盐析两相流场中PDPA测量方法

　　盐析两相流属于复杂的悬浮体液固两相流,传质、传热和传动现象并存[1].目前对伴有盐析的流动机理的研究尚不完善,主要是由于对盐析晶体颗粒生长、沉积规律与周围流场的相互关系认识不够深入,国内外相关研究报道甚少.

　　盐析除受盐溶液自身理化特性制约外,与周围环境的关系也密不可分.输送溶液的流体动力学性质影响晶体颗粒的变化,反过来盐析颗粒的存在及变化也会反作用于流场,从而最后再作用于颗粒的变化.由于目前两相流理论的局限性,对其进行直接理论分析相当困难,必须建立在大量的试验研究基础之上,因此对输送介质中盐析颗粒与流体两相的动力学特性的测试至关重要.

　　1 两相流测试方法

　　在现代流场测试方法中,为获得真实的两相湍流流动结构,非接触式的测试系统成为首选,如粒子图像测速仪(PIV)、过程层析成像技术(PT)、激光多普勒测速仪(LDV)及相位多普勒粒子分析仪(PD-PA)等.PIV在两相流动测试中为区分液相和颗粒相的速度场及获得颗粒相粒径、浓度分布规律必须结合图像处理技术编制专门的计算程序[2]. PT运用图像重建算法重现两相流体在反映装置内部某一横截面上的分布情况,实现被测两相物体在某一截面上的可视化[3]. LDV应用在两相流测量中,若想获得不同粒径的粒子速度,必须解决多相信号的区分问题,主要采用信号阈值法等[4],但前提是流场中粒子粒径大小已知且无相变.而在盐析两相流中,盐析颗粒随温度、时间等因素不断变化,显然这种方法不适用.PDPA是在LDV基础上的一个重大拓展,被广泛应用在两相流和多相流的研究中,是目前公认的同时测量粒子速度和尺寸的有效仪器.其测速原理和LDV相同,同时增加了粒径测量功能,即利用探测器在不同位置接收到的粒子散射光的相位差与粒径的关系获得粒径信息.若被测粒子为理想球形,通常这种关系呈严格线性,测量时无需校准. PDPA在两相流测量中具有的优越性能够很好地利用在盐析液固两相流的试验研究中.

　　2 盐析两相流测量的关键问题

　　2. 1 盐析晶体颗粒相粒径的测量

　　PDPA技术建立在Mies'光散射理论基础之上,在PDPA系统测量时,粒子都被假设为理想球形.但在盐析流场中晶体颗粒是非球形粒子.以氯化钠晶体颗粒为例,形状呈正六面体形.用PDPA对这些粒子进行测量得到的粒径值与真实值存在偏差.

　　目前对非球形粒子PDPA测量问题的解决措施,主要有双模PDPA法、取向统计平均法及群体识别技术等.双模PDPA是将标准PDPA和平面PDPA结合在一起,分别在两个互相垂直的平面测量平面曲率半径,用两个半径值之比衡量粒子球形度,但由于粒子穿过测量体位置的随机性和自身的旋转,这种方法有局限性.取向统计平均法是利用概率统计方法,但测量前必须对不同粒子进行标定得到不同的相位分布函数,这在盐析两相流测量中不现实.群体识别技术是基于模糊数学中的模糊模式识别技术,能准确测量粒径分布,但后处理较复杂.