气固两相流在化工、冶金、电力、食品处理、医药等工业生产领域中有广泛的应用.气固两相流各流动参数中，流量流速、固相浓度以及相含率参数对工业生产系统的设计有着重要的意义.气固两相流检测技术的研究具有重要的理论和工程价值，世界各国的研究人员对气固两相流流动参数系统进行了大量的实验研究和理论分析工作.目前，常用的检测气固两相流体浓度的方法有很多，如压差法，光学法，热平衡法，电学法，层析成像法以及超声波衰减法等[1].其中超声波声速法是运用超声波在气固两相流中传播的速度与混合物中固体相之间存在着一定的变化关系，采用超声波法测量气固两相流体浓度属于非接触式测量，安装与维护都较为方便，并且测量不受流体黏性、导电性等特性的影响，设备寿命长.

国际上将超声波技术应用于气体流量测量，并在荷兰、美国、德国、韩国等国家推出较成熟产品.

在国内，在液体测量方面有成熟的超声波流量计产品，用于气体计量的超声流量计产品十分少，国内开展气体超声波流量计的研究也较少，近年来部分高等院校、科研院所研究超声波气体流量计[2-3]，运用超声法测量气固两相流流速的研究更少.在超声测量研究方面，我国研究人员也做了大量的工作[4-7].在超声法测量方面，田昌等人进行理论研究并开发了一套利用超声波测量两相流固相浓度的实验系统，利用ECAH模型提出了气固两相流中固相的粒径大小和浓度高低的计算方法.

本文利用有限元分析软件COMSOL仿真管道内的气固两相流，基于超声波被动接收的测量方法，得到超声波声压级分布情况，分别在频域和时域内进行求解.通过仿真得到圆形管道检测场内为空气和粒子密度为1%的超声波传感器发射端和接受端的在不同发射频率下超声波声压分布情况.

2.1.1 氮。2012年全市叶片氮平均含量为2.56%(表1)，说明烟台市果园氮的使用量在较高水平，果树减氮迫在眉睫。苹果叶片氮素降至2.2%以下，苹果可能出现大小年现象，要特别注意疏果和不要强调改善苹果色泽而减少氮的供应。N∶K比例，对于富士、元帅等硬的品种为(1.25～1.50)∶1.00。2012年全市测定叶片N∶K为2.19∶1.00，减氮增钾十分迫切。

1 超声波测量仿真模型

1.1 管道及传感器仿真

在气固两相流管道仿真模型的检测场内设置空气和粒子密度为0.1%，直径为2×10-3 m，超声波频率变化依次从6 500 Hz递增到365 000 Hz，对每一个频率下超声信号进行仿真，将仿真实验中接收端的数据进行记录，在接收端的接收的数据中提取最大值和最小值，最后取绝对值并求平均值，分析超声波传感器发声端和接收端电压以及声压变化情况.径向管道内部测量区域的敏感场发生变化，如图2所示，随着频率的变化超声波声压也不同.

描述流体中声音传播的方程源自流体流动的控制方程，也就是用连续性方程描述的质量守恒方程，常被引用为Navier-Stokes方程的动量守恒方程及能量守恒方程；还有模型本构方程；以及描述热力学变量的状态方程.假设流体无损耗且绝热，忽略粘性效应，并使用线性等熵状态方程.基于上述假设，声场以一个变量声压p描述，并以波动方程求解得到方程(1)：

  

图1 仿真模型Fig.1 Simulation model

1.2 电-结构-声耦合系统

胜利油田应该继续把寻找新的油气藏资源作为重点工作来做。在资金投入、人力资源配置、技术支持、工作设备供应等方面倾斜，尤其要关注地质学理论知识方面的更新，物质上精神上多方面鼓励专家开拓创新，给石油天然气的勘探开发工作提供新的思路。要充分利用现有资源和技术，最大限度地提高现有油气藏的可采程度，提高开采效率，对于规模过大的项目，可以选择与国内外有实力的石油企业进行合作。要加快西部地区、海上甚至非洲地区的油田开发节奏，多方面多角度的为企业创利。

·(pt-q))=Q

本文通过有限元分析软件CMSOL对管道内的气固两相流进行仿真，研究在不同声波频率不同时间情况下传感器发射端和接收端的超声波信号变化情况.

(1)

式中，t为时间，ρ为流体密度，p为声压，为拉普拉斯算子.q 和 Q 是可能存在的声学偶极源和单极源，任何信号都可以由傅里叶变换转换为一系列谐波成分.波动方程可以在频域上一次求解一个频率.谐波解一般形式如方程(2)：

仿真实验中压电材料内侧边界为发射端，施加以幅值为223.72 V的瞬时正弦激励电压.复合压电材料锆钛酸铅发射端T与接收端H声边界条件为结构-声耦合，外侧边界设定电边界条件为接地，结构边界条件为辊支撑，管壁的其他边界设定结构边界条件为开边界.

(2)

p(x,t)=p(x)sinωt

实训课程开课前，由教研组教师集中讨论，选择出需要与患者互动的基护操作，设计适用该操作的病例，并针对病例设计对话。对话要求简洁明了，能够体现该项操作特点与注意事项，符合临床实际。在上课前将病例和对话交给护生，要求其熟悉病例，熟练掌握对话内容。实训课上，先由教师示教，强调对话内容，然后督促护生进行小组练习，结合提前掌握的对话内容，分角色演示案例。

2 仿真实验过程分析

2.1 不同频域超声波信号分布情况分析

基于超声波测量管道中存在固相颗粒的气固两相流流体仿真模型如图1所示，其中图1为仿真模型，仿真模型是在设定流量管道半径为R(R=150 mm)，传感器一般为具有柔性的复合压电材料T和H构成，其中：T为发射端， H为接收端.复合压电材料T和H的厚度为4.5 mm，管道内气固两相流固相颗粒直径d1=2 mm，设定超声波发生端与接收端位于y轴上，x轴与y轴构成直角坐标系.

2.2 不同时域超声波信号分布情况

分析不同时域条件超声波信号时，设定超声波发射频率固定不变，研究不同时间点超声波发射器和接收器电压和声压分布情况.如图3所示为8.6×10-4 s时刻和13.6×10-4 s时刻仿真模型的声压分布图，从图中可知随着时间的推移，声压分布位置及幅值发生变化.

  

图2 不同频率下的声压图Fig.2 The sound pressure diagram with different frequencies(a)频率=15 500 Hz分布情况；(b)频率=18 500 Hz分布情况

  

图3 不同时刻的声压分布图Fig.3 The sound pressure diagram in different time(a)8.6×10-4 s时刻声压分布图；(b)13.6×10-4 s时刻声压分布图

按照超声波发射的时序，将仿真实验中接收端的数据进行记录，分析超声波传感器发声端和接收端电压变化情况.由图4可见，接收器电压出现峰值的时刻比发射器电压峰值出现时刻推迟，因为声波是机械波在空气和固相颗粒中传输需要一定时间.

由图5可见，活性炭和秸秆灰渣的吸附效果均随投加量增加而增加。当投加量达到2.5g后秸秆灰渣的吸附能力增加缓慢。活性炭的脱色率高于灰渣，脱色率最高高于90%以上，灰渣的脱色率高于80%。即秸秆灰渣具有良好的吸附性。

  

图4 超声波发射器及接收器电压变化图Fig.4 Ultrasonic transmitter and receivervoltage variation diagram(a)超声波发生器；(b)接收器

3 结论

本文运用有限元软件COMSOL对含有固相颗粒的气固两相流超声波测量建立仿真建模，通过仿真分析，得到时域和频域的管道内部声压与电压敏感场分布情况，为超声波传感器设计提供指导依据.

参考文献：

[1] 何 成.基于FLUENT的气力输送浓相气固两相流数值模拟[D].广州：广东工业大学,2014.

[2] 单淑娟,吕国丰.基于超声波回波衰减理论的超声波浓度计设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2009,9(12):53-55.

[3] 侯怀书，苏明旭，蔡小舒.超细颗粒悬浊液超声衰减谱与声速谱测量研究. 仪器仪表学报，2010，131(2)：241-246.

[4] 贾 华,郭 朔,王月明.超声法测量气固两相流传感器选取研究[J].传感器与微系统,2017,36(07):5-7.

[5] 王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社; 2004,7-11.

[6] 石喜光,周 昊,岑可法.基于超声波方法的管内气固两相流浓度测量技术[J].热力发电,2005,33(05):37-38+44-64.

[7]田 昌,苏明旭,蔡小舒.基于超声法测量气固两相流浓度实验研究[J].工程热物理学报,2013,34(08):1487-1490.