氣液兩相流流型識(shí)別研究

氣液兩相流流型識(shí)別研究

0氣液兩相流流動(dòng)工況的研究氣、液兩相流的現(xiàn)象在自然界和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛存在，這與人類的生活和生產(chǎn)活動(dòng)密切相關(guān)。目前,在動(dòng)力、石油、核能、冶金、制冷、化工和航天等領(lǐng)域有許多設(shè)備,例如,電站的各種沸騰管、鍋爐、石油工程設(shè)備、核反應(yīng)堆、蒸發(fā)器、飛船環(huán)境系統(tǒng)及化工行業(yè)的精餾塔等中都涉及氣液兩相流流動(dòng)工況。兩相流流型極大地影響著氣液兩相流的流動(dòng)特性和傳熱傳質(zhì)特性,同時(shí)對(duì)流動(dòng)參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量以及兩相流系統(tǒng)的運(yùn)行特性也有很大影響。在氣液兩相流研究工作的早期,由于缺乏此方面的知識(shí),曾經(jīng)發(fā)生過不少工業(yè)事故。因此對(duì)于氣液兩相流的流型識(shí)別研究應(yīng)該給予高度重視,此方面研究不僅具有重要的學(xué)術(shù)意義和實(shí)用價(jià)值,也為相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備經(jīng)濟(jì)、安全的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。正因?yàn)槿绱?氣液兩相流流型識(shí)別的研究一直是氣液兩相流研究領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。1流型的劃分標(biāo)準(zhǔn)氣液兩相流流型的定義:氣液兩相流的流型就是氣、液兩相界面分布呈現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)形式或不同幾何圖形的現(xiàn)象,通常簡(jiǎn)稱為流型。由于氣體和液體在一起流動(dòng)的過程中,兩相均可發(fā)生變形,且兩相界面將不斷變化,進(jìn)而兩相介質(zhì)的分布狀態(tài)也會(huì)不斷變化,從而導(dǎo)致流型變的復(fù)雜化、多樣化。同時(shí)流型還與管道尺寸、管截面形狀、管道角度、管道加熱狀態(tài)、所處的重力場(chǎng)、介質(zhì)的表面張力、壁面及相界面間的剪切力等因素有密切關(guān)系。因此,每位研究者對(duì)于流型都有不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)。Oshinowo從實(shí)際應(yīng)用的簡(jiǎn)明性考慮,在綜合發(fā)展了其他研究學(xué)者結(jié)果的基礎(chǔ)之上,提出了幾種常見流動(dòng)條件下的流型劃分標(biāo)準(zhǔn),如下面表1所示。現(xiàn)給出最為常見的兩種管道條件下的流型劃分圖。1)垂直下降管的流型劃分為五種,如圖1所示。2)由于重力影響造成了水平管道內(nèi)流動(dòng)的不對(duì)稱性,使得其與垂直管道的流型有所不同,我們根據(jù)Oshinowo流型劃分原則把水平管道中的流型劃分為六種,具體的流型如圖2所示。2氣、氣兩相流流型識(shí)別的科學(xué)研究2.1流型圖法識(shí)別傳統(tǒng)的靜態(tài)流型識(shí)別方法主要有兩大類:一類是根據(jù)通過流型轉(zhuǎn)變機(jī)理得到的轉(zhuǎn)變關(guān)系式,同時(shí)利用現(xiàn)場(chǎng)的兩相流流動(dòng)參數(shù)如壓力降、分項(xiàng)含率等來(lái)確定具體的流型;另一類是采用實(shí)驗(yàn)的方法做出流型圖。即在實(shí)踐過程中,根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出各種流型狀態(tài)圖,建立流型變化的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)判別式,之后根據(jù)這些判別式來(lái)確定大概的流型。這種方法雖然簡(jiǎn)單,但是其精度不高,且局限性較大,不同的流型圖之間存在一些差別,至今還沒有得到一致公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。流型圖是綜合表示流型間過渡關(guān)系的一種簡(jiǎn)便方法,但是想用一種普適的二維坐標(biāo)流型圖來(lái)解決各種情況下的流型識(shí)別是非常困難的,導(dǎo)致現(xiàn)有的流型圖坐標(biāo)參數(shù)表達(dá)式形式繁多,常隨著研究者的主觀認(rèn)識(shí)而異。最具有代表性的為Baker流型圖和Mandhane流型圖,如下圖3、圖4所示。雖然各國(guó)學(xué)者經(jīng)過不懈努力做出了兩相流流型圖,也推導(dǎo)出了常見的流型轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則關(guān)系式,但是這些傳統(tǒng)的靜態(tài)流型識(shí)別方法并不能在生產(chǎn)、生活中得到廣泛的應(yīng)用,而且離實(shí)際工程應(yīng)用還有相當(dāng)遠(yuǎn)的距離。究其原因,主要是不同學(xué)者所繪制的流型圖或所推導(dǎo)出的轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則關(guān)系式并不完全一致,都有一定的局限性和適用范圍,只是對(duì)一些常見的流型適用,在實(shí)際應(yīng)用中就顯得牽強(qiáng)、無(wú)所適從;同時(shí)由于缺乏對(duì)發(fā)生流型轉(zhuǎn)變機(jī)理的透徹了解,因此所建立的數(shù)學(xué)模型都存在一定的誤差。由于氣液兩相流系統(tǒng)的復(fù)雜性,要想用一個(gè)單一的數(shù)學(xué)模型來(lái)刻畫、區(qū)分所有流型幾乎是不可能的。2.2通過對(duì)流型的檢測(cè)來(lái)識(shí)別流型為了更好地識(shí)別流型,各國(guó)學(xué)者在繼流型圖之后做了大量研究,獲得了許多流型識(shí)別方法,根據(jù)工作原理,流型實(shí)時(shí)識(shí)別方法可以分為兩大類:一類是根據(jù)兩相流流動(dòng)圖像的形式直接確定流型,如目測(cè)法、高速攝像發(fā)、接觸探頭法、射線衰減法、電容層析成像法、過程層析成像法等;另一類是間接的通過對(duì)反應(yīng)兩相流流動(dòng)特性的波動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理分析,提取出流型特征,進(jìn)而識(shí)別流型的方法。這種方法是建立在波動(dòng)信號(hào)處理技術(shù)的基礎(chǔ)上的,其不僅具有設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn),而且還適用于過程比較復(fù)雜的流動(dòng)工況,此方法現(xiàn)已成為流型識(shí)別技術(shù)中的研究熱點(diǎn),并且還在不斷發(fā)展、創(chuàng)新。我們?cè)谶@里主要針對(duì)間接方法進(jìn)行綜述。2.2.1不同流型的兩相流特性由于流動(dòng)參數(shù)的波動(dòng)性是氣液兩相流的普遍特性,受流型的影響很大,因此可以利用兩相流動(dòng)參數(shù)的波動(dòng)特性來(lái)識(shí)別流型。壓差波動(dòng)法識(shí)別流型的原理是:流型不同,兩相流動(dòng)的擾動(dòng)度也不同,因此不同流型的兩相流體流過壓差測(cè)量段時(shí)就會(huì)得到不同的壓差波動(dòng)信號(hào)。Wambsganss等進(jìn)行關(guān)于水平放置的矩形通道內(nèi)氣、液兩相流流動(dòng)特性研究的試驗(yàn),并提出利用壁面靜壓力波動(dòng)均方根來(lái)辨識(shí)泡狀流或塞狀流向彈狀流轉(zhuǎn)變和彈狀流向環(huán)狀流轉(zhuǎn)變的方法。Tutu通過概率密度法(PDF)來(lái)確定壓差波動(dòng)信號(hào)在分布圖中的峰值個(gè)數(shù)和位置,進(jìn)而識(shí)別出彈狀流、環(huán)狀流、泡狀流和乳狀流。利用壓差波動(dòng)理論來(lái)識(shí)別流型具有信息量大,容易處理,識(shí)別準(zhǔn)確率高的優(yōu)點(diǎn),因此應(yīng)用比較廣。2.2.2壓力波動(dòng)信號(hào)的分形維數(shù)多相流動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)非線性的動(dòng)力耗散型系統(tǒng),它主要表現(xiàn)為一系列的混沌運(yùn)動(dòng),混沌運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出其特有的隨機(jī)性,具有普適性?；煦缦到y(tǒng)通過其運(yùn)動(dòng)軌跡在相空間中的幾何形態(tài),即分形來(lái)進(jìn)行描述,而分形的特征以分維來(lái)體現(xiàn)。由于所描述的具體對(duì)象不同,分維計(jì)算的具體形式也有多種,例如信息維數(shù)、混沌吸引子關(guān)聯(lián)維數(shù)和分形維數(shù)等。Cai提出了利用混沌理論計(jì)算氣、液兩相流壓力波動(dòng)信號(hào)的分形維數(shù)、Lyapunov指數(shù)、自相關(guān)函數(shù)等特征量,并根據(jù)上述特征量來(lái)識(shí)別流型。白博峰等認(rèn)為,混沌系統(tǒng)的分維數(shù)、關(guān)聯(lián)維數(shù)、Kolmogorov嫡在不同的流型中受折算液速的影響也不同,除了在高氣速的環(huán)狀流中,在其它流型內(nèi)的分維數(shù)都小于1.5。并通過實(shí)驗(yàn)得出:壓力波動(dòng)的混沌特性與流型密切相關(guān)。應(yīng)用混沌理論來(lái)識(shí)別流型在近年來(lái)已經(jīng)成為一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)。2.2.3基于自組織特性的氣液兩相流型識(shí)別人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種應(yīng)用類似于大腦神經(jīng)突觸聯(lián)接的結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息處理的數(shù)學(xué)模型,它是由大量處理單元互聯(lián)組成的非線性、自適應(yīng)信息處理系統(tǒng),通過模擬大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理、記憶信息的方式進(jìn)行信息處理,近年來(lái)在多相流的流型識(shí)別方面也開始應(yīng)用。周云龍等認(rèn)為由于流型的多樣性和模糊性,單純的應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)識(shí)別流型并不是很準(zhǔn)確,因此提出了一種運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和D-S證據(jù)理論二者多特征信息相融合的來(lái)識(shí)別氣液兩相流流型的方法,這就使得準(zhǔn)確率提高了很多。Embrechts等通過Kohonen自組織特性映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,對(duì)水平管內(nèi)的氣液兩相流流型進(jìn)行識(shí)別,結(jié)果表明,所有流型基本都能被識(shí)別出來(lái)。張立峰提出了一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軟測(cè)量方法,就是從電容層析成像(ECT)傳感器的輸出中提取特征參數(shù)作為軟測(cè)量模型的輔助變量,以兩相流流型為主導(dǎo)變量,構(gòu)建二級(jí)自組織競(jìng)爭(zhēng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)兩相流流型的在線判別。此辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)效果較理想,平均正確辨識(shí)率在90%以上,且判別速度快。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在流型識(shí)別中的應(yīng)用為流型識(shí)別理論的研究提供另一種思路,這種方法也必將為跟多的人所接納和采用。2.2.4基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾牧餍妥R(shí)別復(fù)雜度是在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種有限樣本下的學(xué)習(xí)算法,它具有嚴(yán)格的理論基礎(chǔ),較好地解決了樣本、非線性、高維數(shù)和局部極小點(diǎn)等實(shí)際問題。周云龍等針對(duì)氣液兩相流壓差波動(dòng)信號(hào)的非平穩(wěn)和非線性特征,提出了一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?EMD)復(fù)雜度特征和支持向量機(jī)的流型識(shí)別方法。該方法首先對(duì)兩相流壓差波動(dòng)信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?將其分解為若干個(gè)固有模態(tài)函數(shù)(IMF),然后對(duì)每一個(gè)IMF分量提取復(fù)雜度特征作為流型特征向量,并以此作為輸入?yún)?shù),建立支持向量機(jī)分類器來(lái)識(shí)別流型,能達(dá)到94%的識(shí)別率。此方法能準(zhǔn)確地識(shí)別流型,從而為流型識(shí)別提供了一種新的有效方法。3流型識(shí)別算法經(jīng)過國(guó)內(nèi)外研究者幾十年的不懈努力,氣液兩相流的流型識(shí)別技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展,已經(jīng)由最初的由實(shí)驗(yàn)得出的流型圖和通過轉(zhuǎn)變機(jī)理得出的流型轉(zhuǎn)變關(guān)系式這兩種傳統(tǒng)的流型識(shí)別方法發(fā)展到采用一些現(xiàn)代高科技儀器直接識(shí)別流型和運(yùn)用信息處理手段間接識(shí)別流型的程度。在現(xiàn)有的成熟的單相流儀表的基礎(chǔ)上借助微波技術(shù)、激光技術(shù)、光譜技術(shù)、層析成像技術(shù)、過程成像技術(shù)等各種技術(shù),研制出高準(zhǔn)確度、