第43卷第2期2021年4月
黑龙江电力
Heilongjiang Electric Power
Vol.43Nn2
Apr.2021
D01：10.13625/jki.hljec-2221.02.014
兰江，傅永平，杨光弟
()西科技师范学院数理学院，云南临沧277000)
摘要：声波可以提高固体颗粒的流化质量是因声波振动破坏粒子间的作用力以及影响气体介质的流动特性。因此了解床内声场分布特性，对分析声波对气体介质的作用，从而应用声波技术改善流化质量具有重要意义。实验研究了声波频率、扬声器功率和布风板开孔率等参数对无颗粒情况下床内声场的 影响。实验研究表明，当声波频率低于截止频率时，床内声压级随频率增大而增大；声波频率高于截止频率时，床内声压级随频率增大而减小；且扬声器功率越大，床内声压级也增大，扬声器功率由75W提高到14/W时，床内整体声压级可以增加14dB以上；而布风板开孔率对床内驻波场的分布影响较小，且不影响声压级的整体大小。 关键词：流化床；驻波；频率；功率；开孔率
中图分类号：TK224.1文献标志码：A文章编号：2095-6843(2021)02-0150-06 Experimental study on sound field distribution in fluidized bed
LAN Jiang,FU Yongping,YANG Guangdl
(CoOege of mathematics and physics,Dianxi kormnj university of science and technolop,Lincang677000,China)
Abstract:Soong wnvcc eng inprovv trie fluidization qudlity of solil particlct becensc nconstle vilration dcrioys trie forces betrieee paSiclcc ang affects trie flow cCaracteastics of pns medium.Therefora，ungerstanging trie distriOurion cCaracteastics of sonng fielU in trie beC ic of pred310111001X01On analyzing tric effect of aconstie wnvc on pnc mCO um and dpplying aconstle1:601x0100,to improve f
luidization qulOy.TC c effect,of aconstle frequccy,UnUspcncs powca and ala distridutos aperture ratio on trie sonnd fielU in trie be witriont partrilec were stuUmd experimeetalis-Experimeetai reseercO shows triat whee trie aconstle faquexey ic Owea triad trie cot一ol faquexey，trie sonnd prec-scia O v I idcreescc witri trie iacreeso of faquedcy;whee trie sonnd wave faquedcy ic higpca triad trie ent一ol frc-quedcy,trie sonnd pcsscc O v-in trie beC decadscs witri trie of trie feqnedee;and trie higher trie spedPca powca,trie highca trie sonnd pcsspc O v-in trie bed.Whee trie spcdcr powca is iacreased from75W to125W，trie overali sonnd pressore O v-in tric bed cox bc iacreesed by more triad14dB.Howevca，tric oyeding ratio of ala distridutoe has Ottic effect on tric distridution of standing wave fielU in tric bed，and docs not aPect tric overali size of sonnd pressore id
Key worit:fluidized bed;standing wave;freqneqco;powca;oyec porosity
燃料棒
o引言
声波作为生活中常见的一种波，在各行各业都有广泛应用，例如声波测温、声波探测以及声团聚等。近年来，声辅助流化技术的研究受到广泛关注。现代化工生产中，为提高生产效率通常利用流体的流动作用使固体颗粒悬浮，使固体实现流态
收稿日期；2555-05-47…
作者简介：兰江((988)，男，硕士，讲师，研究方向为多相流、炉内声场和热工过程等。化。但是由于颗粒间具有内聚力作用，在细小颗粒的流态化过程中会产生团聚、沟流和节涌等现象，使得流态化过程具有一定难度［20而利用声波对流化流体介质的振动作用，改变流体介质的运动行为，并且破坏颗粒间的相互作用力，可以有效改变固体颗粒的流动状态，抑制团聚和沟流现象，从而改善流化质量［4-5］0而选择出合适的声学参数使流态化过程达到最佳效果，则需要了解给定流化床内部的声场分布特性。因此，实验研究将对声学技术流化床的工程应用提0
第2期兰江，等：流化床内声场分布特性的实验研究-151-
1988年，付吉孝⑷从动力学和热力学两方面出发，对声压波、速度波和位移波之间的相对位置关系进行研究，结果表明在声驻波场中，声压的变化受相对位移的影响，主要由弹性力所引起，位移波的波节处声压幅值的变化量最大。张佃勋［7］对驻波管进行有限元分析，得到不同频率下管内驻波声场的声压分布以及管内颗粒的受力特点，与非驻波场的声压变化情况对比，结果表明驻波声场声压分布规律，但会产生声压差值，并对声场中粒子产生压力，促使粒子运动。LANG Dong等7应用数值计算和实验研究相结合，得到管内驻波声场的分布状况，并提出了解决实验误差的优化方法，研究结果可用于噪声控制领域。SHIN Y等7］用PIV技术对驻波声场中液体的流动情况进行研究，并对声边界层内流场变化进行测量，讨论了流体粘度对管内波传播和流体流动的影响。针对声波对颗粒的作用，徐璇等70研究了声凝并技术在控制PM2.0排放中的应用。沈国清等72从微观的角度探索了声场中颗粒团聚
和破碎效果，研究了声强和频率对声波团聚的影响。众多学者还对不同截面驻波管中的驻波声场分析研究，研究，对等
的驻波管，在一阶共振频率的激励下可以得到波形完整的大振幅声场，并且管内存在两类均匀分布在频域上的共振频率；而对于突变截面管中，在特定频段内，管内可以产生高强度的驻波声场，并且能够有效提高颗粒团聚效果［I2-I6］o上述研究表明，对不同驻波管中的声驻波场的分布特性研究，可应用于声团聚、降噪等各个方面。在等截面的驻波管一端添加布风板，模拟流化床工作环境，对管中沿轴向的声场分布研究，探究了声波频率、扬声器功率以及布风板开孔率等参数对无颗粒情况下床内声场分布特性的影响，得到不同条件下轴向声压级的分布规律，可与有颗粒情况下流化床内的声场分布进行对比，进而分析声波与颗粒之间的相互作用，可为声辅助流化过程声波振动规则的研究提供参考。
1床内驻波理论
对于气固流化床内的驻波声场，由声学原理可知，当声源频率小于圆管截止频率时，声波以平面波形式传播。遇到布风板将产生反射波，由此，管内的合成声场可表示为
p(,t)=4e e'+S+2x35+0)(I)其声压振幅为
I P(x,)丨=
槡(A+B)2cos2(-Ax+-2)+(A-B)1s in2(-kx++2)
(2)式中1为角波数,m-2；；为相位,rad；；为入射波振，Pn;B为反射波振，Pn0
布风板可认为是刚体。因此，反射波与入射波振幅相等，且相位相同。即满足A=B,0=0o 因此，气固流化床内的驻波振幅为
I p(x,+I=2A I ces(X%)I(3)
在床层界面上有振幅为P p的声源，即：
P(h，+=p s n(Mt)(4)式中1为床髙,m。
联立方程(3)和方程(4)，可确定床层内驻波声压幅值A，即在)二^•处满足：
2A I ces(X)I=p a(5)则由方程(3)和方程(5)，可得床层内部的声压分布为
Pa
cos(X))
ces(X)
ces(0+(6) P((,)
因此，其声压振幅为
二Pa
锡渣分离机cos(Xx)
ent x))
(7)
I p)+
由方程(7)分析知，当ces(XX)二0时，声压趋于无穷大，即在此条件下达到共振态，而发生共振的为
kh=(2n-I)-2孔=1,2,3 (8)
对方程(7)无量纲化，变为：
(=(9)
cos(K)
方程(9)中，“”(力,)\,K=kh,,=x/ho根据方程(9)，可得床层内的驻波声场声压级分布。
声压的均方根Pa-是声压幅值的总平均值，即
Pas=(14)则声压级可表示为：
SPL=221g(^Pp c)(H)
Pref
方程(H)中,Par为参考声压,Pat=2X14-/Pa。由方程(9)结合方程(H)，给出了床内驻波声场的声压级分布，如图4所示。
综上所述，声压幅值与波数X、床层高度)、声源压力帽值Pa有关0
-152-黑龙江电力第43卷
(a)参数规对床高方向上声压级的影响
工€
恃
曲
ffi K
r
疑
<
恃
kh
(b)参数规对布风板上声压级的影响
图1流化床内驻波声场的声压级分布Fig.1Sound pressure level distribution of standing
wave sound field io fluibizeV bed
2实验装置
设计小型流化床模型2所示。该实验模型主要包括：圆柱形流化床主体，布风板、纱。模型高1050mm，内径为115mm，布风板以上高度为850mm。流化床开口端接声源，所述声源包括扬声器、功率放大器以及器，底端为布风板反射端，布风板上开有不同数量的圆孔。传声器由传声放大器且可以接计算［行和处理。
扬声器
入风口
图2实验装置示意图
Fig1Schematic diagrrm of experimentad dsvice
实验过程中，在距离布风板0〜70cm处，每隔0cm。对设计的流化床实验平台，进行床内驻波场。实验声源
，发声频率分别为50Hz、100Hz、200Hz、500 Hz、1000Hz、2000Hz和5000Hz。扬声器工作功率分别选取75W和125W。通过沿流化床高方向声压级，来评价声波频率、传声器功率以及布风板开孔率对床内驻波声场分布特性的影响。
声波导管理论可知，该模型导管频率为
兀二584-^°二1753Hz(12)
2na
式中：0为当地声速,m/s；为流化床筒体半径，m o 3实验结果分析
3.1床内声场分布特性分析
图3给出了扬声器工作频率为125W时，声源信号频率分别为50Hz、100Hz,200Hz、500Hz下流化床内驻波声场的分布情况，每组实验重。
锡渣分离机由图3分析知，流化床内存的驻波声场。且声源频率决波声场的分布。频率越低，波长越长，其内波特性不能完，3 (a)所示，在声源频率为50Hz时，沿床高方向声压
分布相比均匀，声压级波动过2dB o而由图3(b)、3(c)、3(d)可知，声源频率大于100Hz 以后，流化床内波特性开，出现声压级波峰和波谷。
实验过程，声源的声
为，而声源的声波动。分析知，声源频率越管平波声场为，声源，有的高波，但其衰减非。
4给出了扬声器工作功率为75W时，声源信号频率分别为1000Hz、2000Hz和5000Hz下流化床内波声场的分布，实验重。
由图4分析知，高频声在流化床内波声场
频更为。这是因为频率越高，导管中高次波的成分越高，使导管在径向方向波声场，因此管中的合成驻波分布为。
3.2扬声器功率对床内驻波场的影响
由311小的实验知，床内存波声场特性。因此，有必要对床内的驻波形成规律究。图5给出了相同声源频率和不同扬声器工作功率的对比
。
第2期兰 江，等：流化床内声场分布特性的实验研究• 13 -
声压级/dE
声压级/dE
(b)
声压级/dE
(c)
(d)
图3低频声信号在流化床内的驻波特性丝光沸石
Fin. 1 Standing wave charecteristics of low frequency aceustie signal in fluinizeV beV
10
80706050403020100
U I W M
堪
80
706050403020100
10
—2 000 Hz/75 W
亠 2 000 Hz/75 W
UIWM
堪
1100 105 110 115 120
声压级/dE
116 118 120 122 124 126 128
116 120
124 128
132
声压级/dE
声压级/dE (a)
(b)
13
(c)
125
6
图4高频声信号在流化床内的驻波特性
-10
— 100 Hz/75 W —▲TOO Hz/125 W 807060504030201084
88 92 96 100 104
声压级/dE
(a)
Fig. 1 Standing wave charrcteristico of high frequence aceustie signal in fluidized bed
声压级/dE
(b)
110 115 120 125 130 135 140
声压级/dE
(c)
图5扬声器功率对床内声压级分布的影响
旋转喷嘴Fin. 1 Influence of loudspevker power on sound pressure leved distribution in
beV
-154 -黑龙江电力第43卷
图 5(c )、5(b )、5 (c)分别在频率为 100 He 、200
He ,5/0 He 的条件下，对比不同扬声器功率对床内
声 分布的影响。由图5可知，声源频率 ：,
扬声器功率75 W 升高到125 W，床内声 的
分布 ，声
的大小整体提高了 1 dB 以上o 声强 义SIL = 10O(//h x )，声强/正比于
扬声器的输入功率，所以扬声器功率增大，声强级 增大, ，可 为声 和声强级相等。因此，扬声器的输入功率会影响流化床内声 的
大小，床内声 随扬声器功率增大而增大。
3.0声波频率对床内驻波场的影响
6给出了相同扬声器工作功率和不同声源
频率 的对比 o 由图6(c )、6(b )可知，扬声器工作功率给定，频时(W 1 000 He )，声源频率越高，流化床内驻
波声场声
均值也越大。
声源频率：或
高 管 频率时，频率越高其声 越低;
因为大于床内 频率的声波，在床内形成高 k
波，且 声源 减。据此分析可知,
kns要 高频声与低频音具有相同的响 者声压
，需要提高扬声器工作功率。且 第 床内
波理论的分析可知，驻波场的声压振幅与波数X 、
床高)以及声源压力幅值有关。实验中床高为 7。cm 恒定，扬声器功率
的 ，床内声压均
值随着声波频率增加而变大。但是当声源频率高
管
频率时，输入 的能量会大 降,
床内声 降低,
有其他高次波的产生，使
床内声场 为 o
3.4布风板开孔率对床内驻波场的影响
流化床在工作时，流体 过布风板，然后流过
颗粒床层使颗粒悬浮，因此布风板上需要开有多个细
。图7给出了不同开孔率对床内驻波声场的影响。
_1 90 100 110 120 130 140
声压级/dE
(a)
亠 100Hz/75W — 500Hz/75W 80 r *200Hz/75W
声压级/dE
—1 000 Hz/75 W 亠2 000 Hz/75 W 80「*5 000 Hz/75 W
(c)
图6不同声源频率和扬声器工作功率的声压级分布
Fig. 6 Sound pressora lrvel distribution of differeni sourct frequeyciro and loudsperkea
声压级/dE
(a)
80
100 Hz/75 W 100 Hz/75 W 100 Hz/75 W 100 Hz/75 W
一叫5
90 95 100 105 110
声压级/dE
(b)
8070605040302010
-10
—500 Hz/75 W(10个孔) 亠 500 Hz/75 W(15个孔) 亠 500 Hz/75 W(20个孔) 十 500 Hz/75 W(25个孔)
95 100 105 110 115 120 125
声压级/dE
(c)
图7开孔率对床内驻波声场分布的影响
Fif. 6 Effect of opening ratio on sound field distribution of standing wave in bed
从图7中分析知，不同开孔率对流化床内的分
布具有重要影响。且低频和高频声波在床内的分
布完 同。对于500 He 的声波，开孔个数增加，
波 的声 大小有所降低，但床内声 随
床高的分布
， 开 率对床内的
波场分布没有很大影响。而对于10 He 和200 He
的声波，床内声 大小的均值没有 化，但
是波峰和波谷的 有 差，说明开孔率对床
内的 波场的分布 了影响 o
对于流化床内合成声场的总声压，根据叠加原 理可得77 :
P = P c +P = 2pmCOs(5/)X e) + (m -Pra)X (W )_-/) ((4)
式中f t 为入射波声压,P a 为反射波声压,,。5入射
波振幅,Pp ；P r a 为反射波振幅,P )
o
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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