（控制科学与工程专业论文）基于数据挖掘的两相流参数测量新方法研究.pdf

摘要 摘要 两相流参数检测是目前国内外迫切需要解决而又长期未能得以很好解决的测量难 题。数据挖掘技术是目前信息科学领域研究热点之一。本学位论文基于主成分分析 ( p c a ) 主成分回归( p c r ) 、偏最小二乘( p l s ) 偏最小二乘回归( p l s r ) 和最小 二乘支持向量机( l s s v m ) 等数据挖掘技术，研究气液两相流流型辨识、空隙率测 量和液液两相流参数测量等问题。 本学位论文的主要创新点和贡献有： 1 基于1 2 电极e c t 阵列式电容传感器，提出并比较研究了三种基于数据挖掘的 油气两相流流型辨识的新方法：1 ) l s s v m 流型辨识方法，2 ) p c a 与l s s v m 相结合 的流型辨识方法，3 ) p l s 与l s s v m 相结合的流型辨识方法。研究结果表明，该三种 流型辨识方法均是有效的，其中以p l s 与l s s v m 相结合的流型辨识新方法准确度最 高，与现有的其它流型辨识方法相比较，具有流型辨识准确度较高、实时性能佳等优 点。 2 基于1 2 电极e c t 阵列式电容传感器，提出了基于数据挖掘的油气两相流空隙 率测量新方法。针对水平管油气两相流每一种典型流型分别建立有相应的空隙率测量 模型，实际测量时首先采用p l s 与l s s v m 相结合的方法辨识流型，然后根据辨识结 果选择相应的空隙率测量模型计算获得空隙率测量值。空隙率测量模型采用数据挖掘 技术建立，对比研究了三类建模方法：1 ) 线性回归方法( p c r 和p l s r ) ，2 ) 非线性 回归方法( l s s v m ) ，3 ) 特征量提取( p c a 或p l s ) 与l s s v m 相结合的方法。研 究结果表明，所提出的空隙率测量新方法是有效的，该方法直接利用阵列式电容传感 器所获得的电容测量值实现空隙率测量，回避了所有的图像重建过程并考虑了流型对 空隙率的影响。研究结果同时表明，所建立的各种空隙率测量模型中，利用p l s 与 l s s v m 相结合的方法所建立的模型具有最好的测量表现。与现有的基于电容层析成 像技术或其他数据挖掘方法的空隙率测量方法相比较，若采用p l s 与l s s v m 相结合 的方法建立的空隙率测量模型，则所提出的新方法的最大测量误差小于3 6 ，具有精 度高和实时性能佳等优点。 3 将1 6 电极e r t 阵列式电导传感器、组合式流量测量原理和数据挖掘技术相结 i i i 浙江大学博士学位论文 合，提出了一种液液两相流参数测量的新方法。基于阵列式电导传感器所获得的电导 测量值，利用p l s 和l s s v m 等数据挖掘方法设计了主导相判别器，以克服相含率对 液液两相流参数测量的影响。组合式仪表由文丘里管和椭圆齿轮流量计组成。实际测 量过程中，文丘里管和椭圆齿轮流量计获得油水两相流差压和总体积流量，主导相判 别器识别两相流中起主导作用的相，然后根据判别结果选择文丘里管仪表系数，最终 获得油水两相流的总体积流量、混合密度和总质量流量。研究结果表明，所提出的油 水两相流测量新方法是有效的，总体积流量、混合密度和总质量流量的最大测量误差 分别小于1 0 、4 6 和4 5 ，并具有成本低和易于工程实现等优点。 关键词：两相流，测量，数据挖掘，流型，空隙率，主成分分析主成分回归，偏最小 二乘偏最小二乘回归，最小二乘支持向量机 i v a b s t r a c t a bs t r a c t p a r a m e t e rm e a s u r e m e n to f t w o p h a s ef l o wh a sb e e na l lu r g e n ta n dd i f f i c u l tt a s ki nt h e w o r l df o ral o n gt i m e h o w e v e r , i th a sn o tb e e ns o l v e ds a t i s f a c t o r i l yu pt on o w d a t am i n i n g t e c h n i q u ei sc u r r e n t l yah o ts p o ti nt h er e s e a r c hf i e l do fi n f o r m a t i o ns c i e n c e b a s e do nd a t a m i n i n gt e c h n i q u e ss u c ha sp r i n c i p l ec o m p o n e n ta n a l y s i s ( p c a ) p r i n c i p l ec o m p o n e n t r e g r e s s i o n ( p c r ) ，p a r t i a ll e a s ts q u a r e s ( p l s ) p a r t i a ll e a s ts q u a r e sr e g r e s s i o n ( p l s r ) a n dl e a s ts q u a r e ss u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( l s s v m ) ，t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h ef l o w p a r e mi d e n t i f i c a t i o na n dt h ev o i d a g em e a s u r e m e n tm e t h o d so fg a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o w a n dt h ep a r a m e t e rm e a s u r e m e n t m e t h o do fl i q u i d l i q u i dt w o - p h a s ef l o w t h em a i ni n n o v a t i v ep o i n t sa n dc o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h ee c t c a p a c i t a n c es e n s o ra r r a ya n dd a t am i n i n gt e c h n i q u e s ，t h r e en e w m e t h o d sa r ep r o p o s e da n dc o m p a r e df o rt h ef l o wp a t t e mi d e n t i f i c a t i o no fo i l - g a st w o - p h a s e f l o w ：1 ) f l o wp a a e mi d e n t i f i c a t i o nm e t h o db a s e do nl s - s v m ，2 ) f l o wp a t t e mi d e n t i f i c a t i o n m e t h o db a s e do np c aa n dl s s v m ，3 ) f l o wp a a e mi d e n t i f i c a t i o nm e t h o db a s e do np l s a n dl s - s v m r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h e s et h r e ep r o p o s e dm e t h o d sa r ea l le f f e c t i v ea n d t h em e t h o db a s e do np l sa n dl s s v mh a st h eh i g h e s tf l o wp a a e mi d e n t i f i c a t i o na c c u r a c y c o m p a r e dw i t ho t h e rf l o wp a a e mi d e n t i f i c a t i o nm e t h o d s ，t h em e t h o db a s e do np l sa n d l s - s v mh a st h ea d v a n t a g e so fr e l a t i v e l yh i g ha c c u r a c ya n dg o o dr e a l - t i m ep e r f o r m a n c e 2 b a s e do nt h ee c tc a p a c i t a n c es e n s o ra r r a ya n dd a t am i n i n gt e c h n i q u e s ，an e w m e t h o di sp r o p o s e df o rt h ev o i d a g em e a s u r e m e n to fo i l g a st w o - p h a s ef l o w v o i d a g e m e a s u r e m e n tm o d e l sa r ee s t a b l i s h e di na d v a n c ef o re a c ht y p i c a lf l o wp a t t e r no fo i l g a s t w o p h a s ef l o wi nh o r i z o n t a lp i p e i nt h ep r a c t i c a lm e a s u r e m e n tp r o c e s s ，t h ef l o wp a t t e mo f o i l g a st w o - p h a s ef l o wi sf i r s t l yi d e n t i f i e da c c o r d i n gt o t h em e t h o db a s e do np l sa n d l s - s v m t h e n ，t h es u i t a b l ev o i d a g em e a s u r e m e n tm o d e li ss e l e c t e db yu s i n gt h ef l o w p a t t e r ni d e n t i f i c a t i o nr e s u l tt o c a l c u l a t et h ev o i d a g ev a l u e t h ev o i d a g em e a s u r e m e n t m o d e l sa r ee s t a b l i s h e db a s e do nd a t am i n i n gt e c h n i q u e s t h r e ek i n d so fm o d e l i n gm e t h o d s a r es t u d i e da n dc o m p a r e d ：1 ) m o d e l i n gm e t h o d sb a s e do nl i n e a rr e g r e s s i o n ( p c ra n d v 浙江大学博士学位论文 p l s r ) ，2 ) m o d e l i n gm e t h o d sb a s e do nn o n - l i n e a rr e g r e s s i o n ( l s s v m ) ，3 ) m o d e l i n g m e t h o d sb a s e do nf e a t u r ee x t r a c t i o n ( p c ao rp l s ) a n dl s s v m r e s e a r c hr e s u l t ss h o w t h a tt h ep r o p o s e dm e t h o di se f f e c t i v e w i t h o u ta n yi m a g er e c o n s t r u c t i o np r o c e s s ，i td i r e c t l y u s e st h em e a s u r e dc a p a c i t a n c ev a l u e st oi m p l e m e n tt h ev o i d a g em e a s u r e m e n ta n dc a l l o v e r c o m et h ei n f l u e n c eo ff l o wp a u e r no nt h ev o i d a g em e a s u r e m e n t r e s e a r c hr e s u l t sa l s o i n d i c a t et h a ta m o n ga l lt h ee s t a b l i s h e dv o i d a g em e a s u r e m e n tm o d e l s ，t h ep l sa n dl s s v m b a s e dm o d e l ss h o w st h eb e s tm e a s u r e m e n tp e r f o r m a n c e c o m p a r e dw i t ht h eo t h e rv o i d a g e m e a s u r e m e n tm e t h o d sb a s e do ne c to rd a t am i n i n g ，i ft h ep l sa n dl s - s v mb a s e dm o d e l i sa d o p t e d ，t h ep r o p o s e dv o i d a g em e a s u r e m e n tm e t h o dh a st h ea d v a n t a g e so fh i g ha c c u r a c y a n dg o o dr e a l t i m ep e r f o r m a n c ea n di t sm a x i m u mv o i d a g em e a s u r e m e n te r r o ri sl e s st h a n 3 6 3 。昕纺t h e16 一e l e c t r o d ee r tc o n d u c t i v i t ys e n s o ra r r a y , t h em e a s u r e m e n tp r i n c i p l eo f h y b r i df l o w m e t e ra n dd a t am i n i n gt e c h n i q u e s ，an e wm e t h o di sp r o p o s e df o rt h ep a r a m e t e r m e a s u r e m e n to fl i q u i d - - l i q u i dt w o - p h a s ef l o w t oo v e r c o m et h ei n f l u e n c eo fo i lf r a c t i o no n t h em e a s u r e m e n tr e s u l t s ，ad o m i n a n tp h a s ei d e n t i f i e ri sd e v e l o p e db a s e do nt h ec o n d u c t i v i t y v a l u e so b t a i n e db yt h ec o n d u c t i v i t ys e n s o ra r r a ya n dd a t am i n i n gt e c h n i q u e s ( p l sa n d l s s v m ) t h eh y b r i df l o w m e t e rc o n s i s t so fav e n t u r im e t e ra n da no v a lg e a rf l o w m e t e r i n t h ep r a c t i c a lm e a s u r e m e n tp r o c e s s ，t h ed i f f e r e n t i a lp r e s s u r ea n dt h et o t a lv o l u m ef l o w r a t eo f t w o - p h a s ef l o wa r ef i r s t l yo b t a i n e db yt h ev e n t u r im e t e ra n dt h eo v a lg e a rf l o w m e t e r m e a n w h i l e ，t h ep h a s et h a td o m i n a t e st h eg l o b a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo i l - w a t e rt w o p h a s e f l o wi si d e n t i f i e db yt h ed o m i n a n tp h a s ei d e n t i f i e r t h e n ，t h em e t e rc o e f f i c i e n to ft h ev e n t u r i m e t e ri ss e l e c t e da c c o r d i n gt ot h ed o m i a n tp h a s ei d e n t i f i c a t i o nr e s u l t f i n a l l y , t h et o t a l v o l u m ef l o w r a t e ，t h ed e n s i t ya n dt h et h et o t a lm a s sf l o w r a t eo ft h eo i l - w a t e rt w o - p h a s ef l o w a r ec a l c u l a t e d r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o p o s e do i l - w a t e rt w o - p h a s e f l o w m e a s u r e m e n tm e t h o di se f f e c t i v e t h em a x i m u mm e a s u r e m e n te r r o ro ft h et o t a lv o l u m e f l o w r a t e ，t h ed e n s i t ya n dt h et h et o t a lm a s sf l o w r a t eo ft h eo i l w a t e rt w o - p h a s ef l o wa r e 1 o ，4 6 a n d4 5 ，r e s p e c t i v e l y a d d i t i o n a l l y , t h ep r o p o s e dm e t h o di sl o w - c o s ta n de a s y t 0b ei m p l e m e n t e d v i a b s t r a c t k e y w o r d s ：t w o p h a s ef l o w , m e a s u r e m e n t ，d a t am i n i n g ，f l o wp a t t e m ，v o i d a g e ，p r i n c i p l e c o m p o n e n ta n a l y s i s ( p c a ) p r i n c i p l ec o m p o n e n tr e g r e s s i o n ( p c r ) ，p a r t i a ll e a s ts q u a r e s ( p l s ) p a r t i a ll e a s ts q u a r e sr e g r e s s i o n ( p l s r ) ，l e a s ts q u a r e ss u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( l s s v m ) v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝望盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位敝作者签名：欠霍签字日期：苫，支 伽7年6 月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘鲎有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 籼姗张方霰 签字日期：7 7 年月9 日 导师签名荽左乙 签字日期： 二圩年月罗e t 致谢 致谢 在论文完成之际，首先要感谢导师黄志尧教授，感谢他多年来在科研工作和日常生 活中对我的悉心指导和关怀。黄老师渊博的学识、敏锐的科学洞察力、严谨的治学态度 和忘我的工作热情对我产生了深刻的影响，将使我获益终身。五年来，我的每一个进步 都与导师的谆谆教诲和严格要求分不开。毕业之际，衷心祝愿黄老师万事如意，事业更 上层楼! 特别感谢王保良副教授和冀海峰副教授对我学习上的悉心指导和生活上的热心帮 助。王老师精深的硬件知识和踏实勤勉的生活态度是我一生学 - j 的榜样。冀老师踏实的 科研态度，耐心随和的性格，朋友般的提示和交流，在学 - j 和生活上给予我很大的帮助。 衷心感谢英国肯特大学闫勇教授在学习和科研方面的关心和帮助。 感谢自动化仪表所各位老师多年的关心和支持。感谢谢代梁博士、丁浩博士、余金 华博士、刘铁军博士、王微微博士、李强伟博士、彭珍瑞博士、李志茂硕士、崔海利硕 士等师兄( 师姐) 对我的帮助，感谢罗元国硕士、朱建平硕士、李国娜硕士、彭佩星硕 士、郑伟军硕士、胡松钰硕士、张金章硕士、刘亦安博士生、孟振振博士生、姜娓娓硕 士生、贺贞贞硕士生、苏瑞东硕士生、王磊硕士生，周鑫淼硕士生、龙军硕士生、徐晓 辉硕士生、张立伟硕士生、夏宇庆硕士生。感谢他们对我的帮助和支持，祝他们学业有 成。 感谢父母对我的养育之思，他们在我求学的道路上倾注了大量的心血，在此表达我 最崇高的谢意，祝父母身体健康。感谢弟弟及弟妹对我的支持和关照，祝他们事业顺利。 感谢每一位关心和支持我的同学和朋友，你们的陪伴让我的生活充满希望和快乐。 祝愿大家平安，健康。 二零零九年五月 于求是园 第1 章绪论 摘要 第1 章绪论 本章主要介绍两相流的基本概念、分类和主要参数；两相流参数检测的重 要意义、研究现状和发展趋势；最后介绍本文的主要工作和意义。 本章主要内容 两相流概念和分类 两相流主要参数 两相流参数检测的意义 两相流参数检测的研究现状和发展趋势 、本文的主要工作 浙江大学博士学位论文 1 1 两相流及其主要参数 1 1 1 两相流多相流的概念和分类 相的概念通常是指某一系统中具有相同成分及相同物理、化学性质的均匀 物质部分。自然界的物质通常可分为三种相：即气相、液相和固相。气体或液 体单相物质的流动称为单相流，同时存在两种或多种不同相物质的流动称之为 两相流或多相流【卜1 8 】。此外，工程中也常常将两种或多种同相物质( 一般为液 体，例如两种互不相溶液体) 的共同流动归属于两相或多相流的范畴【l - 1 8 1 。 两相多相流动体系在自然界和化工、石油、冶金、动力等工业领域中广泛 存在。工业中常见的两相多相流主要有以下几种【1 - l 明： ( 1 ) 气液两相流：气体和液体物质混在一起共同流动称为气液两相流。在 锅炉蒸汽系统、石油和天然气等输运过程，以及各种传热传质设备大量的分离 和反应过程中，都广泛存在着气液两相流。 ( 2 ) 气固两相流：气体和固体颗粒混合在一起共同流动称为气固两相流。 在煤粉、水泥、粮食等粉粒料的管道气流输送过程，煤的沸腾燃烧、石油的催 化裂化、矿物的流态化焙烧等流态化系统中，气固两相流的工业实例大量存在。 ( 3 ) 液液两相流：两种互不相溶的液体混合在一起的流动称为液液两相流。 化学工业的萃取过程大都是液液两相流系统。日化和食品工业中的各种乳浊液 和乳化液，油田开采与地面集输过程的油水两相流等也都是典型的液液两相流。 ( 4 ) 液固两相流：液体和固体颗粒的共同流动称为液固两相流。矿浆、纸 浆、泥浆、胶浆等浆液流动，矿石、残渣的水力输送，以及自然界中含沙河流 的流动等都属于液固两相流。 ( 5 ) 多相流：多种不同相物质混合在一起共同流动称为多相流。如石油工 程中的油气水三相流、化学工业中气液固三相流态化反应器等均是多相流的典 型例子。 第1 章绪论 1 1 2 两相流主要参数 两相流存在形状和分布在时间和空间上均随机可变的相界面，同时，相间 实际上又存在不可忽略的相对速度，致使两相流具有比单相流复杂得多的流动 特性。因此通常的描述单相流动的参数如速度、压力降、流量、温度等已不足 以完全反映两相流动的状态，还需要一些新的特征参数【1 。1 8 1 。 描述两相流系统特性的主要参数有1 舶1 ： ( 1 ) 流型 流型，又称流态，即流体流动的形式或结构。两相间存在随机可变的相界 面使两相流动形式多种多样，十分复杂。两相流流型的不同会影响两相流流动 特性和传热传质性能，同时两相流其它参数的准确测量也往往依赖于对流型的 了解。 ( 2 ) 分相含率 分相含率可按容积、截面等分别表征。不同两相流种类中的分相含率都有 一些习惯术语。例如在气液两相流中，流通截面上气相所占的面积与总的流通 截面积之比常称作空隙率。在气固两相流( 例如物料气力输送过程) 中固相的 含率常称为浓度。 ( 3 ) 流量 采用不同的单位制，可分别用容积流量或质量流量表示。对于各相，可用 分相容积流量或分相质量流量描述。对于两相混合物的流量，可用平均容积流 量和平均质量流量来描述。 ( 4 ) 密度 在两相流动中，混合物的平均密度也是一个常用参数，一般根据各相密度 和分相含率等参数计算求得。 ( 5 ) 速度 由于两相流动中存在相对速度，所以除了以混合流体的平均速度描述外， 还常采用分相流速来表示。两相真实速度之比常称为滑移比，两相真实速度之 浙江大学博士学位论文 差常称为滑动速度。 ( 4 ) 压力降 压力降是两相流动中的基本参数之一。目前两相流混合物总压力降与各分 相压力降间已建立了不少理论预测模型以及经验和半经验的关联式。 此外，两相流中气泡、液滴或颗粒的尺寸及分布、液膜的流率及厚度等也 都是描述两相流动特性的特征参数。 1 2 两相流参数检测技术的重要意义 两相流动体系在自然界和化工、石油、冶金、动力等众多工业领域中涉及 范围十分广泛。随着科学研究和工业生产的发展以及国内外对环境保护的日益 重视，使得两相流领域的研究工作发展迅速，目前已成为国内外极为关注的前 沿学科【1 。2 4 1 。在两相流研究中，两相流参数检测具有特别重要的意义。缺乏可 靠的第一手测量数据，实验现象就难以认清，概念就不能建立，描述现象的数 学方程和物理模型就不准确，对过程的预测、设计和控制也就难以实现 1 6 , 1 9 , 2 3 】。 然而，两相流体系是一个复杂系统，其参数的检测非常困难。随着工业生产过 程计量、节能及控制要求的日益提高，对两相流参数检测的要求也越来越迫切， 两相流参数检测技术在很多情况下已成为目前两相流研究发展和工程应用中的 一个制约性因素 1 5 - 2 4 。研究两相流参数检测技术具有重要的学术意义和工程应 用价值。 1 3 两相流参数检测技术的研究现状和发展趋势 由于两相流涉及范围的广泛性和应用的重要性，国内外众多学者在两相流 参数检测方面做了大量的研究工作 1 5 - 3 3 】。然而，由于两相流动比单相流动不仅 流动特性复杂得多，且相间存在着界面效应和相对速度，致使参数检测的难度 较大。迄今为止，已有的测试技术和方法大多处于实验室研究阶段，实用化的 工业仪表和方法为数很少，还难以满足科学研究和实际工程应用的迫切需求 4 第1 章绪论 1 5 - 3 3 。因而，急需开发适用范围广、精度高、便于实用的两相流测试技术，以 推动科学技术的进步及经济建设的发展。 根据两相流检测技术的研究现状和相关文献报道，目前国内外研究较多的 两相流检测技术路线大体可分为三大类【1 5 彤1 ： ( 1 ) 采用传统的单相流仪表和两相流测量模型相结合的方法。目前已将差 压式流量计、涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、科里奥利流量计等多种 单相流量计应用于两相流的参数检测。 ( 2 ) 应用近代新技术，如核辐射线、激光、光纤、核磁共振、超声波、微 波、光谱、新型示踪、相关分析和过程层析成像等。 ( 3 ) 在成熟的硬件基础上，综合运用数理统计、过程辨识、模式识别、参 数估计、先进信号处理方法和新型数据挖掘方法等实现对两相流参数的测量。 根据国内外两相流检测技术研究的最新进展，两相流参数检测技术的发展 趋势和今后的研究方向大致可概括为以下几个方面【1 9 。2 4 2 7 。3 3 1 ： ( 1 ) 将成熟的单相流测量仪表或单相流仪表的组合应用到两相流参数检测 领域仍是受到普遍重视的研究方向。 ( 2 ) 借助于微电子和计算机等领域新技术的发展，研制高灵敏度、高精确 度和高可靠性的两相流传感器和参数检测仪表。 ( 3 ) 两相流体流动是一个复杂的多变量随机过程，随着现代信息处理技术 和随机过程理论的发展，应用数理统计、信号处理、模式识别、数据挖掘等信 息处理方法和手段进行两相流参数估计和在线测量将是两相流参数检测领域研 究发展的重要方向。 ( 4 ) 完善和推广已有相当研究基础的过程层析成像技术、相关流速流量技 术和激光多普勒相位多普勒技术等新型检测技术在两相流中的应用。 ( 5 ) 两相流参数的校验标定方法和误差分析等基础性工作的研究也正受到 日益关注。 浙江大学博士学位论文 1 4 本文主要工作和意义 两相流系统为一典型的复杂动态系统，客观上需要综合运用多种先进的信 息获取和信息处理方法以获取反映系统流动特性的全面的深层次的信息，并进 而实现两相流参数的准确测量。单纯依靠传感器或测量系统所获得的原始信息 以实现两相流参数的有效测量有相当大的难度。 二十世纪9 0 年代以来在信息科学领域涌现出的数据挖掘( d a t am i n i n g ) 技术为解决复杂系统的信息获取和处理问题提供一个很好的具体实现框架。该 技术集信息获取、数据清理、降维和归纳、模式识别，数据分析和评估以及信 息输出为一体，可进行多源信息综合处理并挖掘出反映系统特性的深层次特征 信息，阐明他们的机理性意义，是目前信息科学领域中的研究热点之一。 本学位论文拟在数据挖掘的框架下，基于电学层析成像阵列式传感器系统 和传统单相流测量仪表所获信息，综合运用各种先进的数据挖掘具体实施手段 和方法，研究有关两相流参数检测方面的问题。 具体研究对象为气液两相流和油水两相流，测量参数为气液两相流流型、 空隙率，以及油水两相流的总体积流量、混合密度及总质量流量等。所涉及的 数据挖掘具体实施手段和方法包括主成分分析( p c a ) 主成分回归( p c r ) 、 偏最小二乘( p l s ) 偏最小二乘回归( p l s r ) 和最小二乘支持向量机( l s s v m ) 笙 叮。 学位论文的主要工作和具体内容安排如下： 第一章绪论。 主要介绍两相流的基本概念、分类和主要测量参数，两相流检测技术的重 要意义，研究现状及发展趋势，最后介绍本文研究工作的主要内容。 第二章文献综述。 对气液两相流流型辨识方法、空隙率测量技术和液液两相流测量技术等进 行较详细的综述，并对本文涉及的具体数据挖掘技术如主成分分析( p c a ) 主成分回归( p c r ) 、偏最小二乘( p l s ) 偏最小二乘回归( p l s r ) 和最小二 6 第1 章绪论 乘支持向量机( l s s v m ) 等进行介绍。 第三章实验装置。 简要介绍两相流参数检测实验装置的构成和功能。 第四章油气两相流流型辨识。 基于1 2 电极e c t 阵列式电容传感器提供的电容测量信息，利用主成分分 析( p c a ) 、偏最小二乘方法( p l s ) 和最小二乘支持向量机( l s s v m ) 等数 据挖掘技术研究油气两相流流型辨识新方法，并通过理论分析和实验研究比较 基于不同数据挖掘手段的流型辨识方法的应用效果。 第五章油气两相流空隙率测量。 基于1 2 电极e c t 阵列式电容传感器所获取的电容测量信息，利用主成分 分析( p c a ) 主成分回归( p c r ) 、偏最小二乘( p l s ) 偏最小二乘回归( p l s r ) 和最小二乘支持向量机( l s s v m ) 等数据挖掘技术研究油气两相流空隙率测 量新方法。通过静态和动态实验验证新方法的有效性，同时，对基于不同数据 挖掘手段的空隙率测量方法的测量性能进行比较研究。 第六章油水两相流参数测量。 将1 6 电极e r t 阵列式电导传感器、组合式流量测量原理和偏最小二乘 ( p l s ) 、最小二乘支持向量机( l s s v m ) 等数据挖掘技术相结合，提出了一 种液液两相流参数测量的新方法，对油水两相流总体积流量、混合密度和总质 量流量等进行测量，并通过实验验证该方法的有效性。 第七章结论。 对全文的研究工作进行总结。 本学位论文的研究不仅可为两相流系统机理性研究和工程应用提供有效的 测量新方法，而且可为有关数据挖掘技术的研究发展和工程应用提供有益的借 鉴，具有重要的学术价值和广阔的实际工业应用前景。 第2 章文献综述 摘要 第2 章文献综述 本章主要介绍了气液两相流流型辨识方法、空隙率测量方法及液液两相流测量方 法。对本文所涉及的的数据挖掘技术( 主成分分析( p c a ) 主成分回归( p c r ) 、偏 最小二乘( p l s ) 偏最小二乘回归( p l s r ) 和最小二乘支持向量机( l s s v m ) ) 也 作了较详细的介绍。 本章主要内容 气液两相流参数测量方法 液液两相流参数测量方法 数据挖掘技术 小结 9 浙江大学博士学位论文 2 1 气液两相流参数测量 气液两相流是最常见的两相流动体系之一，其参数测量问题一直是国内外科技工 作者的研究热点。流型和空隙率都是气液两相流系统的重要参数。气液两相流的流型 复杂多变且带有随机性。流型不同，不但影响两相流的流动特性和传热传质性能，而 且还影响两相流其它参数的准确测量。气液两相流的空隙率是确定分相流量、求取两 相流混合物平均密度、计算压力梯度、分析管内流动状况等的重要依据。因此气液两 相流流型的在线辨识和空隙率的在线测量对于科学研究和实际工业过程中的产品计 量、安全管理、过程控制、节能减排等具有重大意义。鉴于此，本博士论文在气液两 相流方面的研究工作主要针对流型辨识和空隙率测量，本章有关气液两相流参数检测 方面的综述也主要围绕气液两相流流型辨识和空隙率测量展开。 2 1 1 气液两相流流型辨识 现有的流型辨识方法主要包括以下几种 1 6 , 3 4 - 3 7 ( 1 ) 流型图 将有关流型的实验数据加以总结归纳，按照两个或者多个主要的流动参数绘成曲 线，这些曲线在坐标图中的分布称为流型图。流型图确定了流型的分界，在两相流流 动工况、物性和装置特性等确定的条件下，根据流型图可以判别气液两相流流型。经 过多年的研究，目前已提出了不少适应不同应用场合的流型图，其中有代表性的有 b a k e r - s c o t t 流型图 3 8 , 3 9 、h e w i t t 流型图【1 5 1 、w e i s m a n 流型图 4 0 , 4 1 1 、和 g r e g o r y - m a n d h a n e - a z i z 流型图【1 2 4 2 1 等，c h e n g 等对各种流型图进行了较为详尽的综述 【3 4 1 。流型图方面的研究已有相当的历史，一直是两相流研究领域的重要方面【3 8 - 4 4 。然 而，由于气液两相流流型十分复杂，受多种因素的影响和制约，因此流型图一般只具 有定性的性质，它通常只能大致反映出可能存在的流型，难以明确给出对于某一定条 件下管道内的实际流型。 ( 2 ) 流型转变的模型判据 在实验数据和机理分析的基础上整理出的判别式可以来帮助确定具体的流型，该 1 0 第2 章文献综述 判别式一般称之为流型转变的模型判据。例如，w e i s m a i l 【4 0 ，4 1 1 等根据大量的实验数据， 整理出了水平管分层流向间歇流转变的判据、间歇流向环状流转变的判据、间歇流向 气泡流转变的判据以及气泡流向间歇流转变的判据。t a i t e l 和d u k l e r 4 5 】提出利用五个 无量纲数作为流型转换的分类依据，并将流型分为分层流、环状流、间歇流、气泡流 和波状流五类。另外，l u 【4 6 1 ，c h o e t 4 7 1 等也对流型变化及流型转换判据做了很多有意义 的研究工作。但是，流型转变模型判据这种方法离工程应用还有一定的距离，仍需进 一步深入研究。 ( 3 ) 目测法与高速摄影法 目测法是透过管道上的透明窗口，直接用肉眼观测管道内的流动状态从而确定流 型，这是最简单和最经济的方法。但是目测法一般只适用于流速较低的场合，且目测 法带有很大的主观性，不同观测者可能得到不同的结论。 高速摄影法是利用高速摄像机或照相机，通过透明管段拍摄流体的流动状态 【1 6 , 4 8 , 4 9 。高速摄影法的优点是客观性强且可视化，存在的主要缺陷在于：由于两相流 体具有复杂多变的相界面，易产生多重反射或折射，从而影响测量的效果。同时，采 用高速摄像，一般获取的是二维流型图像信息，而两相流本质上是三维的，利用二维 图像信息进行流型分析和辨识存在一定的局限性。 ( 4 ) 射线衰减法 射线衰减法利用射线通过介质时吸收衰减的原理来确定流型。目前主要有x 射线 衰减拍片法【1 6 3 和多束射线( x 射线【5 0 1 或者y 射线【5 1 1 ) 密度测定法等。 当x 射线或y 射线通过介质时，光子被吸收，射线的强度将减弱。吸收前后的强 度可用下式表示： i = i o e 一胛( 2 1 ) 其中j l d 、1 分别为被介质吸收前、后的辐射强度，s 为介质厚度，为介质对射线的 吸收系数。 射线法可适用于非透明管段的流型判定，但是核辐射线对人体是有害的，应用射 线衰减法存在安全性等问题，因此在实际应用中受到限制。 ( 5 ) 接触探头法 1 1 浙江大学博士学位论文 接触式探头主要有电导探头和光导探头两种【1 6 1 。电导探头法通过测量探头处的流 体导电性变化来获得该区域的介质分布信息，进而确定流型。该方法要求气体和液体 的电导率有较大差异，同时连续相一般是导电的。光导探头是通过测量一定区域内光 强度的变化来获得该区域的介质分布，从而确定流型，该方法可适用于非导电流体的 测量。目前，国内外学者已就接触式探头在两相流流型测量中的应用进行了不少研究， 已有研究成果表明电导探针 5 2 , 5 3 ，u 型光导纤维探针 5 4 1 、双探头光学探针5 5 1 等能较为 成功地用于气液两相流流型辨识。接触探头法目前存在的问题是该方法属介入式测量， 对两相流体的流动或多或少存在干扰。 ( 6 ) 基于现代信息处理技术的流型辨识 一些反映两相流波动特性的可测信号，如管道压力差压波动信号，以及各种反映 空隙率波动的信号等，与管道内的流型密切相关。因此利用信息处理技术对这些波动 信号进行分析处理，就有可能得到有关两相流流型的信息。国内外许多学者对此进行 了研究。早期的如j o n e s 和z u b e r t 5 6 1 ，t u t u 5 刀等基于空隙率波动或差压波动信号，利用 概率密度分析方法研究两相流流型。近年来，得益于现代信息处理技术的飞速发展， 一大批新技术，例如小波变换、h i l b e r t h u a n g 变换、高阶统计量、混沌理论、分形理 论和运动波理论等【5 8 删，已在两相流流型辨识方面得到广泛的研究和应用，并获得了 不少很好的研究成果【5 8 - 6 4 。基于现代信息处理技术的流型辨识方法正日益受到国内外 研究人员的普遍重视。 ( 7 ) 过程层析成像技术 二十世纪8 0 年代发展起来的过程层析成像技术( p r o c e s st o m o g r a p h y ，简称p t ) 通过敏感器空间阵列( 如阵列式电容传感器，阵列式电导传感器等) 以非接触或非侵 入的方式来获取被测流场中介质的微观分布信息【2 5 1 。该技术运用图像重建算法在线实 时地重建出被测流场的介质分布图像，通过对重建图像信息的分析以及不同时刻下重 建图像信息的比较，获得两相管流的流动形态，为解决两相流的流型辨识问题提供了 有效的途径。 目前已有很多过程层析成像技术应用于气液两相流流型辨识的成功实例。除了早 期的核辐