炭素粉末颗粒粒度的测量方法及原理

本文介绍了五种炭素粉末颗粒粒径的测量方法及各自原理。五种方法为：显微镜法、消光法、电传感法、全息照相法和激光光散射法。     

高浓度纳米颗粒悬浮液粒径的超声在线测量方法研究

为研究高浓度纳米颗粒悬浮液的粒径分布表征,引入超声谱高浓度颗粒粒径测量理论(核壳模型),同时搭建了一套超声法高浓度悬浮液粒径测量实验装置,并进行理论模型的实验验证,测得体积浓度为10%至30%的纳米铟锡金属氧化物(Indium Tin Oxides,ITO)水性悬浮液的超声衰减,通过数据反演技术最终获取样品的颗粒粒径分布。结果表明:高浓度纳米颗粒悬浮液中声衰减系数随浓度增加但偏离线性递增趋势,与核壳模型数值模拟更接近。同时,粒径反演的结果与高速离心沉降法也较为吻合。     

陶瓷粉体粒径的测量

组成粉体的固体颗粒粒径大小对粉体系统的性质有很大的影响，随着纳米技术的发展，如何更好的表征纳米粉体，最主要的一个参数就是粉体颗粒的大小，而数据的获得需要通过各种测量方法来得到。笔者综述了陶瓷粉体粒径常用的测试方法，并以水热法制备的钛酸钡陶瓷粉体粒径的测定为例讨论了各种测试方法的适用范围及优缺点。     

基于深度学习的显微离焦图像法颗粒深度测量

显微成像条件下的三维流场测量是微通道流动等研究的基础,其难点在于颗粒深度位置的测量。由于显微镜头景深极小,成像时通道内大部分颗粒处于离焦状态。本文首先基于几何光学原理分析了显微成像前后离焦 不对称的特点,随后基于Inception V3卷积神经网络搭建了颗粒深度预测模型,并通过光线追踪方法生成粒径 1~10μm的10种颗粒在深度范围-50～50μm内的仿真显微图像,应用深度预测模型对其进行训练及预测,颗粒深度预测结果显示1～3μm颗粒的相对误差在±13%以内,4～10μm颗粒的相对误差小于±5%。最后在微通道中拍摄粒径分别为2.6μm和5μm的聚苯乙烯微球在深度范围-50～50μm内的显微图像,应用同一深度预测模型进行训练及预测,两种颗粒深度预测结果的相对误差分别为小于±15%和±5%。结果表明,所提出的基于深度学习的显微离焦图像法能够有效测量微通道内颗粒深度位置,为图像法流场测量技术增加了新的思路。     

基于改进随机梯度Boosting算法的软测量建模

在建立复杂化工过程软测量模型时,使用传统的随机梯度Boosting算法（SGB）建模若收缩参数v选取不当会明显降低算法收敛速度,且极易陷入过拟合,难以取得令人满意的泛化效果。为解决这一问题,提出了一种基于SGB集成学习的软测量建模方法,采用高斯过程回归作为基学习器,并针对SGB算法固有的不足,依据每一次迭代中弱学习机的反馈,自适应调整收缩参数v,改善了SGB算法的过度拟合,从而提高了集成模型的估计精度与学习效率。将该方法应用于某双酚A装置的软测量建模中,仿真结果表明,相比于传统SGB建模,该方法具有更高的泛化性能和学习效率。     

基于分层法的功能梯度材料有限元分析

基于分层法,本文采用有限元模型进行功能梯度材料平面结构的力学分析。将功能梯度材料平面结构划分成若干层,每层的材料参数按函数形式变化。在此分层模型基础上得到同一层的材料参数为常数,然后各层按照常规的有限元方法进行网格划分,建立有限元模型进行功能梯度材料平面结构的力学分析。数值算例表明,功能梯度材料平面结构应力和位移的有限元计算结果与解析解吻合得很好。通过设计组分材料Y-TZP弹性模量的三种工况,讨论了弹性模量梯度系数对有限元计算结果的影响。数值结果显示,弹性模量梯度系数变大对应力和位移的有限元计算结果有影响,对应力的影响较大而对位移的影响较小。     

基于神经网络控制的共轭梯度法

共轭梯度法中搜索步长是通过某种搜索策略得到,许多情况下的收敛速度较慢。为了加快其收敛速度,提出了通过引入具有“先验知识”的神经网络对共轭梯度算法中的搜索步长进行控制。实验结果表明,该模型实现的共轭梯度法对于加快收敛速度有效。     

提升管中颗粒局部流率和速度的改进的光纤测量方法

在一套高约18 m、内径φ100 mm的提升管冷态实验装置上,根据PV-6D光纤探头的测量结果,提出了一种基于整个采样时间计算提升管颗粒局部流率和速度的改进方法,并与文献方法进行了对比。结果表明,两种方法计算的颗粒局部流率和速度相差较大,本文和文献两种方法计算的截面平均颗粒流率与实测值间的最大、最小和平均相对偏差分别为606.9%、241.3%,221.4%、89.5%和388.9%、145.6%,本文方法测量的颗粒流率偏差相对较小。文献方法计算的截面平均颗粒速度均大于操作气速,其气固间滑落速度和滑落系数分别在-1.6～-4.7 m·s^-1及0.56～0.90间变化,与提升管内的气固实际流动存在很大差别;本方法计算的截面平均颗粒速度均小于操作气速,其气固间滑落速度和滑落系数分别在0.6～9.6 m·s^-1及1.11～2.14间变化。反射型光纤探头在测量颗粒浓度时存在的一些问题是导致本文方法测量的颗粒流率、滑落速度和滑落系数偏大的主要原因。此外,根据光纤测量结果,提出了两个计算提升管颗粒循环强度的关系式,可以替代现有的容积法测量。     

基于颗粒轨迹分析的分级机切割粒径计算

为研究超细分级机的切割粒径,采用计算流体力学技术对分级机气固两相流进行了数值模拟。计算中气相采用RNG k-ε湍流模型,颗粒相采用随机轨道模型。通过分析颗粒轨迹与切割粒径的关系,揭示了颗粒在分级机内运动的物理机制;通过分析切割粒径随转子转速、风量、喂料浓度和物料密度的变化规律,阐述了各参数对切割粒径的影响。结果表明：切割粒径的理论推算中,忽略叶片厚度的影响将导致计算值偏小;低转速（450 r/min,600 r/min）时,受局部涡流的影响,切割粒径模拟值与理论计算值相差较大,最大误差为13.58%;与风量相比,转速对切割粒径的影响更为显著。模拟结果与理论计算值吻合较好,为求取分级机的切割粒径提供了一种新方法。     

一种基于梯度信息的多目标优化算法

传统的多目标进化算法多是基于Pareto最优概念的类随机搜索算法,求解速度较慢,特别是针对动态多目标优化问题。就此提出了一种新的基于梯度信息的多目标寻优算法（hybrid optimization algorithm based on single and multi-objective gradient information,HSMGOA）,该算法首先利用种群中每个个体对各目标的负梯度方向,以有效保证种群个体能沿单个目标函数值减小的方向加快搜索;同时为避免由于多目标问题之间的冲突性而导致其他目标函数的显著增大,将多个目标的梯度信息方向整合为一个方向进行协同搜索;并且还提出了一种新的选择置点法,以加快算法初始寻优速度并提供优良的初始种群。通过对ZDT系列测试函数的仿真可以看出,HSMGOA在较少的运行次数下,其性能远远优于NSGA2算法。最后将HSMGOA与NSGA2混合以解决补料分批生化反应过程的动态多目标优化问题,并将取得的Pareto最优解集与NSGA2、MOPSO比较可知,该混合算法在解决该化工问题时表现出了更好的性能。     

液相沉淀法制备单分散亚微米级球形碳酸锰

以硫酸锰为锰源,碳酸氢铵为沉淀剂,十二烷基硫酸钠为粒径控制剂,采用硫酸锰和碳酸氢铵两种溶液快速同时加入的方式,通过控制合适的反应结晶条件,制备出亚微米级单分散球形碳酸锰颗粒.借助扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、粒度分析仪等研究了反应结晶条件对碳酸锰粒径和形貌的影响.结果表明,在硫酸锰浓度为1.2 mol/L、碳酸氢铵浓度为0.7 mol/L、反应温度为30 ℃、反应时间为30 min、碳酸氢铵与硫酸锰物质的量比为1.5:1的条件下,可以得到平均粒径约为540 nm的单分散球形碳酸锰微粒.     

大型喷雾粒径分布的图像法测量

雾化技术在能源、化工等领域应用广泛,研究雾化机理和优化雾化喷嘴性能的前提是对其雾化液滴尺寸及粒度分布进行准确有效的测量和表征。目前常用的雾化液滴粒度测量技术,如基于光散射或衍射原理的激光粒度仪和相位多普勒分析仪等,能够较准确地测量粒径分布比较窄、最大粒度在2000 μm以下的喷雾,但对含特大颗粒且粒径分布很宽的喷雾,往往难以得到可靠结果甚至不可能进行测量。本文提出了用图像法测量这类大流量喷雾,构建了图像法测量系统,编写了图像处理程序,经标定实验后,采用该系统对某喷嘴喷雾液滴粒径分布及规律进行了测量研究。研究结果表明图像法可用于大型喷雾液滴粒度及分布的测量。     

数字成像颗粒分析仪在聚丙烯粉料测试中的应用

为考察CAMSIZER数字成像颗粒分析仪用于聚丙烯粉料测试的可行性，采用CAMSIZER数字成像颗粒分析仪对聚丙烯粉料样品的粒度分布进行了测试，考察了测试结果的重复性，并对该仪器在粒度分布测试同时获得颗粒球形度数据和颗粒照片的功能进行了验证。结果表明：粒度分布测试自动化程度高，测试速度快，结果重复性好，与筛分法比较，工作量大大降低；在进行粒度分布测试的同时，可获得颗粒的球形度数据和颗粒投影照片。     

制造球形粒子的晶体聚结方法

球形聚结技术能够在同一单元操作中耦合结晶和造粒过程以制备球形晶体。相比于传统流化床造粒技术,该技术具有工艺流程短,生产成本低,产品性能优良的优势,但是同时也面临研究方法不成熟、机理复杂、工业放大和特殊结晶器型等方面的挑战。总结了针对球形结晶产品的表征技术和关键产品指标,介绍了球形聚结过程机理、数学模型和新技术设备的研究进展,并提出关于深化机理、完善模型、开发新设备方面的新思路,最后对其在工业生产尤其是制药领域的发展进行了展望。     

基于模糊图像的气液旋风分离器液滴粒度、浓度、速度在线测量

为了对气液旋风分离器进出口液滴粒径、浓度、速度进行测量,研制了一套基于模糊图像测量原理的图像法颗粒粒径、浓度、速度的在线测量系统。具体介绍了测量原理和该系统构成。基于模糊图像处理方法可以得到视场中颗粒粒度与速度信息,结合镜头景深还可以得到流场颗粒浓度。测量系统由图像采集系统、位移控制系统与图像处理系统组成。该系统已被成功安装在某气液旋风分离器实验台上,现场测量结果表明,该系统与光散射颗粒测量方法相比,避免了反演过程,可以得到更高的粒度分辨率,且可以实现实时在线多参数测量,具有较大的优势。     

Measuring binary fluidization of nonspherical and spherical particles using machine learning aided image processing

The binary fluidization of Geldart D type nonspherical wood particles and spherical low density polyethylene (LDPE) particles was investigated in a laboratory-scale bed. The experiment was performed for varying static bed height, wood particles count, as well as superficial gas velocity. The LDPE velocity field were quantified using particle image velocimetry (PIV). The wood particles orientation and velocity are measured using particle tracking velocimetry (PTV). A machine learning pixel-wise classification model was trained and applied to acquire wood and LDPE particle masks for PIV and PTV processing, respectively. The results show significant differences in the fluidization behavior between LDPE only case and binary fluidization case. The effects of wood particles on the slugging frequency, mean, and variation of bed height, and characteristics of the particle velocities/orientations were quantified and compared. This comprehensive experimental dataset serves as a benchmark for validating numerical models.     

光纤内窥图像法测量MTO催化剂表观形貌及其积炭量的实验研究

催化反应过程中的多尺度现象一直是近年来颗粒学领域研究的热点,其中颗粒形貌、积炭都是影响催化剂流态及活性的关键参数。为了从颗粒尺度深入探究积炭对催化剂颗粒表观形貌的影响,选取了DMTO工艺中第二代分子筛SAPO-34催化剂,在实验室微型固定流化床反应器中制备了停留时间分别为0、30、60、90、120 min等多种催化剂样品。使用课题组研制的光纤内窥显微成像平台,拍摄了催化剂样品的微尺度图像,并以此构建了基于深度学习的样本形貌图像库,实现批量统计催化剂颗粒表观特性（包括粒径、球形度、椭圆比、色度等参数及其分布）的功能。测量结果表明：积炭会明显改变催化剂的粒径及其分布,但是对催化剂的球形度或椭圆比等参数的影响较小。通过比较这些催化剂样本图像的色度信息与其对应的热重法测得的积炭量数据,建立了催化剂色度信息与其积炭量之间的定量关系,并预测了两种来自某企业DMTO生产装置反应器内催化剂的平均积炭量。实验数据表明：图像色度法与热重法测量结果的相对误差小于10%,具有较好的一致性。这将有助于发展基于图像色度法测量催化剂积炭量的工业仪表,为工业过程从颗粒尺度认识反应器内催化剂的状态提供便携的观测手段,进而指导操作人员对DMTO工艺进行优化调控。     

用梯度法解算矿井通风网络

通过修正Scott—Hinsleym风嘲解算方法的缺陷．提出了一种新的全回路调节方法。该方法通过使所有独立回路分支风压代数和的平方和最小化的方法,建立了通风网络解算优化模型,并用梯度法对该模型进行解算,获得了一种新的风网解算算法。该方法理论上考虑到了通风网络中存在固定风量分支的情况,可实现所有回路的调节,并可实现按需分配归零误差。     

颗粒团绕流曳力系数的LBM计算

采用格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann method, LBM) 中的LBGK(Lattice Bhatnagar- Gross-Krook)模型和二阶精度的曲线边界条件处理方法对二维颗粒团绕流现象进行了数值模拟,并同时使用动量交换法计算了两种颗粒团构型中不同颗粒的曳力系数。结果表明：颗粒团曳力系数与颗粒聚团的构型有着密切联系,颗粒聚团的形成将导致颗粒团曳力系数大幅度减小。除颗粒团构型因素外,颗粒间距和流动Reynolds数也是导致颗粒团曳力系数发生改变的主要因素。当颗粒聚团存在时,颗粒团中不同颗粒的受力有较大差异,若忽略颗粒聚团效应,则颗粒团曳力系数的计算必然将产生偏差。     

Thermal behavior of gradient charring materials with improved iterative method

The lightweight material of the thermal protection system for a reentry vehicle has become a trend in order to maximize the payload. To explore the effect of gradient density on the thermal behavior of charring materials, a pyrolysis layer model considering of variable density is developed and discretized with the central difference method. An iterative method is improved to look for the locations of the moving interfaces and boundary in each time step. Taken different gradient phenolic impregnated carbon ablator under a return trajectory heat flux for the Orion vehicle as example, their thermal behavior and effective heat capacities are simulated using the code written. Numerical results indicate that the gradient designs can improve the thermal protection performance of charring materials effectively. © 2018 Wiley Periodicals, Inc. J. Appl. Polym. Sci. 2019 , 136, 47076.