（控制科学与工程专业论文）电容层析成像技术在两相流参数检测中的应用研究.pdf

摘要由于两相流动体系广泛存在于化工、冶金、能源、环保、轻工和军工等各个工业领域，促使两相流领域的研究工作迅速发展，成为国内外给予极大关注的前沿学科。两相流系统的动力学特性复杂，为非线性动态系统，参数检测的难度较大，在很多情况下，两相流参数检测技术已成为两相流研究的一个制约性因素。流量和空隙率是气液两相流的重要参数。由于气液两相间的相互作用和流型的随机变化，这两个参数的测量难度大。电容层析成像( e c t ) 技术具有非侵入性、成本低廉和安全性能佳等优点，已发展成为- - f q 重要的两相流参数检测技术。近年来，利用电容层析成像技术测量气液两相流参数已成为该技术领域的研究热点。然而，电容层析成像技术还不完善，在应用上尚存在不少问题和难点。本文在浙江大学多相流课题组近年来取得的研究成果基础上，对电容层析成像技术在两相流参数测量的应用方面进行了研究。本文的主要工作和创新点如下：1 ) 采用基于t i k h o n o v 正则化和a r t 迭代的组合型图像重建算法重建气液两相流截面图像。该图像重建算法利用t i k h o n o v 正则化克服图像重建过程中的不适定性，获取初始图像，利用a r t 迭代改善图像重建质量。本文分析了不同流型下最优正则化因子，选择了较合适的正则化因子用于a r t 初始图像的获取，并对a r t 算法的迭代步数与实时性以及图像重建质量之间的关系进行了研究，选择1 0 步作为a r t 的迭代步数。实验表明该算法能够获得较好的重建图像并具有较好的实时性。2 ) 提出了基于自适应图像闽值算法的空隙率测量方法。应用o t s u 算法自动获取气液两相流截面图像的滤波闽值，在此滤波阈值基础上，利用重建图像灰度值建立了空隙率测量模型，对气液两相流空隙率进行了在线测试。与快关阀法的测试结果进行了比较，结果表明采用自适应图像阈值摘要算法的空隙率测量方法所获得的空隙率值与快关阀法测量值的符合程度较好，基于自适应图像闺值算法的空隙率测量法在一定的测量范围内能够满足实际应用的要求。3 ) 应用数据分析技术，对直接利用电容层析成像系统电容测量数据进行空隙率测量作了初步的探索，提出了多模型空隙率测量方法。采用模糊模式识别技术实现流型的在线辨识。通过主成分回归对电容测量数据进行发掘，建立典型流型下的空隙率测量模型。结合流型辨识和空隙率测量模型，建立了多模型空隙率测量系统，可在无需利用复杂图像重建算法进行图像重建的情况下，对空隙率进行测量。4 ) 提出了基于电容层析成像技术和文丘利管的气液两相流流量测量方法。利用电容层析成像系统测量气液两相流的空隙率，在实验的基础上，建立了反映空隙率与干度之间关系的关联式。分析了几种文丘利管流量测量模型，并应用这些模型进行了气液两相流总质量流量和液相质量流量测量的初步研究。测量结果显示，采用某些流量测量模型在某些流型下可以获得较好的测量结果。关键词：电容，层析成像，气液两相流，流量，空隙率，测量，文丘利管i ia b s t r a c tt w o p h a s ef l o ww i d e l ye x i s t si nm a n yi n d u s t r i e ss u c ha sc h e m i c a li n d u s t r y , m e t a l l u r g i e a li n d u s t r y , e n e r g yi n d u s t r ya n ds oo n t h er e s e a r c ho nt w o p h a s ef l o w , w h i c hh a sb e e no n eo ft h ef r o n t i e rs u b j e c t sc o n c e r n e dd e e p l yi nt h ew o r l d ，i sd e v e l o p i n gr a p i d l y i ti ss i g n i f i c a n tt oc o r r e c t l ym e a s u r ep a r a m e t e r so f t w o p h a g ef l o wf o rp r o c e s sc o n t r o l ，e n e r g yc o n s e r v a t i o n , q u a l i t ya s s u r a n c ea n ds a f e t y h o w e v e r ，t h ei n h e r e n tc o m p l e x i t yo ft h et w o - p h a s em i x t u r ec a u s e sm a n yd i m c u l t i e st om e a s u r et h et w o d h a s ef l o w , i nm a n yc a s e s t h em e a s u r e m e n tt e e h n o l o g yf o rt w o p h a s ef l o wh a sb e e no n eo ft h eb o t t l e n e c k si nt h er e s e a r c hf i e l do f t h et w o p h a s ef l o w f l o w r a t ea n dv o i d a g ea r et w oi m p o r t a n tp a r a m e t e r so fg a s l i q u i dt w o - p h a s ef l o w i ti sd i f f i c u l tt om e a s u r et h e s ep a r a m e t e r sa c c u r a t e l yb e c a u s eo ft h ec o m p l i c a t e di n t e r a c t i o nb e t w e e nt h et w op h a s e s e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y 但c t ) h a sb e c o m eo n eo ft h ei m p o r t a n tt e c h n i q u e sf o rt w o p h a s ef l o wp a r a m e t e rm e a s u r e m e n td u et oi t sn o n - i n v a s i o n ，r e l i a b i l i t y , s i m p l i c i t y ,l o wc o s ta n dh i 曲一s p e e dc a p a b i l i t i e s i nr e c e n ty e a r st h i st e c h n i q u eh a sb e e nu s e dt ot h em e a s u r e m e n to ft h eq u a n t i t a t i v ep a r a m e t e r so fg a s 1 i q u i dt w o - p h a s ef l o w h o w e v e r , s o m ep r o b l e m sa n dd i 伍c u l t i e ss t i l le x i s ti ne c ts y s t e ma n di t sa p p l i c a t i o n s t h et o p i co ft h i sd i s s e r t a t i o ni st h er e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o no fe c tt ot h ep a r a m e t e r sm e a s u r e m e n to ft w o p h a s ef l o w t h em a i nw o r ko ft h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d e s ：1 ) t h eh y b r i da l g o r i t h r a ，w h i c hc o m b i n e sa l g e b r a i cr e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e ( a r t ) a n dt i k h o n o vr e g u l a r i z a t i o n ，i sa p p l i e dt or e c o n s t r u c tt h ei m a g e s t i k h o n o vr e g u l a r i z a t i o ni su s e dt oo v e r c o m et h ei n s t a b i l i t ya n di l l - p o s e dp r o b l e mo fi m a g er e c o n s t r u c t i o np r o c e s s ，a n do b t a i nt h ei n i t i a lg r e yl e v e lv a l u e sf o ra r t t h eo p t i m a lt j l 【1 1 0 n o vr e g u l a r i z a f i o nf a c t o rf o rd i f i e r e n tf l o wp a t c e m si sa n a l y z e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea r ti t e r a t i o ns t e p sa n dt h eq u a l i t yo f r e c o n s t r u c t e di m a g e si ss t u d i e d ，n l ea r ti t e r a t i o ns t e p sa r es e tt o1 0b ye x p e r i m e n t s t h cq u a l i t yo fi m a g e sr e c o n s t r u c t e db yt h eh y b r i da l g o r i t h mi ss a t i s f a c t o r y a l s o ，t h ee c ts y s t e mh a st h ec o n s i d e r a b l er e a l t i m ec a p a b i l i t y 2 、an e wv o i d a g em e a s u r e m e n tm e t h o df o rg a s l i q u i dt w o p h a s ef l o wb a s e do ni m a g e sr e c o n s t r u c t e db ye c ta n dt h eo t s ua l g o r i t h mi sp r o p o s e d t h et h r e s h o l df o rt h ef i l t r a t i o no ft h ei m a g ec a nb eo b t a i n e da d a p t i v e l yb yt h eo t s ua l g o r i t h m t h ev o i d a g em e a s u r e m e n tm o d e l i se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h eg r e yv a l u e so ft h ei m a g e sa n dt h et h r e s h o l d t h eo n l i n ev o i d a g em e a s u r e m e n ts y s t e mf o rg a s l i q u i dt w o p h a s ef l o wi se s t a b l i s h e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ev o i d a g ev a l u e so b t a i n e db yt h en e wm e t h o da r ec o n s i s t e n t 、i mt h ev o i d a g ev a l u e so b t a i n e db yq u i c k - v a l v em e t h o d 3 ) t h ep r i m a r ys t u d yo nv o i d a g em e a s u r e m e n tb yt h er a wc a p a c i t a n c ev a l u e si sc a r r i e do u t am u l t i - m o d e lm e t h o df o rv o i d a g em e a s u r e m e n to fg a s l i q u i dt w o - p h a s ei sp r o p o s e d t h ef l o wp a t t e mi d e n t i f i c a t i o nm e t h o db a s e do nf u z z yp a g e mr e c o n g a i t i o nt e c h n i q u ei sa p p l i e d t h er a wc a p a c i t a n c ev a l u e sc a p t u r e db ve c ts y s t e ma r eu s e dd i r e c t l yt ob u i l dt h ev o i d a g em e a s u r e m e n tm o d e l sb yp r i n c i p a lc o m p o n e n tr e g r e s s i o n c o m b i n i n gt h em o d e l sa n df l o wp a t t e mi d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ，t h em u l t i m o d e lv o i d a g em e a s u r e m e n ts y s t e mi se s t a b l i s h e d t h ev o i d a g ec a nb ea c h i e v e db ve c ts y s t e mw i t h o n tt h ec o m p l e xi m a r er e c o n s t r u c t i o n 4 、an e wf l o w r a t em e a s u r e m e n tm e t h o df o rg a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o wb a s e do ne c ts y s t e ma n dv e n t u r im e t e ri sp r o p o s e d t h ev o i d a g ei so b t a i n e db ve c ts y s t e m t h em o d e l w h i c hi n d i c a r e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev o i d a g ea n dt h em a s sq u a l i t yo f t h et w o - p h a s ef l o w , i so b t a i n e de m p i r i c a l l yb ye x p e r i m e n t s s e v e r a lf l o w r a t em e a s u r e m e n tm o d e l so fv e n t u r im e t e rf o rg a s 1 i q u i dt w o d h a s ef l o wa r ea n a l y z e d p r i m a r ys t u d i e sh a v eb e e nt a k e nt om e a s u r et h et o t a lm a s sf l o w r a t ea n dl i q u i d p h a s em a s sf l o w r a t e t l l ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h em e a s u r e m e n tr e s u l t sc a l c u l a t e db ys o m em e a s u r e m e n tm o d e l sa r es a t i s f a c t o r yu n d e rs e v e r a lf l o wp a t t e r n s k e y w o r d s ：c a p a c i t a n c e ，t o m o g r a p h y , f l o w r a t e ，t w o p h a s ef l o w , f l o wp a t t e m ，v o i d a g e ，m e a s u r e m e n t ，v e n t u r i 浙江大学博士学位论文第一章绪论摘要本章主要介绍了两相流的概念、分类和主要参数；两相流参数检测的重要意义以及发展现状和趋势；电容层析成像技术在两相流参数测量中的应用以及存在的问题；最后说明了本文所做的电容层析成像与文丘利管相结合的气液两相流参数检测系统的研制及应用方面的j - 作和意义。本章主要内容两相流的概念、分类和主要参数两相流参数检测技术气液两相流参数测量及e c t 在其中的应用本文的主要工作及意义j f ；一苹绪论多相流系统广泛存在于化工、能源、冶金、环保和轻工等各个工业领域，而多相流学科是以多相流系统为研究对象，以工程热物理学为基础，与数学、力学、信息、生物、环境、材料、电子计算机等学科相互融合交叉而逐步形成和发展起来的一门新兴交叉学科。随着科学技术的迅速发展，多相流在科学研究、工业生产、环境保护以及人类生活中日益重要，使得多相流研究成为国内外极为关注的前沿学科。在多相流动体系中又以两相流动体系最为普遍。1 1 两相流及其主要特征参数1 1 1 两相流的概念和分类相的概念通常是指某一系统中具有相同成份及相同物理、化学性质的均匀物质成份，各相之间有明显可分的界面。从宏观的角度出发，可以把自然界的物质分为三类：气相、液相、固相。单相物质的流动即为单相流，如气体或液体流。所谓两相流是指任意两种存在分界面的独立物质组成的流动体系【l 】。工业中常见的两相流有：( 1 ) 气液两相流：如锅炉等的汽化，石油，天然气，低沸点液体的传输过程，以及传热传质设备大量的分离和反应过程中存在的两相流动体系。( 2 ) 气固两相流：如干燥塔等气流干燥过程，煤粉，水泥，谷物，食盐等的气力输送过程，以及煤的沸腾燃烧，石油的催化裂化，矿物的流态化焙烧等均为气固两相流系统。( 3 ) 液固两相流：如矿浆，纸浆，泥浆，胶浆等浆液流动，矿石，残渣的水利输送和污水处理排放系统等。( 4 ) 液液两相流，如物质提取的萃取过程。在各类两相流中，气液两相流是最常见、最复杂的两相流动体系之一，因为它们具有可变形的界面和可压缩的气相。气液两相流根据组份、流动环境、流动状态等可分成各种类型。根据物质组份的不同，气液两相流可分为单组份气液两相流( 气液两相的组份为同种物质，如锅炉系统中的水蒸气一水构成的两相流，制冷设备中的制冷剂形成的气液两相流) 和双组份气液两相流( 气液两相的组份分为两种不同的物质，如空气一水两相流、天然气一油两相流等) 。根据流体环境的浙江大学博士学位论文不同，气液两相流又可分为管内气液两相流和管外气液两相流。根据换热情况的不同，气液两相流可分为绝热气液两相流和有换热的气液两相流等等【2 1 。1 1 2 两相流的主要特征参数在两相流中，由于存在一个形状和分布在时间和空间里均随机可变的相界面，描述两相流的参数与描述单相流动的参数相比，增加了一些新的特征参数。现在将常用的两相流主要参数介绍如下：( 1 ) 流型流型又称流态，指两相界面分布呈不同几何图形或不同的结构形式。流型是两相流最基本的特征参数之一，不但影响两相流的流动特性和传热传质性能，而且两相流其它参数的准确测量也往往依赖于对流型的了解。因此流型是两相流中倍受关注的参数之一，研究流型的在线识别技术具有重要的工业应用价值和学术价值。( 2 ) 流量流量可用体积流量或质量流量来表示。对于各相，可用分相体积流量、分相质量流量描述，对于两相混合物的流量，可用平均体积流量和平均质量流量来描述。流量是两相流系统中具有重要科学和工程意义的参数之一，一直是两相流系统领域的重要研究方向。但由于两相流体系的复杂性，两相流流量的测量难度很大。( 3 ) 分相含率分相含率是指两相流中各相所占的份额，在气液两相流中即为含气率和含液率。如果气相为气液两相流中的离散相，通常用含气率来表示分相含率。含气率有截面含气率、质量含气率和体积含气率三种表示形式。截面含气率又称为空隙率，指气液两相流作一元流动时，在管道的某一流动截面上，气相所占截面积与总流通面积之比。质量含气率又可称为干度，指气液两相混合流体中气相质量流量与总质量流量之比。体积含气率是指气液两相混合流体中气相体积流量与总体积流量之比。分相含率的测量对两相流流量的测量有重要的意义，其中空隙率的获第一章绪论取能够用于计算混合流体的平均密度、分析管内流动状况等。( 4 ) 滑动比在气液两相流中，两相间往往存在相对速度，因此用气相真实速度与液相真实速度的比值来表示气液两相速度的差别，称为气液两相的滑动比。( 5 ) 压力和压力降压力和压力降是两相流动中的基本参数。两相流压力和压力降的研究是两相流参数监测的重要手段，针对流型、流量和分相含率等参数，在两相流混合流体的压力降与各分相压力降问已建立了很多可供工程应用的理论的、实验的和半经验的关联式。1 。2 两相流检测技术1 2 1 两相流检测技术研究的重要意义由于两相流动体系在工业过程中的广泛存在，特别是随着原子能核电站及航天工业的迅速发展、动力工业及石化工业高参数的引入以及对环境保护的日益重视，使得两相流领域研究工作迅速发展，目前已成为国内外极为关注的前沿学科【3 】。对于两相流体系，要认清现象，获得概念，建立模型并进行过程的预测、设计和控制，首先要解决的就是两相流的检测技术问题。但由于两相流体系是一个非线性复杂系统，其参数的检测非常困难，导致两相流检测技术在很多情况下成为目前两相流研究中的一个制约性因素【”。同时，许多生产设备中都存在着两相流体的流动问题，要经济而可靠地研制、设计和运转这些设备就必须具备两相流在流动方面的各种知识，实时检测相关的两相流参数。气液两相流是常见的两相流体系之一，该学科的形成与发展和工程技术的进展密切相关。蒸汽锅炉发展及其安全设计，使得气液两相流学科作为重要的理论研究领域的同时，也成为重要的工程应用问题。随着核工业的发展，为保证工程设计的可靠性，必须对气浙江大学博士学位论文液两相流参数进行更精确的测量，也对两相流检测技术的发展提出了更高的要求。两相流在化工工业和石油工业中也广泛存在，气液两相流参数的测量对这些工业中的计量核算、自动控制至关重要。因此，开展气液两相流检测技术的研究工作，对于发展我国的工业技术和国民经济具有重要意义【2 。1 2 2 两相流检测技术研究的现状和发展趋势相比于单相流动体系，两相流动体系不仅流动特性复杂得多，且相间存在着界面效应和相对速度，流动状态复杂多变且具有随机性，致使参数检测的难度较大。为此，世界各工业发达国家均做了大量的研究工作。但迄今为止，已有的测试技术和方法大多还处于实验室应用研究阶段，己商品化可在线检测的工业型仪表为数很少。可以说，两相流参数测试技术在国际上尚属一个亟待发展的探索研究领域【1 】。目前，两相流检测技术研究中所关注的参数有流型、流体流速、体积流量、离散相浓度、质量流量等，围绕这些参数的在线测量，科研工作者做了大量的工作。研究较多的测量方法包括传统的单相流测量技术和新技术：如辐射线技术、激光多普勒技术、核磁共振技术、超声技术、微波技术、光纤技术、脉冲中子活性示踪技术、相关技术、流动成像技术等等。但这些两相流参数的检测技术和方法大都处于实验室应用研究阶段，因此围绕两相流多参数的动态测量，需要对目前的技术和方法进行进一步的研究和完善并探索新的更有效的传感技术和实现方法【5 l 【6 】。对两相流检测这样一个相对难度较大、在国内外部需亟待研究和探索的领域，两相流检测技术的发展趋势和今后研究方向可归纳为以下几个方面 1 】：成熟的单相流参数检测技术与测量仪表应用于两相流检测仍是受到普遍重视的一个重要研究方向。借助于各种新技术的发展，研制高灵敏度，高准确度和高可靠性的两相流传感器和参数检测仪表。随着计算机技术和图像处理技术的发展，获取两相流体系二维、三维时空分布信息，应用过程层析成像技术，对两相流局部空间区域进行第一章鳟 论微观和瞬态的测量。完善与推广目前已有相当基础的相关法和激光多普勒法等测试技术的应用。两相流动过程是一个复杂的多变量随机过程。随着随机过程理论和信息处理技术的不断完善和发展，应用数理统计、过程辨识、参数估计和模式识别等理论和技术，进行两相流参数估计的软测量方法将成为一个很有前途的研究方向。对两相流动过程中参数测量系统的建模、特征参数提取、时变性的自适应能力和动态跟踪能力等的基础理论研究以及两相流参数校验标定手段和误差分析等的基础方法研究正逐步受到关注。1 3 基于电容层析成像技术的气液两相流参数测量电容层析成像技术是发展最早的过程层析成像技术之一，是随着计算机技术和检测技术的进步发展起来的新一代过程参数检测技术。由于在两相流系统中，许多参数具有空间分布特性，如截面上的相分布和速度场分布等，而传统的检测手段所得到一般都是时间和空间上的平均参数，在某些情况下采用先进技术可以获得微观上的分布数据，但往往成本过高。通过电容层析成像技术可以获得两相流体的二维仨维的时空局部微观分布信息，这为流动特性复杂多变、常规方法检测参数难度较大的两相流领域提供了一条十分有效的在线测量和监测途径，对于深入揭示两相流动的基本规律，推动两相流理论的发展和工程应用具有重要的意义，是目前两楣流参数检测技术研究发展的前沿和趋势之一妒鹕。空隙率是具有空间分布特性的参数，是气液两相流中的关键参数之一，一旦知道了两相流的空隙率便可求得两相流混合物的平均密度、计算压力梯度、分析管内流动状况。但由于两相流流型的随机变化，导致两相介质的空问分布复杂多交，空隙率测量困难，有效的测量方法不多，目前比较可靠的是射线法，但由于安全性因素限制了其应用范围。而电容层析成像系统具有成本低、结构简单、安全性能好等特点，能够在不干扰流场的情况下再现介质在空间上的分布，为空隙率的测量提供了新的思路和手段，同时也有助于气液两相流其他重要参数的测量。6浙江大学博士学位论文流量是气液两相流系统中具有重要科学和工程意义的参数之一，它的准确测量对存在气液两相流的工程设备运行的经济性和可靠性是十分重要的，在动力、核能、化工、石油等工业部门均有广泛的应用，一直是两相流系统领域的重要研究方向【2 j 。由于具有结构简单、价格低廉、可靠性好等特点，应用传统节流式单相流流量测量方法，例如孔板、文丘利管进行气液两相流流量测量一直是两相流参数检测技术研究发展的主要研究方向之一j 。目前，利用节流元件测量气液两相流流量一个主要方法是构造两相流流量测量模型，然后应用这个模型实现气液两相流流量测量。但由于两相流的复杂性，两相流流量的在线测量存在诸多的难点，往往还要依赖于分相含率的获取，例如质量含气率或空隙率嘲【1 0 】。因此研究e c t技术实现空隙率的在线测量具有重要的意义。经过多年的发展，e c t 的电容测量技术和图像重建技术都取得长足的进步，但其研究范围大多集中于两相流参数的定性分析，若要利用e c t技术对两相流参数进行定量测量，仍需进一步研究。图像重建是e c t 用于两相流参数定量测量的关键环节，虽然医学成像技术经多年的发展已经形成了一些行之有效的图像重建算法，但对于电容层析成像技术来讲，研究适合e c t 自身特点的图像重建算法仍是e c t领域的研究热点。同时，对于e c t 的重建图像，如何利用合适的图像处理技术提取反映两相流参数的特征值，咀实现气液两相流参数的实时在线测量，也是e c t 技术的重要研究内容。另一方面，由于能够获得较高质量图像的图像重建算法往往计算量大，耗时长，致使测量的实时性降低，导致在一些实时性要求较高的场合e c t 的应用受到限制。考虑e c t 所测得的大量电容数据本身即包含丰富的两相流参数信息，如何利用数据分析技术，直接从大量测量电容数据中挖掘出所需的参数信息以提高测量的实时性，也是e c t 应用研究的重要课题。1 4 本文的主要工作及意义鉴于两相流参数检测技术研究对工业生产的重要性以及研制两相流参数在线检测系统的迫切需求，本文主要针对应用电容层析成像进行空隙率测量以及与文丘利管相结合测量气液两相流流量的问题进行了探讨。在浙江大学多相流课题组近年来取碍的研究成果基础上，对利用电容层析成像系统测量空隙率进行了研究。采用组合型图像重建算法重建e c t图像，应用o t s u 自适应图像阈值法获取图像灰度滤波的阈值，实现空隙率的在线测量；对e c t 的电容测量值进行了发掘，利用主成分回归建立空隙率测量模型，结合流型辨识结果，建立了空隙率的多模型测量系统。将电容层析成像系统与文丘利管相结合建立了一套气液两相流流量测量系统，分析了几个典型的文丘利管气液两相流流量测量模型在不同的空隙率和流型下的测量结果。论文具体安排如下：第一章绪论。主要介绍了两相流的概念、分类和主要参数；两相流参数检测的重要意义以及发展现状和趋势；气液两相流参数测量以及电容层析成像技术在空隙率测量中的应用问题；最后说明了本文所做的电容层析成像与文丘利管相结合的气液两相流参数检测系统的研制及应用方面的工作和意义。第二章文献综述。介绍了气液两相流流量测量技术，对主要的测量方法进行了简介。介绍了气液两相流空隙率测量技术。对电容层析成像技术电容测量方法和图像重建算法进行了较详细的介绍，对于e c t 在两相流参数检测中的应用进行了介绍。最后总结了e c t 技术用于在线空隙率测量的难点和尚待解决的问题。第三章基于e c t 重建图像的气液两相流空隙率测量。采用基于t i k h o n o v 正则化和a r t 的组合型图像重建算法重建气液两相流横截面图像，对t i k h o n o v 正则化因子的选择和a r t 算法的迭代步数对重建图像质量的影响进行了较深入的分析。提出了基于自适应图像闽值法的空隙率测量方法，应用o t s u 算法自动确定图像的滤波阈值。利用图像灰度建立了气液两相流空隙率测量模型，实现了气液两相流空隙率的在线测量，并与浙江大学博士学位论文抉关阀法获取的空隙率测量结果进行了比较。第四章气液两相流多模型空隙率测量方法研究。提出了多模型空隙率测量方法。直接利用e c t 所测得的大量电容测量值，通过主成分分析和主成分回归，建立了典型流型下的空隙率测量模型。采用基于模糊模式识别技术的流型辨识方法进行流型辨识。结合流型辨识结果和测量模型，建立了多模型空隙率测量系统。对该空隙率测量方法进行了在线测试，并与基于重建图像和自适应阈值法空隙率测量方法进行了比较。第五章基于e c t 和文丘利管的气液两相流流量测量。对几个文丘利管气液两相流流量测量模型进行了介绍，采用e c t 系统测量气液两相流的空隙率，研究和分析了空隙率和干度之间的关系。将e c t 系统与文丘利管相结合，建立了气液两相流流量测量系统。对利用该系统进行气液两相流总流量和液相流量的测量作了初步的研究，比较和分析了几个文丘利管气液两相流流量测量模型下的测量结果。第六章结论。对整个论文做了总结。1 5 小结本章主要介绍了两相流的概念、分类和主要参数，重点介绍了气液两相流的概念和分类；两相流参数检测的重要意义以及发展现状和趋势；气液两相流参数测量以及电容层析成像技术在空隙率测量中的应用问题；说明了本文所做的电容层析成像与文丘利管相结合的气液两相流参数检测系统的研制及应用方面的工作和意义，9第二章文献综述第二章文献综述摘要本章对各种气液两相流空隙率测量技术进行了简介，对气液两相流流量测量技术进行了简述。从电容层析成像系统的电容测量电路和图像重建算法两方面对该技术进行了较详细论述，简单介绍了e c t 在两相流参数检测中的应用。最后总结了应用e c t 技术进行两相流参数测量中尚待解决的问题。本章主要内容气液两相流空隙率测量技术气液两相流流量测量技术e c t 技术e c t 技术在两相流参数检测中的应用浙江大学博士学位论文2 1 气液两相流空隙率测量方法空隙率是气液两相流中的关键参数之一，一旦知道了两相流的空隙率便可求得两相流混合物的平均密度、计算压力梯度、分析管内流动状况。目前，获得空隙率的方法主要有两类：一是通过实验回归或理论推导的方法得出的模型预测法；二是通过各种检测技术获得空隙率值，其中主要有快关阀法、射线法、电学法、光学法、微波法等。2 1 1 模型预测法空隙率的模型预测法是一种从理论上求解空隙率的方法，其基本出发点是利用两相流的基本方程，在一定的假设条件下，通过理论推导得到空隙率的计算模型。b a n k o f f 假设两相流体为均相流模型，气相和液相问无局部相对运动，流通截面上速度分布和空隙率分布在半径上的变化服从指数规律，由此推导出空隙率计算模型1 2 】：虻币皋q - dl x岛k =2(m+n，+mnxm。+n+2ran)( n + 1 x 珊+ 1 x 2 h + l x 2 m + 1 )( 2 2 )式中，a 为空隙率，b 、n 分别为气相和液相的密度；m 是速度分布参数，n 是空隙率分布参数，其值均由实验获得。考虑到b a n k o f f 提出的建模算法中局部气相速度与液相速度相等这一假设在极大多数情况下是不成立，z u b e r 等人提出了把速度分布、空隙率分布以及气液相对速度全部考虑进去的模型 1 3 1 ：三坚：上；av 舻+ v kk( 2 3 )式中，口为空隙率，d ，为空隙率分布函数，和分别为气相折算速度和液相折算速度，v 。为气相相对于液相的速度。z i v i 认为气液两相流为分相流动模型，气相和液相各自具有不同的流动速度，并假设气液两相流为理想的环状流，即所有气体在管道的中间流动，而液相在管道壁面流动，气相和液相速度分布是均一的，应用最小熵理论求得空隙率预测模型14 ：斗叶拟字喇 。，式中，x 为干度，= ；，其中c ，是液相与壁面间的摩擦系数，三为长度，d 为管径。s m i t h 考虑了流通截面上气体与液体混合物和液体一起并行同向流动的情况，认为管子中间的液相以液滴形式存在，并与气相具有相同的速度，由此获得适合气液两相流为喷雾流时的空隙率计算模型”】：d ：1 + 丝( ! 一1 ) e + ( 堡) ；0 1 ) ( 1 一e )。 c ，+ c ；一。，。鲁，c + c 一。，。， ；2 5 lx岛xj式中，e 为管中心两相混合物中液相质量与气相质量比。韩洪升等通过大量的实验数据分析，应用相似原理和因次分析方法，认为空隙率可以表示为几个相关的无因次量的函数1 6 ：a = ，n ，n m n 。，s ，e 0( 2 6 式中，乃为弗鲁德准数，乃= 荔；“为液相速度准数，。= u ， 刍 。”；为液相速度准数，= k ( 台厂；s y 捕 l k , s = 芒；& 为体积含气率，& = 鱼q = 皱q + gq f 。通过对实验数据的多元线性回归建立了水平和倾斜圆管中不同流动形态下空隙率测量模型，其中水平管测量模型为：e0 2 1 4 n o0 8 l拈膏-0砰1，40 a 2 8( 2 t 7 )劳力云等经过对气液两相流的动态特性研究发现，当流量在一定范围内变化且流型变化不大时，管段压力降的相对方差与空隙率之间存在一元函数关系【1 7 1 ：r 2 = ( 1 + 凹+ z 2 ) lk a ( a ( ) 1 - 一( a 1 ) - 一a ) - 4z 2 + 了k s ( a ) - a - o r i ( 2 8 )、i( 1 一a ) 卜3肛5i、7式中，为压力降的相对方差，c 为与气液密度比相关的系数，x 为l o c l d a a r t - m a r t i n e l l i 常数，南，t 为与空隙率d 相关的系数。由于模型预测法往往假设两相流体为理想流体，有各种限制条件，这些假设条件的不同导致空隙率预测模型及其适用范围的不同。并且通常情况下，空隙率预测模型是其他两相介质物性参数和流动参数的函数，而其中有些参数和空隙率一样难以获得。2 1 2 电学法电学法是测量空隙率的重要方法之一，根据测量元件的结构形式不同，电学法可分为阻抗和电导探针法。由于导电液体在低频下具有电阻性，在高频下具有电容性，阻抗法又分为电导法和电容法。在阻抗法测量空隙率装置的研究和改进上，许多科研人员做了大量的工作。m e r i l o 等人用阻抗法测量泡状流空隙率并提出了一种补偿式旋转电场电极【1 硼：金锋、王师第二蕈文献综述等设计了带有对称边保护电极板的螺旋型电容测量传感器并用有限元法对测量参数进行了优化【19 j ：y a n g 和k i m 比较了三种不同的电极结构，并用泡沫聚苯乙烯一水和气水两相流分别在方形管道和圆形管道中进行了测试【2 0 1 。电导探针法测量空隙率的原理是基于液相导电率与气相导电率不同这一特性，经多年的发展研制出了环形探针和线性探针等结构。f o s s a 等在环状流、层状流和泡状流下，对环形探针在管道内气液两相混合介质中的导电性进行了研究，发现其具有很好的重复性和可用性，测量结果与理论值的误差在1 5 以内。在环状流下，对线形探针的测量性能进行了研究，发现在同一流动状态下线形探针比环形探针具有更高的灵敏度，但测量的不确定性比较大，认为环形探针可能更适合于平均空隙率的测量【2 ”。电学法结构简单、价格低、容易实现，能够测量空隙率的瞬态值。但电学法易受流型、温度变化、流体内杂质引入导致的导电性变化等因素的影响，使得该方法的适用性受到限制。2 1 3 光学法应用光的散射或消光原理可测量气液两相流空隙率，其测量原理为：当光穿过一个含有气泡或液滴的两相流体时，根据b e e r 定律，在入射光方向上光强要产生衰减，其透射光强为1 = i o e l 。( 2 9 )式中2 称为衰减系数，为两相接触面几何形状的复杂函数。因此，只要测量出光经两相介质后的衰减大小，即可求得相界面面积。如果气泡直径可以通过其它途径知道的话，用光衰减法就可测出气泡流的空隙率大小。近年来，随着光学技术的发展，采用光纤探针测量气液两相流空隙率的研究越来越多。光纤探针的测量原理是利用光在气液两相介质中具有不同的折射率来探测稳态流场中气液两相在某一局部空间的交替存在，某点浙江大学博士学位论文处气液存在的相对时间比就是该点的局部含气率。由于光纤探针响应速度快，信号处理相对较简单而受到广泛研究，特别是在锅炉蒸汽等汽水两相流的空隙率测量中。唐人虎、陈听宽等利用光纤探针测量高温高压下汽水两相流的空隙率m 】。在测得管道中心的局部含气率的基础上，利用b a n k o f f 的空隙率预测模型中截面含气率呈指数规律分布的假设，得到截面含气率 与管道中心含气率a 的关系式：2 门2锄# 吒而丽( 2 1 0 )告_ f 宰r 。偿珂i2j、7式中4 和b 由实验获得。陈斌等使用单纤光纤探针对废热锅炉火管管束间的气液两相流含气率进行了测量【2 3 1 。首先利用光纤探针对不同圆周上的局部含气率进行了测量，获得截面上空隙率的分布函数a ( x ，y ) ，然后对其沿某个截面进行积分，得到截面含气率，即气液两相流的空隙率： 2 儿口( x ，y ) d x d y( 2 1 2 )测试结果表明光纤探针技术能对汽水两相流的局部含气率分布和截面平均含气率进行有效的测量。a l a i nc a r t e l l i e r 对光纤探针结构及其在汽水两相流中的响应特性进行了研究，并用于汽水两相流流速和空隙率的测量 2 4 1 。由于光学法在测量过程中，光在通过介质的时候会产生多种效应，影响测量结果。同时，该方法对于所测量的介质有一定的限制，要求使用场合的清洁度比较高，光的发射和接收元件也易受污染，使得其使用范围受到限制。第二章文献综述2 1 4 射线法射线法测量空隙率所采用的技术主要包括射线吸收技术和散射技术两种，目前研究和使用较多的是射线吸收技术，其原理是当射线穿过物质时，射线强度将发生衰减。初始强度为。的准直射射线束，当它通过厚度为工、线性吸收系数为的物质层( 气液两相流) 后，其强度为：j = i o e 一止( 2 1 3 )由于射线束依次穿过管道壁、两相混合物、对面的管道壁后再进入探测器，所以在测量过程中，首先要分别测量管道充满气相和液相时接收到的强度毛、l ，假设管道内为两相介质时测得的强度为，则空隙率为：口= 等等l n 厶一h ，、7由于射线法测得的是某一弦上的空隙率，采用多束射线即可测得管道截面上的平均空隙率。采用射线法测量空隙率可以实现非接触式测量，测量仪器的标定也相对容易，因此在两相流参数测量中的研究和应用也比较成熟。k e n d o u s h以气水两相流为测量介质，比较了y 射线、射线、射线和中子四种主要的射线测量方法，发现在低空隙率下，测量误差较大；射线能量对测量精度有影响，提高射线能量会导致误差增大；中子射线具有相对较高的测量精度，并且容易穿过较厚的金属管壁【2 5 l 。同时又采用x 射线空隙率测量技术，建立了带有基准的空隙率测量系统，并经研究发现对某一管径的测量管段，存在着最优的互射线入射能量使测量误差达到最小 2 6 1 。k i r o u a c等采用，射线密度计测量气液两相流截面平均含气率，并在此基础上建立了两相流参数测量系统，为两相流机理分析提供数据 2 7 】。射线法是目前应用较好的空隙率测量方法，许多工程实际中均采用该浙江大学博士学位论文方法实现空隙率的测量。但射线法需要解决射线穿过管壁产生的衰减问题，并且需要一个稳定