气液两相流流型识别理论的研究进展.doc

方立军，胡月龙，武生( 华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)摘 要:介绍了气液两相流流型识别理论，首先探讨了气液两相流流型划分问题，然后详细介绍了流型的静态识别方法和实时识别方法，并重点介绍了基于压差波动理论、混沌理论、神经网络和复杂度特性的间接实时流 型识别方法。关键词:气液两相流; 流型识别; 划分; 静态识别; 实时识别中图分类号:TP391 41文献标识码:AResearch Progress of the Gas liquid Two PhaseFlow Pattern RecognitionFang Lijun，Hu Yuelong，Wu Sheng( School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)Abstract: This paper introduce the gas liquid two phase flow pattern recognition theory，it firstly probes into the division of gas liquid two phase flow pattern，and then introduced the static flow pattern identification method and real time identification method，and mainly describes the indirect real time flow pattern identification methods based on the theory of differential pressure wave，the chaos theory，the nerve network and the complexity characteristicsKey words: gas liquid two phase flow; flow pattern recognition; division; static identification; real time identification同时对流动参数的准确测量以及两相流系统的运行特性也有很大影响。在气液两相流研究工作的 早期，由于缺乏此方面的知识，曾经发生过不少工 业事故。因此对于气液两相流的流型识别研究应 该给予高度重视，此方面研究不仅具有重要的学引言0关于气液两相流流动的现象在自然界和现代工业生产过程中广泛存在，而且与人类的生活和 生产活动息息相关。目前，在动力、石油、核能、冶 金、制冷、化工和航天等领域有许多设备，例如，电 站的各种沸腾管、锅炉、石油工程设备、核反应堆、 蒸发器、飞船环境系统及化工行业的精馏塔等中 都涉及气液两相流流动工况。两相流流型极大地 影响着气液两相流的流动特性和传热传质特性，术意义和实用价值，也为相关工业生产设备经济、安全的设计和运行提供了强有力的技术支持。正因为如此，气液两相流流型识别的研究一直是气 液两相流研究领域的一个重要课题1 2。收稿日期:2012 06 19作者简介:方立军( 1971 ) ，男，副教授，研究方向为大气污染物控制和洁净煤技术。气液两相流流型的定义: 气液两相流的流型就是气、液两相界面分布呈现不同结构形式或不 同几何图形的现象，通常简称为流型。由于气体 和液体在一起流动的过程中，两相均可发生变形， 且两相界面将不断变化，进而两相介质的分布状 态也会不断变化，从而导致流型变的复杂化、多样力、壁面及相界面间的剪切力等因素有密切关系3。因此，每位研究者对于流型都有不同的划 分标准。Oshinowo 从实际应用的简明性考虑，在 综合发展了其他研究学者结果的基础之上，提出 了几种常见流动条件下的流型划分标准，如下面 表 1 所示4 7。表 1 几种常见管道条件下的流型划分管道条件水平绝热管垂直上升绝热管垂直下降绝热管倾斜上升绝热管螺旋上升绝热管泡状流、塞状流、分层流、波 状 流、弹 状 流、环状流泡状流、弹状流、搅拌流、环状流、液丝环状 流泡状流、弹状流、乳沫状流、环状流、细束环 状流弥散泡状流、波状流、环状流、弹状流、气泡 流波 状 流、分 散 泡 状流、环状流、塞状流、弹状流流型划分现给出最为常见的两种管道条件下的流型划分图。1) 垂直下降管的流型划分为五种，如图 1 所 示。气液两相流流型识别的研究进展传统的静态流型识别方法传统的静态流型识别方法主要有两大类: 一22 1类是根据通过流型转变机理得到的转变关系式，同时利用现场的两相流流动参数如压力降、分项含率等来确定具体的流型8; 另一类是采用实验 的方法做出流型图。即在实践过程中，根据实验 得出各种流型状态图，建立流型变化的经验或半 经验判别式，之后根据这些判别式来确定大概的 流型。这种方法虽然简单，但是其精度不高，且局 限性较大，不同的流型图之间存在一些差别，至今 还没有得到一致公认的标准。流型图是综合表示流型间过渡关系的一种简 便方法，但是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非常困难的，导致现有 的流型图坐标参数表达式形式繁多，常随着研究者 的主观认识而异9。最具有代表性的为 Baker 流 型图和 Mandhane 流型图，如下图 3、图 4 所示。虽然各国学者经过不懈努力做出了两相流流 型图，也推导出了常见的流型转变准则关系式，但 是这些传统的静态流型识别方法并不能在生产、生 活中得到广泛的应用，而且离实际工程应用还有相 当远的距离。究其原因，主要是不同学者所绘制的 流型图或所推导出的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，只是对一些常 见的流型适用，在实际应用中就显得牵强、无所适 从; 同时由于缺乏对发生流型转变机理的透彻了 解，因此所建立的数学模型都存在一定的误差。由图 1 垂直下降管气液两相流流型2) 由于重力影响造成了水平管道内流动的不对称性，使得其与垂直管道的流型有所不同，我 们根据 Oshinowo 流型划分原则把水平管道中的 流型划分为六种，具体的流型如图 2 所示。图 2 水平管气液两相流流型同，因此不同流型的两相流体流过压差测量段时就会 得 到 不同的压差波动信 号。 Wambsganss 等12进行关于水平放置的矩形通道内气、液两相 流流动特性研究的试验，并提出利用壁面静压力 波动均方根来辨识泡状流或塞状流向弹状流转变 和弹状流向环状流转变的方法。Tutu13 通过概 率密度法( PDF) 来确定压差波动信号在分布图中的峰值个数和位置，进而识别出弹状流、环状流、泡状流和乳状流。利用压差波动理论来识别流型具有信息量大，容易处理，识别准确率高的优点，因此应用比较广。2 2 2基于混沌理论的流型识别多相流动系统是一个非线性的动力耗散型系统，它主要表现为一系列的混沌运动，混沌运动表 现出其特有的随机性，具有普适性。混沌系统通过 其运动轨迹在相空间中的几何形态，即分形来进行 描述，而分形的特征以分维来体现。由于所描述的 具体对象不同，分维计算的具体形式也有多种，例如信息维数、混沌吸引子关联维数和分形维数等。Cai14提出了利用混沌理论计算气、液两相流压力波动信号的分形维数、Lyapunov 指数、自相关函数 等特征量，并根据上述特征量来识别流型。白博峰等15认为，混沌系统的分维数、关联维数、Kol-mogorov 嫡在不同的流型中受折算液速的影响也不同，除了在高气速的环状流中，在其它流型内的 分维数都小于 1 5。并通过实验得出: 压力波动 的混沌特性与流型密切相关。应用混沌理论来识 别流型在近年来已经成为一个新的发展趋势。2 2 3 基于神经网络的流型识别人工神经网络是一种应用类似于大脑神经突 触联接的结构进行信息处理的数学模型，它是由 大量处理单元互联组成的非线性、自适应信息处 理系统，通过模拟大脑神经网络处理、记忆信息的 方式进行信息处理，近年来在多相流的流型识别 方面也开始应用。周云龙等16 认为由于流型的 多样性和模糊性，单纯的应用神经网络来识别流 型并不是很准确，因此提出了一种运用神经网络 和 D S 证据理论二者多特征信息相融合的来识 别气液两相流流型的方法，这就使得准确率提高 了很多。Embrechts 等17通过 Kohonen 自组织特2 2实时流型识别方法为了更好地识别流型，各国学者在继流型图之 后做了大量研究，获得了许多流型识别方法，根据 工作原理，流型实时识别方法可以分为两大类: 一 类是根据两相流流动图像的形式直接确定流型，如 目测法、高速摄像发、接触探头法、射线衰减法、电 容层析成像法、过程层析成像法等; 另一类是间接 的通过对反应两相流流动特性的波动信号进行处 理分 析，提取出流型特 征，进 而 识 别 流 型 的 方 法11。这种方法是建立在波动信号处理技术的基 础上的，其不仅具有设备简单、价格低廉的优点，而 且还适用于过程比较复杂的流动工况，此方法现已 成为流型识别技术中的研究热点，并且还在不断发 展、创新。我们在这里主要针对间接方法进行综述。2 2 1基于压差波动理论的流型识别别出来。张立峰18 提出了一种人工神经网络的软测量方法，就是从电容层析成像( ECT) 传感器 的输出中提取特征参数作为软测量模型的辅助变 量，以两相流流型为主导变量，构建二级自组织竞 争神经网络，进而实现对两相流流型的在线判别。 此辨识网络辨识效果较理想，平均正确辨识率在90% 以上，且判别速度快。神经网络在流型识别 中的应用为流型识别理论的研究提供另一种思 路，这种方法也必将为跟多的人所接纳和采用。1徐济鋆 沸腾传热和气液两相流M 原子能出版社，1993林宗虎 气液两相流与沸腾传热M 西安交通大 学出版社，1987劳力云，郑之初，吴应湘，等 关于气液两相流流 型及其判别的若干问题J 力学进展，2002，32( 2) : 235 249Oshinowo T，Charles M B Vertical two phase flowJ Can J of Chem Eng，1974，52: 25 35Barnes D A Unified model for predicting flow pattern transitions for whose rang of pipe inclination J Int J Multiphase Flow，1987，13( 1) : 1 12 张鸣远，陈学俊 螺旋管内气水两相流流型转换的 研究J 核科学与工程，1983，3( 4) : 298 304Hewitt G F，Khor S K，Pan L Three phase gas liq- uid liquidflowJ International Academic Publish-ers，1997，1 19丁浩 新型信息处理技术在气液两相流的流型辨 识中的应用研究D 浙江大学，2005陈之航，曹柏林，赵在三 气液双相流动和传热M 机械工程出版社，1983周云龙，孙 斌，陈 飞 气液两相流型智能识别 理论及方法M 科学出版社，2007李海青 两相流参数检测及应用M 浙江大学出版社，1991Wambsganss M W，Jandrzejczyk J A，France D M Determination and characteristics of the transition to two phase chug flow in small horizontal channels ASME J of Fluid Engineering，1994，116: 140 146Tutu N K Pressure fluctuations and flow pattern rec- ognition in vertical two phase gas liquid flow J Int J Multiphase Flow，1982，8( 4) : 443 447Cai Y Application of chaos theory in identification of two phase flow pattern and transition in small，hori- zontal，rectangular channels J ASME J of Fluid Engineering，1996，118( 2) : 383 390白博峰，郭烈锦，陈学俊 空气水两相流压力波动 现象非线性分析J 工程热物理学报，2001，22( 3) : 359 362周云龙，孙 斌 基于神经网络和 D S 证据理论23452 2 4基于复杂度特征的流型识别6复杂度是在统计学习理论的基础上发展起来的一种有限样本下的学习算法，它具有严格的理 论基础，较好地解决了样本、非线性、高维数和局 部极小点等实际问题。周云龙等19 针对气液两 相流压差波动信号的非平稳和非线性特征，提出 了一种基于经验模式分解( EMD) 复杂度特征和 支持向量机的流型识别方法。该方法首先对两相 流压差波动信号进行经验模式分解，将其分解为 若干个固有模态函数( IMF) ，然后对每一个 IMF 分量提取复杂度特征作为流型特征向量，并以此 作为输入参数，建立支持向量机分类器来识别流 型，能达到 94% 的识别率。此方法能准确地识别 流型，从而为流型识别提供了一种新的有效方法。789101112结论313经过国内外研究者几十年的不懈努力，气液两相流的流型识别技术有了长足的发展，已经由 最初的由实验得出的流型图和通过转