在燃煤锅炉中，煤粉通过气力输送至燃烧喷口，然后进入燃烧室。实时监测输煤管道中煤粉气一固两相流的流速与浓度可及时、准确判断锅炉燃烧状况的好坏，进而合理调整锅炉的相关参数，达到降低能耗、节煤减排的最终目的。煤粉的气力输送是非常典型的气一固两相流，运动过程复杂，气、固两相流动中各种流动参数的准确测量是众多研究人员一直致力解决的难题。许多研究者对气一固两相流的颗粒浓度测量提出了很多方法，如热量平衡法【1】、摩擦电法【2】、压差法【3-5】、微波法【6】、电磁法门【7】、激光法罔【8】、电容法【9】等。超声波法与上述研究方法相比优点明显，主要体现在不受温度变化影响，检测过程中校准所需基础参数少，尤其适用于高浓度的煤粉气一固两相流测量。

超声波在煤粉气一固两相流中传播会产生衰减，该衰减由多种机制产生，主要是散射损失、热损失、黏性损失。其中散射损失由2种原因造成，一是由超声波本身的声束扩散造成；二是颗粒的散射作用导致部分声波不能到达接收换能器。热损失的产生是由于颗粒表面附近存在温度梯度，该温度梯度是由温度压力的热力学耦合所致。黏性损失是由剪切波引起，因颗粒与连续相之问存在密度差，导致颗粒在声压场中震荡，作相对于连续相的运动。本文中以颗粒相在整个检测空问内均匀分布为前提，采用McClements理论和BLBL(Bouguer—Lambert-Beer定律)理论共同描述煤粉气一固两相流中超声衰减特性，建立超声衰减系数与气一固两相流相关参数的理论关系，通过数值模拟分析超声衰减随着颗粒相体积分数、超声频率、颗粒粒径变化的规律。

1 超声理论模型

燃煤锅炉中采用的煤粉粒径一般小于300 Ixm，根据超声在空气中的传播特性，检测超声频率以小于100 kHz为主。以100 kHz频率为例，空气中的超声波长约为3．4 mm，远远大于煤粉颗粒的粒径；因此，超声在煤粉气一固两相流中的传播满足Rayleigh散射条件，可以忽略超声复散射造成的超声衰减。McClements理论主要描述黏性损失与热损失所造成的超声衰减，BLBL理论描述散射损失所造成的超声衰减，其中McClements模型中超声复波数k计算公式如下【10】：

BLBL模型主要描述声散射对颗粒两相介质中声衰减的贡献，该模型不包含对黏性损失和热耗散损失的描述；因此，在建模过程中无须引入太多的物性参数，其表达式为【10】：

图2所示为体积分数为1％的煤粉气一固两相流衰减随着煤粉颗粒粒径的变化规律。由图可知，当颗粒粒径大于lO斗m时，衰减系数随着粒径的增大单调递减，说明在已知煤粉颗粒体积分数的情况下，通过测量衰减系数可以得到唯一的颗粒粒径值；当煤粉颗粒粒径大于200 pan时，衰减系数对粒径的变化不再敏感，这意味着当颗粒相粒径小于200 p,m时，黏性损失和热损失对粒径较为敏感，原因是相同体积分数下，颗粒粒径越小则颗粒数目越多，由温度梯度造成的热衰减越大。此外，粒径越小的颗粒在相同声压场内的振荡越明显，由此造成的黏性损失越大。

图3所示为体积分数为1％时不同粒径分布的煤粉气一固两相流超声衰减随着频率的变化规律。由图可知，煤粉颗粒粒径越小对超声频率越敏感，因此，在检测煤粉气一固两相流之前需要确认煤粉颗粒的粒径分布以及平均粒径，据此选取合适的检测超声频率就可以提高检测灵敏度与检测精度。

3 结论

1)随着煤粉颗粒相体积分数的增大，衰减系数基本呈线性递增的趋势。

2)超声频率越高，衰减系数越大。实际检测时，在满足检测信号分辨率的情况下，应选择尽可能高的超声频率。

3)如果选用某固定频率检测，测得2个体积分数下的声衰减系数即可确定衰减一浓度曲线斜率，从而实现任意衰减系数对应的颗粒相浓度测量。

4)在相同的体积分数下，煤粉颗粒粒径为lO～200斗m时，声衰减系数随着颗粒粒径的增大单调递减，说明在已知煤粉颗粒体积分数的情况下，通过测量衰减系数可以得到唯一的颗粒粒径值；当煤粉颗粒粒径大于200斗m时，声衰减系数对煤粉颗粒粒径不再敏感。