PDF《磁共振成像应用于多相流体动力学研究进展》

1 MRI 测试原理 MRI 是一种利用原子尺度的磁性核在磁场中 表现出来的共振特性进行成像的技术,主要包括 三个方面的技术:空间编码、数据采集以及图像 重建[19] .MRI 时空分辨率较高、可任意方位断层扫 描、多参数成像,且安全无辐射.因而,其对流化 床内流场的干扰较小,可获得单相流或多相流的多 维瞬时浓度场、速度场,并且可以研究湍流、颗粒 涡、颗粒团以及气泡群等非均匀介尺度流动结构. 以气固流化床为例,MRI 多相流检测装置主要 由流化床反应器、MRI 系统两部分组成(图1) ,其中MRI 系统通常由磁体系统、 谱仪系统及计算机系 统组成.磁体系统主要包括主磁体、梯度系统;

谱 仪系统包括射频发射器、射频接收器;

计算机软硬 件系统包括射频脉冲控制器、梯度脉冲控制器、数 据采集及成像等.测试时,流场置于磁场中,外加 磁场强度改变,垂直于主磁场方向可提供两个互相 垂直的梯度磁场,且每一位置对应一个强度、方向 不同的磁场;

流场的不同方位即可产生不同的射频 信号, 此即为磁共振信号;

再由计算机系统处理后, 可得到流场的断层成像数据信息,并根据信号的强 弱以不同的亮度出现在显示器上.由于流化床内的 固体颗粒处于快速运动状态,因此整个成像数据采 集工作在较短的时间内完成至关重要.借助小角倾 斜场回波 FLASH 超快成像序列技术[20] ,可以对流 化床 x-y 横截面实现床层空隙率数据的快速采集. 图2(a) 为气固流化床内颗粒轴向速度 vz 的超快 MRI 脉冲序列数据采集,图2(b)为流化床实验装置 及检测信号采集图. 图2(b)中颗粒速度采集采用快速螺旋回波平面 成像序列技术[21] ,并使用正弦形式的速度编码梯度 场.为尽可能缩短回波时间,设计脉冲序列时需采 用倾斜脉冲梯度场和正弦流编码.因而此方法可以 避免梯度磁场的高速切换,实现采样点在 k 空间上 呈螺旋状的圆形中心对称分布,进而可获得不同空 间位置方向上同样高的图像分辨率.然而,由于数 图1MRI 多相流检测系统 Fig.1 Schematic diagram of MRI multiphase flow detection system 第9期www.hgxb.com.cn ・3767・ ・3767・ 据采样在 k 空间上通常是非均匀的,所以还需要对 非规则采样进行图像重建.直接傅里叶变换[22] 是图 像重建比较常用的一种算法,可获得几十毫秒内图 像采集所需的数据. 目前, 针对各种复杂工况, MRI 需要进一步发展流动状态适应性强的多维图像重建 算法,并将高灵敏 MRI 技术向着微小型化方向发 展,从而拓宽 MRI 这一先进检测手段的应用领域. 图2颗粒速度的超快 MRI 脉冲序列、流化床实验装置及 检测信号接收[12] Fig.2 Ultrafast MRI pulse sequence of particle velocity, schematic diagram of experimental fluidized bed and detection signal receiving[12]

2 MRI 应用于多相流检测研究现状 MRI 流场检测技术发展初期主要用于研究稳 定旋转滚筒中的颗粒流特征[23] ,采用可产生较好的 磁共振信号的示踪粒子作为待研究的颗粒材料.该 研究可得到详实的颗粒浓度场及速度场成像信息. 随着 MRI 技术应用的逐步拓宽, 国际上后续研究将 MRI 技术应用到更为复杂的多相流动系统中.目前, 国内 MRI 多相流检测的理论研究尚处于起步阶 段,尤其是 MRI 用于气固流动的研究相对较少.因此, 有必要系统地综述目前国内外 MRI 多相流检测 技术的研究现状及发展趋势,为研究者呈现一个相 对较清晰的宏观轮廓,希望对开展后续相关研究有 所启发与借鉴. 2.1 MRI 应用于流化床反应器中气固流场检测 气固多相流复杂系统由于具有非稳态、非均 匀、 非平衡的自然属性, 对多相流检测提出了挑战. 因而,从更深层次探究并理解多相流体力学特性及 多组分体系的本质一直是当今过程工程........