氣液兩相流流型識別研究

氣液兩相流流型識別研究

0氣液兩相流流動工況的研究氣、液兩相流的現(xiàn)象在自然界和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛存在，這與人類的生活和生產(chǎn)活動密切相關。目前,在動力、石油、核能、冶金、制冷、化工和航天等領域有許多設備,例如,電站的各種沸騰管、鍋爐、石油工程設備、核反應堆、蒸發(fā)器、飛船環(huán)境系統(tǒng)及化工行業(yè)的精餾塔等中都涉及氣液兩相流流動工況。兩相流流型極大地影響著氣液兩相流的流動特性和傳熱傳質特性,同時對流動參數(shù)的準確測量以及兩相流系統(tǒng)的運行特性也有很大影響。在氣液兩相流研究工作的早期,由于缺乏此方面的知識,曾經(jīng)發(fā)生過不少工業(yè)事故。因此對于氣液兩相流的流型識別研究應該給予高度重視,此方面研究不僅具有重要的學術意義和實用價值,也為相關工業(yè)生產(chǎn)設備經(jīng)濟、安全的設計和運行提供了強有力的技術支持。正因為如此,氣液兩相流流型識別的研究一直是氣液兩相流研究領域的一個重要課題。1流型的劃分標準氣液兩相流流型的定義:氣液兩相流的流型就是氣、液兩相界面分布呈現(xiàn)不同結構形式或不同幾何圖形的現(xiàn)象,通常簡稱為流型。由于氣體和液體在一起流動的過程中,兩相均可發(fā)生變形,且兩相界面將不斷變化,進而兩相介質的分布狀態(tài)也會不斷變化,從而導致流型變的復雜化、多樣化。同時流型還與管道尺寸、管截面形狀、管道角度、管道加熱狀態(tài)、所處的重力場、介質的表面張力、壁面及相界面間的剪切力等因素有密切關系。因此,每位研究者對于流型都有不同的劃分標準。Oshinowo從實際應用的簡明性考慮,在綜合發(fā)展了其他研究學者結果的基礎之上,提出了幾種常見流動條件下的流型劃分標準,如下面表1所示。現(xiàn)給出最為常見的兩種管道條件下的流型劃分圖。1)垂直下降管的流型劃分為五種,如圖1所示。2)由于重力影響造成了水平管道內流動的不對稱性,使得其與垂直管道的流型有所不同,我們根據(jù)Oshinowo流型劃分原則把水平管道中的流型劃分為六種,具體的流型如圖2所示。2氣、氣兩相流流型識別的科學研究2.1流型圖法識別傳統(tǒng)的靜態(tài)流型識別方法主要有兩大類:一類是根據(jù)通過流型轉變機理得到的轉變關系式,同時利用現(xiàn)場的兩相流流動參數(shù)如壓力降、分項含率等來確定具體的流型;另一類是采用實驗的方法做出流型圖。即在實踐過程中,根據(jù)實驗得出各種流型狀態(tài)圖,建立流型變化的經(jīng)驗或半經(jīng)驗判別式,之后根據(jù)這些判別式來確定大概的流型。這種方法雖然簡單,但是其精度不高,且局限性較大,不同的流型圖之間存在一些差別,至今還沒有得到一致公認的標準。流型圖是綜合表示流型間過渡關系的一種簡便方法,但是想用一種普適的二維坐標流型圖來解決各種情況下的流型識別是非常困難的,導致現(xiàn)有的流型圖坐標參數(shù)表達式形式繁多,常隨著研究者的主觀認識而異。最具有代表性的為Baker流型圖和Mandhane流型圖,如下圖3、圖4所示。雖然各國學者經(jīng)過不懈努力做出了兩相流流型圖,也推導出了常見的流型轉變準則關系式,但是這些傳統(tǒng)的靜態(tài)流型識別方法并不能在生產(chǎn)、生活中得到廣泛的應用,而且離實際工程應用還有相當遠的距離。究其原因,主要是不同學者所繪制的流型圖或所推導出的轉變準則關系式并不完全一致,都有一定的局限性和適用范圍,只是對一些常見的流型適用,在實際應用中就顯得牽強、無所適從;同時由于缺乏對發(fā)生流型轉變機理的透徹了解,因此所建立的數(shù)學模型都存在一定的誤差。由于氣液兩相流系統(tǒng)的復雜性,要想用一個單一的數(shù)學模型來刻畫、區(qū)分所有流型幾乎是不可能的。2.2通過對流型的檢測來識別流型為了更好地識別流型,各國學者在繼流型圖之后做了大量研究,獲得了許多流型識別方法,根據(jù)工作原理,流型實時識別方法可以分為兩大類:一類是根據(jù)兩相流流動圖像的形式直接確定流型,如目測法、高速攝像發(fā)、接觸探頭法、射線衰減法、電容層析成像法、過程層析成像法等;另一類是間接的通過對反應兩相流流動特性的波動信號進行處理分析,提取出流型特征,進而識別流型的方法。這種方法是建立在波動信號處理技術的基礎上的,其不僅具有設備簡單、價格低廉的優(yōu)點,而且還適用于過程比較復雜的流動工況,此方法現(xiàn)已成為流型識別技術中的研究熱點,并且還在不斷發(fā)展、創(chuàng)新。我們在這里主要針對間接方法進行綜述。2.2.1不同流型的兩相流特性由于流動參數(shù)的波動性是氣液兩相流的普遍特性,受流型的影響很大,因此可以利用兩相流動參數(shù)的波動特性來識別流型。壓差波動法識別流型的原理是:流型不同,兩相流動的擾動度也不同,因此不同流型的兩相流體流過壓差測量段時就會得到不同的壓差波動信號。Wambsganss等進行關于水平放置的矩形通道內氣、液兩相流流動特性研究的試驗,并提出利用壁面靜壓力波動均方根來辨識泡狀流或塞狀流向彈狀流轉變和彈狀流向環(huán)狀流轉變的方法。Tutu通過概率密度法(PDF)來確定壓差波動信號在分布圖中的峰值個數(shù)和位置,進而識別出彈狀流、環(huán)狀流、泡狀流和乳狀流。利用壓差波動理論來識別流型具有信息量大,容易處理,識別準確率高的優(yōu)點,因此應用比較廣。2.2.2壓力波動信號的分形維數(shù)多相流動系統(tǒng)是一個非線性的動力耗散型系統(tǒng),它主要表現(xiàn)為一系列的混沌運動,混沌運動表現(xiàn)出其特有的隨機性,具有普適性。混沌系統(tǒng)通過其運動軌跡在相空間中的幾何形態(tài),即分形來進行描述,而分形的特征以分維來體現(xiàn)。由于所描述的具體對象不同,分維計算的具體形式也有多種,例如信息維數(shù)、混沌吸引子關聯(lián)維數(shù)和分形維數(shù)等。Cai提出了利用混沌理論計算氣、液兩相流壓力波動信號的分形維數(shù)、Lyapunov指數(shù)、自相關函數(shù)等特征量,并根據(jù)上述特征量來識別流型。白博峰等認為,混沌系統(tǒng)的分維數(shù)、關聯(lián)維數(shù)、Kolmogorov嫡在不同的流型中受折算液速的影響也不同,除了在高氣速的環(huán)狀流中,在其它流型內的分維數(shù)都小于1.5。并通過實驗得出:壓力波動的混沌特性與流型密切相關。應用混沌理論來識別流型在近年來已經(jīng)成為一個新的發(fā)展趨勢。2.2.3基于自組織特性的氣液兩相流型識別人工神經(jīng)網(wǎng)絡是一種應用類似于大腦神經(jīng)突觸聯(lián)接的結構進行信息處理的數(shù)學模型,它是由大量處理單元互聯(lián)組成的非線性、自適應信息處理系統(tǒng),通過模擬大腦神經(jīng)網(wǎng)絡處理、記憶信息的方式進行信息處理,近年來在多相流的流型識別方面也開始應用。周云龍等認為由于流型的多樣性和模糊性,單純的應用神經(jīng)網(wǎng)絡來識別流型并不是很準確,因此提出了一種運用神經(jīng)網(wǎng)絡和D-S證據(jù)理論二者多特征信息相融合的來識別氣液兩相流流型的方法,這就使得準確率提高了很多。Embrechts等通過Kohonen自組織特性映射神經(jīng)網(wǎng)絡模型,對水平管內的氣液兩相流流型進行識別,結果表明,所有流型基本都能被識別出來。張立峰提出了一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡的軟測量方法,就是從電容層析成像(ECT)傳感器的輸出中提取特征參數(shù)作為軟測量模型的輔助變量,以兩相流流型為主導變量,構建二級自組織競爭神經(jīng)網(wǎng)絡,進而實現(xiàn)對兩相流流型的在線判別。此辨識網(wǎng)絡辨識效果較理想,平均正確辨識率在90%以上,且判別速度快。神經(jīng)網(wǎng)絡在流型識別中的應用為流型識別理論的研究提供另一種思路,這種方法也必將為跟多的人所接納和采用。2.2.4基于經(jīng)驗模式分解的流型識別復雜度是在統(tǒng)計學習理論的基礎上發(fā)展起來的一種有限樣本下的學習算法,它具有嚴格的理論基礎,較好地解決了樣本、非線性、高維數(shù)和局部極小點等實際問題。周云龍等針對氣液兩相流壓差波動信號的非平穩(wěn)和非線性特征,提出了一種基于經(jīng)驗模式分解(EMD)復雜度特征和支持向量機的流型識別方法。該方法首先對兩相流壓差波動信號進行經(jīng)驗模式分解,將其分解為若干個固有模態(tài)函數(shù)(IMF),然后對每一個IMF分量提取復雜度特征作為流型特征向量,并以此作為輸入?yún)?shù),建立支持向量機分類器來識別流型,能達到94%的識別率。此方法能準確地識別流型,從而為流型識別提供了一種新的有效方法。3流型識別算法經(jīng)過國內外研究者幾十年的不懈努力,氣液兩相流的流型識別技術有了長足的發(fā)展,已經(jīng)由最初的由實驗得出的流型圖和通過轉變機理得出的流型轉變關系式這兩種傳統(tǒng)的流型識別方法發(fā)展到采用一些現(xiàn)代高科技儀器直接識別流型和運用信息處理手段間接識別流型的程度。在現(xiàn)有的成熟的單相流儀表的基礎上借助微波技術、激光技術、光譜技術、層析成像技術、過程成像技術等各種技術,研制出高準確度、