纸浆悬浮液超声衰减理论及其在浓度流量检测中的应用研究

论文摘要

近年来，液固两相流特性分析及检测技术是国内外两相流研究领域高度关注的热点课题。作为一种常见的工业液固两相流体，在管道中流动的纸浆悬浮液质量浓度是造纸过程的基本工艺参数。另一方面，纸浆悬浮液的流量参数及温度参数也是生产中需要测量的重要参数。因为超声检测技术具有非侵入性、非接触性、穿透力强、响应快速、结构简单等突出优点，本论文考虑采用测量超声衰减的方法实现纸浆悬浮液质量浓度的在线检测。从多传感器集成化测量的角度出发，本论文将超声换能器和温度传感器集成到电磁流量计的测量管道中，实现了管道中纸浆悬浮液浓度、流量、温度三参数的一体化测量。无论在理论上还是在实践中，采用超声衰减检测技术来测量纸浆悬浮液浓度都是一个有待深入研究的课题。现有悬浮液超声衰减理论的研究大多只限于以球体离散相介质为散射元模型构成的悬浮液系统。对于以圆柱体离散相介质为散射元模型构成的悬浮液系统超声衰减理论至今还缺少系统地研究。本论文的理论研究工作从线性声学的基本原理出发，针对纸浆悬浮液中具有圆柱体外形的纸纤维介质，分别建立了基于无限长圆柱体散射和基于有限长圆柱体散射的超声衰减模型。作为研究基于无限长圆柱体散射和基于有限长圆柱体散射的超声衰减模型的出发点，论文首先推导了在粘滞导热流体和弹性圆柱体纸纤维中传播模式散射波、热模式散射波和剪切模式散射波的速度势方程表达式。为了完善现有的无限长圆柱体超声散射模型，根据矢量势的规范不变性，论文建立了速度、应力、温度和热流的连续边界条件线性方程组，并由此求解得到了斜入射到单个无限长圆柱体超声波散射模型。根据Epstein的单个球体能量损耗模型，论文推导了无限长圆柱体空间中超声能量损耗表达式。从稀释悬浮液的单次散射近似出发，论文提出了基于无限长圆柱体散射的纸浆悬浮液超声衰减理论模型。根据纸纤维的实际形状，考虑到基于无限长圆柱体散射的超声衰减模型存在的缺陷，论文首次提出了纸纤维的复合型有限长圆柱体模型，并从Kirchhoff标量衍射理论出发讨论了有限长的纸纤维尺寸与远场衍射的关系，推导得到了粘滞导热悬浮液中复合型有限长圆柱体远场前向散射波的速度势表达式。论文通过研究适用于分析纸浆悬浮液超声传播特性的迭代有效介质近似方法，得出了预测纸浆悬浮液超声衰减的基本方法。以上述纸浆悬浮液超声衰减模型为基础，论文采用符号计算软件Maple编写了数值计算软件包，实现了超声衰减模型的计算机描述。利用软件包的计算结果，分析了散射波速度势无穷级数谐波表达式收敛特性、纸浆悬浮液超声衰减与悬浮液浓度关系及超声衰减模型对纸浆悬浮液材料参数变化的敏感度等问题。数值计算结果与相关文献的理论结果和实验结果的对比，验证了本论文的理论分析和数值计算结果可靠性。论文从造纸工业现场多参数测量的实际需要出发，讨论了可实现纸浆悬浮液流量、浓度及温度等多参数在线测量的浓度流量测量装置总体方案及其实现技术，重点研究了用于测量纸浆悬浮液超声衰减的超声换能器设计，建立了基于虚拟仪器的浓度流量测量系统的信号测试平台。同时也对浓度流量测量系统的仪表化设计进行了探索性的研究。论文采用浓度流量测量装置及信号测试平台分别对非流动状态纸浆悬浮液超声衰减特性及在管道中流动纸浆悬浮液的浓度流量测量进行了一系列实验研究，取得实验结果与理论计算值相符合的研究结论。实验表明，基于无限长圆柱体散射的超声衰减模型和基于有限长圆柱体散射的超声衰减模型在实验所测量的纸浆悬浮液浓度内具有各自的浓度适用范围。论文最后提出了有待于进一步解决的问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文的研究背景和意义
• 1.2 相关领域的国内外研究现状
• 1.2.1 超声检测技术及其特点
• 1.2.2 超声检测技术在工业悬浮液特性分析中研究应用状况
• 1.2.3 悬浮液超声传播理论的研究
• 1.2.4 悬浮液流量测量技术的现状及发展
• 1.3 论文的主要研究内容
• 第二章 基于无限长圆柱体散射的纸浆悬浮液超声衰减理论建模
• 2.1 引言
• 2.2 粘滞导热流体的声学理论基础
• 2.2.1 粘滞导热流体的守恒定律
• 2.2.2 粘滞导热流体的声场状态方程
• 2.2.3 粘滞导热流体的声波动方程
• 2.3 纸浆悬浮液超声衰减问题的描述
• 2.3.1 悬浮液的超声衰减机制
• 2.3.2 建立纸浆悬浮液超声衰减模型的假设条件
• 2.4 基于无限长圆柱体散射模型的纸浆悬浮液超声衰减
• 2.4.1 单个无限长圆柱体的超声散射模型
• 2.4.2 基于无限长圆柱体散射的超声衰减模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于有限长圆柱体散射模型的纸浆悬浮液超声衰减理论建模
• 3.1 引言
• 3.2 纸纤维的复合型有限长圆柱体模型
• 3.2.1 复合型有限长圆柱体模型
• 3.2.2 分析复合型有限长圆柱体超声散射问题的基本思路
• 3.3 单个有限长圆柱体的超声散射
• 3.3.1 Kirchhoff标量衍射理论及远场散射区
• 3.3.2 单个复合型有限长圆柱体的超声散射
• 3.4 基于有限长圆柱体散射模型的纸浆悬浮液超声衰减
• 3.4.1 随机分布的有限长圆柱体散射元多次散射理论
• 3.4.2 基于IEMA方法的纸浆悬浮液超声衰减模型
• 3.5 本章小节
• 第四章 纸浆悬浮液超声衰减数值计算研究
• 4.1 引言
• 4.2 纸浆悬浮液材料参数的选择
• 4.3 纸浆悬浮液超声衰减数值计算软件包的编写
• 4.4 纸浆悬浮液超声衰减数值计算分析
• 4.4.1 散射波无穷级数谐波表达式的收敛性分析
• 4.4.2 纸浆悬浮液浓度与超声衰减值关系的数值分析
• 4.4.3 纸浆悬浮液材料参数的超声衰减敏感度分析
• 4.4.4 纸浆悬浮液超声衰减数值计算软件包的可靠性验证
• 4.5 本章小节
• 第五章 纸浆悬浮液浓度流量测量系统的设计与实现
• 5.1 引言
• 5.2 纸浆悬浮液浓度流量测量装置的总体设计方案
• 5.3 超声换能器的设计
• 5.4 基于虚拟仪器的纸浆悬浮液浓度流量信号测试平台设计
• 5.5 纸浆悬浮液浓度流量测量系统的仪表化研究
• 5.6 本章小节
• 第六章 纸浆悬浮液浓度流量测量实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 非流动状态纸浆悬浮液的超声衰减测量实验
• 6.2.1 超声换能器最佳工作频率的标定
• 6.2.2 实验测量
• 6.3 纸浆悬浮液的浓度流量测量
• 6.3.1 流量标定实验
• 6.3.2 浓度流量测量实验
• 6.4 本章小节
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文完成的主要研究工作
• 7.2 进一步的研究目标
• 参考文献
• 附录 纸浆悬浮液浓度流量测量系统照片
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和专利