DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.02.041

超声衰减与光散射法蒸汽液滴粒径和含量对比测试

苏明旭，袁安利，周健明，李永明，蔡小舒

(上海理工大学 颗粒与两相流测量研究所，上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海，200093)

摘要：搭建蒸汽测试实验系统，结合经典ECAH (Epstein-Carhart-Allegra-Hawley) 理论模型，提出三频率超声波声衰减颗粒测量方法，采用中心频率为22，40和200 kHz的超声波开展蒸汽液滴粒径和含量(体积分数)的超声法测量实验，在相同工况下基于光散射法的原理，同时开展多波长消光法和激光散射法对比测试研究。实验结果表明：超声衰减法测得蒸汽液滴粒径和含量与消光法和激光散射法的测量值接近，超声衰减法有望用于气液两相流中蒸汽液滴粒径以及含量(湿度)参数的在线监测。

关键词：超声衰减；消光；激光散射；粒径测量；气液两相流

中图分类号：TB 559；TK261             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)02-0654-07

Measurement of steam droplet size and content:a comparison of ultrasonic attenuation and light scattering

SU Mingxu, YUAN Anli, ZHOU Jianming, LI Yongming, CAI Xiaoshu

(Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering,

Institute of Particle and Two-phase Flow Measurement,

University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Abstract: A steam generation and measurement experimental system was developed. Combined with a theoretical expression of the classical ECAH (Epstein-Carhart-Allegra-Hawley) model, a tri-frequency method was proposed to measure the droplet size and content (volume fraction) using ultrasonic attenuations, where center frequencies of ultrasonic waves were 22, 40 and 200 kHz respectively. As a comparison, experiments based on multi-wavelength light extinction method and laser scattering method were carried out , both of which were both based on the principle of light scattering. The results show that the measured particle size and content (volume fraction) using the ultrasonic attenuation method are relatively close to the light extinction and the laser scattering method. Ultrasonic attenuation method is also expected to realize on-line measuring of the particle size and content (wetness) of steam in the gas-liquid two-phase flow.

Key words: ultrasonic attenuation; light extinction; laser scattering; particle size measurement; gas-liquid two-phase flow

现代工业许多场合需要研究以液滴和气体连续介质构成的气液两相流，对液滴颗粒粒度和体积分数的监测具有非常重要的意义。例如，绝大多数液体燃料都是经过雾化，将其分散为细小液滴后才能在相应设备中燃烧，其燃烧效率与燃料的雾化细度密切相关，其中雾化细度为数十微米至上百微米；又如，在汽轮机低压缸内过热蒸汽经膨胀降压，由于自发凝结会产生大量细小的水滴形成湿蒸汽两相流，其按产生机理往往又分为自发或有核凝结一次水滴(一般粒径范围0.1~2.0 μm)，对其粒度和体积分数测量对于了解汽轮机内的水蚀破坏原因，提高其运行效率和安全性同样具有非常明显的意义^[1]。上述气液两相流的测量难点在于对象处于高速运动且极易产生形变，难取样甚至不能取样，需要进行快速、非接触测量，很多传统方法很难得到应用，目前较为成功的方法主要有图像法、光散射法等^[2]。由于上述方法需要借助于光源照射，当浓度较高时，受光的穿透性能影响，测量变得困难。在一些特殊的场合，例如处于高温和高压条件的湿蒸汽，要求无损检测，光学探针不容易得以应用。鉴于超声传播中穿透能力强，加之其波长通常远大于微米级颗粒，受散射效应影响较小，同时，声传播速度有限且与液滴的含量紧密相关，亦可提供待测液滴的粒度和体积分数信息，不失为一种替代测量方案。在声学方法中，魏荣爵等^[3]曾开展低频声音在水雾中声衰减的机理研究。SHEN等^[4]基于声速与蒸汽湿度理论关系，开展了实验研究以及应用。李锴等^[5]对汽轮机中水蒸气湿度进行检测。不过，利用超声波测试液滴颗粒粒度和含量还需要对理论方法和装置进行全面的验证。本文作者曾对悬浊液中颗粒粒度和含量超声测量进行了理论和实验研究^[6]，在汽轮机中一次和二次水滴的光散射和图像法测量方面亦进行了实验研究^[7-8]。基于此，本文作者在实验室模拟了相关的实验，由蒸汽发生器产生高温蒸汽(蒸汽液滴与水蒸气构成的气液两相流)，研究超声衰减法、消光法和激光散射法蒸汽颗粒的粒径与含量(湿度)对比测试问题。

1  理论模型及数值计算

1.1  声学模型

超声波在含颗粒两相介质中传播会产生能量衰减和相移，其衰减大小与超声波频率有关，影响因素众多，主要有两相介质中颗粒粒径、含量、材料物性参数、环境温度等。ECAH (Epstein-Carhart-Allegra- Hawley)模型^[9-10]较为全面的考虑了黏性损失、热损失、散射损失以及内部吸收。图1所示为各向同性颗粒内外的3种散射波。如图1所示，当平面压缩波入射到气液界面上，在颗粒内部和外面会产生一组压缩波、热波和剪切波，分别从边界进入液体球和返回到气体介质中。

图1  各向同性颗粒内外的3种散射波

Fig. 1  Three types scattered waves in and around an isotropic particle

        (1)

图1中6个波的振幅通过方程(1)所示6阶线性方程组相互关联，矩阵M和向量e中的元素可由连续介质物性参数、颗粒的物性参数以及颗粒的半径求得。求解该线性方程组得系数A_n(具体计算过程可参见文献[11])，之后可按下式确定颗粒系的复波数：

        (2)

由定义，有

           (3)

式中：α_s和c_s分别为气液两相流中与频率有关的声衰减系数和声速；；D₃₂为液滴颗粒的直径；φ_v为液滴颗粒的体积分数；k_c为连续介质中的波数；κ为两相流中的复波数。

1.2  数值计算

表1列出通过声学手册和水和水蒸汽热力性质国际工业标准IAPWS—IF—97查得物性参数，图2所示为数值计算体积分数为0.005%，频率为20~200 kHz和液滴粒径为0.1~100.0 μm气液两相流中声衰减。由图2可见：在粒径为0.1~10.0 μm时，声衰减对颗粒粒径变化敏感，数值变化超过1个数量级。粒径相同时，声衰减随着频率递增。

根据图2中结果可进一步计算出该体积分数下不同频率的声衰减系数比，对应试验中采用超声波频率，图3所示为声衰减系数比随着蒸汽液滴颗粒粒径变化曲线。这样若测得蒸汽两相体系中不同频率下声衰减，将其比值代入图中可以推算出液滴颗粒平均粒径。考虑到图中曲线的非单调变化，采用3个频率(2条曲线)可以有效解决多值性问题。

由于低体积分数条件下声衰减与颗粒系体积分数呈线性关系^[6]，如已知蒸汽液滴粒径，再代入式(2)即得体积分数，根据气液两相流中蒸汽湿度定义可确定湿度^[12]，即蒸汽液滴的质量与气液两相总质量之比：

            (4)

式中：m_d和m_s分别为蒸汽液滴和水蒸气质量。

表1  液态水、水蒸气的物性参数(371.3 K)

Table 1  Physical parameters of droplet and steam (371.3 K)

图2  声衰减随蒸汽液滴颗粒粒径变化曲线

Fig. 2  Ultrasonic attenuation versus particle size at various frequencies

图3  声衰减系数比随蒸汽液滴颗粒粒径变化曲线

Fig. 3  Ultrasonic attenuation ratio versus different particle sizes

1.3  消光法测量的基本原理

多波长消光法属于光散射方法，其基本原理和超声衰减谱法类似，通过测量经过颗粒介质后的消光谱，并由谱信息反演颗粒粒径分布，其理论核心是Lambert-Beer定律。图4所示为消光法测量原理。当一束强度为I₀的单色平行光通过含有均匀悬浮颗粒介质，由于颗粒对入射光的散射和吸收，出射光强I衰减，有

          (5)

式(5)即为Lambert-Beer定律的一般表述。式中：N为颗粒数分数；D为平均粒径；K_ext为消光系数，由Mie理论算得；L为测量区光程。

图4  消光法测量原理

Fig. 4  Measurement principle of light extinction method

在实际情况下，被测颗粒大多为一定粒径分布范围的多分散颗粒系，则代入式(5)后得

      (6)

式(6)等号左边即为消光谱，a和b分别为颗粒粒径分布的下限和上限；λ为光波长；N(D)为以颗粒数计的粒径频度分布函数。已知入射光波长、光程和折射率(水滴相对空气取1.333)，通过测得透过率I/I₀，即可算得颗粒粒径分布函数和体积分数^[13-14]。

1.4  激光散射法测量的基本原理

从Mie理论出发，考虑光强为I₀的自然光入射到各向同性的球形颗粒时，其散射光强为

     (7)

由式(7)可求出颗粒在多元光电探测器第n环上的散射光能为

          (8)

C′为常数，式(8)可以写成矩阵形式，即：

E=TW                 (9)

其中：E为实验衰减系数列向量；T为系数矩阵；W为待确定颗粒粒径分布列向量。具体工作原理如图5所示，由激光器1发出光束经针孔2和透镜3扩束后形成直径5~10 mm的平行单色光，照射测量区4中颗粒并产生光散射现象(包括衍射、反射、折射等)，经接收透镜5收集的颗粒散射光被焦平面上多元探测器6接收并转换为电信号，经计算机7预先编制程序处理获取颗粒的粒径及分布^[13,15]。可以看出：该法和多波长消光法最大区别在于前者利用了透射光谱信息，后者则利用散射光的角度分布特性。

图5  激光散射测量装置示意图

Fig. 5  Schematic diagram of experimental apparatus of laser particle size analyzer

2  实验

图6所示为超声衰减法和光学法蒸汽液滴测量实验系统，包括了蒸汽的产生和流动、超声测量，消光测量、激光散射测量装置4部分。实验蒸汽通过高温蒸汽发生器(浙江佳先机械制造有限公司，LDR3-04型)产生，连接一段不锈钢管道，其中测量段布置在直管段，蒸汽温度用热电偶测量为371.3 K(98.2 ℃)。

图6  实验系统图

Fig. 6  Schematic diagram of experimental system

2.1  超声衰减测量

自行制作电压峰峰值600 V激励源用于驱动安装于管道两侧的超声波换能器，分别采用了中心频率分别为22，40和200 kHz的换能器，换能器采用耐高温复合振子结构，隔热贴面保护层保护超声波复合振子，减少其受高温蒸汽的影响(还需进行温度特性试验及修正)。实验时首先校准超声波换能器位置，良好对中并采集原始信号，之后开启并调整蒸汽发生器，待蒸汽均匀通过测量段且流动基本稳定后，接收信号经滤波后由4通道数据采集卡(北京双诺测控，MP424 USB，采样率1 MS/s)送到电脑分析。

2.2  消光谱测量

消光谱测量光源采用LEUKOS生产的SM-5-HE高脉冲能量超连续谱激光器，美国Ocean Optics公司HR-4000型光纤光谱仪作为接收器，波长响应范围200~1 100 nm。实验前调整激光器以及接收光纤使两者同高并对中，光程0.08 m。测量过程与超声测量同步进行，开启白光激光器，待信号稳定后，由光谱仪采集并保存原始光谱。开启并调整蒸汽发生器，达到实验条件后测量对应的衰减光谱，信号由光谱仪自带软件采集后由自行编制程序处理。

2.3  激光散射法测量

激光散射法测量采用了自行研制的分体式激光粒度仪LS-2000(原理见图5)。测量时，应避免杂散光经壁面折射至31环多元光电探测器。数据处理过程通过敏感系数矩阵和线性方程构建并进行反问题求解，相对折射率取1.333。

3  结果与讨论

3.1  超声衰减法实验结果

图7所示为超声波透过蒸汽两相流后时域波形。由图7可见：由于蒸汽液滴的散射和吸收作用，声波信号削弱使得衰减波形明显小于原始波形。

             (10)

声衰减系数α_s按照式(10)计算，声程L即发射与接收换能器的距离，A₀和A₁分别表示测量区背景信号和蒸汽液滴通过时换能器接收信号经快速傅里叶变换(FFT)处理得幅值。

表2所示为实验中处理声信号幅度、声衰减和衰减比。由于蒸汽流的扰动影响，信号会产生一定波动，因此，选取5次平行实验(持续约5 min，间隔约30 min)，随机选取10组数据，共50组数据加以分析，

通过多次平均减小干扰和随机误差影响。表2中衰减信号A₁采用了50组实验平均值，采用标准偏差(S)与平均值()的比算出相对标准偏差δ_RSD：

          (11)

频率为22，40，200 kHz时的衰减信号A₁的相对标准偏差分别为9.19%，10.75%和2.66%。

表2  超声法测量信号与衰减(T=371.3 K)

Table 2  Measured ultrasonic signals and attenuation at 371.3 K

图7  不同频率下的超声原始波形与衰减波形

Fig. 7  Original waveform and attenuated waveform at different frequencies

3.2  光散射方法测量结果

图8所示为多波长消光法测量时光谱仪采集原始光强与蒸汽通过时衰减光强。由图8可见：蒸汽通过对原始光强造成很强的削弱，光谱信号明显衰减。在分析粒径前，图中光谱曲线中毛刺同样通过多次实验平均或数据光顺消除，并扣除光谱仪暗值。

图9所示为激光散射法测量中多元光电探测器中相对光能分布。其中：第0通道表示通孔透射光能，其余31个通道则表示探测器测得散射光能分布。

图8  原始光谱和衰减光谱

Fig. 8  Original and attenuated light spectrum

图9  光电探测器相对光能分布

Fig. 9  Light flux distribution on electrophotonic detector

图10所示为2种光散射方法测得蒸汽液滴粒径分布结果。由图10可见：其平均粒径大致相当，但消光法分布覆盖范围更宽。

图10  消光法和激光散射法测得蒸汽液滴粒径分布

Fig. 10  Particle size distribution of steam droplets based on light extinction method and laser scattering method

3.3  结果比较和分析

表3所示为不同测量方法结果比较。超声衰减法与多波长消光法均给出了蒸汽液滴粒径、含量、湿度，激光散射法只得到了平均粒径及分布， 3种方法的结果接近(数值上略有偏差)，结果反映蒸汽液滴粒径范围特征和湿度。通过对比发现：1) 多波长消光法与激光散射法测量蒸汽相对成熟，测出了颗粒粒径分布；超声衰减法则比较新颖，但目前的实验只测出了平均粒径，其主要原因在于与兆赫兹宽带换能器技术^[16-17]相比，目前的低频超声换能器多采用单频发射模式，且文中3种频率分布范围不够宽；2) 激光散射法与多波长消光法亦存在劣势，光学窗镜易受污染，现场光路对中不易，同时受蒸汽液滴含量影响更大，如图8中光谱信号已严重衰减，在同等条件下超声衰减则更小，且波形信号信噪比高，加之其系统较简单，更适合高体积分数湿蒸汽风洞等现场复杂恶劣的条件。

表3  不同测量方法结果比较

Table 3  Comparison of results measured by different methods

4  结论

1) 分别采用超声衰减和多波长消光法和激光散射方式测量了蒸汽发生器产生的热态蒸汽，获得蒸汽液滴粒径、含量和湿度。

2) 3种方法结果相近，粒径处于1~10 μm量级，平均径则在3~5 μm之间。超声衰减法由于频率数限制未获得两相系中液滴粒径分布，但开展超声法湿蒸汽在线测量研究具有可行性和重要意义。

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(编辑  陈爱华)

收稿日期：2015-02-13；修回日期：2015-04-20

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51176128, 51206113)；上海市科委科研计划项目(13DZ2260900)；上海市研究生创新基金资助项目(JWCXSL1301)(Project (51176128, 51206113) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (13DZ2260900) supported by the Shanghai Science and Technology Commission Research Project; Project (JWCXSL1301) supported by the Shanghai Graduate Student Innovation Fund Project)

通信作者：苏明旭，教授，博士生导师，从事颗粒与两相流测量的研究；E-mail：sumxmail@163.com