一種非牛頓基液流體納米顆粒團聚超聲監測裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種非牛頓基液流體納米顆粒團聚超聲監測裝置及方法，包括樣品池和超聲波直探頭，樣品池內設置有用于放置納米溶液的流體輸送槽，流體輸送槽內設置有反射板，超聲波直探頭用于發出超聲波脈沖到流體輸送槽內的反射板上，并接收反射板反射回的反射波，超聲波直探頭經過超聲脈沖發射接收儀連接至數據采集處理系統，通過超聲脈沖發射接收儀發送至數據采集處理系統對其進行數據處理。利用本方法可得到納米溶液內部粒子團簇的平均半徑和粒子簇團在單位時間內的位移等特性參數，實時監測納米溶液分形結構中隨機行走途徑的分形維數和不同粒徑的顆粒在全部納米顆粒中所占的權重，準確測量固?液兩相流中顆粒相的聲衰減系數，實現快速在線監測。
【專利說明】一種非牛頓基液流體納米顆粒團聚超聲監測裝置及方法 【技術領域】
[0001] 本發明屬于無損檢測技術領域，具體涉及一種流動狀態下非牛頓基液中納米顆粒 團聚現象的超聲波監測裝置及方法。 【【背景技術】】
[0002] 目前，主流的觀測納米溶液中顆粒擴散行為的方法都是基于激光散斑法的原理， 這些方法由于穿透能力有限，需要對樣品進行采樣、稀釋后測量，不適合高濃度下的在線測 量，且對光路設備要求較高、測量存在較大誤差、對所得數據和圖像的后期處理較難，此外 還有許多其他方法，但這些方法的缺點主要存在兩方面:一是只能在靜態條件下觀測非牛 頓流體中納米顆粒擴散現象，沒有考慮流體流動對顆粒傳質現象的影響，二是在觀測過程 中由于與非牛頓流體的基液產生直接接觸，而對觀測結果產生了無法避免的影響。
[0003] 非牛頓流體流場中納米顆粒具有一系列獨特的輸運，擴散，團簇，與固體邊界的相 互作用等基本現象，而接觸性觀測測量容易促使非牛頓流體在輸運中呈現出管流剪切變 稀、應力松弛、蠕變、滯后、殘余應力、粘彈性回復及滑移等現象，這些現象將勢必對流場中 的納米顆粒產生重要的影響，現有文獻包括法國巴黎皮埃爾和瑪麗居里大學Jean Le Rond D'Alembert國際聯合實驗室Michael Baudoin教授等研究聲沖擊波在納米顆粒懸浮液中傳 播時，懸浮液濃度的變化以及顆粒與液體間流速的變化等均會引起聲散射場的變化;上海 理工大學蘇明旭等采用高頻寬帶超聲衰減譜來表征納米顆粒粒度;北京理工大學的徐春 廣、閻紅娟等提供了一種高精度多相流體密度和濃度及顆粒粒度的超聲陣列檢測方法等， 并沒有關于如何使用超聲測量裝置測量流動狀態下非牛頓基液中納米顆粒分形結構隨機 行走途徑的分形維數以及不同粒徑的顆粒在全部納米顆粒中所占權重的監測方法，本發明 便是考慮到上述方法存在的種種缺陷，提出一種在納米溶液的研究以及實際應用中可以廣 泛采用的手段。 【
【發明內容】
】
[0004] 本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種非牛頓基 液流體納米顆粒團聚超聲監測裝置及方法，是一種實時高精度檢測納米溶液中粒子的擴 散-團聚-沉降現象對其流體特性影響的方法。
[0005] 本發明采用以下技術方案：
[0006] -種非牛頓基液流體納米顆粒團聚超聲監測方法，包括以下步驟：
[0007] (1)以計量栗向納米流體容納池內注入納米流體，模擬動態納米流體；
[0008] (2)在納米流體容納池內沿垂直方向設置反射板，在反射板上沿垂直方向設置多 個檢測點，超聲脈沖經反射板反射后被超聲波接收儀接收，記錄經反射后的超聲脈沖強度 %以及超聲波探頭與反射板之間的距離
[0009] (3)超聲波探頭發出的超聲波強度以及超聲波探頭與反射板之間的距離不變，依 次移動超聲波探頭對第二個、第三個……第N個檢測點發出超聲波脈沖，依次記錄第二個、 第三個……第N個檢測點經反射后的超聲脈沖強度V2、V3、……VN，直至完成對所有檢測點的 測量；
[0010] (4)移動反射板位置，使超聲波探頭和反射板之間的距離為r2，改變超聲波探頭發 出的超聲波強度，重復步驟(2)到步驟(3)，記錄經反射后的超聲脈沖強度％'、％'、％'、…… Vn'；
[0011] (5)根據步驟(2)至步驟(4)的得到的超聲脈沖強渡和超聲波探頭和反射板之間的 距離獲取頻譜圖，然后將該頻譜圖利用最優正則化反演算法得到納米溶液中顆粒團簇的粒 徑分布圖，根據所述粒徑分布圖獲得納米溶液內部粒子的位移1、分形維數心和不同粒徑的 顆粒在全部納米顆粒中所占的權重
[0012] 所述步驟(5)的頻譜圖根據以下方法獲得:首先根據反射前后超聲波強度的變化 計算聲衰減系數，然后將聲衰減系數換算為聲波頻率信號，然后再將聲波頻率信號通過快 速傅里葉變換得到頻譜圖。
[0013] 所述的聲衰減系數根據以下公式計算：
[0014]
[0015] 其中，α為聲衰減系數,V1'和別表示超聲探頭與反射板距離為^和^處的超聲 波強度。
[0016] 所述聲波頻率信號的計算公式為:α = α〇ω Y，其中，ω為聲波頻率信號，aQ為大于〇 的實數，介質參數γ為〇到2的任意實數。
[0017] 所述納米溶液內部粒子的位移1的計算公式為：
[0018]
[0019] 其中，kB表示玻爾茲曼常數，T表示絕對溫度，μ表示納米流體的動力粘度，當粒子 濃度小于5%時，粒子濃度引起的粘性變化可以忽略，μ表示基液的粘度系數。
[0020] 所述的納米溶液內部粒子的分形維數dw的計算公式為：
[0021] / X I：'·
[0022]其中，L表示t時間后隨機行走的平均距離，L計算公式為:L=I · t。
[0023] 所述不同粒徑的顆粒在全部納米顆粒中所占的權重&的計算公式為：
[0024] R = RiPi
[0025] 其中，R為流體中納米顆粒的平均粒徑，Ri為被測納米顆粒的粒徑。
[0026] 所述納米流體被注入到納米流體容納池之前，首先將納米流體直接置于超聲場 中，用超聲波加以振動，克服納米顆粒原有粒子之間的作用力，使納米顆粒分散于液體中。
[0027] 步驟(4)中，移動反射板位置時，保證注入到納米流體容納池內的流速不變。
[0028] -種非牛頓基液流體納米顆粒團聚超聲監測裝置，包括納米流體容納池以及超聲 波發射接收儀，在納米流體容納池連接有計量栗用以向納米流體容納池內注入納米流體， 所述納米流體容納池內垂直放置有反射板，用于對超聲脈沖進行反射，該反射板上述沿垂 直方向依次設置有多個檢測點，超聲脈沖以直線方式打在該檢測點上，所述的超聲波發射 接收儀的輸出端進一步連接有數據處理單元，數據處理單元根據超聲脈沖反射后強度發生 的變化獲取納米流體中顆粒團簇的粒徑分布圖。
[0029] 與現有技術相比，本發明至少具有以下有益效果:本發明實現了對待測流體動態 條件下懸浮顆粒的無接觸觀測測量，避免了超聲換能器與非牛頓基液接觸造成損壞，并使 觀測者難以判斷納米顆粒的獨特"反常"現象究竟是由于非牛頓流體基液與其相互作用所 引起的還是接觸性測量所帶來的實驗誤差，超聲波具有良好的穿透性，并具有較寬的頻帶， 可以確保測量納米級到毫米級的顆粒粒徑范圍，寬帶超聲能快速精確測量顆粒尺寸分布。
[0030] 最優正則化算法(ORT)，反演計算得到該納米溶液中顆粒團簇的粒徑分布;通過快 速傅里葉變換，縮短了反演計算時間，準確測量固-液兩相流中顆粒相的聲衰減系數，可近 似得出不同粒徑的顆粒在全部納米顆粒中所占的權重，測量結果受透光性及濃度變化影響 較小，有限監測納米顆粒團聚沉淀現象，超聲衰減譜法的非浸入式測量特性，可實現快速在 線監測。
[0031] 下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。 【【附圖說明】】
[0032]圖1為本發明監測裝置示意圖。 【【具體實施方式】】
[0033] 本發明提供了一種非牛頓基液流體納米顆粒團聚超聲監測方法，主要利用超聲波 在納米顆粒兩相介質中傳播時的聲衰減譜，通過聲衰減普與數學模型的比較和反演計算可 獲得顆粒相的粒度分布和濃度分布，可對生產生活實踐中大量出現的納米顆粒團聚沉淀現 象對非牛頓流體在流動狀態下傳質現象的影響進行監測，當納米顆粒懸浮后，決定其懸浮 穩定性與數量的決定性因素是納米顆粒之間、納米顆粒與基液之間相互作用力的綜合效 果。此時將納米溶液注入到流體輸送槽中，此時觀測到的納米顆粒聚集-沉淀現象便是重力 作用下流動過程中納米顆粒真實的團聚效果。因此，準確測量超聲波在顆粒兩相介質中的 聲衰減譜、數學模型的選擇、反演算法的研究是該技術所采用原理的三個重要組成部分。
[0034] -種非牛頓基液流體納米顆粒團聚超聲監測方法，具體步驟包括：
[0035] 第一步，為保證實施方法的可靠性，在納米流體的制備過程中需要先采用超聲分 散法來分散納米顆粒，將納米溶液直接置于超聲場中，用超聲波加以振動，克服納米顆粒原 有粒子之間的作用力，使納米顆粒分散于液體中。將配置好的非牛頓基液納米溶液裝入保 溫型計量栗中，調節保溫型計量栗的溫度和流量，將納米溶液灌入流體輸送槽內；配置以非 牛頓流體為基液的納米溶液，并加熱到所想要的溫度，將保溫型計量栗調節到所需流量，使 用保溫型計量栗將納米溶液灌入流體輸送槽，保溫型計量栗流量可以在0-100%范圍內無 級調節，且能夠保持所需的流體溫度。
[0036] 第二步，在流體輸送槽側面設置一系列的測量點，便于納米顆粒在重力影響下的 擴散傳質現象得到捕捉和觀測，啟動超聲脈沖發射接收儀和數據采集處理系統，使超聲脈 沖發射接收儀通過超聲波直探頭發射超聲波脈沖，調節超聲波直探頭的位置，使其剛好對 準流體輸送槽最上邊的一個測量點，超聲脈沖發射接收儀通過超聲波直探頭向流體輸送槽 發射超聲波脈沖，數據采集處理系統記錄超聲波強度％和測量探頭與反射板之間的距離η。
[0037] 第三步，維持流速不變，調節反射板與超聲波直探頭之間的距離，數據采集處理系 統重新記錄測量點超聲波強度％和測量探頭與反射板之間的距離r 2，根據聲衰減系數α換算 獲得聲波頻率信號ω ;
[0038] 將超聲波直探頭的位置調整到下一個待測量的點重復上述步驟，然后調節反射板 到超聲波直探頭之間的距離，維持流速不變，重新對測量點進行測量，實現變聲程測量。超 聲波粒度分析法的基本測量為聲衰減系數，單聲程測量需已知多個參數（比如緩沖塊的聲 衰減系數），而變聲程測量則很好地避免了這個問題，本方法中只需改變一次超聲波直探頭 到反射板的距離，通過兩次測量，得到超聲波頻譜幅度和超聲波直探頭與反射板之間距離 的改變量便可得到聲衰減系數。
[0039] 由于納米顆粒粒徑遠小于超聲波波長，因此符合"長波長條件"，此條件下采用 ECAH的簡化模型，即McClements模型，結合聲散射模型BLBL(Bouguer-Iambert-Beer-Law) 預測超聲聲能損失。試樣顆粒呈球形且假設與入射平面波僅發生一次作用，顆粒和外部連 續流體介質中將產生三種不同模式波:壓縮波、熱波和剪切波，由于剪切波和熱波在液體中 迅速衰減而不能被遠場探測器檢測到，因此最終固-液兩相流中顆粒相的聲衰減系數僅與 壓縮波散射系教有類"：*：走驗系統的聲衰減系數可由下式給出：
[0040；
[0041]式中VjPV2分別表示超聲探頭與反射板距離為處某一頻率的超聲波強度。 [0042]第四步，數據采集處理系統將聲波頻率信號ω通過快速傅里葉變換得到頻譜圖， 再用最優正則化反演算法得到納米溶液中顆粒團簇的粒徑分布圖，根據粒徑分布圖獲得納 米溶液內部粒子的位移1、分形維數d w和不同粒徑的顆粒在全部納米顆粒中所占的權重 [0043]聲波頻率信號ω的計算公式為:α = α〇ω γ，其中α〇為大于〇的實數，介質參數γ為〇 到2的任意實數。
[0044]利用接收與發射的聲波信號計算納米溶液內部粒子團簇的平均半徑和粒子簇團 在單位時間內的位移等特性參數，可實時監測納米溶液分形結構中隨機行走途徑的分形維 數和不同粒徑的顆粒在全部納米顆粒中所占的權重。
[0045] 根據此模型，將溶液中采集到的超聲反射信號經過快速傅里葉變換得到頻譜圖， 已獲得的聲衰減譜將采用最優正則化反演算法(Optimum regularization technique， 0RT)進行反演計算就可以得到納米溶液中顆粒團簇的粒徑分布。根據粒徑分布的正態圖像 便可以得到統計意義上納米溶液內部粒子團簇的平均半徑r，這反映了納米溶液內部粒子 簇團聚集的緊密程度，對于回轉半徑為r的粒子簇團，該粒子簇團在單位時間內的位移1為：
[0046]
[0047] 式中kB表示玻爾茲曼常數，T表示絕對溫度，μ表示流體(含粒子)的動力粘度，當粒 子濃度小于5%時，粒子濃度引起的粘性變化可以忽略，μ可以直接使用基液的粘度系數。
[0048] 若用dw表示分形結構中隨機行走途徑的分形維數，則有用L表示t時間后隨機行走 的平均距離，L計算公式為:L=I · t。
[0049] 此外，若流體中存在若干種已知粒徑的顆粒但其在全部納米顆粒中的比例未知， 根據實驗所得流體中納米顆粒的平均粒徑R可以近似得到不同粒徑心的顆粒在全部納米顆 粒中所占的權重&: R=RiPi。
[0050] 請參閱圖1所示，本發明還公開了一種非牛頓基液流體納米顆粒團聚超聲監測裝 置，該套監測設備包括樣品池和超聲波直探頭，樣品池內設置有用于放置納米溶液的流體 輸送槽，流體輸送槽內設置有反射板，反射板可在流體輸送槽內部左右移動，超聲波直探頭 用于發出超聲波脈沖到所述流體輸送槽內的反射板上，并接收反射板反射回的反射波，超 聲波直探頭經過超聲脈沖發射接收儀連接至數據采集處理系統，通過超聲脈沖發射接收儀 發送至數據采集處理系統對其進行數據處理。
【主權項】
1. 一種非牛頓基液流體納米顆粒團聚超聲監測方法，其特征在于:包括W下步驟： (1) W計量累向納米流體容納池內注入納米流體，模擬動態納米流體； (2) 在納米流體容納池內沿垂直方向設置反射板，在反射板上沿垂直方向設置多個檢 測點，超聲脈沖經反射板反射后被超聲波接收儀接收，記錄經反射后的超聲脈沖強度ViW 及超聲波探頭與反射板之間的距離ri; (3) 超聲波探頭發出的超聲波強度W及超聲波探頭與反射板之間的距離不變，依次移 動超聲波探頭對第二個、第Ξ個……第N個檢測點發出超聲波脈沖，依次記錄第二個、第Ξ 個……第N個檢測點經反射后的超聲脈沖強度V2、V3、……Vn，直至完成對所有檢測點的測 量； (4) 移動反射板位置，使超聲波探頭和反射板之間的距離為n，改變超聲波探頭發出的 超聲波強度，重復步驟(2)到步驟(3)，記錄經反射后的超聲脈沖強度VI'、V2'、V3'、……Vn'； (5) 根據步驟(2)至步驟(4)的得到的超聲脈沖強渡和超聲波探頭和反射板之間的距離 獲取頻譜圖，然后將該頻譜圖利用最優正則化反演算法得到納米溶液中顆粒團簇的粒徑分 布圖，根據所述粒徑分布圖獲得納米溶液內部粒子的位移1、分形維數dw和不同粒徑的顆粒 在全部納米顆粒中所占的權重01。2. 根據權利要求1所述的一種非牛頓基液流體納米顆粒團聚超聲監測方法，其特征在 于:所述步驟(5)的頻譜圖根據W下方法獲得:首先根據反射前后超聲波強度的變化計算聲 衰減系數，然后將聲衰減系數換算為聲波頻率信號，然后再將聲波頻率信號通過快速傅里 葉變換得到頻譜圖。3. 根據權利要求2所述的一種非牛頓基液流體納米顆粒團聚超聲監測方法，其特征在 于:所述的聲衰減系數根據W下公式計算：其中，α為聲衰減系數，Vi'和Vi分別表示超聲探頭與反射板距離為η和ri處的超聲波強 度。4. 根據權利要求2所述的一種非牛頓基液流體納米顆粒團聚超聲監測方法，其特征在 于:所述聲波頻率信號的計算公式為:α = α日ωΥ，其中，ω為聲波頻率信號，α日為大于0的實 數，介質參數丫為0到2的任意實數。5. 根據權利要求2所述的一種非牛頓基液流體納米顆粒團聚超聲監測方法，其特征在 于:所述納米溶液內部粒子的位移1的計算公式為：其中，kB表示玻爾茲曼常數，Τ表示絕對溫度，μ表示納米流體的動力粘度，當粒子濃度小 于5%時，粒子濃度引起的粘性變化可W忽略，μ表示基液的粘度系數。6. 根據權利要求5所述的一種非牛頓基液流體納米顆粒團聚超聲監測方法，其特征在 于:所述的納米溶液內部粒子的分形維數dw的計算公式為： ?央'護 其中，L表示t時間后隨機行走的平均距離，L計算公式為:L=1 · t。7. 根據權利要求2所述的一種非牛頓基液流體納米顆粒團聚超聲監測方法，其特征在 于:所述不同粒徑的顆粒在全部納米顆粒中所占的權重權的計算公式為： R=RiPi 其中，R為流體中納米顆粒的平均粒徑，Ri為被測納米顆粒的粒徑。8. 根據權利要求1至7中任意一項所述的一種非牛頓基液流體納米顆粒團聚超聲監測 方法，其特征在于:所述納米流體被注入到納米流體容納池之前，首先將納米流體直接置于 超聲場中，用超聲波加 W振動，克服納米顆粒原有粒子之間的作用力，使納米顆粒分散于液 體中。9. 根據權利要求1至7中任意一項所述的一種非牛頓基液流體納米顆粒團聚超聲監測 方法，其特征在于:步驟(4)中，移動反射板位置時，保證注入到納米流體容納池內的流速不 變。10. -種非牛頓基液流體納米顆粒團聚超聲監測裝置，其特征在于:包括納米流體容納 池 W及超聲波發射接收儀，在納米流體容納池連接有計量累用W向納米流體容納池內注入 納米流體，所述納米流體容納池內垂直放置有反射板，用于對超聲脈沖進行反射，該反射板 上述沿垂直方向依次設置有多個檢測點，超聲脈沖W直線方式打在該檢測點上，所述的超 聲波發射接收儀的輸出端進一步連接有數據處理單元，數據處理單元根據超聲脈沖反射后 強度發生的變化獲取納米流體中顆粒團簇的粒徑分布圖。
【文檔編號】G01N15/02GK105842130SQ201610333494
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月18日
【發明人】鄭化安, 陳曦, 王小憲, 閆淵, 李欣, 李博通, 李茂慶, 鄧曉彬, 牛韜, 張文林, 游世海, 黨文龍, 楊丹
【申請人】陜西煤業化工技術研究院有限責任公司, 陳曦