气-固流化床中颗粒碰撞压力时间序列信号分析与随机模拟

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1、第1卷第3期过程工程学报Vol.1No.32001年7月TheChineseJournalofProcessEngineeringJuly2001气-固流化床中颗粒碰撞压力时间序列信号分析与随机模拟112郝晓刚,孙彦平,石炎福（1.太原理工大学化工学院,山西太原030024；2.四川大学化工学院,四川成都610065）摘要：对气–固流化床中颗粒碰撞压力的波动现象及其时间序列信号的统计特征进行了探讨.分析结果表明，颗粒碰撞压力的波动规律与气泡的运动密切相关，所测颗粒碰撞压力是由气泡运动所引起的尾涡颗粒动量传输的结果.用自回归模型对颗粒碰撞压力信号进行了随机模拟,模拟结果与实测结果有较好的相

2、似性.关键词：流化床；颗粒碰撞压力；时间序列；随机模拟中图分类号：TQ021文献标识码：A文章编号：1009–606X(2001)03–0257–051前言波动现象是气–固流态化的基本特征.目前国内外对波动现象的研究主要集中在压力波动及[1–3]空隙率波动方面，对颗粒碰撞压力信号的研究则未见报道.颗粒碰撞压力与多相流模型的建立、[4,5]流态化的稳定性以及流化床中物体受力和磨损等密切相关.本文对实验中获得的颗粒向上碰撞压力信号进行分析，以了解和掌握其波动规律和特征.同时尝试用自回归模型获得颗粒碰撞压力的模拟序列，与实测波动信号进行比较，为流化床设计提供方便.2时间序列信号处理[6]对作为

3、时间函数的动态信号的完整描述需从幅域、时域和频域等三个领域进行.通过频谱分析可求得动态信号中的各个频率成份和频率分布范围，以及动态信号中各个频率成份的幅值分布和能量分布；通过相关分析可以从时域上了解波动信号内部的相依性，是鉴别信号的有力工具.时间序列信号x(t)的自功率谱密度函数G(f)定义为G(f)=lim2X(f)2,(1)t→∞t式中X(f)是按下式定义的时间序列信号x(t)的傅立叶变换：Xf∞xte−i2πftt.(2)()=∫()d−∞在计算机进行信号处理时，常将X(f)离散为N−1−i2πnk/NXn=∑xke,(3)k=0则相应地有2∆t2G(f)=Xn.(4)N收稿日期：

4、2000–11–01,修回日期：2000–12–19基金项目：国家自然科学基金资助项目(编号：20006011)作者简介：郝晓刚(1967–)，男，山西省榆社县人，博士，副教授，化学工程专业.258过程工程学报1卷随机信号x(t)的自相关系数ρ(τ)表示为COV(τ)ρ(τ)=，(5)2σ自相关系数表达了同一点在不同瞬时的波动信号之间的线性相依性.由实测样本序列x(t)(其容量为n)估计的自相关系数rk为Cˆr=k，(6)kσˆtσˆt+k式中样本协方差Ĉk和方差σˆt,σˆt+k分别以下列各式计算：ˆ1n−kCk=∑(xt−xt)(xt+k−xt+k)，(7)n−kt=11/21n−

5、k()2σˆt=∑xt−xt，(8)n−kt=11/21n−k2σˆt+k=∑(xt+k−xt+k)，(9)n−kt=1式中均值1n−k1n−kxt=∑xt，(10)xt+k=∑xt+k.(11)n−kt=1n−kt=13实验装置及测试方法实验装置主要由气固流化床实验系统及多通道数据采集与分析系统组成，如图1所示.流化床为内径90mm的有机玻璃管，高1m；供气系统主要由空气压缩机、稳压罐、并联的转子流量计组成.在线数据采集与分析系统的硬件主要由A/D转换器、PC/AT286微型计算机及其配套设施组成.从多路传感器来的电压信号经放大器同步进入采集系统后，在采集软件的控

6、制下即可实现不同方式的信号采集.实验物料为玻璃珠和聚11苯乙烯颗粒，粒径分别为0.40~0.56,0.56~0.71,5160.71~0.90mm，颗粒向上碰撞压力采用自制的膜121314[7]式应变传感器测定，气体压力的测定选用691115CYG19C型高精度固态压阻式小差压传感器，空隙率采用中科院化冶所研制的光纤空隙率测410783定仪进行测定.124实验结果描述与参数分析图1实验装置及流程4.1实验结果描述Fig.1Experimentalapparatus颗粒碰撞压力的波动曲线如图2所示.在初1.Aircompressor2.Buffertank3.Valve4.Rotamete

7、r5.Manometer6.Fluidizedbed始流化状态下,颗粒碰撞压力曲线只在零线附7.Particleimpactpressuretransducer8.Fiberopticprobe近有轻微扰动,鼓泡之后波动曲线上开始出现9.Pressureprobeandtransducer10.Voidagemeter11.Amplifier12.A/Dconverter13.Computer一系列突起的峰值，产生较大波动，且随气速