（热能工程专业论文）基于小波和混沌理论的气液两相流流型智能识别方法.pdf

摘要 摘要 气液两相流广泛存在于现代工业生产之中 其流型极大地影响气液两相流的流 动和传热特性 同时也影响其他流动参数的准确测量以及两相流系统的运行特性 因此 流型的客观和智能识别一直是两相流参数测量的一个重要研究课题 对指导 相关设备的设计和运行具有重要的意义 本文在大量实验数据基础上 将小波变换 混沌理论 神经网络和数据融合技 术应用到流型识别中 从理论和实验两个方面 系统地探讨了流型的神经网络智能 识别方法 针对识别率不高的问题 将d s d e m p s t e r s h a f e r 证据理论应用到流 型识别中 提出了基于神经网络的多特征融合的流型识别方法 首先利用小波包变换对压差波动信号进行分解 根据相关性原理对信号中的噪 声进行了辨识 得到频率大于6 4 h z 的压差波动信号为噪声信号 对小于6 4 h z 以下 的信号进行小波去噪处理 并比较了不同小波母函数 小波阈值规则对去噪效果的 影响 针对本文的实验数据 采用 d b 4 母小波和启发式阈值规则 h e u r s u r e 去噪 效果最好 其次 利用w i g n e r 谱对不同流型的压差波动信号进行时频二维分析 证实其 强非平稳性后 将统计理论 小波变换和混沌分形理论应用到流型的特征提取中 利用统计理论对去噪后的压差波动信号进行分析 计算了信号的均值 标准差 偏 斜度 功率谱能量份额四个统计参数 分析了不同流型的变化规律 在讨论了相空 间重构技术和混沌参数计算方法的基础上 计算了压差波动信号的关联维数 k o l m o g o r o v 熵和h u r s t 指数三个混沌特征参数 讨论了随折算气速的变化规律 在 此之l 将上述7 个特征参数作为流型的一个特征量 再利用小波包变换 对信号 进行4 层小波包分解 彳导到1 6 个频带信号 提取这1 6 个信号的小波包能量和信息 熵特征 作为流型的两个小波包特征向量 将上述3 个特征向量的训练样本分别送 入b p 神经网络 r b f 神经网络 k o h o n e n 神经网络和s v m 中进行训l 练 训练好 的模型可作为流型识别的分类器 对测试样本的识别结果表明 基于小波包信息熵 和r b f 网络的识别效果最好 但与其他组合相比 识别率相差不大 最后针对单一特征识别率不高的问题 利用d s 证据理论 提出了多特征融合 的流型识别方法 此方法将上述三个局部神经网络的输出结果作为d s 证据理论的 证据体 根据d s 证据融合规则进行信息融合 得到最终的识别结果 与单一特征 的识别方法相比 提高了流型识别的准确率 从理论上和技术上为气液两相流流型 的识别提供了新方法 关键词气液两相流 流型识别 小波变换 混沌 1 证据理论 信息融合 a b s t r a c t a b s t r a c t g a s l i q u i dt w o p h a s ef l o ww i d e l ye x i s t si nm o d e r ni n d u s t r yp r o c e s s t h et w o p h a s e f l o wa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r a r e e x t r e m e l y i n f l u e n c e d b y t h ef l o w r e g i m e s m e a n w h i l et h ea c c u r a t em e a s u r e m e n to fo t h e r p a r a m e t e r s a n dt h e p e r f o r m a n c e o f t w o p h a s ef l o wa r ei n f l u e n c e dt o o t h e r e f o r t h ei d e n t i f i c a t i o no f d i f f e r e n tf l o wr e g i m e s h a sl o n gb e e nc a n s i d e r e da s as i g n i f i c a t i o n t o p i c i nt h ep 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 es y s t e m t h ea c c u r a t ei d e n t i f i c a t i o no ff l o wr e g i m e si s i m p o r t a n t f o rt h e o p e r a t i o na n dd e s i g no f i n t e r r e l a t e di n s t r u m e n t s b a s e do nal a r g ea m o u n to f e x p e r i m e n t a ld a t a w a v e l e tt r a n s f o r m c h a o st h e o r y n e u r a ln e t w o r ka n dd a t ef u s i o na r eu s e di nf l o w r e g i m ei d e n t i f i c a t i o n i n t e l l i g e n t r e g i m e i d e n t i f i c a t i o nm e t h o du s i n gn e u r a ln e t w o r ki sd i s c u s s e ds y s t e m a t i c a l l yf r o mt h e a s p e c t so ft h e o r ya n de x p e r i m e n t i nv i e wo f t h el o wr a t eo f i d e n t i f i c a t i o n am e t h o df o r i d e n t i f y i n gf l o wr e g i m e so nt h eb a s i so fn e u t r a ln e t w o r ki s p r o p o s e du s i n gt h ed s d e m p s t e r s h a r e r e v i d e n c et h e o r y f i r s t l y t h ep r e s s u r e d i f f e r e n c ef l u c t u a t i o ns i g n a l sa r ea n a l y z e db yu t i l i z i n gw a v e l e t p a c k e td e c o m p o s i t i o na n du t i l i z i n gc o r r e l a t i o np r i n c i p l ei d e n t i f i e st h en o i s es i g n a l s t h e p r e s s u r e d i f f e r e n c ef l u c t u a t i o ns i g n a l sw h o s ef r e q u e n c yi sa b o v e6 4 h za r en o i s es i g n a l s t h e s i g n a l sw h o s ef r e q u e n c yi sb e l o w 6 4 h za r ed e n o i s e db yt h ew a v e l e t t h ei n f l u e n c e o nd e n o i s i n ge f f e c ti sc o m p a r e db yu s i n gd i f f e r e n tm o t h e rw a v e l e ta n dw a v e l e tt h r e s h o l d r u l e s f o rt h et e s td a t ao ft h i st h e s i s t h ed e n o i s i n ge f f e c ta d o p t i n gt h em o t h e rw a v e l e t d b 4 a n dt h el i g h t e n e dt h r e s h o l dr u l e h e u r s u r e i st h eb e s t s e c o n d l y t h r o u g ht h et i m e f r e q u e n c yt w o d i m e n s i o na n a l y s i so ft h ed i f f e r e n tf l o w r e g i m e s s i g n a l su t i l i z i n gt h ew i g n e rs p e c t r u m t h es t r o n gi n s t a b i l i t yi si d e n t i f i e d a n d s t a t i s t i c t h e o r y w a v e l e t st r a n s f o r ma n dc h a o st h e o r y sa r e u s e di nt h ec h a r a c t e r i s t i c e x t r a c t i o no ft h ef l o w r e g i m e s t h ed e n o i s e dp r e s s u r e d i f f e r e n c ef l u c t u a t i o ns i g n a l sa r e a n a l y z e db ys t a t i s t i c a lt h e o r y f o u rs t a t i s t i cp a r a m e t e r s i e a v e r a g e s t a n d a r dd e v i a t i o n s k e w n e s s p s d p o w e rs p e c t r u md e n s i t y e n e r g yr a t i oa r cc a l c u l a t e d t h ec h a n g er u l e s o fd i f f e r e n tf l o w r e g i m e s a r e a n a l y z e d o nt h e b a s i so fd i s c u s s i o no fs t a t e s p a c e r e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ea n dc a l c u l a t i n gm e t h o d sa b o u tc h a o sp a r a m e t e r s t h r e ec h a o s p a r a m e t e r s o ft h e p r e s s u r e d i f f e r e n c e f l u c t u a t i o n s i g n a l s i n c l u d i n g c o r r e l a t i o n d i m e n s i o n k o l m o g o r o ve n t r o p ya n dh u r s te x p o n e n t a r ec a l c u l a t e d a tt h es a m et i m e t h ec h a n g el a w so ff l o wr e g i m ea l o n gw i t ht h ec h a n g eo f g a ss u p e r f i c i a lv e l o c i t ya r e d i s c u s s e d s ot h ee i g h tf e a t u r ep a r a m e t e r sc a nb er e g a r d e da so n eo ft h ef e a t u r ev e c t o r s t i a b s t r a c t o ff l o wr e g i m e s a n o t h e rt w of e a t u r ev e c t o r sc a nb eo b t a i n e db ye x t r a c t i n gw a v e l e t p a c k e te n e r g ya n di n f o r m a t i o ne n t r o p yf e a t u r eo f16f r e q u e n c y b a n d ss i g n a l s w h i c ha r e o b t a i n e db yu t i l i z i n gw a v e l e tp a c k e td e c o m p o s i t i o n t h ea b o v et h r e ef e a t u r ev e c t o r sa s t h ef e a t u r ev e c t o ra r ei n p u t t e ds e p a r a t e l yt ob pn e u t r a ln e t w o r k r b f r a d i a lb a s i c f u n c t i o n n e u t r a ln e t w o r k k o h o n e n n e u t r a ln e t w o r ka n d s v m s u p p o r tv e c t o r m a c h i n e b yt r a i n i n gn e t w o r k w i t ht r a i ns a m p l e s t h el a s ti d e n t i f y i n gm o d e li sr e g a r d e d a s p a t t e r nr e c o g n i t i o nn e t w o r k t h es i m u l a t i o nr e s u l t s h o w st h a tt h ec o m b i n a t i o no f w a v e l e tp a c k e ti n f o r m a t i o ne n t r o p ya n dr b fn e u t r a ln e t w o r ki st h eb e s tm o d e l i nt h e s e m o d e l s b u tt h ed i f f e r e n c eo fi d e n t i f y i n gr a t ei sn o td i s t i n c t a i m e da tt h el o wr a t eo fs i n g l ec h a r a c t e r i s t i c i d e n t i f i c a t i o n am e t h o do ff l o w r e g i m ei d e n t i f i c a t i o nb a s e do nm u l t i c h a r a c t e rf u s i o ni sp r o p o s e du s i n gd s e v i d e n c e t h e o r y t a k i n gt h ei n i t i a li d e n t i f i c a t i o nr e s u l tt h a tv a r i o u sl o c a ln e t w o r ko b t a i n e da st h e e v i d e n c eb o d i e so fd se v i d e n c et h e o r y t h ef i n a li d e n t i f i c a t i o nr e s u l ti so b t a i n e d a c c o r d i n g t ot h ed se v i d e n c ef u s i o n r u l e s c o m p a r e d w i t ht h e s i n g l e f e a t u r e i d e n t i f i c a t i o n m e t h o d i t si d e m i f i e a t i o n r a t eo f f l o wi s i m p r o v e dl a r g e l y f u s i o n i d e n t i f i c a t i o np r o v i d e san e ww a yt o i d e n t i 句t h eg a s l i q u i dt w o p h a s ef l o wr e g i m e s f r o mt h ea s p e c t so f t h e o r ya n dt e c h n o l o g y k e y w o r d g a s l i q u i dt w o p h a s ef l o w f l o wr e g i m ei d e n t i f i c a t i o n w a v e l e t t r a n s f o r m c h a o s d se v i d e n c et h e o r y i n f o r m a t i o nf u s i o n 1 1 1 附3 声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 独立进行研究工 作所取得的成果 尽我所知 除文中已经注明引用的内容外 本学位论文的研究 成果不包含任何他人享有著作权的内容 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的 其他个人和集体 均已在文中以明确方式标明 特此申明 签名 亟l 斌日期 塑上 丝望 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有 权保管 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件 学校可以采用影印 缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文 学校可允许学位论文被查阅或借阅 学校可以学术交流为目的 复制赠送和交换学位论文 同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表 传播学位论文的全部或部分内容 涉密的学位论文在解密后遵守此规定 作者签名 丕 二剑 日 期 迎 丝鲨 导师签名f 刁专菇 日 期 b 翌 r o t 主要符号表 主要符号表 拉丁字母符号 爿 常数 中的一个有界集合 b e l z x 的上限概率 6 隐层节点的阈值 饥输出层节点的阈值 c 样本协方差 巳关联积分 c 小波变换系数 d 偏差指数 d 吸引子维数 d 关联维数维数 d k o l m o g o r o v 容量维 d h h a u s d o r f f d 信息维 d 从小波变换系数 d 自相似维数 e网络的目标误差 e功率谱能量份额 e n熵 隐层的激活函数 随机过程的波动频率 g 小波包分解的高通滤波器 g 输出层的激活函数 日h u r s t 指数 小波包分解的低通滤波器 隐层节点数 k 输出层节点数 k x y 核函数 取压问距 m m m 嵌入维数 j v 序列长度 f 占 非空方格数 n e t 甜 隐层节点的输入 i v 主要符号表 输出层节点的输入 第i 个网络的第 个输出值 第q 个样本的输入层节点的输出 信号x n 的第i 段的概率 x 的下限概率 空气流量 m 3 s 水流量 m 3 s 点集中任意两个向量的距离 标准差 偏斜度 信噪比 小波包能量特征向量 小波包信息熵特征向量 统计混沌特征向量 空气温度 水温度 第q 个样本的目标输出 折算气速 m s 折算液速 m s 输入层与隐层的权值矩阵 隐层与输出层的权值矩阵 第q 个样本的输入层节点的输入 点集 网络的实际输出输出 网络的实际期望输出 希腊字母符号 基本小波 分析小波 r i e s z 基 采样时间间隔 识别框架 l i p s c h i t z 指数 隐层节点的学习误差 v 咏 肌川级跏 s 黜n孔乃 砌 坳 孙 删驰 妒 町 口吒 主要符号表 输出层节点的学习误差 给定阈值 网络学习率 h e a v i s i d e 函数 样本方差 延迟时州 尺度函数 v i 口口 听 妒 华北电力大学博士学位论文 第一章绪论 1 1课题研究的背景及意义 由于多相流动体系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 促使多相流领域的研究工作迅速发展 成为国内夕 众多学者给予极大关注的前沿学 科 在多相流研究中 气液两相流尤为重要 目前 在动力 化工 核能 制冷 石油和冶金等行业的许多生产设备中都涉及到气液两相流动工况 两相流动介质的 相界面分布状况 即流型 极大地影响着气液两相流的流动特性和传热特性 同时 也影响流动参数的准确测量以及两相流系统的运行特性 因此气液两相流流型识别 的研究一直是两相流参数测量的一个重要研究方向 l 同时也为相关工业生产设 备安全 经济运行提供了有力的技术支持口j 传统的利用流型图或转变准则关系式识别流型的方法有许多不足 一是传统的 识别方法需要测量气液两相流的流量 干度和截面含气率等现在还不能准确测量的 流动参数 二是已有的流型图和半经验半理论流型转变准则都有一定的适用范围 而且大多以绝热状态下的数据为依据 难以适应变化多样的生产实际 三是传统的 识别方法不可避免地要受到主观因素的影响 很难做到流型的客观识别 四是传统 的流型识别方法不能满足生产过程对流型的在线识别要求 这也是传统识别方法的 最主要缺陷 因此 传统的流型识别方法仅可作为一种定性的方法1 2j 为了实现气 液两相流流型的在线 客观识别 必须提出新的流型识别方法 气液两相流系统是一个高度非线性的耗散动力系统 它表现为一系列混沌的特 性 其运动机理十分复杂 因此对于气液两相流系统至今仍然无法建立一个精确的 数学模型加阱描述 很难完全从理论上建立流型转变准则来识别流型 近年来 随 着电子计算机技术 气液两相流测量技术 非线性信号分析理论和现代信息处理技 术 人工神经网络技术以及数据融合技术的迅速发展 给我们提供了流型识别问题 的新思路和新方法 1 2 气液两相流流型识别的研究进展 在单相流中 根据雷诺数可将流型划分为层流和紊流两种 而在气液两相流动中 由于存在着气泡的分裂和聚集 气泡的形状和大小随流动状态的变化而变化 所以 气 液相界面的形状和分布在时间和空间上均是随机可变的 导致两相流的流型不 仅是多种多样的 而且其变化带有随机性 两相流中存在的这种相对变化的相界面正是 两相流区别于单相流的主要特征之一 也使得两相流的流型研究要比单相流复杂得 第一章绪论 多 1 1 2 1利用流型图和转变准则关系式识别流型 尽管在流型识别和建立过渡准则研究方面存在着严重困难 由于实际上的需 要 人们还是对流型进行了大量研究工作 流型图便是综合表示流型间过渡关系的 一种简便方法 从流体力学观点分析 不同流型间的过渡表明力平衡关系的变化 在不同情况下 这些力对流型的影响又随情况不同而有很大差异 因此想用一种普 适的二维坐标流型图来解决各种情况下的流型识别是很困难的 导致现有的流型图 坐标参数表达式形式繁多 常随学者主观认识而异 较为通用的表达方式是以液体 流量 质量流量或体积流量 和气体流量为坐标的流型图 另一方面 目前大多数 流型图仅基于少数不同种类流体在一定参数范围内的实验结果 因此 流型图的适 用性是有条件的 但仍不失为识别流型变化趋势的一种参考 5 近五十年来 各国学者根据对流动机理的分析和试验提出了许多用来确定流型 分界的流型图 其中有代表性的是b a k e r 流型图和m a n d h a n e 流型图 e w i n g 6 j 利用 摄像技术记录水平管中的气液两相流流型变化情况 并与b a b e r 提出的流型图进行 了对比 对原有流型图数据加以扩充 扩大了原有流型图的适用范围 t a i t e l l 7 1 对水 平管中各种流型的转变条件进行了理论分析 提出了判断流型分界的参数 并据此 绘制了通用的流型图 但从其他流型过渡到环状流的分界 理论与试验不能很好地 吻合 w e i s m s n 瞄 3 利用更广泛的试验数据 提出了两幅适用于水平及垂直上升管的 通用流型图 由于从一种流型转变为另 种流型要有一个演变过程 而并非突变 故在流型上不用线条来表示分界 而是用黑色带来表示不同流型的过渡区 l 由于气液两相流的流型十分复杂 受多种因素的影响和制约 并且不同的流型 转变中起决定性的因素也不相同 因此流型图只具有定性的性质 只能大致反映出 可能存在的流型 丽不能明确给出对于某一定条件下管道内的实际流型 j 而且流 型图仅适用于手工计算 费时费力 只能计算稳态流动 除了应用流型图外 还可 以应用通过对流型转变机理的分析而得到的判别式来帮助确定具体的流型 这种判 别方法能在一定程度上克服利用流型图判别流型的局限性1 9 在这方面 t a i t e l 和 d u k l e r 7 作了丌创性的工作 以k e l v i n h e l m h o l t z 不稳定性理论为基础 对水平管 内的气液两相流的流型转换界限的细致研究 提出了水平管内波状流发生流型变化 的条件 w a i s m a n 捧1 在前人的研究基础上 提出了波状流与分层流的分界表达式和 分层流向恻歇流转变的无因次判据 m a n d h a n e 1 2 等人认为 仅仅根据各相的表观 速度来表示流态边界的相互关系 可能是对现有的数据点的最好的表达方式 周云龙 j 等以空气 水为介质 在水平管内对两相流流型进行了实验研究 根 据实验结果绘制了流型图 并与传统的试验结果进行了比较 得到了类似的特征 一2 华北电力大学博士学位论文 提出了预测能力更强的流型转换关系式 还研究了螺旋管和倾斜下降管内气液两相 流截面含气率变化规律 1 4 15 1 得出了计算截面含气率的理论模型 为流型识别提 供了理论基础 近几十年来 各国学者根据对两相流动机理的分析和试验 提出了各种各样适 应不同场合应用的流型图 但大多都是针对气液两相流的研究 近十年来 人们开 始研究油气两相流 油气水三相流 1 7 叫 微通道 2 5 和一些特殊截面管道1 2 2 7 内 气液两相流的流型 尽管各国学者在有关两相流流型图和转变准则关系式方面做了不少的研究工 作 但这种流型识别方法并不能得到广泛的应用 而且离工程应用还有相当的距离 究其原因 主要因为缺乏对发生流型转变机理的透彻了解 所建立的物理模型都存 在一定的误差 不同学者得到的流型图或转变准则关系式并不完全一致 都有一定 的局限性和适用范围 使得在应用中无所适从 由于两相流系统的复杂性 要想用 一个单一的数学模型来刻画 区分所有的流型几乎是不可能的 流型图和转变准则 关系式中所用到的坐标或变量往往本身就是两相流测量的难点 本身就是要测量的 未知量 这时采用这些判据或流型图就不合适了 1 2 2 利用测量的方法识别流型 根据流型图和流型转变判据虽然可以确定流型 但最有效的方法还是利用某种 仪表测量管道内的实际流型 有直接测量法和间接测量法 h e w i t t 对于已经使用的 这类方法进行了综述 2 所推荐的方法可分为四类 目测方法 包括照相方法 根 据辐射吸收测量密度分布的方法 包括x 射线照相和多束y 射线密度仪 接触式 探头法 依据波动量测量结果的统计特性确定流型的方法 其中前三种属于直接测 量方法 后 种属于间接测量方法 1 2 1 1 流型的直接测量法 1 目测法这种方法的原理是明显的 如果是在一个透明或有观察孔的流道 内形成两相流 那么就可以直接观察管内的多相流的流动状态 这是一种最简单 最经济的办法 但仅仅适用于流速较低以及可以设置适宜的观察孔的地方 对于高 速流动 而其观察对象如波或气泡又可以相对不变的速度沿着流道移动时 可以扫 描装置来扩大直接观察的适用能力 由于是人工处理 因此目测法无法作出高速 实时 自动的测量 这对于自动化要求越来越高的场合很难适应 而且不同的观察 者可能得到不同的结论 但尽管如此 目前所有的流型识别方法最终几乎都要和目 测结果做一比较来验证识别结果的有效性 这也说明了目测法是流型识别中最叮靠 的方法之一 2 高速摄影法利用高速照相机或摄像机 通过透明管段或透明窗口拍摄流 第一章绪论 体的流动状态 出于多相流具有复杂的相界面 易产生多重的反射或折射而影响成 像的清晰度 这样就防碍了观察 特别是对流道中心区的观察 这个问题在高质量 流速和低千度的情况下特别严重 另一个问题是由于采用高速摄影术 所得到的资 料数量很大 因而又带来了分析与解释这些资料的困难 虽然高速摄影满足自动化 系统中自动数据采集 实时性的要求 仍具有较大的主观性 3 射线衰减法由于目测法固有的易于混淆性 促使许多学者去开发别的方 法 如射线衰减法 电探针法等 射线衰减法是利用射线通过介质发生吸收衰减的 原理来确定流型 适用于金属等非透明管段中的流型确定 射线衰减法有x 射线衰 减拍片法和多束射线密度法 x 射线照相术这个方法需要解决的一个常见的问题是放射性的处理问题 另一 个主要问题是难以得到一个稳定 可靠的射线源 以及如何选择合适的管段材料以 减少其对射线的吸收 此外 必须注意对射线的防护和放射性物质的保管 因此 应用射线衰减法进行流型识别的装鼹往往比较昂贵 应用x 射线衰减拍片法拍摄的 流型照片 实际上是射线经过路径的平均结果 应用多柬射线密度测定法确定的流 型 也只是一个粗略的估计 4 接触式探头法接触式探头法也属于一种直接测量方法 有电导探头和光 导探头两种 电导探头是通过测量探头针尖处流体导电性的变化来确定该点的介质 分伟 进而确定流型 因此 使用电导探针的基本条件是 两相流中的气相和液相 的电导率必须有明显的差别 同时连续相必须是导电的 光导探头的测量方式与电 导探针相类似 不同之处在于光导探头是通过测量流体在探头针尖处对光强度的影 响来反映在该点的介质分布 从而确定流型 因此光导探头可应用于非导电流体的 测量 由于接触式探头都是直接定位在流体上 因此都能较准确地反映该测量点流体 的特征 获得较准确的信息 但也由于探头都是和流体直接接触 因此对流型也产 生一定的影响 使流型发生一定的变化 而且长时间使用后 探头表面都容易粘附 上一些杂质 影响探头的导电或透光性能 带来测量误差 对测量结果产生一定的 影响 1 2 1 1流型的间接测量方法 流型的直接测量 其结果的描述都带有主观性 因此产生了流型的间接测量方 法 流型的间接测量方法是通过对反映两相流波动特性的参数的统计分析来获取流 动状况的基本特征 从而确定流型 反映多相流波动特性的参数有 局部压力 局 部空隙率 局部平均密度 局部温度以及管截面流体的分布等 这些参数的波动是 由于管内局部点上气 液相介质的交替出现而产生的 这是多种因素影响的结果 表面上表现为极大的随机性 但就其本质而言 是由流体的流动状况决定的 与流 4 华北电力大学博士学位论文 型有极为密切的关系 因此对这些参数的测量 并对所获得的随机信号进行分析处 理 可以得到不同流型的明显特征 随着现代信号处理技术的飞速发展 对随机信 号进行分析处理的方法也越来越丰富 这些都极大地促进了流型间接测量方法的发 展 目前 流型的间接测量方法主要有概率密度函数分析法 功率谱密度函数分析 法 过程层析成像技术 模糊数学判别法 混沌分形方法 时 频分析方法等 1 概率密度函数和功率谱密度函数分析方法 近十多年来 不少学者通过采集两相流特征信号如压差信号等 再利用信号统 计方法识别流型 这种方法具有较大的客观性 早期h u b b a r d 和d u k l e r l 2 9 对壁面静 压力波动特性进行功率谱分析 定量识别水平管内离散流 弥散流和断续流 j o n e s 和z u b e r 3 0 1 应用射线衰减技术测量了垂直管内空气 水两相流的含气率 根据含气率 信号的概率密度函数 p d f 的形状可以识别流型 其后 v i n c e 和l a h e y p l 认为 空隙率的概率密度函数分析仍带有主观性 提出了以含气率的方差来作为流型判别 的方法 周立加等1 3 2j 利用压差的时域信号和信号的功率谱密度函数 p s d 识别了 垂直上升管内泡状 弹状和环状三种主要流型 功率谱密度函数分析方法的一个关键问题是 功率谱密度分布不完全取决于流 型 而与两相流的流速关系较大 但流速一般难以预知 因此这种分析方法未能在 工程实际中得到应用 而且 使用功率谱密度函数分析方法的一个隐含的假设是 所分析的信号必须是平稳的 而平稳性假设在两相流对象中往往不能得到满足 这 必然给识别结果带来误差 但是a l b r e c h t t 3 3 1 和r u z i c k a 3 4 1 等人的研究结果表明 这 种分析方法在顸估流型转换方面还是十分有效的 2 混沌分形方法 许多文献资料表明了多相流系统是一个菲线性耗散的动态系统 它呈现出一类 混沌行为 而且可以用分形特性来描述多相流系统的流型 从而产生了混沌和分形 c h a o s f r a c t a l 分析流型的方法 它以全新的角度认识流型 被认为是比较有发 展前景的 条途径 已经被广大科学工作者所认同 f r a n c a 等 3 5 1 对水平管内空气 水两相流的压差波动特性进行了分形分析 证明 了用关联维数可较好地识别流型 从而为混沌理论研究压力 压差波动规律和流型 的客观识别丌辟了一条崭新的道路 b i a g e 等 3 6 1 利用电导和电容法测取的信号 研 究了垂直管气液两相流流型转变时分维数的变化规律 o d d i e 等 3 7 利用阻抗和超声 技术研究了混沌吸引子的关联维数约为5 王经等 3 8 1 对汽 液两相流空泡份额波动 特性研究的基础上 应用混沌动力学和时间序列分析方法的基本原理 给出了沸腾 两相流动不同流型下的时域 频域特性 并且认为两相流进入泡状流时出现混沌 k o z m a 等 3 9 1 研究了沸腾两相流下壁面温度波动过程 发现测量信号具有双重分形特 性 并认为分形维数的标准差比分形维数更能体现流型的特征 但是 就混沌理论 5 一 第一章绪论 而言 出于分维数在无标度区内的线性关系是严格成立的 即分维数在理想条件下 是无偏估计 所以其结论就混沌理论丽言是没有理论支持的 金宁德等 4 0 4 1j 利用压 差密度计对油 气 水三相流进行流型分析 认为油气水三相流是一个低维的混沌 系统 吸引子的维数在4 1 6 5 8 7 之间 分形维数在1 1 8 1 4 6 之间 c a i 和w a m b s g a n s s 4 2 j 实验发现空气 水两相流的壁面静压力波动过程的功率谱 具有频率范围宽 并且在高频区呈指数下降的特点 间接证明了压力波动过程的高 维混沌性 得出了根据过程关联维数与质量干度的变化曲线可以明显地识别出段塞 流向环状流转变的结论 d r a h o s l 43 j 应用确定性混沌理论研究了水平管内从塞状流向 弹状流转变的混沌特征 l e t z e l 等 4 4 1 通过压力信号的混沌分析 对鼓泡床的流型及 流型转换特征进行了研究 得出k 熵和分维随流型的变化而变化 且两者的变化趋 势一致 l a n g f o r d 等 45 j 对上升管空气 水两相流的压力信号应用混沌分析方法分析 后指出 关联维数和k o l m o g o r o v 熵可以从更深层次揭示非线性系统的动态特性 顾丽莉等 46 对垂直上升管并流中压力波动信号进行混沌分析 结果表明 气液两相 流的压力波动信号由两部分组成 大气泡或大尺度气液波动的低频部分和液相脉动 和界面湍动的高频部分 根据不同操作条件下的关联维数和k o l m o g o r o v 熵可以区 分流型 苏玉亮1 47 j 等运用相空间重构法 计算了水平管内气 液两相泡状流系统的 局部空隙率信号的k o l m o g o r o v 熵和关联维数 结果表明 气 液两相泡状流系统具 有非线性混沌现象 随着折算液速的增加 系统的混沌程度下降 白博峰 4 84 卅的 研究表明 在垂直上升管空气 水两相流中 压力和压差波动的混沌特性与流型有 关 压差波动过程的分维数 关联维数和k o l m o g o r o v 熵的大小及变化规律和压力 波动过程明显不同 并且液相折算速度的大小将会强烈影响压力和压差波动过程的 混沌特性 杨靖垆o 等采用分维数 l y a p u n o v 指数和预测误差3 个描述混沌现象的 主要参数对气液两相流压差波动信号进行了分析 证实了气液两相流中存在混沌现 象 并在重构相空间中再现了动力特性 孙斌 5 lj 等对水平管内空气 水两相流的 h u r s t 指数进行了计算与分析 得到了不同流型的h u r s t 指数分布特征 可见 混沌 的研究不断深入和拓宽 且愈加具体化了 利用压差波动时间序列可以揭示出不同 流型复杂的内在规律 在此基础上对这些流型进行识别 这也正是压差波动时间序 列混沌分析的目的所在 目前混沌识别方法的研究相对较多 需要更多地加以研究 虽然不少学者应用了混沌和分形理论进行了两相流流型识别方面的研究 但这 方面的工作还不成熟 还未能有统一的结论 3 过程层析成像技术 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 是二十世纪8 0 年代中期 正式形成和发展起来的一种以两相流或多相流为主要对象的获取过程参数二维或 三维分布状况的在线实时检测技术 通过对重建图像信息的分析以及不同时刻下重 6 华北电力人学博士学位论文 建图像信息的比较 获得被测两相流管道某一截面上的两相流分布状况 因此 可 以通过过程层析成像技术实现对两相流流型的识别 d ev a o n o 等 52 研究了将y 射线 层析成像技术应用于气液两相流的流型识别与空隙率测量 t h o m a s 等 5 3 1 用光学 c c d 摄像机进行光学成像 从多角度研究了泡沫的结构 n o o r a l a h i y a n 5 4 j 电容层析 成像系统的测量采用神经网络技术进行分析 以识别管道内层状流 泡状流和环状 流等流型 国内的清华大学 天津大学 沈阳工业大学 东北大学等也都相继丌展 了这方面的研究工作 王保良1 5 5 夏靖波1 5 6 1 等以电容层析成像系统中的电容测量值 作为流型判别的依据 采用模糊神经网络作为信息处理工具进行流型判别 对典型 管截面流型取得了较好的识别结果 徐苓安等 57 利用超声层析成像系统研究了管道 内的气泡流动过程 并对环状流 弹状流 泡状流和层状流实现了识别 董峰1 5 8 1 等利用电阻层析成像技术对水平管内的空气一水两相流流型进行了实验研究 通过 重建图像和分析测量数据实验两相流流型的识别 吴新杰等 5 9 1 通过对极板电容测量 数据进行属性分析 用粗糙集理论简化属性 根据分类规则进行流型识别 邵晓寅 等 6 0 1 根据流型的随机和模糊特性 提出了一种根据管截面重建图像进行流型辨识的 模糊流型识别方法 建立了1 2 电极电容层析成像流型自动识别系统 流型识别率 高于9 0 王雷等1 6 l j 基于电容层析成像装置多电极阵列获得信息量多的优点 利用 传统信号处理方法 提出一种根据气液两相流流型几何形状特点进行流型识别的方 法 但p t 技术也有自己的缺点 由于被测物场的非均匀性会造成物场与获取信息 用的敏感场之问的相互作用的非线性特性 造成图像重建困难 此外由于p t 系统 中所获耿的投影数据有限 这也增加了图像重建的难度 4 模糊数学判别法 由于影响两相流流型的因素众多 且各流型间的转换是个缓慢的过程 不存在 明显的分界线 对实际流型的划分 没有确定的标准 难以完整地反映实际流型的 特性 对处于过渡态的流型尤其是如此 因此 有人引入模糊数学理论 对流型进 行综合判断 何明等 62 1 分析了垂直上升管的气水两相流的流型 发现流型与管壁差 压信号的p d f 的主峰位置 离散度和峰值比之间的关系 并确定了各流型对应的隶 属度函数 根据隶属度函数值的不同实现对流型的识别 他们还采用类似的方法对 水平管气液两相流的电导探针信号进行了研究 并应用模糊数学的理论对测试结果 进行了分析 对泡状流 弹状流 分层流和坏状流的识别也取得较好的识别结果 6 3 1 黄志尧等1 6 4 也采用模糊数学的方法对管内气液两相流流型进行了识别 根据电容层 析成像结果的截面灰度建立了映射关系 对均相流 层状流和环状流等典型流型取 得了 定的识别结果 李强伟等1 6 纠将分形技术应用在气固流化床压力波动信号的分 析中 提取出信号特征值h u r s t 指数 同时结合模糊识别 建立模糊识别函数 由 此来区分气固流化床的不同流型 7 第一章绪论 5 其他方法 劳力云等 66 对内径为4 0 m m 和5 0 m m 水平管空气 水两相流进行了实验研究 对泡状流 塞状流和弹状流三种流型下管段差压信号进行了w v d 分析 结果表明 三种流型下的w v d 谱有较为显著的不同 基于平均频速比 频率相对均方差和幅 度相对均方差三个特征参数的流型识别率为8 3 石磊等 6 利用信息论原理研究气 液两相流压差波动信号的s h a n n o n 信息熵特性 根据压差信号的s h a n n o n 信息熵可 以识别泡状流 弹状流和环状流 顾春来等 6 8 i 计算了多传感器测得压差波动信号的 互相关函数 并运用模糊数学理论进行流型的在线自动识别 贾志海 6 9 采用动态聚 类算法对气液两相流流型进行了识别 任杰 7 0 1 采用时间序列分析和参数识别方法确 定流型 除此之外 还有其他 些方法 如鲁钟琪等 n 基于两相局部轴向压差信号的统计分 析 由信号的概率密度函数和功率谱密度函数的数学特征构成特征向量组 由原始信号 建立自回归模型 构造b a y e s 统计评判函数 在最小误差概率条件下 确定气液两相流 的流型 他们在水平管气液两相分层流和间歇流型判别中 取得了9 5 的识别率 h k i n g 等 72 j 提