输送固体颗粒属于典型的气固两相流。相浓度是反映气固两相流流动状态的重要参数。在密相气力输送过程中,相浓度的在线检测对生产计量和过程控制具有重要意义。但是,两相流流动过程复杂、流型多变,流场与电场相互影响,且边缘效应和本体电容的存在,都给固相浓度的准确测量带来一定的难度。为了提高气固两相流固相浓度的测量精度,需要进行电容式相浓度传感器的结构优化设计。本文在多物理场耦合条件下,以电容式相浓度传感器
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气力输送固体颗粒属于典型的气固两相流。相浓度是反映气固两相流流动状态的重要参数。在密相气力输送过程中,相浓度的在线检测对生产计量和过程控制具有重要意义。但是,两相流流动过程复杂、流型多变,流场与电场相互影响,且边缘效应和本体电容的存在,都给固相浓度的准确测量带来一定的难度。为了提高气固两相流固相浓度的测量精度,需要进行电容式相浓度传感器的结构优化设计。本文在多物理场耦合条件下,以电容式相浓度传感器为研究对象,基于检测场的边缘效应和本体电容问题,通过数值模拟及实验设计的研究方法,对电容传感器结构进行了优化,分析了不同流型下电容传感器的输出特点。本文主要完成如下工作:（1）对现有不同结构的电容传感器进行分析,选取平行极板电容传感器为研究对象,针对传感器的边缘效应和本体电容问题,提出具有轴向和径向保护极板的传感器结构。通过轴向保护极板减少边缘效应对测量的影响,通过径向保护降低本体电容存在的影响,从而提高传感器固相浓度的测量精度;（2）基于多场耦合方法对流场-静电场耦合作用进行分析,以COMSOL多物理场仿真软件作为仿真平台,基于MATLAB脚本编程的方式实现电容传感器的快速建模;（3）基于数值模拟和试验设计的方法,在COMSOL中建立加轴向和径向保护极板的电容传感器三维模型,详细分析各个结构参数对传感器灵敏场的影响,通过析因设计选取关键参数。为降低流型对测量的影响,以径向均匀性误差和轴向均匀性误差为优化目标,基于响应面法实现电容传感器结构的多目标优化;（4）在多物理场（流场-静电场耦合）条件下,模拟仿真了水平管道密相气力输送中的典型流型,并结合流型研究了电容传感器的输出特点,为基于流型的传感器测量奠定基础;（5）在COMSOL软件中模拟测试小棒,对不同结构传感器进行仿真验证;在实验室条件下,针对边缘效应、本体电容和相浓度测量制作传感器及测试小棒模型,进行实验验证,实验结论与仿真结论相符,本体电容和轴向边缘效应大大降低,浓度测量误差在10%以内,满足相浓度测量的需要。
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