驻波声场中单分散细颗粒的相互作用特性

利用外加声场促进悬浮在气相中的细颗粒发生相互作用,进而引起颗粒的碰撞和凝并,使得颗粒平均粒径增大、数目浓度降低,是控制细颗粒排放的重要技术途径.为探究驻波声场中单分散细颗粒的相互作用,建立包含曳力、重力、声尾流效应的颗粒相互作用模型,采用四阶经典龙格-库塔算法和二阶隐式亚当斯插值算法对模型进行求解.将数值模拟得到的颗粒声波夹带速度和相互作用过程与相应的解析解和实验结果进行对比,验证模型的准确性.进而研究颗粒初始条件和直径对相互作用特性的影响.结果表明,初始时刻颗粒中心连线越接近声波波动方向、颗粒位置越接近波腹点,颗粒间的声尾流效应就越强,颗粒发生碰撞所需要的时间就越短.研究还发现,颗粒直径对颗粒相互作用的影响取决于初始时刻颗粒中心连线偏离声波波动方向的程度.当偏离较小时,颗粒直径越大,颗粒发生碰撞所需要的时间越短;当偏离很大时,直径较小的颗粒能够发生碰撞,而直径较大的颗粒则无法发生碰撞.     

基于蒙特卡罗原理的混合颗粒三相体系声衰减计算模型研究

从单个固体和液滴颗粒的声吸收和散射特性计算入手,基于概率统计的蒙特卡罗方法(MCM),将声波以离散化的声子加以处理,通过追踪其运动历程并进行事件统计,建立一种气体介质中球形混合颗粒的声衰减预测模型.对空气中铝粉颗粒和亚微米级水滴的声衰减分别计算和验证后,将模型推广至含有混合颗粒的三相体系,对铝粉和液滴构成的单、多分散混合颗粒体系进行数值研究.结果表明:两类颗粒的声吸收特性差异明显,其散射声压均随颗粒无因次尺寸kR的增加呈现从后向散射占主要地位逐渐过渡到前向增强的趋势.气液固混合颗粒三相体系中,颗粒类型对于声衰减影响明显、且随浓度的增加不同颗粒的衰减贡献不再遵循随混合比的线性递变关系;对于多分散体系而言,声衰减谱受平均粒径影响较大,对于粒径分布宽度参数则不敏感.模型可进一步结合数学反演形成混合颗粒体系测量的理论基础.     

光复散射对消光法粒径测量的影响:复散射模型与数值模拟

复散射效应在光散射颗粒测量中不仅重要．且尚未得到很好解决。采用蒙特卡罗方法,对不同的光波长,颗粒浓度以及收接器条件下的光复散射进行了数值模拟．数值算法程序经与四通量模型进行对比验证,数值结果与单散射条件的郎伯-比尔模型进行比较．进而讨论了复散射效应对消光法颗粒粒径测量影响。表明复散射对消光法颗粒测量的影响不仅取决于颗粒系自身的浓度．而且接收器的几何尺寸和接收位置起着非常重要的作用,减小颗粒介质层厚度和减小光接收器接收面积．增大接收距离以及减小接收角都能减小复散射效应对消光法粒径测量的影响。     

超声衰减和速度谱测量亚微米乳液的粒径

研究了超声衰减谱法和相速度测量高浓度多分散脂肪两相乳浊液的粒径分布问题.在理论分析基础上,实验测量了多个浓度(2%～20%)脂肪乳试样在2～13 MHz频带下超声衰减和相速度谱,结合反演算法由实验数据计算出乳浊液颗粒的粒径分布,并讨论了相速度法的意义和特点.将原始浓度(20%)下测得粒径分布与消光法在稀释条件下相同试样测量结果作对比,二者比较吻合,表明超声谱法可在无稀释的高浓度条件下作乳浊液粒径分布的表征.     

超细颗粒悬浊液中声衰减和声速的数值分析研究

为研究应用超声测量超细颗粒的粒度和浓度,本文由描述声波在悬浊液中传播的Allegra &Hawley数学模型出发,通过两个算例的数值模拟计算,研究了二氧化钛－水,铁粉-水两种超细颗粒悬浊液中声波传播的衰减和相速度,分析了声波的频率、颗粒尺寸和浓度对衰减和相速度的影响规律,并讨论了计算模型对不同物性参数的敏感程度。     

外加液滴条件下固体细颗粒声凝并特性

外加声场激励下固体细颗粒的声凝并在燃烧污染物超低排放中具有应用潜力,添加大粒径液滴有望提高细颗粒声凝并效果.本文从颗粒运动、碰撞、凝并与反弹的动力学过程出发,基于直接模拟蒙特卡罗方法,建立气相中液滴与固体颗粒共存的气-液-固三相体系的声凝并模型,对外加液滴条件下固体细颗粒声凝并的过程和效果开展数值模拟.将模拟结果与实验相对比,验证模型可靠性.在此基础上,探究外加液滴条件下细颗粒声凝并动力学行为,考察外加液滴直径和数目浓度对细颗粒声凝并效果的影响规律.结果表明,外加液滴条件下,固体细颗粒迅速与大粒径液滴凝并,形成液-固混合相颗粒,细颗粒凝并效率显著提升.外加液滴直径和数目浓度是影响细颗粒声凝并的重要因素,随着直径的增大或数目浓度的提高,细颗粒凝并效率增大,而增幅趋于减小.研究结果可为复杂颗粒系统凝并模型的建立提供理论基础,并可为燃烧源细颗粒超低排放提供方法指导.     

基于分形理论的驻波声场中颗粒团运动特性数值预测*

基于分形理论,建立驻波声场中颗粒团动力学模型,对颗粒团的夹带系数、相位滞后和漂移系数进行数值预测。将预测结果和实验进行对比,二者吻合良好。在此基础上,研究了组成颗粒团的原生颗粒半径、数目以及排列情况对于颗粒团运动特性参数的影响。结果表明,对于由两个原生颗粒组成的颗粒团,原生颗粒半径越接近,颗粒团与等体积球形颗粒运动特性的差异越大;在分形维数一定时,随着原生颗粒数目的增多,颗粒团的夹带系数减小,相位滞后增加,漂移系数先增大后减小,颗粒团与等体积球形颗粒的动力学行为存在显著差异;原生颗粒排列趋于致密时,颗粒团的夹带系数增大,相位滞后减小,漂移系数发生单调变化,与等体积球形颗粒运动特性的差异缩小。     

表征超声衰减谱粒度的改进和声搜索算法*

针对超声衰减谱法颗粒粒径测量,提出一种改进和声搜索算法,在和声搜索算法迭代达到200次时,加入拟牛顿算法,调节和声搜索算法全局和局部搜索能力,提高算法的收敛精度。对服从三种典型粒径分布函数颗粒系进行数值模拟,改进算法反演得出R-R(Rosin-Rammler)分布参数值相对误差小于8%、正态分布参数值相对误差小于5%,对数正态分布参数值相对误差小于10%,同时用改进算法对两种硅-水悬浮液样品的实验超声衰减谱反演,与标称尺寸对比粒径相对误差为6.0%和8.2%,表明了利用改进算法表征颗粒粒径的可行性。     

有黏条件气泡声散射特性和衰减谱数值研究*

通过研究有黏条件下的气泡散射模型,数值分析水中单气泡声散射特性,进一步结合Beer-Lambert定律将其扩展到多气泡体系的声衰减预测。数值结果表明,随着谐波阶数递增,散射强度分布数值结果趋于稳定且前向散射增强。同时发现,无因次尺寸参量ka=0.1为过渡区与纯散射区的分界线,且在共振区间具有明显的吸收效应。对多气泡体系的声衰减预测也表明,ka 0.1时,该文气泡散射模型声衰减计算与经典ECAH模型结果吻合,在低浓度条件下声衰减谱随着剪切黏度的增加呈增宽趋势,且与体积浓度成正比例递增。模型预测的声衰减随粒径、声波频率、体积浓度分布数值特征能够为颗粒两相体系粒径及浓度表征提供理论依据。     

超声衰减法测量悬浊液中颗粒粒度和浓度

研究了由颗粒悬浊液中3个频率下声衰减系数测量颗粒粒度分布和浓度的方法。用FFT对测得的1,2和5 MHz 3个频率的声信号进行降噪后得到声幅度和声衰减系数,再根据描述不同频率下声衰减系数与颗粒粒径及浓度关系的ECAH模型,运用Philip-Twomey-NNLS算法和改进Chahine算法求解相关的第一类Fredholm方程,反演出颗粒的尺寸分布和浓度。用该方法对两种不同尺寸体积浓度为5％的玻璃微珠-水悬浊液颗粒进行测量,结果与显微镜法结果吻合。这表明:测量3个频率下的声衰减信号,结合Philip-Twomey-NNLS或改进的Chahine算法,可在较高浓度条件下较准确地测得颗粒粒度和浓度,从而简化了现有的高频率宽频带测量方法。