基于递归分析的流型及过渡流型动力学特性研究

基于递归分析的流型及过渡流型动力学特性研究

0递归图及递归定量分析方法在动力工程、石油、原子能利用等领域，气、液两相流的流动现象普遍存在。例如，当容量较大时，例如器械器、检测器和核反应堆蒸汽发生器。管束间的气液两相流型对其流动特性和传热规律有重要影响。两相流动复杂、多变,以及相间界面的相互作用导致流动呈现高度不规则性、随机性和不稳定性,迄今为止,两相流流型及其转换动力学机制尚未十分清楚。近年来,基于混沌时间序列分析的递归图及递归定量分析法在动力学过程中得到了广泛应用。金宁德等研究了管内油水两相流电导波动信号的混沌递归特性,利用递归图和递归特征量对气液两相流流型进行了表征。王春华等对循环流化床压力脉动时间序列运用递归图分析方法进行分析,总结了不同床型下递归图特征量的变化规律。吕勇等采用递归图和近似熵获取了故障信号时间序列的动力学行为。周云龙等应用Hurst指数对管内气液两相压差波动信号进行混沌特征分析,取得了较好的效果。李洪伟等提取气液两相流流型图像的熵序列进行递归混沌分析,结合递归定量分析法研究了气液两相流型的动力学机制特性。两相流的压差波动过程包含了关于流动的大量信息,压差波动信号能够客观地提供与流型有关的机制信息,因而可以对不同流型的压差信号进行递归定量分析,研究流型机制特性。本文采集了气液两相流体垂直向上流过2种节距比管束的典型流型及过渡流型的压差信号组成时间序列,对每一组压差时间序列进行递归特征分析。1实验系统和测点布置实验是在空气-水两相流系统上完成的。实验装置如图1所示。该实验装置包括2部分,流体控制系统和动态数据采集系统。流体控制系统主要有空压机、气水混合器、水泵、旋风分离器、水箱及实验段组成。实验段由入口段、发展段、测试段管束和出口端组成。水由水泵加压经电磁流量计计量后跟经空气压缩机和气体孔板流量计计量后的空气在混合器中充分混合。从混合器流出的气水混合物,流经实验段,进行压差信号采集后进入旋风分离器,将空气分离出来并排入大气,分离出的水流回水箱循环使用。动态数据采集系统主要有恒压直流电源、压差变送器和数据采集仪组成。采集仪为IDTS-4516U型16通道数据采集仪。压差变送器为Rosemount3051S电容式差压变送器,测量精度0.05%。测点位置如图2所示。实验中压差动态数据的采集时间为8s,采集频率256Hz。测试段是由10mm厚的有机玻璃板制成的长度为700mm,截面为180mm×65mm的矩形通道,分别布置节距比P/D为1.3和1.8的10×4和10×62种管束。管直径20mm,长65mm,采用顺列布置。如图2所示。实验时固定水流量,调节气流量,通过调节气水流量改变流经试验段的总流量和含气率。实验参数范围:压力0.1~0.3MPa,温度10~25℃,水流量2~15m3/h,气流量0.01~48m3/h。2延迟时间及各向异性递归是动力学系统的基本属性。递归图反映了系统空间点轨迹的变化规律,它可以将一维时间序列扩展到二维相空间,是研究动力学系统的可视化方法,它由Maizel在1981年首次提出,以像素点0和1的方式将一维时间序列扩展到二维平面空间来显示时间序列内部的结构特征。根据Takens嵌入定理,对于n标量的一维时间序列S,可由N个d维空间向量ak按照时间延迟嵌入法重构。空间向量ak定义为:式中:τ为延迟时间;d为嵌入维数。递归图由相空间中的一对相邻的点坐标绘制。使用最大规范基:因此,任意维数两坐标之间的最大距离相等。递归图通过相当于每N2对坐标ia,aj间距离的张量Tdi,j描绘:式中:Θ是阶梯函数(x<0,Θ=0;x>0,Θ=1),ε是预定义阈值,任意对坐标间的距离都小于阈值ε。当ai≈aj⇔Tdi,j≡1,将矩阵中的点(i,j)用0或1在递归图中描绘出,黑点代表Tdi,j=1,图3中白点代表Tdi,j=0,2坐标轴为时间轴,沿对角线呈对称。Zbilut等提出了递归率,熵以及平均对角线长度等递归定量分析的特征量,用以定量描述递归结构。本文结合平均对角线长度和熵对气液两相流动特性分析说明。平均对角线长度,定义为对角线方向线段长度的加权平均值,是不同时刻两轨迹线段在时间步l内的划分,即2轨迹线段的平均时间非常接近,因此可以看作系统的平均预测时间。不相关或弱相关过程,具有随机混沌特性,递归图上没有或有很短的对角线;确定性过程递归图有较长的对角线或很少的孤立点。平均对角线长度反映系统的确定性,即对角线长度越大,系统的确定性越强。测量熵引用Shannon熵:式中P(l)=p(l)/Nl=l∑-1minp(l),为长为l的对角线所占比率。熵反映与对角线相关递归结构的复杂性,结构越复杂,熵值越大。递归分析时,取嵌入维数维3,延迟为2,阈值系数为0.2。3压压机递归纹理结构与气液两相流特性递归纹理结构大致分为均匀、周期、漂移和突变4种。均匀纹理结构是由均匀分布的点组成,由随机时间序列得到;周期纹理结构沿主对角线发展充分;漂移结构是由系统参数缓慢变化引起,而突变结构是系统急剧变化所得。图3为采集的2种节距比管束的3种流型的压差波动信号及其相对应的递归图。泡状流型压差信号递归图为不均匀孤立点状结构,几乎看不到对角线,说明泡状流压差信号为随机信号,其流动过程为弱相关的随机过程,主要是泡状流时气泡无规则运动,表现为很强的随机性。间歇流型压差信号递归纹理结构较泡状流孤立点状结构减少,块状结构增多,沿对角线纹理结构发育增强,表明其流动随机性减弱,周期性增强,间歇流型具有明显的混沌特性,主要是间歇流时,气相速度增加,含气率增大,气泡碰撞结合机会增多,形成大气团,气团受力与管束碰撞破碎形成小气泡,如此重复,周期性明显。雾状流递归纹理结构较规律,由大的白色块状构成,沿对角线纹理发育最好,相似性好,其对角线上两黑点间距离代表一个准周期过程,说明雾状流周期频率高,这与其流动结构单一,管壁与管束表面的液膜周期性脱落这一流动特性相吻合。图4为过渡流型压差波动信号的递归纹理结构。泡状流向间歇流过渡时气液两相速度较低,系统参数变化缓慢,导致递归结构类似于漂移结构,由白色区域和孤立点构成,混沌特性明显。间歇流向雾状流转变时,递归图表现为大的白色区域和黑色块状结构,沿对角线方向存在突变,说明该动力学系统存在突变,这与转变过程中系统参数(主要是气相速度)急剧变化相对应。由此可见,递归图能够清晰的演化流型转变机制。对气液两相流压差信号进行递归定量分析,得到如图5所示的熵和平均对角线长度随气相折算速度的变化规律。随气相折算速度增加,熵和平均对角线长度都呈减小趋势,说明泡状流到间歇流再到雾状流,系统确定性减弱,复杂性降低,这与泡状流中气泡大量无规则运动,间歇流中气团形成和破碎,雾状流中液膜周期性脱落及其不稳定的振荡特性相对应的,也说明了气液两相动力学特性的复杂。以上分析表明,递归图可较好的表征流型演化机制,递归特征量随气相速度变化明显。4过渡流型递归图特征量分析模型,表面活性剂价值随损害量的变化,可减少试验结果。根据对于配置1)递归图作为非线性分析工具应用到流型机制分析具有有效性和直观性。通过压差信号递归分析,发现泡状流递归图为不均匀点状结构,间歇流兼顾点状和块状结构,雾状流沿对角线发