關(guān)于鼓泡塔和氣升式反應(yīng)器內(nèi)流域識(shí)別方法的綜述

關(guān)于鼓泡塔和氣升式反應(yīng)器內(nèi)流域識(shí)別方法的研究綜述摘要：本文簡(jiǎn)要敘述了流域識(shí)別的各種方法，報(bào)道了國(guó)外有關(guān)流域識(shí)別研究工作的最新進(jìn)展。其中主要對(duì)壓力波動(dòng)信號(hào)時(shí)間序列的非線性分析法進(jìn)行了著重論述。并對(duì)各種方法在確定鼓泡塔和氣升式反應(yīng)器內(nèi)流域轉(zhuǎn)換和揭示相應(yīng)流域下流動(dòng)特性的能力給予了評(píng)論，總結(jié)了各種方法存在的優(yōu)點(diǎn)和局限性。關(guān)鍵詞：鼓泡塔反應(yīng)器；氣升式反應(yīng)器；流型；流域；壓力波動(dòng)ReviewofthemethodsaboutflowregimeidentificationinbubblecolumnandairliftreactorAbstract：Allkindsofmethodsaboutflowregimeidentificationweredescribedbrieflyinthispaper,andthelatestadvancesinthisfieldwerereported.AseveralNon-linearanalyticmethodsforthetimeserialsofpressurefluctuationsignalsweremainlydiscussed.Theirabilitytodetermineregimetransitionandtoextractregimefeaturesinbubblecolumnandairliftreactorsiscomparedandtheadvantagesandlimitationsofthesemethodsweresummarized.Keywords:bubblecolumnreactor,airliftreactor,flowpattern,flowregime,pressurefluctuation.1、前言：近年來，鼓泡塔反應(yīng)器和氣升式反應(yīng)器由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗小、占地面積少、良好的傳質(zhì)和混合特性等而被廣泛用于污水處理領(lǐng)域，作為傳統(tǒng)的活性污泥和生物膜法的主要工藝設(shè)備。其中尤為值得一提的是：氣升式反應(yīng)器作為一種改進(jìn)的鼓泡塔反應(yīng)器，又兼具剪切速率低、剪切力場(chǎng)分布均勻、返混程度低等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在生物降解工藝中被優(yōu)先選用，具有廣闊的應(yīng)用前景。上述兩種多相流反應(yīng)器體系內(nèi)的流體動(dòng)力學(xué)特性對(duì)絮凝體尺寸分布、污泥固－液分離特性[1]、生物膜的厚度、密度等特性[2]均有巨大的影響作用，因而對(duì)最終的污水處理效率具有至關(guān)重要的決定作用。鑒于此多相流體系內(nèi)的流體動(dòng)力學(xué)極為復(fù)雜，具有非線性混沌特性，難以解析，考慮到體系的流體動(dòng)力學(xué)特性、混合、傳質(zhì)特性主要取決于流域以及各流域所特有的流動(dòng)結(jié)構(gòu)[3]，因而大量研究工作者一直把反應(yīng)器內(nèi)流型的識(shí)別和流域的劃分作為反應(yīng)器設(shè)計(jì)、放大的基礎(chǔ)和確定操作范圍的依據(jù)，將實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器設(shè)計(jì)放大為工業(yè)反應(yīng)器，首先應(yīng)保證操作流域的一致。為了探索識(shí)別流型和精確確定流域轉(zhuǎn)換的新方法，尋找揭示不同流型下流動(dòng)結(jié)構(gòu)和流動(dòng)特性的新技術(shù)，力求解析出引發(fā)流域轉(zhuǎn)換的內(nèi)在物理機(jī)制，研究者們已開展了大量的研究工作，并且取得了一些突破性進(jìn)展，一些新技術(shù)、新方法應(yīng)運(yùn)而生。二十世紀(jì)，非線性動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域混沌理論、分形理論的誕生更為識(shí)別流域和解析體系的動(dòng)態(tài)流動(dòng)特性提供了重要的方法論，顆粒圖象測(cè)速儀（PIV）、激光多普勒測(cè)速儀（LDA）等先進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器的出現(xiàn)更為獲取瞬間動(dòng)態(tài)信號(hào)提供可靠的工具。本文詳細(xì)論述了用于流域識(shí)別和確定流域轉(zhuǎn)換的各種方法，并就各種方法在確定流域轉(zhuǎn)換和獲取相應(yīng)流域下流動(dòng)特性方面的能力進(jìn)行了比較。2、流域及其特性：確實(shí)，具有特定的流域是鼓泡塔反應(yīng)器和氣升式反應(yīng)器上升管的一大特色。通常根據(jù)表觀氣速和氣體分布均勻性把反應(yīng)器內(nèi)的流域劃分為三種基本流動(dòng)域[4]，即均勻鼓泡域、過渡域和湍動(dòng)域也稱為非均勻流域。不同的流域具有各自不同的流動(dòng)特性和流動(dòng)結(jié)構(gòu)。均勻鼓泡域一般在表觀氣速很小時(shí)存在，在此流域內(nèi)氣泡較小且氣泡尺寸均一，在軸向和徑向分布均勻，氣泡間相互作用很弱，不發(fā)生嚴(yán)重聚并，無較大的液體宏觀流動(dòng)結(jié)構(gòu)形成。眾所周知，對(duì)于處于間歇操作，使用均勻分布器的鼓泡塔而言，均勻鼓泡流一般在表觀氣速低于5cm/s條件下存在。當(dāng)表觀氣速進(jìn)一步增大，體系內(nèi)開始出現(xiàn)大的流動(dòng)宏觀結(jié)構(gòu)，即所謂的旋渦－螺旋結(jié)構(gòu)，這表明流域已經(jīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)換，發(fā)展為過渡流域，在此流域內(nèi)，氣泡開始發(fā)生聚并，氣泡尺寸分布變寬，流動(dòng)結(jié)構(gòu)不均勻，不穩(wěn)定。在更高的表觀氣速下，體系內(nèi)的流動(dòng)開始變得極不穩(wěn)定，氣泡間發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，發(fā)生嚴(yán)重聚并，大氣泡開始出現(xiàn)，湍流域形成。此時(shí)，大、小氣泡在反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)，大氣泡在反應(yīng)器中部以較快的速度向上運(yùn)動(dòng)而小氣泡則在器壁附近緩慢上升，有時(shí)甚至?xí)憩F(xiàn)出向下運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，氣含率存在顯著沿徑向分布，引發(fā)了液體的宏觀循環(huán)流動(dòng)，局部和整體液體循環(huán)流動(dòng)同時(shí)存在。氣體分布板的構(gòu)造、反應(yīng)器的幾何尺寸、操作條件均會(huì)對(duì)流域產(chǎn)生影響作用，氣體分布板一直是研究的熱點(diǎn)，目前已得出比較一直的結(jié)論：使用孔徑小于1mm的多孔布?xì)獍?，在不同的氣速下，上述三種流域相繼出現(xiàn)。而使用較大孔徑的多孔布?xì)獍寤騿慰趪娮?，只有非均勻流域出現(xiàn)，基于確定流域轉(zhuǎn)換點(diǎn)是本文的核心內(nèi)容，因而在下面的論述中，均以孔徑小于1mm的多孔布?xì)獍弩w系為核心。3、流域識(shí)別和確定流域轉(zhuǎn)換的方法：3.1基于時(shí)均參數(shù)的古典方法：歷史上，通常用目視觀測(cè)識(shí)別流型，但是基于量化表征流域轉(zhuǎn)換是必不可少的，研究們提出了如下三種經(jīng)驗(yàn)方法：3.1.1平均氣含率－表觀氣速法第一種廣為使用的實(shí)驗(yàn)法是通過測(cè)量與流動(dòng)結(jié)構(gòu)相關(guān)的某一時(shí)均流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)隨表觀氣速增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)來識(shí)別流型，此參數(shù)一般在流域發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)發(fā)生突變。在鼓泡塔反應(yīng)器中，平均氣含率經(jīng)常被選為表征參數(shù)。圖1顯示了鼓泡塔中平均氣含率（εg）隨表觀氣速(Ug)增長(zhǎng)的變化情況。當(dāng)體系內(nèi)的流動(dòng)處于均勻流域時(shí)，氣含率隨表觀氣速的增長(zhǎng)成線性增長(zhǎng)。而在過渡流域，氣含率的變化開始偏離此線性關(guān)系，首先會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最大值，標(biāo)志著液體宏觀循環(huán)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的形成，然后開始趨于下降，當(dāng)氣含率達(dá)到最小值時(shí)，就標(biāo)志體系已經(jīng)從過渡流域過渡到完全發(fā)展的非均勻流域?？墒侨绱嗣黠@的轉(zhuǎn)換特征并不總是能獲得的。使得此法的應(yīng)用受到很大限制。尤其在氣升式反應(yīng)器中，由于附加的總體液體環(huán)流運(yùn)動(dòng)的影響，在流域發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)，并沒有最大值出現(xiàn)，使用這種方法很難確定流域轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)的氣速。3.1.2漂移通量法：第二種方法是根據(jù)漂移通量理論演變而來的：（1）、Wallis[5](1962)首先提出了漂移通量理論來求取流域轉(zhuǎn)換氣速和進(jìn)行流域識(shí)別。氣體漂移通量的定義是：氣相相對(duì)于兩相平均速度運(yùn)動(dòng)的表面容積通量，其表達(dá)式為：（1）式中Us是氣體相對(duì)于液體的滑移速度，當(dāng)氣液并流向上時(shí)，其表達(dá)式為：（2）將Jgl對(duì)εg作圖，開始時(shí)Jgl隨εg增大緩慢增大，但當(dāng)εg增加到某一值時(shí)，曲線斜率發(fā)生突變，Jgl迅速增大。曲線斜率的改變標(biāo)志著體系開始從均勻鼓泡流向湍流流域過渡，此氣含率εg對(duì)應(yīng)的表觀氣速ug就是流域開始轉(zhuǎn)變的氣速。此法較適合于識(shí)別處于半間歇操作鼓泡塔內(nèi)的流域轉(zhuǎn)換。由于氣升式反應(yīng)器內(nèi)附加的總體液體循環(huán)流動(dòng)的影響作用，使得發(fā)生流域轉(zhuǎn)換時(shí)曲線的變化趨勢(shì)較鼓泡塔而言要不明顯得多，不適于作為識(shí)別氣升式反應(yīng)器內(nèi)流域轉(zhuǎn)換的方法。（2）、Zuber和Findlay[5]在1965年在Wallis的漂移通量理論基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)的漂移通量分析法，這種方法最先是用于預(yù)測(cè)非均勻流域條件下的氣含率值，其用于識(shí)別氣升式反應(yīng)器上升管內(nèi)流域轉(zhuǎn)換要比用于鼓泡塔更為有效，被廣為用于識(shí)別氣升式反應(yīng)器上升管內(nèi)的流動(dòng)情況。他們提出對(duì)于并流操作，漂移通量方程可由下式表述：（3）式中，〈〉代表取平均，C0是徑向非均勻性的表征參數(shù)。如圖2所示，ug/εg對(duì)（ug+ul）作圖，在均勻流域，氣含率和速度分布比較均勻，C0一般在1.0左右,而在非均勻流域，C0一般在1.53-1.60左右。Snape等人[6]根據(jù)外環(huán)流氣升式反應(yīng)器上升管內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出：對(duì)均勻流域C0＝1.08，而非均勻流域，C0＝1.52；由圖2可見，過渡流域?qū)?yīng)的C0值比非均勻流域下的相應(yīng)值要高得多，這說明非均勻流域下的速度分布較之過渡流而言要平坦的多。Vial[7]在其文獻(xiàn)中對(duì)此提出了解釋，他認(rèn)為這主要是因?yàn)樵谶^渡流狀態(tài)下，體系內(nèi)一個(gè)大的液體局部環(huán)流結(jié)構(gòu)致使流動(dòng)非均勻性增加所至。而且Vial等人在改變降流管閥門開度的實(shí)驗(yàn)中獲得了與Snape等人相近的結(jié)論，在均勻流域C0約為1.0，非均勻流域C0約為1.6幾乎不隨閥開度變化，而在過渡域，閥門開度對(duì)C0值有顯著影響作用，進(jìn)一步支持了上述結(jié)論（總體液體循環(huán)速度可流動(dòng)的均勻性產(chǎn)生了調(diào)節(jié)作用）。雖然此法可很好的確定流域轉(zhuǎn)換氣速，但是由于過渡發(fā)生時(shí)，斜率變化并不十分顯著，很難作出精確判斷，缺乏準(zhǔn)確性。（3）、最近Bendjaballah等人[3]結(jié)合上述兩種方法，根據(jù)漂移通量和滑移速度提出了一種改進(jìn)的方法，主要通過滑移速度Us對(duì)ug+ul作圖，由于在均勻流域，Us隨ug+ul增加而下降，而在非均勻流域，Us隨ug+ul增加而增加，呈現(xiàn)出與均勻流域截然不同的趨勢(shì)，變化比較明顯，從而在一定程度上提高了流域識(shí)別的準(zhǔn)確度。εgug/εg(3)(3)(1)均勻鼓泡流域(1)均勻鼓泡流域(2)過渡流域(2)過渡流(2)(3)非均勻流域(3)非均勻流域(1)(2)(3)(1)3-5cm/s7-9cm/sUg(cm/s)ug+ul(m/s)圖1.鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)的流域劃分圖圖2.Zuber和Findlay漂移通量分析圖3.1.3動(dòng)態(tài)氣體逸出法（DGD）第三種方法稱之為動(dòng)態(tài)氣體逸出法（DGD），此種方法是國(guó)外近年來廣泛采用的一種比較簡(jiǎn)單、測(cè)量精度較高的用于測(cè)量氣含率和或知有關(guān)氣泡尺寸分布特性（大小氣泡所占比例）的方法。在鼓泡塔處于穩(wěn)定操作條件下，突然關(guān)閉氣源，同時(shí)使用壓力傳感器連續(xù)測(cè)量切斷氣源后反應(yīng)器內(nèi)壓力梯度的變化。用此法進(jìn)行流域識(shí)別、判斷流域轉(zhuǎn)換主要是基于如下認(rèn)定：均勻流域內(nèi)氣泡尺寸分布均勻，關(guān)閉氣源后，所有氣泡幾乎均以相同的速度逸出，因而氣含率隨時(shí)間呈單一的線性下降關(guān)系。而在非均勻流域，大小氣泡群同時(shí)存在，大氣泡在關(guān)閉氣源的初始階段首先快速逸出，造成氣含率的顯著下降，而當(dāng)大氣泡幾乎全部逸出后，小氣泡開始逐漸緩慢逸出，氣含率下降趨勢(shì)減緩，逸氣過程表現(xiàn)出明顯的階段性。通過觀察氣含率隨時(shí)間的變化規(guī)律可獲悉體系所處的流域。在鼓泡塔內(nèi)使用該法獲得的典型曲線圖如圖3所示。顯而易見，該法不適合用于識(shí)別氣升式反應(yīng)器內(nèi)的流域，因?yàn)殛P(guān)掉氣源也就意味著停止了總體液體的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，而且這種方法并不能確定出發(fā)生流域轉(zhuǎn)換所對(duì)應(yīng)的表觀氣速。但是不可否認(rèn)的是，該法確實(shí)不失為一種同時(shí)分析流域和氣相流動(dòng)結(jié)構(gòu)的好方法。綜上所述，上述提及的基于體系平均流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化特性識(shí)別流域的各種方法的主要缺陷在于缺乏普適性，要視反應(yīng)器而定而且準(zhǔn)確度低。這正是大量研究者致力于開發(fā)具有普適性、高精度識(shí)別技術(shù)的主要原因，也正是在這種推動(dòng)力的作用下，才有了第二類方法的蓬勃發(fā)展。εg非均勻流域（1）氣源關(guān)斷前(1)（2a）大氣泡逸出（2a）(2b)小氣泡逸出(2b)（3）液位(3)均勻流域T(s)時(shí)間圖3.動(dòng)態(tài)氣體逸出法示意圖3.2基于動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)間序列的非線性分析法：新近出現(xiàn)的這類方法主要是通過解析與流型相關(guān)的各種信號(hào)的動(dòng)態(tài)波動(dòng)情況，獲取體系的瞬態(tài)流動(dòng)信息，更為準(zhǔn)確的識(shí)別流域轉(zhuǎn)換，以便達(dá)到從物理本質(zhì)上揭開有關(guān)引發(fā)流域發(fā)生轉(zhuǎn)換的內(nèi)在機(jī)制這一最終目的。目前，這類方法已被廣泛應(yīng)用于兩相和三相管流[8]、填充床反應(yīng)器[9]、噴淋床反應(yīng)器[10]、流化床反應(yīng)器[11]、鼓泡塔反應(yīng)器和氣升式反應(yīng)器[12-13]內(nèi)流域的識(shí)別。為了獲悉有關(guān)流域動(dòng)態(tài)特性的相關(guān)信息，科技人員對(duì)壁面壓力波動(dòng)信號(hào)[14]、局部氣含率波動(dòng)信號(hào)[15]（使用光學(xué)探針測(cè)得）、軸向徑向脈動(dòng)速度波動(dòng)信號(hào)[16]（使用激光多普勒測(cè)速儀（LDA）測(cè)得）、局部瞬間傳熱速率波動(dòng)信號(hào)[17]（使用熱絲探針作為測(cè)量工具）等各種信號(hào)的分析方法作了深入的探討。目前最為突出且廣為使用的非線性分析方法主要包括：頻譜分析法[14，18]、分形分析法[16,19]、混沌分析法[16,20,21]以及新近提出的一種基于自相關(guān)函數(shù)的時(shí)域分析法[12-13]本文僅就上述四種方法給予詳細(xì)敘述。尚須闡明的是在上述提及的測(cè)量信號(hào)中，由于壓力是能量參數(shù)，壁面壓力信號(hào)的波動(dòng)可能源于下列各種物理現(xiàn)象的發(fā)生：氣泡通過、氣泡形成、氣泡聚并和氣泡破碎、液相的湍動(dòng)、循環(huán)流動(dòng)等，因而很難從中直接獲取有關(guān)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息。但是由于獲得壁面壓力信號(hào)的測(cè)量技術(shù)非常簡(jiǎn)單而且費(fèi)用低、加之測(cè)量?jī)x器（一般為壓力傳感器）并未直接插入流場(chǎng)對(duì)流場(chǎng)不構(gòu)成干擾，又不受體系透明度的限制，備受青睞，具有實(shí)際工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。鑒于上述原因，本文僅以壁面壓力波動(dòng)信號(hào)解析為例對(duì)各種方法加以闡述。3.2.1頻譜分析法(PSDF)：頻譜分析主要是把壓力時(shí)間序列的自相關(guān)函數(shù)（Cxx）通過快速傅里葉變換獲得相應(yīng)的功率譜密度函數(shù)（PSDF）。某一時(shí)間序列x(t)的傅里葉變換由（4）式定義：（4）時(shí)間序列x(t)的自相關(guān)函數(shù)Cxx定義式為：（5）相應(yīng)的功率譜密度函數(shù)（PSDF）的表達(dá)式為：（6）功率譜的計(jì)算可是我們獲知在宏觀和微觀尺度范圍內(nèi)是否有周期或者準(zhǔn)周期運(yùn)動(dòng)的存在，以及這些運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的特征頻率。Draho?等人[14]最早在鼓泡塔的研究中使用了這種方法，他們經(jīng)過調(diào)查研究得出了各種物理現(xiàn)象產(chǎn)生的特征頻率范圍，詳見表1。而且得出如下結(jié)論：對(duì)鼓泡塔而言，我們感興趣的頻率范圍是0－20Hz。這為后續(xù)研究工作奠定基礎(chǔ)。一般對(duì)鼓泡塔和氣升式反應(yīng)器內(nèi)壓力信號(hào)作頻譜分析時(shí)通常采用25Hz作為低通濾波的截?cái)囝l率。在處理信號(hào)時(shí)，一般采用Welch提出的平均周期圖法估算，即把數(shù)據(jù)序列分為長(zhǎng)度為L(zhǎng)（經(jīng)常選512個(gè)點(diǎn)）的K個(gè)有一定重疊或者無任何重疊的數(shù)據(jù)段，每一段數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)窗函數(shù)處理，通常使用Hanning（漢明）窗函數(shù)來處理以避免混淆現(xiàn)象的發(fā)生。Vial等人[12,13]獲得的頻譜圖具有典型的代表意義，如圖4所示，他們的研究表明：對(duì)于使用多孔板作為氣體分布器的鼓泡塔反應(yīng)器而言，在均勻流域時(shí)，只在低頻帶出現(xiàn)一個(gè)特征峰，對(duì)應(yīng)的特征頻率大約為0.1Hz，經(jīng)過分析他們認(rèn)為此表1壓力信號(hào)的特征頻率來源特征頻率的數(shù)量級(jí)氣泡的形成>101氣泡通過100－101氣泡聚并100大尺度旋渦10－1中等尺度旋渦100液位波動(dòng)10－2－10－1峰是液位緩慢振動(dòng)產(chǎn)生的。而在非均勻流域，只在3－5Hz出現(xiàn)一個(gè)較寬的特征峰，他們認(rèn)為這是由于在此流域下，氣液兩相均已形成宏觀流動(dòng)結(jié)構(gòu)，近壁處氣泡交替地向上、向下運(yùn)動(dòng)，這種準(zhǔn)周期現(xiàn)象導(dǎo)致近壁處壓力波動(dòng)較高，產(chǎn)生了新的特征峰。雖然在非均勻流域，氣泡發(fā)生聚并和破碎，但是是隨機(jī)發(fā)生的，導(dǎo)致這些現(xiàn)象的強(qiáng)度與而近壁處氣泡的準(zhǔn)周期運(yùn)動(dòng)相比要弱得多。在過渡流域，上述提及的兩個(gè)峰均同時(shí)存在，只是強(qiáng)度有所變化。這就意味著氣泡的準(zhǔn)周期運(yùn)動(dòng)有一個(gè)逐漸發(fā)展的過程，隨著氣速的增加，其強(qiáng)度會(huì)逐漸增加，當(dāng)其強(qiáng)度超越了均勻流域下液位波動(dòng)時(shí)，就標(biāo)志著已經(jīng)過渡到非均勻流流域。外環(huán)流氣升式反應(yīng)器的PSDF變化趨勢(shì)與鼓泡塔內(nèi)的大致相同，只是由于此體系內(nèi)總體液體循環(huán)流動(dòng)的寸在，起到了穩(wěn)定體系的作用，使得對(duì)氣升式反應(yīng)器而言，第二個(gè)特征峰峰的特征頻率在4或5Hz左右，較鼓泡塔的要高（一般在3HZ）。非均勻流域頻率(Hz)頻率(Hz)氣升式反應(yīng)器Ug＝20cm/s氣升式反應(yīng)器Ug=12cm/s氣升式反應(yīng)器Ug=7cm/s鼓泡塔非均勻流域頻率(Hz)頻率(Hz)氣升式反應(yīng)器Ug＝20cm/s氣升式反應(yīng)器Ug=12cm/s氣升式反應(yīng)器Ug=7cm/s鼓泡塔Ug=2.7cm/s鼓泡塔Ug=11cm/s鼓泡塔Ug=7.2cm/s頻率(Hz)頻率(Hz)頻率(Hz)均勻流域過渡流域非均勻流域過渡流域均勻流域雖然頻譜分析可以揭示出一些物理現(xiàn)象，具有重要意義，但是卻有其內(nèi)在的局限性，是完全基于隨機(jī)函數(shù)的處理方法演變來的，Chen等人[22]研究結(jié)果表明：在鼓泡塔中即使通過解析壓力波動(dòng)信號(hào)以外的與流動(dòng)結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的局部傳熱速率波動(dòng)信號(hào)，僅通過功率譜分析很難及時(shí)洞悉有關(guān)反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)變化的信息。3.2.2分形分析：Fan，Neogi等人[23]在1990年首次使用這種方法分析了流化床反應(yīng)器內(nèi)的壓力波動(dòng)信號(hào)，Draho?等人[19]在1992年把這種方法成功地用于鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)流域的識(shí)別。鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)具有高度的隨機(jī)性，這主要是由于體系內(nèi)存在著液體循環(huán)流動(dòng)、氣泡形成、氣泡聚并與破碎、氣泡通過等各種物理現(xiàn)象，這些現(xiàn)象具有非周期運(yùn)動(dòng)的特性，忽快忽慢。而在時(shí)間序列中包含兩種主要的過程信息：一些過程具有長(zhǎng)期依存性，換句話說，時(shí)間序列的將來，這些過程稱為持久性過程或正相關(guān)過程；另外一些過程只有短期記憶，時(shí)間序列的將來演變趨勢(shì)同它的過去正相反，這類過程稱為反持久性過程或負(fù)相關(guān)過程。分形分析法是Hurst[24]在1951年提出的對(duì)時(shí)間序列采用所謂的R/S（rescalerangeanalysis）方法進(jìn)行分析（其全名為“改變尺寸范圍的分析），來求取Hurst指數(shù)和時(shí)間序列的分?jǐn)?shù)維。其基本思想是：改變所研究的時(shí)間尺度的大小，研究其統(tǒng)計(jì)特征的變化規(guī)律，從而可將小尺度范圍的規(guī)律用于大的時(shí)間尺度范圍內(nèi)或?qū)⒋髸r(shí)間尺度得到的規(guī)律應(yīng)用到小尺度，這種整體和部分之間規(guī)律的相似性正是分形幾何的核心思想。上述兩種過程的Hurst指數(shù)各自具有相應(yīng)的范圍：于正相關(guān)過程，Hurst指數(shù)一般在0.5-1的范圍內(nèi)，而對(duì)于負(fù)相關(guān)過程，Hurst在0－0.5范圍內(nèi)變動(dòng)，Hurst指數(shù)等于0.5時(shí)說明此過程是隨機(jī)過程。Hurst指數(shù)H和分?jǐn)?shù)維的計(jì)算過程如下所述：首先把測(cè)得的時(shí)間序列分為L(zhǎng)個(gè)時(shí)間間隔長(zhǎng)度為τ的子段，每個(gè)子段中包括n個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)于每一個(gè)子段i：1、累積離差；（7）2改變尺度范圍R(i,n)以及時(shí)間序列的均方根偏差S(i,n)由下兩式計(jì)算：（8）（9）（10）（R/S）τ等于L個(gè)（R/S）i的平均值由于，因而通過（R/S）τ－τ雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖的斜率就可求得相應(yīng)的Hurst的指數(shù)值。對(duì)于自仿射曲線，F(xiàn)eder[25]指出H與局部分形維數(shù)dFL有如下關(guān)系存在：（11）Vial等人[12,13]的研究表明，對(duì)于使用多孔板作為氣體分布器的鼓泡塔反應(yīng)器而言，過渡流域的主要特點(diǎn)是Hurst指數(shù)發(fā)生突變，由均勻流域的0.9急劇下降到0.5左右。在均勻流域則表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)特性，而在非均勻流域則表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)特性。在氣升式反應(yīng)器內(nèi)流域之間存在的差異不如鼓泡塔的明顯，而且不能識(shí)別出均勻流域與過渡流域之間的轉(zhuǎn)換點(diǎn)。但是通過這種方法，他們卻發(fā)現(xiàn)了這樣一個(gè)事實(shí)：與鼓泡塔相比而言，氣升式反應(yīng)器內(nèi)的行為的持久性差?？傊?，分形分析法提供了有關(guān)流型方面的定性信息，但是卻很難精確識(shí)別流域轉(zhuǎn)換點(diǎn)。3.1.3混沌分析：90年代非線性動(dòng)力學(xué)中混沌理論的誕生使非線性科學(xué)有了可靠的理論保證，也為多相流領(lǐng)域的研究工作注入了新的生機(jī)與活力，迄今為止，混沌理論在流型轉(zhuǎn)變、表征流動(dòng)結(jié)構(gòu)[及反應(yīng)器放大等方面得到了初步的應(yīng)用。所謂的混沌體系是指一個(gè)非線性的確定性體系，其具有敏感依賴于初始條件的特性，換句話說，初始條件的微小差別將最終導(dǎo)致截然不同的現(xiàn)象出現(xiàn)，這皆是源于初始時(shí)存在的差異在演化過程中會(huì)呈指數(shù)性增長(zhǎng)所致。這種差異增長(zhǎng)的快慢一般用Komogorov熵來衡量，此參數(shù)的大小描述了體系的運(yùn)動(dòng)特性：對(duì)于規(guī)則運(yùn)動(dòng)而言，K=0；對(duì)于隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，K→，若系統(tǒng)表現(xiàn)出確定性混沌特性，則K值是大于0的常數(shù)。此參數(shù)表示了系統(tǒng)在隨時(shí)間變化的過程中信息的損失速度，反映了系統(tǒng)的可預(yù)測(cè)程度或者說系統(tǒng)的混亂度。考察一個(gè)動(dòng)態(tài)體系可通過在相空間中觀察其軌跡的方法實(shí)現(xiàn)。為了構(gòu)造相空間，需要同步測(cè)出體系所有狀態(tài)變量的時(shí)間序列。這是很難作到的。往往可通過解析一等時(shí)時(shí)間間隔的單變量的時(shí)間序列來分析系統(tǒng)的特性，這是因?yàn)閱巫兞繒r(shí)間序列是許多物理因子相互作用的綜合反映，它蘊(yùn)藏著參予運(yùn)動(dòng)的全部變量的痕跡，一個(gè)變量隨時(shí)間的變化隱含著整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)規(guī)律。為此，法國(guó)數(shù)學(xué)家Rulle于1981年提出了重構(gòu)相空間的概念，即由任意一個(gè)單變量的時(shí)間序列重構(gòu)一個(gè)等價(jià)的相空間來再現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。Takens[26]則從數(shù)學(xué)上為其奠定了可靠的基礎(chǔ)，提出了如何用延遲坐標(biāo)法將時(shí)間序列x(t)重構(gòu)為m維相空間，其中m稱為嵌入維數(shù)，是重構(gòu)的相空間的維數(shù)。由系統(tǒng)中某一可觀測(cè)的時(shí)間序列，重構(gòu)m維相空間，得到一組相空間矢量：（12）τ為延滯時(shí)間，是需要確定的參數(shù)。τ的確定一般是采用vandenBleek和Choutenτ[27]等人1993年提出的方法－把自相關(guān)函數(shù)與x坐標(biāo)的第一個(gè)交點(diǎn)作為延遲時(shí)間。此重構(gòu)相空間中吸引子的分形結(jié)構(gòu)可由Grassberger和Procaccia[28]提出的關(guān)聯(lián)維數(shù)來表征。關(guān)聯(lián)維數(shù)定量刻畫了系統(tǒng)的自由度，可通過關(guān)聯(lián)積分函數(shù)CD(r)求得，具體入下：（13）式中He是Heaviside階躍函數(shù)，，對(duì)于確定性混沌體系，有如下關(guān)系存在：（14）通過關(guān)聯(lián)積分曲線lnCD(r)—lnr上直線段的斜率可求得Dc，而后連續(xù)增大嵌入維數(shù)m,重復(fù)上述步驟，便可得到一系列的Dc值。當(dāng)Dc不再隨嵌入維數(shù)的增大發(fā)生變化而達(dá)到飽和時(shí)，對(duì)應(yīng)的值就是體系的關(guān)聯(lián)維數(shù)D。關(guān)聯(lián)維數(shù)和Komogorov熵是識(shí)別流域和確定流域轉(zhuǎn)換的兩個(gè)重要參數(shù)。Letzel等人[20]在1997年通過對(duì)間歇鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)的壓力時(shí)間序列的分析得出了相應(yīng)的關(guān)聯(lián)維數(shù)D和Komogorov熵值，他們發(fā)現(xiàn)K－Ug和D－Ug曲線具有相似的形狀，在流域發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)，K值和D值均反生突變。Vial等人[12,13]計(jì)算了各氣速條件下外環(huán)流氣升式反應(yīng)器和鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)壓力波動(dòng)的關(guān)聯(lián)維數(shù)。他們發(fā)現(xiàn)在均勻流域，D值總是保持近乎于常數(shù)，這是因?yàn)樵诖藯l件下，氣泡各自獨(dú)立地作線性運(yùn)動(dòng)，氣泡間不發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。隨表觀氣速的提高，流域開始發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，D值急劇下降，這是因?yàn)樵谶^渡流域，液體開始作循環(huán)運(yùn)動(dòng)使得體系內(nèi)的流動(dòng)具有一定的結(jié)構(gòu)性，致使體系的自由度下降，而當(dāng)完全發(fā)展的非均勻流形成時(shí)，由于體系內(nèi)氣泡發(fā)生強(qiáng)烈的聚并，體系的自由度又有所會(huì)升，D值開始上升，最終達(dá)到與均勻流條件下的D值接近。關(guān)聯(lián)維數(shù)的具體變化情況如圖5所示。通過混沌分析可使我們深刻洞悉氣液分散體系內(nèi)流動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性，可清晰地識(shí)別出流域的轉(zhuǎn)換，但計(jì)算量特別大。3.1.4基于自相關(guān)函數(shù)分析建立的一種新方法：ACF法此方法是2001年Vial等人[12,13]在Draho?等人[14]研究工作的基礎(chǔ)上提出的一種新方法，主要是求取自相關(guān)函數(shù)的特征時(shí)間，通過特征時(shí)間的變化趨勢(shì)，識(shí)別流域的轉(zhuǎn)換，而且通過與互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行聯(lián)合分析，尚可得出有關(guān)液體循環(huán)速度以及相應(yīng)宏觀流動(dòng)結(jié)構(gòu)的特征尺度。自相關(guān)函數(shù)（ACF）的表達(dá)式為：（15）由上式可見，自相關(guān)含數(shù)把X(t)與X(t-τ)相關(guān)聯(lián)，體現(xiàn)了X(t)是如何受它的過去影響的，因而可識(shí)別出一些隱藏在背后的周期性，但一般ACF不常被用于識(shí)別流型，相比之下，ACF的傅里葉變換—PSDF，由于具有如前文所述的易于解析的特點(diǎn)，在流域的識(shí)別中被廣為使用。但是值得注意的是PSDF法不能很好的確定流域轉(zhuǎn)換點(diǎn)，而這種新方法卻能夠較精確的確定出流域轉(zhuǎn)換點(diǎn)，并獲得有關(guān)流動(dòng)特性和流動(dòng)結(jié)構(gòu)的定量信息，具有其他方法無法比擬的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。圖5給出在均勻流和非均勻流條件下，一氣升式反應(yīng)器內(nèi)獲得的典型的ACF曲線。如圖所示，體系處于均勻流狀態(tài)時(shí)，ACF曲線的形狀反映出一種典型隨機(jī)過程的特性—呈現(xiàn)出指數(shù)衰減趨勢(shì)。此流域下的特征時(shí)間可由方程（16）求得：（16）在非均勻流條件下，ACF曲線的變化特點(diǎn)則顯示出有某種準(zhǔn)周期運(yùn)動(dòng)疊加在隨機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中。在此條件下的特征時(shí)間可由（17）式得出：（17）時(shí)間(s)時(shí)間(s)氣升式反應(yīng)器Ug=16.4cm/s氣升式反應(yīng)器Ug時(shí)間(s)時(shí)間(s)氣升式反應(yīng)器Ug=16.4cm/s氣升式反應(yīng)器Ug=3.7cm/s非均勻流域均勻流域圖5.均勻流域和非均勻流域下的典型ACF曲線使用此方法確定流越的轉(zhuǎn)換點(diǎn)時(shí)，首先由實(shí)驗(yàn)獲得ACF曲線，根據(jù)曲線的形狀特點(diǎn)，使用相應(yīng)的（7）式或（8）式進(jìn)行計(jì)算，獲取相應(yīng)的特征時(shí)間和近壁處流動(dòng)結(jié)構(gòu)的主頻f0。均勻流域的特征時(shí)間與氣泡在傳感器附近的停留時(shí)間相關(guān)，一般很小。隨著氣速的提高，過渡流域，液體宏觀循環(huán)運(yùn)動(dòng)的形成引發(fā)了一系列時(shí)間尺度較長(zhǎng)的過程，特征時(shí)間急劇增大。而當(dāng)非均勻流域已完全建立，流動(dòng)變得更為混亂，特征時(shí)間幾乎不變，甚至?xí)邢陆档内厔?shì)。圖6顯示了鼓泡塔和外環(huán)流氣升式反應(yīng)器內(nèi)特征時(shí)間變化的實(shí)際趨勢(shì)。多孔噴嘴鼓泡塔氣升式反應(yīng)器x單孔噴嘴°多孔噴嘴鼓泡塔氣升式反應(yīng)器x單孔噴嘴°多孔噴嘴圖6.兩種反應(yīng)器內(nèi)特征時(shí)間隨表觀氣速的變化情況4、結(jié)論：本文對(duì)各種識(shí)別流域和確定流域轉(zhuǎn)換的方法作了簡(jiǎn)要的介紹。在這些方法中，PSDF不失為一種識(shí)別流域的好方法，但這種方法不能精確的確定流域轉(zhuǎn)換點(diǎn)。分析分析法和混沌分析法則能較精確的確定流域轉(zhuǎn)換點(diǎn)，而且Hurst指數(shù)和關(guān)聯(lián)維數(shù)的大小可在一定程度上反映出相應(yīng)流域下流動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性。不過這兩種方法計(jì)算量比較大；ACF法相對(duì)而言比較簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，而且還可以給出有關(guān)流動(dòng)結(jié)構(gòu)尺度和液體循環(huán)速度等方面的定量信息，具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)?？紤]到多相流體系內(nèi)氣泡的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)和兩相之間存在的強(qiáng)烈的湍流剪切作用，以及體系內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)所具有的極為復(fù)雜的時(shí)空變化模式，為了達(dá)到精確識(shí)別流域、確定流域轉(zhuǎn)換點(diǎn)，獲得有關(guān)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)信息的目的，應(yīng)進(jìn)一步深入發(fā)展解析動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)間序列的非線性分析法。參考文獻(xiàn)：1.BoJin,PaulLant,Flowregime,hydrodynamics,flocsizedistributionandsludgepropertiesinactivatedsludgebubblecolumn,air-liftandaeratedstirredreators.ChemicalEngineeringScience,59(2004)2379-2388;2.vanLoosdrecht,M.C.M.,Eikelboom,D.,Gjaltema,A.,Mulder,A.,Tijhuis,L.andHeijnen,J.J.,Biofimstructures.Wat.Sci.Tech.,32,(1996)35-433.Bendjaballah,N.,Dhaouadi,H.,Poncin,S.,Midoux,N.,Hydrodynamicsandflowregimesinexternalloopairliftreactors.ChemicalEngineeringScience,54(1999),5211-5221;4.Chen,R.C.,Reese,J.,&Fan,L.-S.,Flowstructureinathree-dimensionalbubblecolumnandthreephasefluidizedbed.AIChEJournal,40(1994),1094-1104;5.Wallis,G.B.,InteractionbetweenFluidandParticle.Instn.Chem.Engrs.,London,(1962)96.Snape,J.B.,Zahradnik,J.,Flalova,M.,Thomas,N.H.,Liquid-phasepropertiesandspargerdesigneffectsinanexternal-loopairliftreactor.ChemicalEngineeringScience,50(1995),3175-3186;7.Vial,Ch.,Poncin,S.,Wild,G.,Midoux,N.,Experimentalandtheoreticalanalysisofthehydrodynamicsintheriserofanexternalloopairliftreactor.ChemicalEngineeringScience,57(2002),4745-4762;8.Draho?,J.,Cermák,J.,Diagnosticsofgas-liquidpatternsinchemicalengineeringsystems,Chem.Eng.Process.,26(1989),147-164;9.Latifi,M.A.,Midous,N.,Storck,A.,Gence,J.N.,Theuseofmicro-electrodesinthestudyofflowregimesinapackedbedreactorwithasinglephaseliquidflow.ChemicalEngineeringScience,44(1989),2501-2508;10.Latifi,M.A.,Rode,S.,Midous,N.,Storck,A.,Theuseofmicro-electrodesinthestudyofflowregimesinatrickled-bedreactor.ChemicalEngineeringScience,47(1992),1955-1961;11.Briens,L.A.,Briens,C.L.,Margartis,A.,Hay,J.,Minimumliquidfluidizationvelocityingas-liquid-solidfluidizedbedoflow-densityparticles.ChemicalEngineeringScience,52(1997),4231-4238;12.Vial,Ch.,Poncin,S.,Wild,G.,Midoux,N.,Asimplemethodforregimeidentificationandflowcharacterizationinbubblecolumnsandairliftreactors.ChemicalEngineeringandProcessing,40(2001),135-151;13.Vial,Ch.,Camarasa,E.,Poncin,S.,Wild,G.,Midoux,N.,Bouillard,J.,StudyofHydrodynamicbehaviorinbubblecolumnsandexternalloopairliftreactorsthroughanalysisofpressurefluctuations.ChemicalEngineeringScience,55(2000),2957-2973;14.Draho?,J.,Zahradnik,J.,Puncochár,M.,Flalová,M.,Bradka,F.,Effectofoperatingconditionsonthecharacteristicsofpressurefluctuationsinbubblecolumn.Chem.Eng.Process.,29(1991),107-115;15.Bakshi,B.R.,Zhong,H.,Jiang,P.,Fan,L.-S.,Analysisofflowingas-liquidbubblecolumnsusingmulti-resolutionmethods.Trans.Inst.Chem.Eng.,73(1995),608-61416.Olmos,E.,Gentric,C.,Poncin,S.,Wild,G.,Midoux,N.,DescriptionofflowregimetransitionsinbubblecolumnsvialaserDoppleranemometrysignalsprocessing.ChemicalEngineeringScience,58(2003),1731-1742;17.Chen,W.,Hasegawa,T.,Tsutsumi,A.,Otawara,K.,Scale-upeffectsonthetime-averagedanddynamicbehaviorinbubblecolumnreactors.ChemicalEngineeringScience,56