周 勇，郭 婷，何 川

(四川大学 化学工程学院，四川 成都 610065)

声场流化床是指在传统流化床的基础上引入声波能量以强化颗粒运动的一种特殊流态化装置。已有的研究结果表明：声波能削弱颗粒间作用力，消除节涌、抑制沟流、减小聚团尺寸[1–3]，改善超细颗粒的流化质量；能促进气流均匀分布，降低临界流化速度[4–6]；可以破碎气泡，促进颗粒分散，提高气固接触效率[7–9]。

气泡行为对流化床中的气固混合、反应转化、相际传热与传质等各种床层传递特性起着决定性作用，气泡的动力学特性是气固鼓泡流化床反应器模拟计算及设计放大的重要参数。因此，对气泡特性进行深入研究具有十分重要的意义。目前，已有众多关于自由鼓泡流化床中气泡动力学特性的研究，对气泡的形成、气泡的生成频率等已经有了较为统一的认识[10]。而对于声场流化床中气泡动力学特性的报道却十分少见，仅有Levy[11]、Herrera[12]等考察了声场流化床中的最小鼓泡速度与气泡产生频率随声波参数的变化关系。鉴于对普通流化床引入声场后，床内的气固流动状况将发生变化，尤其是床内的气泡运动状态与传统的鼓泡流化床相比有明显差异。因此，有必要对声场流化床中的气泡特性及其变化规律展开系统的研究。

光纤探针法是研究3维流化床中气泡行为最常用的方法之一，与其他的气泡测试方法[13–15]相比，具有信号响应速度快、检测精度高和抗干扰性强等众多优点[16]。传统的光纤探针一般采用多模光纤和单只光纤为纤芯，而此类纤芯存在气泡穿刺率低和气泡参数测量有限的缺点，在一定程度上限制了光纤探针在气固两相流领域中的应用。为此，作者采用自主开发的双光纤探针气固两相流气泡测试系统，在内径为120 mm的半圆柱形流化床中，对不同气速条件下的局部气含率、气泡尺寸、频率和上升速度等动力学行为进行测定；并在此基础上引入声场，研究了声波对气泡动力学行为的影响，验证了该系统的可行性。

1 实 验

1.1 实验装置

如图1所示，实验装置主要由流化床、声波发生系统、光纤两相流气泡测试系统构成。流化床床体为半圆柱形，由有机玻璃制成，内径120 mm，高1 000 mm；流化气体分布板为平板，开孔率3.7%，孔径1 mm，分布板下方铺两层尼龙滤布以防止漏料。来自空气压缩机的气体经干燥过滤，转子流量计计量后，通过气体分布板进入床内，最后经布袋除尘器排空。声波发生系统包括数字信号发生器、功率放大器和扬声器。由数字信号发生器产生一定频率的正弦波信号，经功率放大器放大后，输入扬声器产生声波，从流化床顶部引入床内。

图1 实验装置Fig. 1 Experimental setup

气泡参数采用自主开发的双光纤探针气固两相流气泡测试系统测定。该系统主要由光源、Y型光纤耦合器、光电探测器、偏置放大电路、多功能同步数据采集器、PC端、测试软件及探针构成，其测试原理如图2所示。光源为C波段的ASE非平坦宽带光源，由光源发射的单束激光首先经第1Y型光纤耦合器按1∶1比例分成两路单束光，再分别经第2Y型和第3Y型光纤耦合器传入光纤探针（第2、3Y型光纤耦合器与光纤探针通过FC/APC接口相连）；两路激光在探针尖端发生反射，探针处于气相和被测介质时反射光强不同，并由此识别气泡与颗粒。反射激光沿原光路返回，分别通过第2、3Y型光纤耦合器后，再经光电探测器转换成电压信号。由于转换成的电压信号很弱，所以须经偏置放大电路输出为0～5 V的标准电压信号，最后经A/D采集器输出到计算机进行采样并进行数据处理。

图2 双光纤探针气固两相流气泡测试原理示意图Fig. 2 Schematic diagram of the dual fiber optic probe for bubble measuring in gas–solid two-phase flows

实验采用的ASE非平坦宽带光源工作波长范围为1 527～1 565 nm，输出光功率稳定可达11 dBm，能很好地满足实验要求。传统的光纤探针法多使用多模光纤[17]，此类光纤纤芯较大（一般为62.5/125 µm），且存在损耗大及模间色散问题。系统采用波长为1 550 nm的单模光纤，其纤芯为9/125 µm，不但减小了其尺寸，提高了对小气泡的刺破率，还降低了损耗。

双光纤探针是该测试系统的关键部件，由两根平行的光纤组成，由于探针较细易折断，为增加其机械强度，在制作过程中采用毛细钢管层层嵌套的办法对其进行固定，其结构如图3所示。每根光纤各自发送激光，并接收来自光纤尖端折射和反射回的光。通过双光纤探针的信号分析可得到气泡上升速度、气泡大小等参数，从而克服了单光纤探针只能探测气泡分率这一参数的缺点。综合考虑所得信号的相关性及对采样速度的要求，确定探针间距为1 mm较为合适。

图3 双光纤探针结构Fig. 3 Structure of the dual fiber optic probe

实验中光纤探针固定在床层底部距离分布板50 mm处。根据Shannon采样定理[18]，确定采样频率为5 kHz，采样时长为10 s。

1.2 实验物料

实验采用平均粒径为55 µm的玻璃珠作为流化物料，属于Geldart A类颗粒，其主要物性参数如表1所示。实验前，先将颗粒置于烘箱中，在100 ℃下烘焙5 h后，放入干燥皿中冷却至室温备用。

表1 物料性质Tab. 1 Properties of glass beads

2 信号处理与数学分析

2.1 输出信号处理

光纤探针测得的原始电压信号如图4所示。当探针处于固相中时，电压信号输出为低电位；但当探针处于气相中时，电压信号输出为高电位。实验测得的理想电压信号应为方波，但由于探针在刺穿和离开气泡时都有一定的时间延迟，同时测量系统内部及外部环境都存在一定的干扰，从而使得实际测得的电压信号偏离理想方波。为获得理想方波便于实验数据处理，实验采用阈值处理方法，即：当电压信号大于给定阈值时，探针处于气相；小于该值时，探针处于固相。

阈值处理通过MATLAB编程来实现，考虑到测试系统自身因素及探针结构参数影响，需对所测原始电压信号选择合适的阈值，大于阈值时原始电压值取为1，小于阈值时取为0。图5为实验过程中实际测得的电压信号波形图和经阈值处理后的理想方波图。

图4 光纤探针原始电压信号Fig. 4 Original voltage signal of the fiber optic probe

图5 原始电压信号与阈值处理后信号Fig. 5 Original voltage signal and processed signal

2.2 数学算法分析

2.2.1 局部气含率（气泡分率）

局部气含率又称为气泡分率，表示床内气泡相所占的体积分率，即探针处于气泡相中的总时间与采样时间的比值：

2.2.2 气泡频率

气泡的频率为单位时间内通过探针的气泡个数，即采样时间内方波的个数与采样时间的比值：

2.2.3 气泡上升速度

图6为双光纤探针信号时间序列理想方波示意图，对探针测得的两列信号序列通过信号相关性分析[19]，可以得到气泡在双探针信号序列上的具体响应时间点。其中，Δτi（即τ2–τ1）为同一气泡在双探针信号序列上的响应时间间隔，两探针的间距d为定值，因此，单个气泡的上升速度可由式（3）求得：

图6 双光纤探针信号时间序列理想方波示意图Fig. 6 Ideal square wave schematic diagram of the dualfiber optic probe

气泡的平均上升速度为：

2.2.4 气泡尺寸

气泡上升过程中或由于操作条件的影响，其形状会不断变化，因此无法准确测量气泡的尺寸，只能测得气泡通过探针的弦长。单个气泡弦长可由式（5）计算：

气泡平均弦长为：

在对探针信号时间序列进行相关性分析时，只有气泡正常通过两个探针时，才是有效的气泡，对其他情况下通过探针的气泡视为无效气泡，须予以排除，否则会对实验计算结果带来较大的误差。在床层内，气泡的运动方向是随机的，气泡在被双探针刺穿时会发生以下4种情况：1）气泡只通过上游探针后发生偏转而不通过下游探针；2）气泡通过上游探针后未发生偏转，但另一气泡未通过上游探针而先通过下游探针；3）气泡均通过两个探针，但气泡通过某一探针后发生偏转；4）气泡正常通过两个探针。因此，在对信号时间序列作相关性分析时，需将1）、2）和3）这3种情形下的无关气泡排除，其约束条件为：

3 结果与分析

3.1 无声场时气泡的动力学行为

图7（a）、（b）、（c）、（d）分别为流化气速对气泡分率、频率、平均上升速度及气泡平均弦长的影响。

图7 流化气速对气泡动力学行为的影响Fig. 7 Effect of fluidizing gas velocity on bubble dynamics behavior

由图7可知，随着流化气速的增加，气泡分率、频率及气泡的平均上升速度和弦长均增加。这是由于颗粒的临界流化速度umf为一定值，流化气速uf的增加将导致uf–umf变大，意味着更多气体是以气泡的形式穿过床层，故床层中气泡的数量和尺寸增加，床层气泡分率随之增大。在靠近分布板区域，因流化气速的增大而形成密集的气泡群，加剧了气泡的聚并程度[20]，导致气泡平均弦长增大，平均上升速度增加。

3.2 声压对气泡动力学行为的影响

在声波频率f=80 Hz时，不同流化气速条件下，声压对气泡分率、频率、平均上升速度及平均弦长的影响如图8～11所示。

由图8～11可知：在较低流化气速下，随着声压级的增大，气泡分率、频率、平均上升速度和平均弦长均减小；而在较高流化气速下，气泡分率、气泡频率随声压级的增加而增大，平均上升速度和平均弦长随声压级的增加而减小。这是由于在较低流化气速下，床层处于临界流化状态附近，乳相运动缓慢，声波的引入引起颗粒振动，在一定程度上压实了床层，使气泡分率下降；另一方面，床层被压实又使得气体流动阻力增大，分布板上方气流分布更加均匀，导致气泡尺寸减小，气泡频率和平均上升速度降低。在高气速下，床层处于鼓泡流化状态，乳相运动较剧烈，声波的引入，进一步促进乳相运动，使其剪切破碎气泡的能力增加，故频率较低的大气泡被剪切成频率较高的小气泡，从而使得气泡频率增加，平均上升速度减小，气泡分率增大，有利于提高气固接触效率，改善颗粒流化质量；且声压级越大，所产生的声能越大，颗粒获得的振动加速度越高，乳相的扰动越剧烈，对气泡的剪切破碎作用越强，改善效果越显著。

图8 声压对局部气含率的影响Fig. 8 Effect of sound pressure level on local gas holdup

图9 声压对气泡频率的影响Fig. 9 Effect of sound pressure level on bubble frequency

图10 声压对气泡平均上升速度的影响Fig. 10 Effect of sound pressure level on mean bubble rise velocity

图11 声压对气泡平均弦长影响Fig. 11 Effect of sound pressure level on mean bubble chord length

图11还表明，较低气速下，声波减小气泡尺寸的效果更为明显。

3.3 声波频率对气泡动力学行为的影响

在声压级SPL=120 dB时，不同流化气速条件下声波频率对气泡分率、气泡频率、气泡平均上升速度和平均弦长的影响分别如图12、13、14、15所示。由图12～15可知，随声波频率的增加，低流化气速下气泡分率、气泡频率、气泡平均上升速度和平均弦长呈先减小后增大的趋势，在80 Hz左右时达到最小值。原因在于，一方面，声振动能量随声波频率的增大而增大，故声波对床层的压实作用同样随声波频率的增加而增强；另一方面，声波能量随频率增加而衰减，当频率较高时，声波能量衰减严重，导致声能对气固两相的作用效果减弱，故频率较高时声波对床层的压实作用反而会下降，所以声波频率对气泡特性的影响存在一个最佳范围。在高流化气速下，随声波频率的增加，气泡分率和气泡频率先增大后减小，在80 Hz左右时达到最大值；气泡平均上升速度和平均弦长先减小后增大，在80 Hz左右时达到最小值。这是因为声波频率越低，声波产生的能量越小，颗粒获得的振动加速度越小，振动周期越长，对气泡的破碎效果减弱；声波频率越高，其能量衰减越严重，亦不利于气泡的破碎。因此，频率对声波破碎气泡的影响也存在一个最佳范围，在80 Hz条件下，声波破碎气泡的效果最好，气泡尺寸和上升速度最小，气泡分率和频率最大。

图12 声波频率对局部气含率的影响Fig. 12 Effect of sound frequency on local gas holdup

图13 声波频率对气泡频率的影响Fig. 13 Effect of sound frequency on bubble frequency

图14 声波频率对气泡平均上升速度的影响Fig. 14 Effect of sound frequency on mean bubble rise velocity

4 结 论

采用自主开发的光纤探针测定了气固流化床床层内局部气含率、气泡频率、平均上升速度和平均弦长，并在此基础上引入声场，考察了不同声压级和声波频率对气泡动力学行为的影响，并得出以下结论：

1）无声场时，气泡分率、频率、气泡平均上升速度和平均弦长随流化气速的增加均增大。

2）声波频率一定时，声压级增大，低流化气速下的气泡分率、气泡频率、气泡平均上升速度和平均弦长减小；高流化气速下，气泡分率和气泡频率随声压级的增大而增大，气泡平均弦长和平均上升速度随着声压级的增大而减小。3）声压级一定时，低流化气速下，气泡分率、气泡频率、气泡平均上升速度和平均弦长随声波频率的增加，先减小后增大，在80 Hz左右时达到最小值。在较高流化气速下，随频率增加，气泡分率和气泡频率先增加后减小，在80 Hz左右时达到最大值；气泡平均上升速度和平均弦长则先减小后增大，在80 Hz左右时，达到最小值。