相浓度是反映气固两相流流动状态的重要参数,管道内固相浓度的在线检测,对生产计量和过程控制具有重要意义。但是,两相流流动过程复杂、流型变化丰富,且电容传感器的检测对流型又有一定的依赖性,都给固相浓度的准确测量带来一定的难度。为了提高气固两相流固相浓度的测量精度,需要进行电容式相浓度传感器的结构优化设计及其安装位置的优化布设。本文以密相气力输送过程为研究背景,以有限元分析软件ANSYS、流体分析软件FLUENT为研究平台,以电容式相浓度传感器为研究对象,以数值模拟仿真及物理实验验证为研究方法,基于检测场灵敏度和均匀性误差指标,对电容传感器结构进行了优化设计,分析了不同流型下电容传感器的输出特点,对传感器在管道中的安装位置进行了优化研究。本文主要完成如下工作:(1)分析了当前普遍应用的几种相浓度传感器的优缺点,提出了一种新型的基于同一截面形成旋转场的具有较低均匀性误差及较小尺寸的八极板组合测量电容传感器结构形式;(2)基于ANSYS有限元仿真软件,建立了八极板相浓度传感器三维有限元模型,详细分析了传感器极板个数、激励方式、屏蔽方式及各个结构参数对传感器灵敏场的影响,利用正交优化设计试验初步优化了传感器结构参数;(3)在以上有限元仿真研究的基础上,研究了一种以相对灵敏度、径向和轴向均匀性误差为优化目标,电容动态范围和最大/最小输出电容的比值为约束条件的传感器多目标优化方法,实现了电容传感器结构的优化设计;(4)基于FLUENT流体分析软件,模拟仿真了密相气力输送中的典型流型,并结合流型研究了电容传感器的输出特点,为下一步的安装位置优化奠定了研究基础;(5)在多物理场(流场-电场耦合)条件下,建立了水平到竖直上升弯管道中气固两相流的数学模型,仿真得到了颗粒相各物性参数及操作条件对弯管内流动状态的影响规律,优化设计了电容传感器的安装位置;(6)在ANSYS软件中模拟中心流流型,对优化后的传感器结构进行仿真验证;在实验室条件下,根据优化设计结果制作传感器及不同体积浓度的中心流模型,进行实验验证,实验结论与仿真结论相符,并且传感器线性度好,固相浓度测量误差在15%以内,可以满足实际相浓度测量的需要。