华北电力大学数理学院任国辉团队在《动力工程学报》发表论文《炉内含颗粒耗散介质中的声波衰减特性研究》，以电站锅炉炉膛为研究对象，通过对比边界层厚度与颗粒半径，推导不同边界层厚度下的声衰减计算公式，结合边界层理论开展数值分析，揭示了声衰减系数随颗粒体积分数、声频率等关键参数的变化规律，为粉尘浓度在线监测提供了重要理论支撑。
电站锅炉炉膛内充斥着煤粉颗粒，形成气固两相流环境，精准监测炉内颗粒大小与浓度对锅炉安全运行至关重要。传统接触式测量方法难以适应复杂工况，声学技术因非接触、抗干扰性强等优势成为研究热点，但此前相关研究未充分考虑颗粒表面边界层对声衰减的影响，导致计算精度受限。
针对这一问题，团队创新性地将边界层厚度与颗粒半径的比值作为分类依据，定义了薄边界层(比值≤0.1)、中边界层(0.1<比值<10)和厚边界层(比值≥10)三种场景，分别推导了对应的声衰减理论公式。研究发现，不同边界层下声衰减的主导机制存在显著差异：薄边界层中，声衰减主要源于烟气介质的吸收和散射;中边界层和厚边界层中，颗粒表面边界层的黏滞损耗与热传导损耗成为主要衰减来源。
通过系统数值分析，团队明确了关键参数对声衰减系数的影响规律：声衰减系数随颗粒体积分数、声频率和烟气温度的升高而增大，随烟气密度的增大而减小。在中边界层和厚边界层场景中，这些参数的影响更为显著，且厚边界层下的声衰减系数明显大于中边界层;而薄边界层下，颗粒粒径、体积分数等参数对声衰减的影响相对微弱。此外，中边界层中当颗粒体积分数大于0.1时，可忽略烟气介质本身的衰减贡献。
该研究填补了不同边界层厚度下炉内声衰减特性研究的空白，使声衰减计算精度大幅提升。其推导的理论公式和揭示的变化规律，为基于声学技术的炉内粉尘浓度在线监测系统开发提供了核心理论依据，有助于实现锅炉运行状态的精准把控，提升电站能源利用效率与安全水平。未来，团队将进一步开展实验验证，推动该理论成果向工程应用转化。
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