基于蒙特卡罗原理的超声法颗粒两相流测量理论模型研究

The measurement of the parameters particle size distribution, concentration in high concentrated in particulate two-phase flow has shown important applications and scientific research significance in the fields of energy utilization, manufacture of new materials, chemical testing, pharmaceutical and food production, and many other industries. As an approach of particle two-phase flow measurement, ultrasound has possessed many advantages like safe, non-contact, high penetration, resistance of pollution, wide measurement range, on-line measurement, increasingly gain widespread attention and applications. However, the existing ultrasonic measuring theoretical models have obvious limitations in Many the case of two-phase flow measurement, and even become the bottleneck of the application of the method. This proposal concerns the ultrasonic particle theory and modeling for two-phase flow measurement problem, and intends to study an acoustic attenuation prediction method based on the principle of Monte Carlo in particle two-phase flow, which can be applied to high concentrations of non-spherical and mixed particle system (liquid-solid, liquid-liquid, gas-liquid two-phase flow particles) and may cover different experimental conditions like the sound source, sound field, etc. The research project is expected to eventually form a complete set of measurement theory on particle two-phase flow measurement and a method with independent intellectual property rights.

高浓度颗粒两相流中的颗粒粒径分布，浓度等参数的检测，在能源利用、新材料制备、化工检测、医药和食品生产等很多行业中具有重要应用背景和科学意义。超声在颗粒两相流测量中具有安全、非接触、高穿透、耐污染、测量范围广、在线测量等诸多优点，正日益得到广泛关注和应用。但现有超声测量理论模型在很多两相流测量情形已显现出局限性，甚至成为该方法应用的瓶颈。本申请关注超声波颗粒两相流中的理论和建模问题，提出并拟研究一种基于蒙特卡罗原理的颗粒两相流声衰减预测方法，其可以适用于高浓度条件下的非球形和混合颗粒体系(液固，液液，气液颗粒两相流)，并可以考虑不同的声源、声场等实验条件。该项目的研究最终有望形成一套完整的对于颗粒两相流进行测量理论和具有自主知识产权的方法。

超声测量具备穿透性好、适应性强、非接触式测量等优点，可作为高浓度两相流中颗粒相参数检测的有效方法。但是以往超声经典理论模型对于高浓度下的声衰减预测结果存在不可忽视的误差，且未涉及非球形颗粒和混合颗粒体系。本研究项目基于蒙特卡罗方法，采用概率模型描述颗粒的声吸收、耗散、散射等物理过程，成功建立了一种适用于液固、液液、气液颗粒两相流及气液固混合颗粒多相流的声学测量理论模型，就近期查阅资料看，国际上同行的研究尚未能推进到混合颗粒模型，本研究已具有一定的引领性。课题工作从单个固体、气泡、液滴颗粒的声吸收和散射特性物理机理出发，着重研究并突破了高浓度颗粒两相流、非球形颗粒和混合颗粒系的声衰减预测难点，其中对于高浓度问题，我们提出一种耦合相-声散射结合的方案，使模型适用浓度拓展至50%，对非球形颗粒采用了以椭球颗粒散射为基础的技术路径，同时系统地对颗粒粒径、超声频率、体积浓度和混合颗粒比等参数的作用及敏感性进行细致研究。实验工作主要围绕基本的颗粒系测试和模型验证开展，同时对于悬浮液沉降过程、石膏浆液、乳剂、相变材料和结晶过程等进行了大量实验研究。针对超声颗粒表征中的反问题，我们提出并研究了差分进化算法、和声搜索等群智能算法，对服从R-R分布、正态分布、对数正态分布条件的单峰和多峰模态颗粒系进行粒度分布求解，实验结果验证了算法具有较好的准确性和抗噪性，使得我们的工作形成闭环也具备了较好工业应用基础。进一步，提出了混合颗粒系全局最优化理论的限定模式求解方法，针对两种颗粒粒径参数和混合比参数反演结果取得成效。本项目所发展的颗粒两相流测量方法及系统进行了工业现场推广，针对颗粒粒度和浓度参数检测，正与中国工程物理研究院和大唐环境产业集团股份有限公司等开展项目技术合作。. 项目执行期间，共计在国内外期刊发表论文38篇，其中SCI检索论文14篇，EI单检索论文10篇；国内外会议报告19篇，获得授权中国发明专利4项，参编国家标准1项。