关于鼓泡塔和气升式反应器内流域识别方法的综述

关于鼓泡塔和气升式反应器内流域识别方法的研究综述摘要：本文简要叙述了流域识别的各种方法，报道了国外有关流域识别研究工作的最新进展。其中主要对压力波动信号时间序列的非线性分析法进行了着重论述。并对各种方法在确定鼓泡塔和气升式反应器内流域转换和揭示相应流域下流动特性的能力给予了评论，总结了各种方法存在的优点和局限性。关键词：鼓泡塔反应器；气升式反应器；流型；流域；压力波动ReviewofthemethodsaboutflowregimeidentificationinbubblecolumnandairliftreactorAbstract：Allkindsofmethodsaboutflowregimeidentificationweredescribedbrieflyinthispaper,andthelatestadvancesinthisfieldwerereported.AseveralNon-linearanalyticmethodsforthetimeserialsofpressurefluctuationsignalsweremainlydiscussed.Theirabilitytodetermineregimetransitionandtoextractregimefeaturesinbubblecolumnandairliftreactorsiscomparedandtheadvantagesandlimitationsofthesemethodsweresummarized.Keywords:bubblecolumnreactor,airliftreactor,flowpattern,flowregime,pressurefluctuation.1、前言：近年来，鼓泡塔反应器和气升式反应器由于具有结构简单、能耗小、占地面积少、良好的传质和混合特性等而被广泛用于污水处理领域，作为传统的活性污泥和生物膜法的主要工艺设备。其中尤为值得一提的是：气升式反应器作为一种改进的鼓泡塔反应器，又兼具剪切速率低、剪切力场分布均匀、返混程度低等独特的优点，在生物降解工艺中被优先选用，具有广阔的应用前景。上述两种多相流反应器体系内的流体动力学特性对絮凝体尺寸分布、污泥固－液分离特性[1]、生物膜的厚度、密度等特性[2]均有巨大的影响作用，因而对最终的污水处理效率具有至关重要的决定作用。鉴于此多相流体系内的流体动力学极为复杂，具有非线性混沌特性，难以解析，考虑到体系的流体动力学特性、混合、传质特性主要取决于流域以及各流域所特有的流动结构[3]，因而大量研究工作者一直把反应器内流型的识别和流域的划分作为反应器设计、放大的基础和确定操作范围的依据，将实验室反应器设计放大为工业反应器，首先应保证操作流域的一致。为了探索识别流型和精确确定流域转换的新方法，寻找揭示不同流型下流动结构和流动特性的新技术，力求解析出引发流域转换的内在物理机制，研究者们已开展了大量的研究工作，并且取得了一些突破性进展，一些新技术、新方法应运而生。二十世纪，非线性动力学领域混沌理论、分形理论的诞生更为识别流域和解析体系的动态流动特性提供了重要的方法论，颗粒图象测速仪（PIV）、激光多普勒测速仪（LDA）等先进实验仪器的出现更为获取瞬间动态信号提供可靠的工具。本文详细论述了用于流域识别和确定流域转换的各种方法，并就各种方法在确定流域转换和获取相应流域下流动特性方面的能力进行了比较。2、流域及其特性：确实，具有特定的流域是鼓泡塔反应器和气升式反应器上升管的一大特色。通常根据表观气速和气体分布均匀性把反应器内的流域划分为三种基本流动域[4]，即均匀鼓泡域、过渡域和湍动域也称为非均匀流域。不同的流域具有各自不同的流动特性和流动结构。均匀鼓泡域一般在表观气速很小时存在，在此流域内气泡较小且气泡尺寸均一，在轴向和径向分布均匀，气泡间相互作用很弱，不发生严重聚并，无较大的液体宏观流动结构形成。众所周知，对于处于间歇操作，使用均匀分布器的鼓泡塔而言，均匀鼓泡流一般在表观气速低于5cm/s条件下存在。当表观气速进一步增大，体系内开始出现大的流动宏观结构，即所谓的旋涡－螺旋结构，这表明流域已经发生了转换，发展为过渡流域，在此流域内，气泡开始发生聚并，气泡尺寸分布变宽，流动结构不均匀，不稳定。在更高的表观气速下，体系内的流动开始变得极不稳定，气泡间发生强烈的相互作用，发生严重聚并，大气泡开始出现，湍流域形成。此时，大、小气泡在反应器内同时出现，大气泡在反应器中部以较快的速度向上运动而小气泡则在器壁附近缓慢上升，有时甚至会表现出向下运动趋势，气含率存在显著沿径向分布，引发了液体的宏观循环流动，局部和整体液体循环流动同时存在。气体分布板的构造、反应器的几何尺寸、操作条件均会对流域产生影响作用，气体分布板一直是研究的热点，目前已得出比较一直的结论：使用孔径小于1mm的多孔布气板，在不同的气速下，上述三种流域相继出现。而使用较大孔径的多孔布气板或单口喷嘴，只有非均匀流域出现，基于确定流域转换点是本文的核心内容，因而在下面的论述中，均以孔径小于1mm的多孔布气板体系为核心。3、流域识别和确定流域转换的方法：3.1基于时均参数的古典方法：历史上，通常用目视观测识别流型，但是基于量化表征流域转换是必不可少的，研究们提出了如下三种经验方法：3.1.1平均气含率－表观气速法第一种广为使用的实验法是通过测量与流动结构相关的某一时均流体动力学参数随表观气速增长的变化趋势来识别流型，此参数一般在流域发生转换时会发生突变。在鼓泡塔反应器中，平均气含率经常被选为表征参数。图1显示了鼓泡塔中平均气含率（εg）随表观气速(Ug)增长的变化情况。当体系内的流动处于均匀流域时，气含率随表观气速的增长成线性增长。而在过渡流域，气含率的变化开始偏离此线性关系，首先会出现一个最大值，标志着液体宏观循环流动结构的形成，然后开始趋于下降，当气含率达到最小值时，就标志体系已经从过渡流域过渡到完全发展的非均匀流域。可是如此明显的转换特征并不总是能获得的。使得此法的应用受到很大限制。尤其在气升式反应器中，由于附加的总体液体环流运动的影响，在流域发生转换时，并没有最大值出现，使用这种方法很难确定流域转换对应的气速。3.1.2漂移通量法：第二种方法是根据漂移通量理论演变而来的：斯（饮1顿）、梨Wallis茧[5]例(1962凯)怒首先提出了漂协移通量理论来袭求取流域转换神气速和进行流慨域识别。气体愧漂移通量的定鹰义是：气相相升对于两相平均卡速度运动的表邮面容积通量，棍其表达式为：（1）桑式党中予U宾s把是气体相对于就液体的滑移速邮度，当气液并占流向上时，其点表达式为：益蛇池轿蓬摊（母2想）悲将萝J黄gl吉对啊ε自g辆作图，开始遣时负J杆gl浙随澡ε鄙g额增大缓慢增大蹦，但当丧ε伤g苗增加到某一值绪时，曲线斜率告发生突变扶，胁J干gl链迅速增大。曲扇线斜率的改变庄标志着体系开箱始从均匀鼓泡犹流向湍流流域谢过渡，此气含始率邀ε伤g店对应的表观气凝速宗u夫g蝴就是流域开始哥转变的气速。株此法较适合于艰识别处于半间伏歇操作鼓泡塔辩内的流域转换撕。由于气升式狸反应器内附加支的总体液体循倾环流动的影响守作用，使得发萍生流域转换时杏曲线的变化趋钥势较鼓泡塔而另言要不明显得淡多，不适于作唱为识别气升式姿反应器内流域击转换的方法寿。铲扰（机2巩）、党Zuber纷和圣Findla冠y哲[5]喊在埋196毅5乱年液在狡Walli怪s讨的漂移通量理挖论基础上提出车了一种改进的倘漂移通量分析降法，这种方法岗最先是用于预剥测非均匀流域福条件下的气含喜率值，其用于架识别气升式反胶应器上升管内坊流域转换要比霉用于鼓泡塔更丸为有效，被广减为用于识别气箱升式反应器上瓶升管内的流动悄情况。他们提喜出对于并流操诵作，漂移通量扬方程可由下式四表述：蒸辰牙梢（待3绝）马式中员，〈〉代表取贷平均蛇，倚C励0若是径向非均匀犁性的表征参数骨。如种图示2返所示乐，格u继g血/哪ε浩g垂蒙对屈（雄u子g阳+u绒l嘉）作图，在均芬匀流域，气含陆率和速度分布还比较均匀飘，脉C密0请一般嘱在蝶1.秘0低左孔右麦,谊太而在非均匀流尽域柜，宽C抛0仔一般沿在刑1.53-1骤.6煌0北左右。统Snape役等人祸[6]郊根据外环流气邀升式反应器上榆升管内的实验婚数据给出：对趋均匀流猾域缝C昂0碧＝番1.0肉8间，而非均匀流昂域律，睁C冤0劝＝绘1.5抄2饿；由透图艇2塔可见，过渡流罩域对应踏的拦C庸0页值比非均匀流宴域下的相应值吊要高得多，这搂说明非均匀流宴域下的速度分水布较之过渡流王而言要平坦的歪多。宴Vial冶[7]拘在其文献中对倡此提出了解释隶，他认为这主忌要是因为在过竞渡流状态下，己体系内一个大主的液体局部环恰流结构致使流多动非均匀性增衬加所至。而且尘Vial钉等人在改变降涝流管阀门开度爪的实验中获得编了与志Snape忌等人相近的结联论，在均匀流墓域症C吐0电约肢为吨1.运0霸，非均匀流锻域蝇C萝0柳约联为益1.嘱6押几乎不随阀开它度变化，而在注过渡域，阀门封开度精对昏C理0炒值有显著影响专作用，进一步午支持了上述结圈论（总体液体澡循环速度可流奔动的均匀性产家生了调节作用可）。虽然此法检可很好的确定齿流域转换气速复，但是由于过喊渡发生时，斜训率变化并不十倒分显著，很难晕作出精确判断参，缺乏准确性区。有（双3歉）、最近仰Bendja熊ballah赛等人瑞[3]化结合上述两种麻方法，根据漂党移通量和滑移菠速度提出了一骤种改进的方法食，主要通过滑典移速晒度携U博s鞠对插u提g辅+u魂l良作图，由于在臂均匀流域餐，叛U耍s已随勒u郊g想+u例l熄增加而下降，册而在非均匀流换域怒，际U杀s援随祝u旁g夫+u活l保增加而增加，解呈现出与均匀职流域截然不同悦的趋势，变化扬比较明显，从火而在一定程度急上提高了流域仪识别的准确度垮。手ε鲁g梢u耻g烤/奉ε育g折蝶某刻硬葬跨顶掀约慎笼百(3)宵为程桐叛后烘扇身描趟破(3)版(1爽)绘均匀鼓泡流巨域平沾老(1南)局均匀鼓泡流悠域杠物(2毯)榨过渡流穴域钢琴竹(2伙)赞过渡停流勿变雅(2饮)建王颜蹄缓(3群)陡非均匀流匠域愚冲友(3武)潜非均匀流域盏分(1)姓(2)岩讲(3)魄笋龄腹剥抢疯剂衬垃金浮耕职携介他迁叹秒喉耳(1)怜3挑-5cm/s业戚7-9cm夏/s郊U累g古(项cm/s)斯狭娇盛史u详g翠+u侍l禽(m/s)府图踩1.唱耕鼓泡塔反应器冷内的流域划分沉图俭茅炸自图嫂2.Zube弃r蓝和老Findla握y掉漂移通量分析员图浮3.1.搏3准动态气体逸出苍法浊（巷DG鞋D即）艘第三种方法称肝之为动态气体纠逸出法窗（秩DG保D饮），此种方法诉是国外近年来退广泛采用的一独种比较简单、强测量精度较高辱的用于测量气系含率和或知有语关气泡尺寸分延布特性（大小劣气泡所占比例路）的方法。在身鼓泡塔处于稳杠定操作条件下雹，突然关闭气稻源，同时使用桃压力传感器连悼续测量切断气浮源后反应器内蔬压力梯度的变翼化。用此法进略行流域识别、僻判断流域转换衫主要是基于如鞭下认定：均匀革流域内气泡尺兆寸分布均匀，裤关闭气源后，宝所有气泡几乎尺均以相同的速秧度逸出，因而遣气含率随时间沈呈单一的线性惑下降关系。而桶在非均匀流域行，大小气泡群晨同时存在，大墨气泡在关闭气烛源的初始阶段凉首先快速逸出肃，造成气含率趣的显著下降，爹而当大气泡几绪乎全部逸出后艰，小气泡开始棚逐渐缓慢逸出听，气含率下降点趋势减缓，逸嗽气过程表现出凶明显的阶段性井。通过观察气锯含率随时间的蹲变化规律可获机悉体系所处的放流域。在鼓泡那塔内使用该法赴获得的典型曲露线图如盆图优3贱所示。显而易久见，该法不适抗合用于识别气创升式反应器内需的流域，因为捐关掉气源也就宵意味着停止了饶总体液体的循雪环运动，而且暂这种方法并不万能确定出发生贼流域转换所对狸应的表观气速烦。但是不可否旧认的是，该法周确实不失为一滩种同时分析流炉域和气相流动衬结构的好方法修。铅饶综上所述，上荣述提及的基于廊体系平均流体治动力学参数变闻化特性识别流耍域的各种方法译的主要缺陷在混于缺乏普适性侧，要视反应器溪而定而且准确穗度低。这正是盼大量研究者致影力于开发具有愿普适性、高精践度识别技术的丸主要原因，也暑正是在这种推喂动力的作用下尿，才有了第二且类方法的蓬勃狼发展。西ε田g砌膏暂拨倍虽非均匀流浓域议质运职（扣1挡）慢抱气源关断帐前邪院(1多)乘（墓2母a者）大气泡逸航出帖草（集2乳a驾）仪(2b)瓦雕小气泡逸出岭(2b)挨患永腾些（楚3赞）液就位香(3)胖均匀流宜域谎T(s详)巷时间们图恩3.取巴动态气体逸出活法示意图抬3.殃2匠基于动态信号储时间序列的非躲线性分析法：潮新近出现的这学类方法主要是炼通过解析与流梢型相关的各种友信号的动态波泼动情况，获取通体系的瞬态流爆动信息，更为箭准确的识别流络域转换，以便己达到从物理本勿质上揭开有关题引发流域发生且转换的内在机验制这一最终目逮的。目前，这抹类方法已被广遣泛应用于两相久和三相管流晚[8]播、填充床反应纵器射[9]栗、喷淋床反应霞器括[10]槽、流化床反应股器再[11]条、鼓泡塔反应询器和气升式反磨应器舒[12-1锻3]半手内流域的识别搞。为了获悉有优关流域动态特腰性的相关信息丽，科技人员对店壁面压力波动茶信号纵[14]晃、局部气含率破波动信号躲[15]诞（使用光学探鬼针测得）、轴热向径向脉动速蝇度波动信号舞[16]贺（使用激光多慌普勒测速仪终（辽LD术A茫）测得）、局乳部瞬间传热速塌率波动信号磁[17]烦（使用热丝探世针作为测量工挖具）等各种信狂号的分析方法价作了深入的探钳讨。目前最为漂突出且广为使例用的非线性分晋析方法主要包针括：频谱分析绣法旱[1终4絮，轨18]引、分形分析法金[16,19平]融、混沌分析法慨[16,20岩,21]紧以及新近提出栋的一种基于自挨相关函数的时祖域分析法晋[12-13桃]隆诉本文仅就上述授四种方法给予宏详细叙述。尚测须阐明的是在育上述提及的测拆量信号中，由史于压力是能量洗参数，壁面压狭力信号的波动萄可能源于下列娘各种物理现象统的发生：气泡脚通过、气泡形棋成、气泡聚并鸟和气泡破碎、切液相的湍动、俗循环流动等，览因而很难从中灰直接获取有关建流动结构的相安关信息。但是沿由于获得壁面祸压力信号的测渐量技术非常简榜单而且费用低帐、加之测量仪坚器（一般为压减力传感器）并哭未直接插入流踩场对流场不构德成干扰，又不滋受体系透明度众的限制，备受请青睐，具有实先际工业应用价描值。鉴于上述汽原因，本文仅冰以壁面压力波崖动信号解析为振例对各种方法谷加以阐述。宇3.2.辉1涝频谱分析灰法蓬(租PSDF)忙：宏频谱分析主要怜是把压力时间恰序列的自相关甜函数夸（纺C墓xx僵）通过快速傅援里叶变换获得薪相应的功率谱专密度函数鸣（包PSD裙F么）。某一时间芽序著列叙x(t三)磨的傅里叶变换土由慎（邀4除）式定义：则令婚矿（形4以）株时间序亡列同x(t膨)逆的自相关函缸数德C袍xx剪定义式为：卫州蹈（矩5箭）煤相应的功率谱窝密度函数抓（慧PSD为F姓）的表达式为摸：亡畏烫（枕6况）刺功率谱的计算替可是我们获知涉在宏观和微观吴尺度范围内是杯否有周期或者粱准周期运动的乏存在，以及这砖些运动所产生置的特征频率。付Draho恭š避等人墓[14]道最早在鼓泡塔骗的研究中使用鹅了这种方法，御他们经过调查画研究得出了各巡种物理现象产何生的特征频率倚范围，详见纵表朵1后。而且得出如宵下结论：对鼓惭泡塔而言，我夕们感兴趣的频辫率范围才是聪0贡－声20H挥z闯。这为后续研宏究工作奠定基难础。一般对鼓淘泡塔和气升式尼反应器内压力备信号作频谱分渠析时通常采阿用筛25H术z洋作为低通滤波学的截断频率饺。亡劲在处理信号时披，一般采厚用乱Welc告h室提出的平均周放期图法估算，朱即把数据序列留分为长度垮为剂L尚（经常脱选拳51齿2饭个点）蔬的般K警个有一定重叠贷或者无任何重睬叠的数据段，列每一段数据采冲用数据窗狂函数处理，通平常使轿用梁Hannin悄g搜（汉明）窗函熊数来处理以避敌免混淆现象的统发生。共Vial粉等人耍[12,13拉]歪获得的频谱图蛮具有典型的代熔表意义，如宋图凤4恒所示，他们的介研究表明：对孙于使用多孔板续作为气体分布凯器的鼓泡塔反串应器而言，在携均匀流域时，近只在低频带出社现一个特征峰或，对应的特征树频率大约劲为气0.1H抹z醋，经过分析他薪们认为此慰泊饼衬怜表永1察宫压力信号的特古征频率顾来染源狮到怨改遥鸡特征频率的数益量级间气泡的形凯成土返幼彩苦>10朴1刻气泡通磁过励摘屑钟料10锡0滴－符10醉1旋气泡聚昼并辉踪庸玻肆10汗0现大尺度旋松涡减鼻规索敬10惨－烛1残中等尺度旋再涡淡滴饮醋10卷0菊液位波淋动软民组饭昏10扮－舒2于－付10竖－遗1顽峰是液位缓慢疼振动产生的。余而在非均匀流理域，只老在泻3雄－央5H宾z嗓出现一个较宽准的特征峰，他剑们认为这是由箩于在此流域下货，气液两相均定已形成宏观流嘴动结构，近壁剥处气泡交替地朵向上、向下运灶动，这种准周软期现象导致近会壁处压力波动舰较高，产生了冶新的特征峰。家虽然在非均匀偏流域，气泡发夫生聚并和破碎璃，但是是随机烟发生的，导致确这些现象的强糠度与而近壁处罪气泡的准周期想运动相比要弱展得多。在过渡叹流域，上述提夺及的两个峰均缓同时存在，只谊是强度有所变穷化。这就意味党着气泡的准周巨期运动有一个陵逐渐发展的过结程，随着气速航的增加，其强饿度会逐渐增加停，当其强瓶度超越了均匀糠流域下液位波耻动时，就标志驰着已经过渡到伟非均匀流流域待。外环流气升呢式反应器细的歌PSD既F常变化趋势与鼓钟泡塔内的大致熄相同，只是由薄于此体系内总停体液体循环流挎动的寸在，起研到了稳定体系旅的作用，使得沙对气升式反应狡器而言，第二国个特征峰峰的岁特征频率暮在题4臭或机5H负z测左右，较鼓泡笛塔的要高（一彻般第在招3H博Z致）。非均匀流域频率(Hz)频率(Hz)气升式反应器Ug＝20cm/s气升式反应器Ug=12cm/s气升式反应器Ug=7cm/s鼓泡塔Ug=2.7cm/s鼓泡塔U非均匀流域频率(Hz)频率(Hz)气升式反应器Ug＝20cm/s气升式反应器Ug=12cm/s气升式反应器Ug=7cm/s鼓泡塔Ug=2.7cm/s鼓泡塔Ug=11cm/s鼓泡塔Ug=7.2cm/s频率(Hz)频率(Hz)频率(Hz)均匀流域过渡流域非均匀流域过渡流域均匀流域仇虽然频谱分析溪可以揭示出一俗些物理现象，蒙具有重要意义睁，但是却有其拨内在的局限性干，是完全基于芽随机函数的处似理方法演变来价的，绪Chen终等人桶[22]躬研究结果表明限：在鼓泡塔中深即使通过解析拘压力波动信号狗以外的与流动亏结构紧密相关齿的局部传热速允率波动信号，舞仅通过功率谱遵分析很难及时谅洞悉有关反应盈器内流动结构乖变化的信息。尺3.2.畜2变分形分析：捐Fan白，背Neogi旋等人牙[23]抗在探199慧0跃年首次使用这课种方法分析了锯流化床反应器扑内的压力波动企信号，桶Draho袜š池等人咱[19]码在甲199改2锈年把这种方法巡成功地用于鼓起泡塔反应器内户流域的识别。梯鼓泡塔反应器朗内的流动具有殃高度的随机性菠，这主要是由宽于体系内存在首着液体循环流捡动、气泡形成恶、气泡聚并与镇破碎、气泡通距过等各种物理蒙现象，这些现圆象具有非周期竹运动的特性，黄忽快忽慢。而笼在时间序列中半包含两种主要野的过程信息：京一些过程具有凡长期依存性，谅换句话说，时冒间序列的将来酒，这些过程称桃为持久性过程欢或正相关过程方；使另外一些过程夫只有短期记忆炉，时间序列的吧将来演变趋势挂同它的过去正鲁相反，这类过瞧程称为反持久纤性过程或负相愤关过程。退分形分析法碰是匀Hurst取[24]糖在陶195膨1尽年提出的对时耍间序列采用所侮谓俭的倒R/朴S先（递rescal素erang旺eanal蕉ysi秤s确）方法进行分励析（其全名扭为招“丘改变尺寸范围艰的分析），来餐求分取盒Hurs无t费指数和时间序末列的分数维。赌其基本思想是历：改变所研究约的时间尺度的禁大小，研究其汪统计特征的变革化规律，从而好可将小尺度范描围的规律用于类大的时间尺度妖范围内或将大保时间尺度得到链的规律应用到态小尺度，这种废整体和部分之围间规律的相似级性正是分形几吗何的核心思想丈。上述两种过霉程浮的渠Hurs毁t纸指数各自具有奖相应的范围：泳于正相关过程则，俘Hurs烂t宽指数一般阴在闲0.5-营1肝的范围内，而谦对于负相关过慈程楼，茄Hurs忌t流在疮0山－萍0.贷5处范围内变动密，饿Hurs蚁t栗指数等靠于留0.围5小时说明此过程符是随机过程御。缠Hurst袭触指恒数伙H赛和分数维的计潮算过程如下所形述：凑首先把测得的暮时间序列分迹为伯L恶个时间间隔长刃度为纱τ傅的子段，每个杜子段中包立括辛n馒个数据，对于头每一个子捧段田i忘：纷阔1叼、累积离蚕差阿波；北跃座（稠7絮）听2肝改变尺度范炸围剑R(i,n魄)通以及时间序列咸的均方根偏手差饥S(i,n警)凭由下两式计算深：安帽煌勾（乖8准）吵婚树精（愁9品）闪叉召落睬求裕（克1会0咬）润（谷R/困S监）研τ肢等么于茄L嫁个绑（龟R/笛S否）象i染的平均值惧由于桨，因而通过营（渴R/苏S鉴）倒τ液－债τ沃双对数坐标图廉的斜率就可求妈得相应另的召Hurs缺t次的指数值。厦对于自仿射曲版线按，哨Feder雕[25]蜻指愿出四H害与局部分形维拉数滑d活FL苏有如下关系存传在：储太袍位斗江（躺1需1毁）盼Vial剪等人派[12,13蒜]炸的研究表明，约对于使用多孔疮板作为气体分咱布器的鼓泡塔商反应器而言，甘过渡流域的主篇要特点殿是轿Hurs疮t臂指数发生突变后，由均匀流域批的核0.抱9治急剧下降权到只0.侍5疼左右。在均匀烤流域则表现出谷显著的正相关飘特性，而在非麻均匀流域则表镇现出显著的负助相关特性。在富气升式反应器宏内流域之间存扭在的差异不如血鼓泡塔的明显那，而且不能识施别出均匀流域亲与过渡流域之若间的转换点。经但是通过这种笨方法，他们却垂发现了这样一妙个事实：与鼓座泡塔相比而言往，气升式反应资器右内的行为的持拨久性差。总之闹，分形分析法犯提供了有关流种型方面的定性出信息，但是却吵很难精确识别违流域转换点。酿3.1.较3榆混沌分析：捎9难0洞年代非线性动味力学中混沌理矛论的诞生使非缓线性科学有了兔可靠的理论保影证，也为多相壮流领域的研究院工作注入了新巾的生机与活力工，迄今为止，降混沌理论在流办型转变、表征荐流动结构购[洽及反应器放大雹等方面得到了泡初步的应用。剧所谓的混沌体鞠系是指一个非列线性的确定性撇体系，其具有蜜敏感依赖于初迫始条件的特性漠，换句话说，席初始条件的微拍小差别将最终匙导致截然不同岂的现象出现，尺这皆是源于初岩始时存在的差病异在演化过程逗中会呈指数性饮增长所致。这究种差异增长的遇快慢一般用戒Komogo交rov粗熵来衡量，此域参数的大小描筋述了体系的运耗动特性：对于妨规则运动而言关，劝K=黎0思；对于随机运派动世，舱K狼→奋，若系统表现庄出确定性混沌沾特性，储则余K租值是大脑于头0悲的常数。此参粘数表示了系统婆在随时间变化址的过程中信息界的损失速度，盆反映了系统的煮可预测程度或苦者说系统的混坦乱度。史考察一个动态欠体系可通过在立相空间中观察块其轨迹的方法联实现。为了构且造相空间，需木要同步测出体纱系所有状态变躁量的时间序列猾。这是很难作连到的。往往可经通过解析一等岁时时间间隔的雄单变量的时间压序列来分析系后统的特性，这较是因为单变量歉时间序列是许地多物理因子相踢互作用的综合嘴反映，它蕴藏桃着参予运动的你全部变量的痕煮迹，一个变量信随时间的变化鼠隐含着整个系长统的动力学规膜律。为此，法扮国数学家春Rulle利于安198迟1枯年提出了重构潮相空间的概念亿，即由任意一曾个单变量的时妹间序列重构一府个等价的相空里间来再现系统掏的动态特性。劝Takens谦[26]找则从数学上为制其奠定了可靠冒的基础，提出都了如何用延迟缴坐标法将时间举序奥列穿x(t赠)傅重构隶为算m匀维相空间，其巴中遮m涝称为嵌入维数朵，是重构的相拥空间的维数。唯由系统中某一委可观测的时间窝序列，重见构钱m缠维相空间，得鸽到一组相空间搁矢量：晕礼偷（途1扣2览）伪τ殿为延滞时间，杂是需要确定的毒参数。狗τ青的确定一般是稼采用识vande坟nBlee望k暖和羞咸Choute厘n隔τ疤[27]班等钢人赤199俭3滑年提出的方法待－把自相关函泉数拒与谈x言坐标的第一个民交点作为延迟稼时间。此重构慎相空璃间中吸引子的持分形结构可由驶Grassb樱erger碗和妨Procac刘cia蜂[28]扇提出的关联维湿数来表征。关咸联维数定量刻式画了系统的自猎由度，可通过丘关联积分函但数飘C致D蹄(r掘)缩求得，具体入租下：缴患菊谅（泛1能3我）直式典中务H态e里是候Heavis数id校e婚阶跃函数，着，对于确定性僚混沌体系，有副如下关系存在恐：遇三钳著虚绒（努1河4谣）围通过关联积分华曲戚线梢lnC筑D葵(缴r)半—才ln潮r猪上直线段的斜秆率可求编得拍D捆c答，而后连续增枪大嵌入维今数术m事,郑重复上述步骤席，便可得到一糖系列页的偿D琴c舅值。楼当程D盟c街不再随嵌入维鲜数的增大发生鲁变化而达到饱莫和时，对应的画值就是体系的柴关联维什数村D简。雨关联维数和拢Komogo折rov弯熵是识别流域贸和确定流域转饶换的两个重要陕参数。祸Letzel属等人部[20]红在俘199伪7球年通过对间歇熟鼓泡塔反应器报内的压力时间磨序列的分析得匀出了相应的关怠联维剩数颗D峰和塑Komogo陪rov美熵值，他们发浸现颗K稼－棕U押g慰和发D寺－朗U群g辫曲线具有相似泰的形状，在流萄域发生转换时摸，辱K窗值畅和难D皮值均反生突变刺。核Vial芽等人邪[12,13是]蛙计算了各气速蹄条件下外环流忆气升式反应器拘和鼓泡塔反应满器内压力波动横的关联维数。吨他们发现在均附匀流域棋，寿D岭值总是保持近兰乎于常数，这返是因为在此条尼件下，气泡各疤自独立地作线弹性运动，气泡袄间不发生强烈叼的相互作用。鱼随表观气速的焦提高，流域开玻始发生转变时云，飘D它值急剧下降，锡这是因为在过跃渡流域，液体鉴开始作循环运肆动使得体系内她的流动具有一药定的结构性，馆致使体系的自叉由度下降，而元当完全发展的花非均匀流形成数时，由于体系割内气泡发生强领烈的聚并，体家系的自由度又驰有所会升方，得D弦值开始上升，栗最终达到与均旁匀流条件下蝴的竖D诵值接近。关联花维数的具体变前化情况如青图喇5表所示。盐通过混沌分析抢可使我们深刻狱洞悉气液分散之体系内流动的浮动态特性，可另清晰地识别出戒流域的转换，董但计算量特别沙大。犁3.1.喂4互基于自相关函牙数分析建立的帮一种新方法可：抢AC谁F予法店此方法担是搅200弦1洲年项Vial顾等人咸[12,13胡]坛在势Draho摩š软等人互[14]衰研究工作的基位础上提出的一恭种新方法，主相要是求取自相个关函数的特征当时间，通过特泊征时间的变化染趋势，识别流车域的转换，而畏且通过与互相坡关函数进行联截合分析，尚可倍得出有关液体俘循环速度以及劫相应宏观流动天结构的特征尺丧度。对自相关函数补（嗓AC喉F圈）的表达式为骂：鞠齐颈（词1乒5厨）潮由上式可见，遇自相关含数柔把普X(t践)怠与臣X(t-渔τ迅)着相关联，体现丝了欠X(t最)粘是如何受它的对过去影响的，仙因而可识别出滨一些隐藏在背围后的周期性，胳但一留般巩AC瞒F容不常被用于识国别流型，相比留之下谣，攀AC稠F溉的傅里叶变犹换趴—摊PSD蝇F赞，由于具有如锣前文所述的易肯于解析的特点脖，在流域的识惕别中被广为波使用。但是值跪得注意的景是府PSD度F膛法不能很好的棚确定流域转换拦点，而这种新股方法却能够较全精确的确定出涛流域转换点，虾并获得有关流芹动特性和流动吐结构的定量信巡息，具有其他凤方法无法比拟跳的独特优点。缎图同5判给出在均匀流恭和非均匀流条戒件下，一气升终式反应器内获魄得的典型毕的铲AC匙F誉曲线。如图所侨示，体系处于妄均匀流状态时嫌，塔AC捕F朽曲线的形状反兔映出一种典型滋随机过程的特授性灌—喉呈现出指数衰智减趋势。此流唐域下的特征时坛间可由方程乌（限1程6邀）求得：旨趁部踢谈（叔1权6溪）望在非均匀流条率件下愚，充AC贞F更曲线的变化特座点则显示出有缓某种准周期运后动叠加在随机吨运动过程中。向在此条件下的角特征时间泰可由际（驾1营7扁）式得出：黑从毒（谋1仪7业）时间(s)时间(s)气升式反应器Ug=16.4cm/s气升式反应器Ug时间(s)时间(s)气升式反应器Ug=16.4cm/s气升式反应器Ug=3.7cm/s非均匀流域均匀流域萌明听蚕到图挪5.播恐均匀流域和非应均匀流域下的俊典扭型霞AC碑F遗曲线析使用此方法确煤定流越的转换甘点时，首先由拳实验获谁得呀AC须F优曲线，根据曲阻线的形状特点蛾，使用相应的脾（怜7共）式或殖（倡8按）式进行计算张，获取相应的月特征时间将和近壁处流动膏结构的主换频舅f兴0慎。均匀流域的翅特征时间与气遵泡在传感器附宰近的停留时间勿相关，一般很莲小。随着气速毒的提高，过渡胶流域，液体宏腰观循环运动的侮形成引发了一竟系列时间尺度亡较长的过程，孩特征时间急剧蜂增大。而当非豪均匀流域已完租全建立，流动每变得更为混乱偶，特征时间几就乎不变，甚至骆会有下降的趋蜻势。燃图逢6纷显示了鼓泡塔熟和外环流气升眨式反应器内特脑征时间变化的帮实际趋势。多孔喷嘴鼓泡塔气升式反应器x单孔喷嘴°多孔喷嘴鼓泡塔气升式反应器x单孔喷嘴°多孔喷嘴仍奔际届图乌6.蠢队两种反应器内皆特征时间随表惨观气速的变化道情况4、结论：章中坡本文对各种识逝别流域和确定梦流域转换的方钱法作了简要的食介绍。在这些耳方法中赵，园PSD冬F介不失为一种识鼠别流域的好方嗓法，但这种方狼法不能精确的碰确定流域转换努点。分析分析郑法和混沌分析袍法则能较精确坟的确定流域转出换点，而熟且疼Hurs己t头指数和关联维很数的大小可在悠一定程度上反缝映出相应流域脂下流动的动态当特性。不过这渔两种方法计算侍量比较大椅；骨AC孙F府法相对而言比陆较简单，计算糠量小，而且还公可以给出有关决流动结构尺度液和液体循环速昼度等方面的定宏量信息，具有滑其独特的优点慧。考虑到多相层流体系内气泡房的随机运动和袄两相之间存在详的强烈的湍流有剪切作用，以密及体系内流动扑结构所具有的叼极为复杂的时牺空变化模式，把为了达到精确遮识别流域、确练定流域转换点脏，获得有关流耗动结构的动态清信息的目的，硬应进一步深入吼发展解析动态预信号时间序列痕的非线性分析帅法。参考文献：归1.BoJ震in,Pa饱ulLan版t,Flo芦wregi啊me,hy勒drodyn烂amics,程floc辽sized券istrib追ution堂andsl信udge角proper望t鸭iesin拣activ款ateds玻ludge推bubble烤colum将n,air叛-lift封andae招rated导stir膜redre尽ators.摔Chemi痛calEn急gineer很ingSc特ience拆,59(2犁004)2童379-23盖88;笛2.van出Loosdr工echt,缝M.C.M.释,Eike赴lboom,代D.,G邪jaltem衬a,A.,肚Mulde腹r,A.,解Tijhu分is,L.仪andH激eijnen基,J.J.圣,Biof氏imstr创ucture缘s.Wat器.Sci.匀Tech.,式32,(岩1996)3副5-43每3.Ben狱djabal陆lah,N李.,Dha筐ouadi,茄H.,P蛙oncin,病S.,M琴idoux,王N.,H详ydrody筋namics索andf茶lowre立gimes躲inext途ernal坐loopa料irlift灭react蹈ors.C捕hemica统lEngi在neerin击gScie册nce,5逐4(199歼9),52袍11-522闪1;区4.Chen丧,R.C.梅,Rees菜e,J.,兴&Fan,拍L.-S.委,Flow或struc羽turei蚀nath回ree-di舱mensio傅nalbu嫌bblec思olumn炼andth缓reeph息ase飞fluidi相zed膏bed.关AIChE睬Journa柜l,40巾(1994)呼,1094暂-1104;捕5.Wall瓣is,G.爷B.,In眯teract谎ionbe膏tween疲Fluid笛andPa孙rticle纹.Inst凤n.Che尊m.Eng湖rs.,L沙ondon,但(1962城)9宿6.Snap佩e,J.B爷.,Zah促radnik绩,J.,均Flalov瞧a,M.,包Thoma崖s,N.H全.,Liq贵uid-ph习ase紫proper麻t收iesan适dspar乔gerde测sign凉effect规sina朵nexte临rnal-l催oopai朵rlift主reacto停r.Che宾mical唱Engine擦ering减Scienc灿e,50(香1995),埋3175-许3186;阳7.Vial争,Ch.,敏Ponci狠n,S.,士Wild,唤G.,M箱idoux,挡N.,E盒xperim稠ental井and母theore已tic娃alana闹lysis愤ofthe践hydro球dynami退csin坊the宋riser拥ofan冠exter象nallo孟opair锡liftr猎eactor出.Chem般icalE费nginee相ringS诊cience为,57(2观002),刑4745-4躁762;痛8.Drah损o系š漂,J.,污Cerm顽á桌k,J.,榨Diagn耻ostics适ofga横s-liqu恰idpat膊terns请in勇chem缴icale淋nginee桌rings快ystems描,Chem礼.Eng.烘Proce冈ss.,2幕6(1989蚁),147持-164;伪9.Lati烂fi,M.稳A.,Mi艇dous,研N.,St桐orck,宪A.,Ge岗nce,J狸.N.,T恭heuse喝ofmi竭cro-el独ectrod涂esin届thest饺udyof以flow招regime气sina佩packe该dbed位reacto偏rwith猪asin岁gleph畜aseli萌quidf淹low.C填hemica场lEngi刮neerin凡gScie蔽nce,4置4(1989耳),250回1-2508闯;苦10.La妄tifi,让M.A.,妈Rode,晃S.,Mi复dous,雅N.,St坛orck,糖A.,Th乖euse显ofmic象ro-ele谈ctrode趋sint足hestu医dyof绝flowr趁egimes阿ina跪trickl忙ed-bed姓react缎or.Ch作emical晶Engin卡eering恒Scien兴ce,47融(1992)粪,1955-悠1961;贪11.Bri处ens,L祥.A.,B朱riens,较C.L.,胃Marga仍rtis,盲A.,Ha绳y,J.,缘Minim到umliq菌uidfl幅uidiza秃tion火veloci抄ty妻inga糕s-liqu骨id-sol披idflu匙idized秧bedo剑flow-宰densit饲ypart颂icles.挂Chemi阀calEn轨gineer扒ingSc神ience,堂52(19冬97),4军231-42铸38;膝12.Vi录al,Ch执.,Pon飞cin,S芦.,Wil油d,G.,爆Midou步x,N.,切Asim篇pleme虽thodf断orreg努ime梯identi肾f泡icatio昏nand垦flow言charac遵teriza续tion坑in皮bubble会colum四nsand党airli冒ftrea啄ctors.目Chemi饥calEn杠gineer呆ingan必dProc众essing已,40(2末001),级135-15掠1;参13.Vi劣al,Ch拖.,Cam唯arasa,践E.,P基oncin,差S.,W鸦ild,G蒸.,Mid桥oux,N每.,Bou菠illard介,J.,甘Study秆ofHyd正rodyna崇m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