（化学工程专业论文）多传感器信号的信息融合技术在气固流化床中的应用.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 气固流化床压力脉动时间序列包含了床层运动的许多动态行为信息，包括颗 粒特性、操作条件，气泡行为等，文中应用多种非线性方法来对其进行研究，以 期能从新的角度来更深入地认识流态化规律。 本文在大量实验数据基础上，将非线性方法，包括复杂性理论，以及首次被 系统引入流态化研究的近似熵，应用到气固流化床压力及颗粒浓度脉动时间序列 分析中，较为系统地探讨了流化床的非线性特征。 在讨论复杂性参数、l y a p u n o v 指数、近似熵的算法基础上，对流化床压力脉 l 动进行定量分析，讨论了表观气速、轴向位置、静床高等不同操作条件对混沌特 征参数的影响及其对应的动力学规律。在互信息与非线性理论的基础上，本文针 对不同流型状态下的多通道采样时间序列进行分析，结果表明，互信息有着较传 统的线性分析或单参数分析所不具备的优点，从而为流型识别提供了新思路。 在不同通道互信息的基础上，本文利用多传感器模糊信息融合理论分析流化 1 ；= 1 _ r 床中的多种信号，把迄今为止的单一传感器，单一参数的检测分析拓展到多传感 器多参数的信息融合，建立新的特征参数反映流态化过程的非线性本质。用多传 感器对气固两相流系统在多个时空角度上进行信息提取，建立对不同目标对象的 隶属函数模型。提炼很到相应的关系矩阵，然后结合一定的决策规则进行选取。 产，、一7 最后，作为工程应用的尝试唪文已经获得几种非线性特征参数的实验结果， 1 对较宽范围的气速、静床高、床层位置等操作条件变化有较稳定的特性，将非线 性特征参数与数据融合相结合，引入流化床流型识别研究，为工业现场实时监控 与故障诊断打下新的理论基础。 一7 关键词：气固流化床 压力脉动 近巫匿：赫息融合j 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t p r e s s u r ef l u c t u m i o nt i m es e r i e si ng a s s o l i df l u i d i z e db e d sc o n t a i nm a n y d y n a m i ci n f o r m a t i o n ，s u c ha sp a r t i c l ec h a r a c t e r i s t i c s ，o p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，b u b b l e b e h a v i o r i nt h ep a p e r , n o n l i n e a ra n a l y s i s i s a d o p t e da n di m p l e m e n t e d s oa st o u n d e r s t a n dt h ef l u i d i z a t i o nf r o man e wv i e w p o i n ti nd e p t h b a s e do nal a r g ea m o u n to fe x p e r i m e n t a ld a t a ，n o n l i n e a ra n a l y s i s ，s u c ha s c o m p l e x i t yt h e o r y , a n da p p r o x i m a t ee n t r o p y ( a p e n ) w h i c h i sa d o p t e ds y s t e m a t i c a l l y i nt h ef l u i d i z a t i o nr e s e a r c ht h ef i r s tt i m e ，a r ei m p l e m e n t e di nt h et i m es e r i e sa n a l y s i s o fp r e s s u r ef l u c t u a t i o na n dp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o ni ng a s s o l i df l u i d i z e db e d s ，a n dt h e n o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so ff l u i d i z e db e d sa r ed i s c u s s e dc o m p r e h e n s i v e l y a f t e rt h ed i s c u s s i o no ft h ea l g o r i t h mo fc o m p l e x i t yp a r a m e t e r s ，l y a p u n o v e x p o n e n t a n d a p e n ，t h ep r e s s u r e f l u c t u a t i o ni nf l u i d i z e db e d si s a n a l y z e d q u a n t i t a t i v e l y t h e e f f e c to fd i f f e r e n t o p e r a t i n g c o n d i t i o n s ，s u c h a sv a r i a n t g a s s u p e r f i c i a lv e l o c i t i e s ，a x i a lp o s i t i o n sa n d s t a t i cb e dh e i g h t s ，i sd i s c u s s e d o nt h eb a s i s o fm u t u a li n f o r m a t i o na n dn o n l i n e a rt h e o r y ，w ea n a l y z e dt h ed i f f e r e n tt i m es e r i e so f v a r i o u sc h a n n e l sa td i f f e r e n tr e g i m e s ，t h er e s u l ts h o w t h a tt h i sp a r a m e t e rc a ni d e n t i f y t h ed i f f e r e n tf l u i d i z e dr e g i m e sa n di ti ss u p e r i o rt ot h et r a d i t i o n a lm e t h o d b a s e do nt h em u t u a li n f o r m a t i o n ，i nt h ep a p e r , d a t af u s i o nt e c h n o l o g yt o a n a l y z em u l t i - s i g n a l si nag a s - s o l i df l u i d i z e db e da n ds e l e c tt h en e wp a r a m e t e r st o t o k e nn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c si nf l u i d i z a t i o n ，w ea n a l y z e dt h ed i f f e r e n tt i m es e r i a l s o fv a r i o u sc h a n n e l sa td i f f e r e n t r e g i m e s a n d g o t t h ei n f o r m a t i o n t h e nt h e i n f o r m a t i o nm a t r i xw a ss e l e c t e db ys o m es p e c i a lr u l e s f i n a l l y , a sat e n t a t i v ee n g i n e e r i n gi m p l e m e n t a t i o n ，n o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s p a r a m e t e r sa n dd a t af u s i o nt e c h n o l o g ya r ec o m b i n e da n da d o p t e di n t o f l o wr e g i m e i d e n t i f i c a t i o nt h ef i r s tt i m e ，o t h e r w i s e ，s e v e r a ln o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c sp a r a m e t e r s a p p e a r i n g c o n s t a n to v e raw i d er a n g eo fo p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n dt h i sc a nh e l pt o a p p l y t h er e s e a r c hr e s u l t si n t oi n d u s t r ya p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：g a s s o l i df l u i d i z e db e d ；p r e s s u r e f l u c t u a t i o nt i m es e r i e s ； a p e n ； c o m p l e x i t y ；d a t a f u s i o nt e c h n o l o g y 浙江大学硕士学位论文 刚吾 流态化技术作为了化学工程一个重要分支，其工艺得到了广泛的工业应用， 但是由于气固两相流动流型复杂多变，相间存在着界面扰动和相对速度，很难建 立某种固定的关系式，因而许多问题至今还不能很好地掌握，长期停留在经验阶 段。特别是在流化床的运行过程中由于缺乏合适的检测技术和手段对床内诸参数 进行在线检测，使得流化床不能达到最佳的经济效益。因此对两相流参数的有效 检测是对其进行过程控制的先决条件。 然而，迄今为止国内外的学者对多相流反应器流化状态的检测与分析处理方 法与得到的推论，无论是8 0 年代建立在传统的快速傅立叶变换( f f t ) 基础上压力 脉动信号的频率与幅值变化来描述流化的均一性，还是9 0 年代采用时频二维分 析来识别流型，都未能有一致的结论，主要还是在于目前对流态化反应器的参数 检测与隐含信息的提取方法还不能真实地反映流化状况的非线性的混沌本质。所 有的研究的弊端都是采用单一的传感器、单一参数；信号中隐含的信息的提取也 不能单纯的分析一个时间序列，应当在反应器整个时空范围内，定义新的能反映 混沌特征的参数来反映流化的非线性本质。因此，对于多相流反应器，理论上洗， 在隐含信息提取上应从传统的平稳的线性概念拓展到非平稳的、非平衡的理论基 础上，应将传统的单一参数的检测与分析拓展到多传感器的信息融合，应用现代 信号分析、信息融合技术、模糊数学理论、非线性动力学理论等前沿学科的成就， 获取多相流反应器时空范围内的全面信息，综合成一个整体进行处理，通过多传 感器信息融合结合非线性分析进行特征提取以期能从本质上反映流态化反应器 的流化状况。 本文用多传感器模糊信息融合理论分析研究流化床中的多种信号，把迄今为 止的单一传感器，单一参数的检测分析拓展到多传感器多参数的信息融合，来研 究多相流的流动规律，获取流态化过程中新的、有意义的信息，建立新的特征参 数来准确地反映流态化过程的非线性本质。从用多传感器对气固两相流系统在多 个时空角度上进行信息提取，建立起传感器对不同目标对象的隶属函数模型，提 炼得到相应的关系矩阵然后结合一定的决策规则进行选取，得到我们最终的结 果，为工业现场实时监控与故障诊断打下新的理论基础。 浙江大学硕士学位论文 第一章导论 第一节气固流化床参数检测背景与新技术 在流化床基础理论研究方面，1 9 3 8 年，w k l e w i s 和e r g i l l i l a n d 为 了催化裂化( f c c ) 过程的开发，首先进行了基础研究。以后相继有对床层的起 始流化条件、床层的粘度和膨胀、颗粒的混合和扩散的研究，对流态化特性有了 初步的了解。1 9 5 2 年，t o o m e y 和j o h n s t o n e 根据催化裂化再生器中氧的浓度低 于出口浓度的事实，提出了具有历史意义的流化床两相流理论。随着两相理论的 提出，研究者开始注意到流化床内的气泡现象，试图用气泡来解释流化床中各种 现象，以便揭示流态化的本质。1 9 6 1 年d a vj d s o n 在前人研究的基础上，较为完 整地提出了“气泡”理论，并预见气泡外存在着气泡云，从而出现了以后3 0 多 年来关于气泡特性的测定及众多的气泡理论为基础的流化床反应器数学模型研 究的热点。1 9 7 3 年g e l d a r t 根据颗粒在流化床中的流化特性，将颗粒分为a 、b 、 c 和d 四大类，将流态化的研究又引向了对流化床颗粒的深入研究，这无论对基 础理论研究，还是工业实践都具有重要意义。相应地，随着流化床中物理现象的 逐步被发现，流化床数学模型的研究也有很大的发展。目前已提出的流化床数学 模型，大致可分为早期的均相类模型、由t o o m e y 首先的提出的两相数学模型以 及随气泡理论发展而提出的气泡类模型，对定性分析或半定量计算流化床中气固 的反应状况起到一定的作用。 然而，由于气固在流化床中运动的复杂性和随机性，目前仍没有一个确切和 实用性的数学模型用于流化床的设计放大。流态化理论及工程应用都未臻完善， 现象的定量描述仍停留在实验经验关联式水平上。因此，完善两相流基础理论或 发展出新的理论来描述流化床中颗粒一流体的行为势在必行，考虑到流态化行为 的复杂性，必须从不同角度来认识流态化的特性，因而多种学科的交叉和互相渗 透十分必要。当前，国内外的学者们已开始用随机过程处理方法、模糊数学、神 经网络、混沌理论、分形理论等新发展起来的科学来研究流化床，以期对传统流 态化理论有新的突破，从而将流化床技术从经验性的现状提高到工程科学的水准 上去解决实际的问题。 由于多相流测试技术在自然界和工业过程中涉及范围的广泛性和应用的重 要性，特别是本世纪后半叶，原予能核工业及航天工业的迅速发展，动力工业及 浙江大学硕士学位论文 石化工业高参数的引入，以及对环境保护的日益重视，促使多相流研究领域的工 作迅速发展，目前已成为国内外给予极大关注的前沿科学。但基于多相流的复杂 性和随机性，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， 首先要解决的就是多相流参数的检测问题。在很多情况下，多相流测试技术成为 目前多相流研究中的一个制约性的因素。 在流化床参数检测中应用的新技术内容非常地广泛，其中应用比较多的主要 有激光技术2 1 、核磁共振技术嘲、超声波技术 4 1 、光纤技术【5 】、辐射线技术 6 】、相 关技术1 、层析成象技术【1 0 j 等。例如激光相位多普勒技术不仅能测量颗粒相速 度，还能同时得到颗粒尺寸和流量信息，经常被应用于多相流检测中。核磁共振 技术则广泛应用于含气率、瞬时流速、流速分布、平均流速等多个领域，结合高 速摄影等技术能够得到理想的流化参数测量结果。另外，随着计算机技术的兴起， 高速视频分析系统和计算机数字图象处理技术的迅速发展，已有研究者成功地将 光纤技术和图象处理技术应用于流态化研究中，开发了光纤成像系统，它为流态 化的研究提供了一个有力工具。辐射线技术，包括y 一射线、b 一射线、x 一射线、 中子射线等在流化床参数检测领域受到广泛关注，已形成了实用工业仪表如y 一 射线密度仪等。由于过程层析成像技术具有能得到两相流动态图象的特点，在过 去十多年中得到迅速发展。近年来，随着计算机技术的发展，应用过程层析成像 技术，非接触地、实时地获得两相流的二维三维信息并实现多种两相流参数的 在线检测是重要的发展趋势。同时将单相流中已有的传感器和检测仪表应用，或 经改进移植到多相流参数检测中去也是一直受到普遍重视的研究方向。例如光学 传感器已把光散射技术、粒子计数技术和光电阵列器件相融合。另外，各种新技 术例如相关技术、p t 技术等都以传感器为基础，传感器的优劣在很大程度上决 定了参数检测的质量。因此，新型传感器和检测仪表的发展在流化床参数检测中 仍有重要的地位。 现代电子技术特别是计算机技术的发展，提供了快速分析和处理动态数据的 条件，软测量技术的应用随之呈现出越来越大的潜力和吸引力。在流化床参数检 测领域，国内外的许多研究者也都开始转向这一方向，将传统的建立在传感器等 硬件基础上的各种测试手段同现代先进算法相结合，利用计算机对获得信号进行 处理，提取隐含信息以获得主要过程参数，本文主要对这一课题进行研究，并取 浙江大学硕士学位论文 得一定进展。 第二节气固流化床压力脉动研究 1 2 1 压力信号研究 1 2 1 _ 1 压力脉动的成因 虽然对流化床内部状态的检测存在多种方法，如摄影法、射线法、比电阻 法等，但是由于工业现场苛刻的环境条件，使得目前大多数检测方法的应用只局 限于实验室，难以实现工业应用。相比之下，流化床压力脉动可应用常规仪表进 行测量，所受限制少，是最直接、最可靠的检测方法( 郑建英1 9 8 8 年) ，目前， 适用于各种操作条件下( 包括高温高压) 的高精度、高反应频率压力传感器己实 现商业化，因而可望能得到广泛的应用。许多研究表明，压力脉动包含了流化床 内的综合动态信息，是颗粒特性、床的几何特性、气泡特性等多种因素相互作用 的外在动态反映。测定床层压力脉动并对其进行定量研究可以表征流化床操作的 流型、流化质量、气泡行为以及反应转化率等，因而对压力脉动动态特性的研究 日益受到广泛的关注。然而由于压力脉动表面上的随机性，因此如何对其进行分 析处理从而有效提取内部隐含信息以用于流化床反应器的设计和反应过程的控 制策略是一个急待深入探索的课题。 早在五、六十年代，许多研究者便注意到流化床中的压力脉动现象，但关于 压力脉动的原因却众说不一。早期的研究者们对此有两种不同的观点。t a m a r i n ( 1 9 6 4 ) 和h i b y ( 1 9 6 7 ) 认为压力脉动与床高波动有关。l i r a y 和l i t t m a n ( 1 9 7 1 ) 也认为由于床高的波动引起气泡从床层表面逸出，从而引起压力脉动【1 2 1 。而k a n g e ta j ( 1 9 6 7 年) 则认为气泡的运动引起了气体的流动方式、状态和密相空隙率 的变化，最终导致了压力脉动【1 3 】。 l t f a n ( 1 9 8 1 年) 【1 4 】总结了前人的研究成果，采用了统计方法对流化床 中的压力脉动信号进行了分析，研究了流化床中包括分布板上射流区压力脉动的 概率和统计特性，探讨了引起压力脉动的原因。研究结果表明，流化床内的压力 脉动不是直接由床高波动引起的，而是由气泡的形成、聚并以及气泡的运动所引 起。在流化床的上部，压力脉动主要由多个相互有部分重叠的气泡先后通过测量 场形成的波动叠加而成，同时，床层表面连续的粒子抛射也产生小的压力脉动： 4 浙江大学硕士学位论文 在分布板附近，压力脉动主要是床层中部气泡聚并产生的压力波向下传播，同时 分布板上的气体射流、分布板区小气泡的形成引起的压力脉动叠加而成；床层中 部的脉动是以上各种因素的综合结果。 陈伯川等( 1 9 8 7 年) 、f a n ，z e ta 1 ( 1 9 9 0 ) 在二维床中，采用将压力探 头与电导探头置于同一轴的复合探头，对压力脉动信号的性质和传播规律进行了 研究，发现床内扰动所引起的压力脉动以三维疏密波的形式传播，且各向同性， 传播速度相当快，气泡产生的压力脉动以二维疏密波的形式传播，横向传播速度 与扰动引起的压力波速度相同，而纵向传播速度等于气泡的上升速度，气泡是影 响压力脉动的主要因素。 v a nd e rs c h a a fe ta ( 1 9 9 8 年) 等人研究表明，鼓泡流化床中的压力脉动 是由慢速以及快速传播的两种压力波所造成的。 一般认为，床内产生压力脉动的根源是由于气泡的存在，但是就局部点的压 力脉动而言，它不仅和该点处的气泡运动有关，而且受到周围其它点处压力脉动 的影响，是颗粒特性、床的几何特性、气泡运动特性等一系列因素的综合反映， 因而使得压力脉动产生的机理相当复杂。 1 2 1 2 压力脉动规律的研究 利用压力脉动信号来检测流化床的动力学状态具有很大的优势，因为信号本 身包含了流化床的综合信息，是多种因素，包括粒子的扰动，气泡的形成、聚并、 分裂，气泡的流动与喷发等，相互作用的表观动态反映。然而，流化床内的压力 脉动同时也非常复杂，因而从压力脉动信号中提取有效参数来判断床内状况变化 是非常迫切的问题，为此研究者们采用多种方法来分析压力脉动信号，以求能解 决许多流化床的问题。 迄今为止，许多研究者对压力脉动时间序列的特性采用了不同的方法来进行 估计，从理论上说，可以分为两大类：传统的线性分析方法，以及近十年来迅速 发展起来的非线性分析方法。线性分析方法是将流态化系统近似为线性系统，然 后运用线性方法进行处理，根据分析域的不同，也可以分为两种：( 1 ) 统计分析； ( 2 ) 变换域分析 ( 1 ) 统计分析 许多文献用此方法来研究气固流化床的流化状态及进行信号处理，其原因是 浙江大学硕士学位论文 统计分析与数据点在时间序列中的分布密度有关，可以计算出各个常量，如平均 值，标准偏差和方差，以及象偏斜度之类的高阶矩，也可根据所提及的这些方法 来测定别的常量。 c l o u g ha n dg y u r e ，( 1 9 8 4 年) 【1 ”用流化床某段中两点之间的压差来检测 其流化状态，建立了差压波动的时间序列模型，而波动与床内气固混合程度有关。 并定性地定义了混合程度，即压力波动的小方差与平稳流化相一致，而大方差与 鼓泡流态化或气栓流相一致，模型参数平均值随流化气速和床内混合度的变化而 变化。通过对模型参数的检测来推测流化状态。 k a ia n df u r u s a k i ，( 1 9 8 7 年) 1 1 8 在直径为0 0 8 1 m 的流化床反应器中进 行c o 的甲烷化，用差压波动幅值的平均偏差来测定流化状态，得到压力波动偏 差的平均幅值与c o 转化率之间的关系。幅值显示了不同转化率下，流化状态的 变化，表明在不同的转化率下，流化质量会有明显的变化，出现部分不流化，腾 涌和部分粒子夹带，流化质量和接触效率能通过内置挡板和二级分布器加以改 善。用压力脉动偏差平均幅值可定量的对流化质量进行改进。 ( 2 ) 变换域分析 有研究者从主频、幅值角度对流化床压力脉动进行了探讨，通过对流化床压 力脉动信号做w i g n e r 分布，作出等高线图，发现等高线不连续，提出流化床内 获得的压力脉动信号是非平稳的随机信号，应该用时频分析方法来代替以信号平 稳性假设为基础的经典傅立叶分析方法，以同时提取时域和频域信息。因而小波 分析、w i g n e r 分布等时频分析方法被尝试应用于多相流动信号分析。 l t f a n 峥1 研究了气速、静床高、粒径、分布板设计对压力脉动信号主频、 脉动幅度的影响。结果表明主频随静床高的增大而减小，气速、分布板设计对主 频的影响不大，并发现床层中部压力脉动幅值最大。 阳永荣2 0 1 也得到了有关压力脉动幅值的同样结果，通过实验发现床层中部 的压力脉动均比床面附近及分布板区强。而压力脉动的大小与测量点至床面的高 度显然不成比例。认为床面及分布板附近的压力脉动较小，是床层的一种“端效 应”。床层两端的压力脉动可以分别在自由空间及分布板下的气室得到缓冲，压 力脉动因此而变小。 m y a s h i m a 和r n a s s o r 【2 1 】研究了三相流化床压力脉动信号，通过功率谱密 浙江大学硕士学位论文 度函数分析，认为三相流化床存在三个区域：入口区( 高斯噪声) 、主体区( 混 沌) 、过渡区( 随机过程) 。在入口区，流化介质通过分布板的射流引起大量小气 泡和颗粒的无规则运动，导致产生高斯噪声性质的压力脉动。气泡在上升过程中 发生聚并，进入主体区，气泡越大，气泡的行为越具有确定性和规则性，这就导 致了主体区中的混沌行为，但气泡又是不稳定的，在上升过程中会发生聚并，导 致了过渡区中压力脉动的随机性。 何震对压力脉动信号进行了w i g n e r 谱分析2 2 1 ，确证了信号的非平稳性，并 根据信号时频空间的表现特点，得到了信号的几个重要性质，定义了参数局 部频峰加权平均知，实验结果表明，局部频峰加权平均具有较好的统计重复性， 并能很好的反映气阐流化床中气泡相的信息。同时还建立了信号的相关结构模 型，采用小波变换确定了模型中的自相关参数和白噪声强度口。，对各种操作 条件和结块故障进行了研究。 ( 3 ) 非线性分析 能以线性模型加以表达的系统称为线性系统，即该系统中初始状态的变化将 导致任何后继状态成比例的变化。然而，实际现实中存在的更多的却是与之相对 的非线性系统，传统的线性方法无法精确测量这些系统。非线性科学的发展，为 研究非线性提供了可能性。就目前文献看来，在流态化研究中常见的非线性分析 方法大致有以下几种： 1 混沌特征分析 非线性的一个重要现象。就是混沌，表现为确定系统中的内在随机性，其既 不是完全可预测也非完全随机的。混沌理论的出现为非线性系统复杂行为的研究 提供了强有力的手段。目前，物理学、化学、生物学、气象等许多研究领域中， 非线性系统的混沌研究成为人们关注的热点。 混沌分析包括了一系列分析工具，主要是关于状态空间中动力学系统的拓扑 学结构。非线性动力学混沌的研究目的便是揭示貌似随机的现象背后可能隐藏的 共同规律，从而对不规则行为具有有限预测性。有限预测能力指的是通过一些测 定方法，从目前的状态中能够预测体系未来的状态，在这些确定模型中对于未来 状态预测的准确程度与预测的时间长度成反比。混沌主要是关于动力学现象的， 可以通过短期预测或者系统参数的微变而引起巨大反应等特征量来表征。目前最 浙江大学硕士学位论文 常用的混沌特征参数包括( 1 ) 分维数，也就是系统的自由度的度量，分维数实 际上是分形特征量，由于混沌吸引子通常是分形集，因而被用为混沌特征参数； ( 2 ) l y a p u n o v 指数，指相空间内相邻轨道收敛或发散的平均指数速率；( 3 ) k o l m g o r o v 熵，又称k 熵或测度熵，为系统演变的平均信息损失率。 自从s t r i n g e r 2 3 1 在1 9 8 9 提出气固流化床动力学可以解释为混沌后，另外一 些研究通过混沌的特征参数来进一步证实其动力学行为的混沌特征。 v a nd e nb l e e k 与s c h o u t e n ( 1 9 9 3 a ) 【2 4 】对压力脉动时间序列的的关联维数 和k 熵进行研究，得到了关联维数、k 熵与表观气速的关系，当表观气速介于起 始流化速度与完全鼓泡态之间时关联维数和k 熵有一个显著的变化过程，其最大 值甚至大于完全鼓泡态时，可见在起始流化到完全鼓泡之间床内的运动尚有一个 特殊的转变过程。 随后d a we ta 1 ( 1 9 9 5 ) 2 5 】又提出在流化床腾涌区显现出低维整体行为， 这是一种典型的混沌体系。在更广泛的研究中，v a n d e rs t a p p e n ( 1 9 9 6 ) 2 6 】证 实其他的流型( 鼓泡或循环状态) 也具有明显混沌行为的典型特征。m a r z o c c h e l l a e l ；a l ( 1 9 9 7 ) 表明在很宽的流化区内，粒子与气体相互湍动作用中，k 熵可以 作为一种定量方法。v a nd e nb l e e k 与s c h o u t e n ( 1 9 9 3 b ) 对于流化床中混沌性 时间序列的分析方法进行了回顾。v a n d e rs t a p p e n ( 1 9 9 6 ) 对于混沌分析方法与 技术进行了更详细的阐述。而d v p e n c ee ta l ( 1 9 9 8 ) 的实验结果则表明， 如果在鼓泡床中加上反向的振动气流，将会压制床内的混沌现象，使得床内的动 力学行为发生明显变化而出现“锁相现象”。 b a ie ta 7 ( 1 9 9 7 ) 2 7 1 对压力脉动和空隙率时间序列进行了混沌分析，计算 了功率谱衰减指数、最大l y a p u n o v 指数、关联维数。结果表明压力脉动反映了 气泡的运动以及空隙率变化和压力波传播引起的局部扰动。并且得到了两种关联 维数，高的对应于小尺度的脉动，主要由颗粒运动和局部扰动引起，低的对应于 大尺度的脉动，反映了气泡运动。 陈伟等( 1 9 9 8 ) 2 8 1 对加压流化床中局部压力脉动随压力、流速的变化规律进 行了讨论，分析了k 熵及分维数在流化床中物理意义，认为k 熵为增大的方向时， 流化床内部的气固运动规律向随机的方向发展，即流化床中气泡的破裂机制占主 导作用，反之当k 熵为减小的方向时，流化床内部的气固运动规律向规则方向发 浙江大学硕士学位论文 展，即流化床中气泡的长大、聚并机制占主导作用。并且随着输入能量的增加， 流化床局部压力脉动的k 熵变化将趋于平缓，分维数减小并趋于一个定值。 2 分形特征分析 分形理论是非线性科学中的又一活跃数学分支，混沌与分形具有密切的关 系。混沌运动的轨道或奇异吸引予常常是典型的分形，混沌运动的复杂性也反映 在分形的复杂性上，分形是刻画混沌运动的直观的几何语言，是更接近现实世界 的数学。 目前应用于流态化研究中的分形特征分析方法主要为r s 分析。r s 分析又 名h u r s t 分析，是以分形布朗运动模型为基础，分析非周期行为的长期相关性， 对时间序列未来的变化趋势作出预测。r s 分析的表达式，由h u r s t 提出， m a n d e l b r o t 和w a l l i s 进步推广，得到时间序列的极差r ( t ，t ) 和标准偏差 s ( t ，t ) 之间存在关系： e ( t ，r ) s ( t ，r ) 。cr 8 ( 1 1 ) 其中就是h u r s t 指数。对于实测序列，如果h = i 2 ，则表明该序列是完全随机 的，系统运动规律为普通的布朗运动：如果i 2 ，表明序列具有持久性 ( p e r s i s t e n c e ) ，即过去的增加( 减少) 趋势意味着未来的增加( 减少) 趋势； 反之，如果必1 2 ，表明序列具有反持久性( a n t i p e r s i s t e n c e ) ，即过去的增加 ( 减少) 趋势意味着未来的减少( 增加) 趋势。f e d e r ( 1 9 8 8 ) 推出了具有布朗 运动特征的时间序列局部分形维d 与h u r s t 指数的关系： d = 2 一日( 卜2 ) 因此，也相当于一种余维数。 f a ne ta ( 1 9 9 0 ) 2 9 1 首次在三相流化床中证明了压力脉动具有分形布朗运 动特征。他们应用r s 分析，计算了不同操作条件下压力脉动时间序列的h u r s t 指数鼠发现随着气速的增大而减小，随着压力探头位置的升高而增大，认为 这是由于低气速时粘度作用使得气泡的运动比较具有规则性和持久性，气泡在床 中的聚并长大使床上部气泡的运动比床底部更具有持久性。 k w o n ( 1 9 9 4 ) 3 0 】利用r s 分析对- - $ 1 j 流化床中的气泡尺寸和压力脉动进行 了研究，得到了气泡穿刺长度厶与h u r s t 指数及气速、液速、颗粒直径之间 的关系。随着气速的增大，厶增大，h u r s t 指数却随之降低，液速增大时情况正 浙江大学硕士学位论文 好相反，并且回归得到了h u r s t 指数与操作条件之间的关系式及厶与之间 的关系式： 倒。0 ( 捌”“ 。， 鲁= 0 0 1 h - 5 5 2 5 f 1 一吖1 ( 1 - 4 ) d ，lr 赵贵兵等( 2 0 0 0 年) 3 1 1 对气固流化床压力脉动时间序列进行了r s 分析之 后发现，压力脉动具有较强的非周期长期相关性。在气速由起始气速开始增大的 过程中，h u r s t 指数有一个降低的过程，表明单个气泡运动导致的压力脉动具 有很强的相关性，随气泡的增多相关性减弱，当出现气泡强烈非线性相互作用后， 相关性趋于稳定。 3 复杂性分析 复杂性这个概念早在五十年代由v o i ln e u m a n n 提出，认为是本世纪物理学需 要解决的重大问题。以后由k o l m o g o r o v 给出具体意见，由l e m p e l 和z i v ( 1 9 7 6 ) 给出具体数学描述和算法。l e m p e l z i v 复杂性也被称为算法复杂性 ( a l g o r i t h m i cc o m p l e x i t y ) ，它描述为重现一个模式的算法的最短长度，反映 了时间序列的随机程度，类似于香农熵或动态熵，认为有序的不复杂，完全随机 的最复杂。 另一方面，在最近的非线性动力学的研究中，提出了“复杂性测度”的概念 ( g r a s s b e r g e r1 9 8 6 a ，1 9 8 6 b ：李素兰1 9 9 8 ：徐京华等1 9 9 6 ) 3 2 1 ，认为复杂 性不应是随动态熵( 或香农信息熵) 单调上升的函数，而是凸形函数，也就是说， 完全有序的结构不复杂，完全随机的结构也不复杂，上述两种结构的混合，特别 是混沌状态时，复杂性较高。 实际上，由于混沌理论本身尚不完全成熟，k 熵、l y a p u n o v 指数、关联维数 等常用的混沌特征参数，都存在着算法上的不成熟，计算结果依赖于可调参数的 问题。而复杂性恰恰具有计算方便的特点，且对序列长度等条件的要求相对比较 低，因而更具有实用价值。 1 2 2 空隙率的研究 空隙率是建立流化床反应器数学模型及进行工业流化床反应设计所必须的 l o 浙江大学硕士学位论文 重要参数之一，目前研究流化床内流动结构，测量空隙率的一些实验手段，主要 有压力计及压差传感器【3 3 】、等速取样探针【3 “、光纤探针陋3 6 1 、电容电位探针3 7 - 3 8 以及y 射线和x 射线 3 9 - 4 0 1 等。采用压差法计算空隙率，仅能得到取压点间的平均 空隙率，并且当空隙率较大时压差很小，而且取压装置的维护也比较困难；应用 放射性同位素的方法，由于辐射源的制备级防护等因素在使用上有一定的局限 性；普遍采用的电容探针，是利用针部与地之间分布的电容，由于各物质的介电 常数差异很大，导电率不同，因而作为空隙率测定的定量校正数据很少有报导。 而光纤颗粒浓度测量仪能够深入到流化床的内部不同位置测量两相流动中的空 隙率及其分布，因此许多研究者采用该测量手段先采集所研究对象的光纤颗粒浓 度信号时间序列再对所得的信号运用各种分析方法进行特征提取。从信号学的角 度来看，压力和光纤信号有相似之处，都是表面上是近似随机信号，实际上是蕴 涵了丰富的信息，是床内诸多参数综合运动的反映，对空隙率信号的分析方法也 可以归为统计分析、频谱分析和非线性分析。 1 2 2 1 统计分析 汪智国等【4 1 】在内径为4 7 4 m m 的流化床中，采用双光路光纤密度探头分别研 究了流化密相区，稀相区空隙率径向分布，发现无论是在密相区还是在稀相区， 鼓泡床、湍动床中的固含率径向分布均比提升管均匀得多。两者的固含率符合相 似分布规律，即相同径向位置的局部固含率与截面平均固含率成正比，而与操作 气速无太大直接关系。 郝晓n jr 4 2 i 等从宏尺度和微尺度范围考察气固流化床中气泡流与颗粒流的运 动规律，提出了将分散的气泡流、尾涡颗粒流和乳化相颗粒流连续介质化的假设 和基于容积通量的流体力学表达方式，建立了内循环流动结构的多尺度连续介质 流模型。实验结果表明空隙率与流速间呈线性关系，在浓相鼓泡区，床层中心的 空隙率最大，沿径向里抛物线分布，随半径增大而单调减少。 卢春喜等【4 3 1 利用光导纤维系统对大型冷态湍流流化床的密相密度沿径向分 布进行了实验测定。结果发现，密相密度沿径向的分布可以明显的分为中心区和 边壁区，且密相密度从中心到边壁方向递增。 郭庆杰等 删利用p c - 4 光导纤维测浓仪和压力传感器联机对双射流流化床空 隙率的影响，发现射流管间距、喷口射流气速是双射流产生射流区合并的主要原 浙江大学硕士学位论文 因，并得到了具体实验条件下空隙率分布的数据，同时研究了双射流管不等速射 流条件下空隙率分布的规律。 气固流化床中最基本的特征是颗粒聚集的乳化相与气体聚集的气泡相共存， 它的复杂性就在于它的不均匀性和多态性。气固流化床内的空隙率分布与气泡的 运动密切相关，因此对床层空隙率的了解最终决定了对流化床气泡运动的研究。 1 2 2 2 频谱分析和非线性分析 采用光纤探头测量循环床内颗粒流动，记录下颗粒浓度的采样波形，获得床 内各处颗粒浓度的平均值。而事实上，从采样波形可以看出，床内颗粒浓度是随 时间不断变化的，研究这种动态特性有助于理解床内气固流动特性。 钱诗智 4 5 1 等利用小波和小波变换的性质，将小波分析应用于流化床中瞬态 颗粒浓度信号的处理。采用多分辨率分析，揭示了床内气固两相流动的微观瞬态 行为。 陆继东等h 6 1 应用新设计的光纤测试探头对床内的瞬态颗粒浓度信号进行测 量，并用小波分析技术对信号进行分析，发现该方法可以揭示出床内的局部瞬态 颗粒浓度信号呈宽频特性，床内的颗粒流体两相流的主要特征在于其非均匀的两 相时空动态结构，该系统在大多数的情况下处于非线性、非平衡的状态。 程易等在内径1 8 6 m m 、高9 m 的提升管中分析湍动流化床、快速流化床和 稀相输送几个典型的操作状态，使用光纤密度探头在轴向不同截面的不同径向位 置处测得密度脉动时间序列，以反映不同流型下，不同浓、稀相区的瞬态动力学 行为。实验表明，k 熵随流型的变化正确地反映相应流型的特点，在忽略壁面附 近行为的条件下，对各种流型，不同的浓稀相区、局部熵值随局部固含率的变化 可分为两个区，大于0 0 5 时熵几乎不随局部固含率变化，而小于时熵随局部固 含率的减少剧增。 1 2 3 流化床压力脉动信号的应用 由于压力脉动信号包含了流化床内丰富的动态信息，而且压力脉动信号可用 常规仪表进行测量，所受限制很少，并能恶劣的环境下进行测量。因而人们已对 它在流化床检测中的应用方面进行了大量的探索。 1 2 3 1 流型识别 压力脉动信号包含着流态化系统的重要信息，因此可以用来识别流化床流化 浙江大学硕士学位论文 状态转变。目前比较多地集中在从鼓泡流态化到湍动流态化的转变过程中。例如 在1 9 7 9 年，y e r u s h a l m i 【4 8 】发现压力脉动信号指示了鼓泡流态化向湍动流态化 的过渡，开始流化后，压力脉动幅值随着气体流速的增加达到最大，对应特征气 速u 。；气速进一步增加脉动幅值开始下降，直至接近某一较低的常数值，对应特 征气速u t ，认为当u ) u 。时表示流型开始向湍动流态化过渡，而当u u 。时表示流 型已完全进入湍动流。是最早流型转变的研究者。 后来清华的蔡平等h 9 j 对气固流化床中从鼓泡流态化到湍动流态化的转变做 了一系列的研究。并给出了鼓泡流化向湍动流化转变速度u 。的关联式： 嵩将 警矿7 1 9 8 8 年p 0 1 他又研究了不同床径对鼓泡流化到湍动流化过渡的影响，得到了 冷漠中床径影响流型转变的关联式 毒= ( 器+ 等) 燃学矿7 另外，他们还在1 9 8 9 年将凝聚函数分析法引入压力脉动信号分析中，结合 时间域统计分析，认为流化床从鼓泡流态化向湍动流态化转变是床内气泡的破碎 程度超过合并程度所致。 在1 9 8 8 年，l e e 5 1 1 对压力脉动信号的综合分析，系统她讨论了流化床从鼓泡 流态化向湍动流态化过渡的判据，采用均值、脉动区间、标准差、主频、概率密 度、偏斜度、平坦度等多种数学工具来分析信号。他试图用多种方法处理的压力 脉动信号都可以作为判断流化床从鼓泡流态化向湍动流态化过渡的依据。从实验 中发现压力脉动的平均幅值、平坦度、标准差、9 0 脉动区间在流型转变处均有 最低点，而偏斜度则有最高点，并得出了流型转变式： r 。，= a o 4 8 5 阳永荣等利用压力探头和光导纤维探头考察了湍动流态化的上下限及实验 判别准则，实验结果表明压力脉动可以指示进入湍动流态化的流型过渡及脱离湍 动流态化的流型过渡，因为这两个状态分别对应于压力脉动最大点和压力脉动趋 于零。 到1 9 9 9 年周章玉等【5 2 】应用压力脉动信号判断气固流化系统中散式流态化到 浙江大学硕士学位论文 聚式流态化的转变，得到聚式流态化速度u 、的经验关联式： 等瑚饿i l 警卜ll 结果发现影响聚式流态化速度u 的主要因素是颗粒的特性，提出了产生聚 式流态化的条件： 怕，一b ) 7 以 r e p ) 。， 2 0 0 0 1 9 9 6 年，文利雄【5 3 1 等认为颗粒流体系统内随气速增大不同流域，分别具有 不同的动态行为并对应差别很大的奇异吸引子图，而计算所得的混沌动力学参数 曲线，如k 熵和关联维数等，都清楚地显示了三个不同流域存在以及流域之间的 过渡，故而可以运用混沌理论定性和定量地研究颗粒流体系统的流型特征。 1 2 3 2 流化床参数检测 影响流化床流化质量和产量的参数有很多。例如，床内传热传质速率、气泡 大小、运动速度、固体颗粒大小、浓度以及床内颗粒料位等。但由于一般工业现 场环境较为苛刻，很多参数无法直接获得，许多研究者通过对包含着流化床内各 种综合因素信息的压力脉动信号来确定流化床内的参数。 1 9 9 1 年，浙大的张宏建等 5 4 】提出了利用流化床内压力脉动信号和料面附近 的平均压降来测量流化床料位高度的方法。实验结果表明，这种方法克服了单纯 的压降法受床内密度沿床高变化的影响，测量精度大大提高，且测