[发明专利]X射线和超声波联合测量多相流动参数的装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种X射线和超声波联合测量多相流动参数的装置与方法，属于多相流测量技术领域。

背景技术

各种物质在自然界中的存在形式可以用三种相来描述，即气相，液相和固相。多相流动通常指两种或两种以上的物质的流动，这些物质可以以上述三相中任何一种形式存在。多相流动是自然界中最常见的现象之一，例如自然水体的带沙流动，泥石流灾害等。同时，多相流动现象也广泛地存在于众多工农业领域的生产和处理过程中，例如石油化工催化裂化生产过程，冶金矿物浮选过程，污水处理中曝气池净化过程以及农业生产中的种子包衣过程等，完成以上过程的装置都属于多相反应器。

认识和掌握多相反应器（如催化裂化塔，矿石浮选机，污水曝气池等）内流动规律是其优化设计与高效运行的基础和关键所在。但是由于多相反应器内包含有气体和液体两种连续相和固体离散相，与单相流动或两相流动相比，其流动规律更加复杂，而其流动形态和流动参数(如各相的含量和分布，各相运动速度等)更加难以测量，针对多相反应器内气液固三相流动的研究常常难以开展，导致多种工业多相反应器的设计运行还多依赖于工程经验。因此开发针对多相反应器内气液固三相流动的非侵入式三维测量方法及测量装置，并在此基础之上对其内部气液固三相流动规律开展研究，认识相间传热传质的机理，最终掌握不同操作参数下多相反应器的运行规律，对科学研究、工程设计和工业应用都具有重要的意义。

目前，针对多相反应器内流动参数的测量手段主要还是以借鉴单相流动或两相流动的测量方法为主。例如皮托管，PIV方法，放射性元素标记法，取样测量方法，基于X光或超声波的方法。皮托管属于侵入式测量手段，易对流动造成干扰，原本主要用于单一连续相的流速测量，在气液固三相流动可以用于近似测量连续相的速度，准确性较差，并且由于流动含有固相，容易造成皮托管小孔阻塞。PIV原本主要用于连续相湍流结构和气固两相流动固相运动的测量，可以运用在某些条件下气液固三相流动的流动形态和流动参数的测量，但是由于属于可见光测量，对于相间或者流动界面的遮挡往往无能为力。放射性元素标记法是一种非接触式测量方法，可以用于连续相或离散相的速度测量或相含量的测量，但是放射性元素的使用往往伴随着安全问题。取样测量方法主要是通过获取一部分气液固三相流动的样品来测量各相含量，但是取样测量方法是一种侵入式测量方法，会对三相流动产生干扰，因此准确性也有一定的问题。最有潜力和希望的测量技术是基于X光或超声波的方法。两者均属于非接触式的测量方法，但是，由于X光穿透能力较强，使得X光透射方法往往难以提供气相的测量数据，而且其不能提供三相分布的三维数据；X光断层扫描方法虽然能提供详细的三相分布的三维数据（如CN200510086250.2公开的方法），但是由于其断层扫描过程持续时间长，导致其时间准确性差；超声波方法准确性和信息完整性较好，但是其遇到固相时容易造成剧烈衰减，导致误差，所以其常常用于气液两相流动的测量（如CN201210321362.1，CN200610015327.1公开的方法）。

多相反应器内流动参数的测量一直以来都是国际性难题，目前没有一种方法可以完全实现对流场无干扰、三维和准确。为了大力推动多相反应器的科学研究、工程设计和工业应用，国内外众多高校、科研机构和企业都投入大量人力物力，致力于开发新型的气液固三相流动参数测量装置与方法，以抢夺知识产权的高地。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供X射线和超声波联合测量多相流动参数的装置与方法，实现了对流场无干扰、三维和准确的测量装置与方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

X射线和超声波联合测量多相流动参数的装置，包括正对布置在目标区域前后两平行壁面外侧的发射部分和接收部分，所述发射部分包括X光光源和布置在以X光光源为圆心的圆周上的多个超声波发生器，所述X光光源由可调制高压电源驱动，所述超声波发生器与高频驱动器连接，所述接收部分包括X光平板探测器和布置在以X光平板探测器的中心为圆心的圆周上的多个超声波传感器，所述X光平板探测器与图像信号采集器连接，所述超声波传感器与超声波信号采集器连接，所述可调制高压电源、高频驱动器、图像信号采集器以及超声波信号采集器均与处理计算机连接。

所述X光光源发出的X光射线穿过目标区域的中心与X光平板探测器的中心对准，所述超声波发生器和超声波传感器均通过角度调节器布置，所述超声波发生器与超声波传感器一一对应，所述超声波发生器发出的超声波信号穿过目标区域的中心被相应的超声波传感器接收。