氣液兩相流測量技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

1、 熱能動力工程前言班級:碩動力152專業(yè):動力工程姓名:汪輝學(xué)號:2152214135氣液流測量技術(shù)發(fā)展汪輝摘要:隨著氣液兩相流測量技術(shù)的進步,氣液兩相流理論得到充分發(fā)展,也為工程實踐提供了有力工具。本文主要介紹了近年來氣液兩相流對流量測量與流型檢測的新技術(shù)。在流量測量領(lǐng)域,本文主要介紹了傳統(tǒng)單相流量計、多流量計測量、分流分相法、超聲波法。在流型檢測方面主要介紹了,高速攝影法、層析成像法、信號特征分析法,以及小波變化法,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等實時檢測方法。關(guān)鍵詞:氣液兩相流;流量測量;流型檢測Research on development ofGas-liquid Two-phase Flow Meas

2、urementTechnologyWang HuiAbstract:With the development of gas-liquid two-phase flow,on theone hand it promote the development of the theory of gas liquid two phase flow,on the other hand it provide a powerful tool for Industrial practice.This paper mainly introduces the new technology in recent year

3、s, which includes gas-liquidtwo-phase measurement onflow rate and flow pattern. In the field of flow rate measurement,the traditional single-phase flowmeter,multi-flowmeter measurement, extracting and separating method andthe ultrasonic method are mainly introduced. In the field of flow pattern dete

4、ction,high speed photography method, tomography method, signal feature analysis, wavelet transform method and neural network method are mainly introduced. Keywords:gas-liquid two-phase flow; flow rate measurement; flow pattern detection氣液兩相流的測量技術(shù)的進步對其理論和工業(yè)實踐的發(fā)展有著重要的意義。對于兩相流基本參數(shù)的測量呈現(xiàn)出多樣化的趨勢。例如,針對氣液兩相

5、流流量測量林宗虎,王棟等1提出分流分相的氣液兩相流體的測量方法,最終測量誤差小于5%,效果比較理想;胡俊介紹了一種基于壓差法的V形內(nèi)錐式流量計,結(jié)果表明利用該流量計采用經(jīng)典的林宗虎模型對流型進行檢測是可行的2。對此本文針對國內(nèi)外關(guān)于流量的測量方法與流型的檢測技術(shù)的進展,做了分析與評述。1流量測量技術(shù)1.1傳統(tǒng)分離式流量測量技術(shù)根據(jù)測量過程中是否對兩相流分離可將氣液兩相流流量測量技術(shù)分為分離法和非分離法。傳統(tǒng)的分離法應(yīng)用分離設(shè)備將汽液混合物分離成單相氣體和液體后,再通過普通單相流量計進行計量。常用的單相流量測量儀器有差壓流量計、渦街流量計、文丘里管、孔板式流量計、靶式流量計、節(jié)流原件等。對于傳統(tǒng)

6、的分離方法雖然有著穩(wěn)定性強,測量精度高、測量范圍寬等優(yōu)點但是其體積龐大,造價過高,造成其經(jīng)濟性較差。1.2多流量計測量因流量計的指示值不僅與各相流量有關(guān),還與兩相流體的干度相關(guān),因此在更多的情況下,采用兩種不同特性的流量計組合測量。例如:節(jié)流元件-多孔動壓探針(笛形管,孔板-文丘里管,靶式流量計-渦輪流量計,文丘里管-渦輪流量計,垂直上升壓差-垂直下降壓差。該方法裝置簡單,但測量范圍小,受到具體流型的制約。近些年對單個流量計與射線流量計組合研究更加深入。例如,射線-渦輪流量計13,射線-文丘里管14,微波-文丘里管14,這種方法克服了流型變化對流量測量的影響。1.3分流分相法前以述及分流分相的

7、氣液兩相流測量方法,其原理是通過分流分相的方法,從被側(cè)兩相流體中成比例的分流、分離出一定份額的單相氣體和單相液體,經(jīng)單相流量計計量后根據(jù)比例關(guān)系確定出兩相流體的各相流量。圖1是分流分相法的原理圖。被測兩相流體流過分配器時被分成兩部分:一部分兩相流體(80%95%沿原通道繼續(xù)向下游流動,稱這部分流體為主流體,這一支路為主流體回路;另一部分兩相流體(5%20%則進入了分離器,稱這部分流體為分流體,這一支路為分流體回路.分流體經(jīng)分離器分離后,氣體和液體分別進入氣體流量計和液體流量計進行計量,最后又重新與主流體匯合1。圖1 分流分相法原理圖Fig1 principle of extracting an

8、dseparating與分離法相比,該方法流經(jīng)分離器的流量僅為原來的(5%20%,所以體積比原來小很多,其體積等同與單相流量計的體積。根據(jù)分配器結(jié)構(gòu)不同可以分為“T”型三通管式非配器3,4、取樣管型非配器5、轉(zhuǎn)鼓分配器6、旋流分配器。1.4超聲波法超聲波測速原理基于超聲波在靜止流體中的傳播速度不同,即對于固定坐標系來說,超聲波傳播速度與流體的流速有關(guān)15,16。清華大學(xué)王鐵峰,王金福等23在超聲多普勒測速儀在液-固和氣-液兩相測量應(yīng)用中指出超聲多普勒測速儀實現(xiàn)了非接觸式測量,并且能得到瞬態(tài)速度的空間分布17。由于超聲波測得的是流體的流速,故通常是與密度計結(jié)合,用于測量流體的質(zhì)量流量。2流型檢測

9、技術(shù)氣液兩相流流型的檢測技術(shù)對實際工程應(yīng)用起著非常重要的作用。通過控制流動參數(shù)可以避免有害流型的出現(xiàn),保證設(shè)備安全運行。目前流型檢測方法包括信號特征分析法、層析成像法、高速攝影法等前處理方法,以及小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等后處理方法。2.1特征信號分析法特征信號分析法指通過分析傳感器的隨機信號特征來進行流型識別。接收這些信號的傳感器主要包括電學(xué)、光學(xué)、熱膜、差壓和射線傳感器等。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展新型探針的應(yīng)用,氣液兩相流的測量變得更加切實可行,比如光纖探頭、電導(dǎo)探頭、熱膜探頭等。電導(dǎo)探頭是通過測量探頭針尖處流體導(dǎo)電性的變化來確定該點的介質(zhì)分布,進而確定流型的。光纖探頭測量方式與電導(dǎo)探針類似,不同之

10、處在 于光導(dǎo)探頭是通過測量流體在探頭針尖處對光強度的影響來反應(yīng)在改點的介質(zhì)分布,從而確定流型。熱膜探頭20是通過熱膜不同位置處被氣液兩相流帶走的熱量不同,而確定其流型的。因為接觸式探頭都是直接定位在流體上,因此都能較準確地反應(yīng)改點的流體特征。但由于探針的存在影響了流型,長時間雜質(zhì)的積累也會產(chǎn)生測量誤差,加之所處環(huán)境惡劣傳感器極易損壞。2.2壓差法差壓法,也稱壓差法,壓差波動法是通過采集氣液兩相流動的壓差信號,并對壓差信號進行統(tǒng)計分析的流型識別方法。這種壓差信號是由于管內(nèi)局部點上氣、液介質(zhì)的交替出現(xiàn)而產(chǎn)生的。對獲得的信號進行分析處理,再與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合,可以對流行實現(xiàn)客觀的智能識別。其中對于噪聲的

11、處理采用小波包技術(shù),后面將述及。2.3過程層析成像法層析成像(Tomography也稱計算機層析成像(Computerized Tomography簡稱CT,指在不影響測量對象內(nèi)部特征的條件下,從外部獲得的測量對象不同方向的投影數(shù)據(jù),然后通過計算機重建測量對象內(nèi)部的二維/三維圖像。過程層析成像(Process Tomography,簡稱PT技術(shù)主要以工業(yè)過程尤其是兩相流和多相流為檢測對象12,具有非接觸性與實時性等優(yōu)點,其結(jié)構(gòu)圖可參見圖2。依據(jù)傳感器測量原理,PT分為X 射線、射線層析成像,超聲波層析成像,電容、電阻、電磁、電感層析成像等。電容層析成像(ECT技術(shù)是PT 技術(shù)中較早被研究的一種

12、技術(shù),它利用多相介質(zhì)具有不同介電常數(shù),通過電容傳感器獲得介電常數(shù)分布而獲得介質(zhì)分布的圖像,具有簡單、成本低、非侵入等特點。例如,邵曉寅在電容層析成像技術(shù)在氣液兩相流檢測中的應(yīng)用研究,王雷,冀海峰,黃志堯等在電容層析成像中的研究17.圖2 過程層析圖像系統(tǒng)構(gòu)成12Fig2 structure of PT system電阻層析成像(ERT的原理是基于不同的媒質(zhì)具有不同的電導(dǎo)率,判斷出處于敏感場中的物體電導(dǎo)率分布。如董峰,劉小平,鄧湘等在電阻層析成像技術(shù)上的研究19許聰在電阻與超聲雙模態(tài)油氣水多相流測量方法研究。皆證明了層析成像法具有良好的分辨力。2.4高速攝影法高速攝影法就是利用高速照相機或攝像機

13、,通過透明管段或透明窗口拍攝流體的運動狀態(tài),再利用計算機獲取拍攝到圖片對典型的流型圖像進行簡單的預(yù)處理,使得敏感對比更加信命,噪聲盡量減小,以于特征的提取17。但高速攝影法存在兩個問題:一個問題是由于多相流具有復(fù)雜的界面,易產(chǎn)生相對多重的反射或和折射而影響成像清晰度。另一個問題是由于采用高速攝影,所得信息太多,因而又帶來了分析或處理這些數(shù)據(jù)的困難16,18。2.5小波分析法小波包分析(wavelet packet analysis簡稱小波分析,能夠為信 號提供一種更加精細的分析方法,它將頻帶進行多層次劃分,對分辨分析沒有細分的高頻部分進一步分解,并能夠根據(jù)被分析信號的特征,自適應(yīng)地選擇相應(yīng)頻帶

14、,使之與信號頻譜匹配,從而提高了時-頻分辨率,因此小波包具有更廣泛的應(yīng)用價值17。如周云龍等在小波分析方面做了細致的研究10,11。陳珙、黃志堯等同樣闡述了了一種基于小波分析進行水平管氣液兩相流流型的辨識方法7。該方法以測試管段的管程壓降的波動為測量信號,通過對于其小波變換結(jié)果分析,根據(jù)不同流型能量分布的定量指標確定了流型判別規(guī)則。實驗結(jié)果表明這種方法能有效地事項對水平管層狀流、波狀流,塞狀流等四中典型流型在線辨別2.6神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別法BP(Back Propagation神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是二十世紀八十年代由Rumelhart 和McCelland為首的科學(xué)家小組提出,是一種按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前

15、饋網(wǎng)絡(luò)。通過對網(wǎng)格的訓(xùn)練,該系統(tǒng)可以自動識別流型,并具有較高的抗干擾能力。但是該方法輸入節(jié)點過多、訓(xùn)練困難、對外部噪聲敏感8。因此,王妍芃,林宗虎9提出了一種改進的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在流型判別中的應(yīng)用方法,并得出該方法具有很強的自學(xué)性、自適應(yīng)性和容錯性的結(jié)論。在該方法的基礎(chǔ)上又衍生出Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。例如,王強,周云龍,程思勇等提出的基于小波和Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的氣液兩相流流型識別方法。Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在BP網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上,提高了系統(tǒng)適應(yīng)時變特性的能力,具有更好地識別效果10。在Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的基礎(chǔ)上又衍生出與其它方法結(jié)合后的優(yōu)化方法。例如,周云龍,王強,孫斌等9提出基于希爾伯特黃變換(H

16、HT與Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的氣液兩相流流型識別方法。實驗結(jié)果表明,該方法能能較好的識別水平管內(nèi)四種基本流型。此外還有概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)等。概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(PNN21是Specht在1988年首次提出,是一種結(jié)構(gòu)簡單、訓(xùn)練簡潔、應(yīng)用廣泛的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)(RBF是根據(jù)人腦皮層中具有局部調(diào)節(jié)和交疊的感受域提出的,又稱局部感受域神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。它具有結(jié)構(gòu)簡單,學(xué)習(xí)速度極快等特點。通過對四種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的比較,發(fā)現(xiàn)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有顯著特點,即能克服傳統(tǒng)流型識別方法主觀性的特點。關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法的研究近年來呈現(xiàn)出迅速增長的態(tài)勢,其他科研人員的研究不再贅述。由此可見神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法檢測氣液兩相流流

17、型,將是未來流型檢測的一個極為重要的方向。除此之外還包括混沌理論、復(fù)雜理論等流型檢測方法17,24,在此也不再贅述。3結(jié)束語通過對各個氣液兩相流動參數(shù)測量方法的分析,一種良好的測量技術(shù)或檢測方法必須具有成本低、應(yīng)用范圍廣、實時性強、系統(tǒng)工作可靠、安全等特點。在流量測量方面多種方法綜合使用或分流分相法,以及對這些方法的優(yōu)化將是未來研究的熱點。在流型檢測方面,對層析成像法、信號處理的各個發(fā)法的深入研究,以及對各個模型的優(yōu)化和組合利用的是目前的趨勢。參考文獻:1王棟,林宗虎. 氣液兩相流體流量的分流分相測量法J. 西安交通大學(xué)學(xué)報,2001,05:441-444. 2胡俊,董峰. 基于V型內(nèi)錐流量計

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