基于声发射技术的垂直管气液两相流动检测方法

声发射(AE)作为一种无损检测手段,用于气液两相流的测量具有非侵入式、测量不破坏被测管道及流场分布,信号强、灵敏度高等优点。利用声发射技术在河北大学垂直管气液两相流管道上进行了大量实验,运用现代信息数据处理方法对气液两相流垂直管道流型特征参数进行了提取。分析结果表明利用声发射手段提取出的流型特征参数可以反映出典型流型下的动力学特征。垂直管道中,泡状流、弹状流、环状流以及过渡状态下的乳沫状流在时域和频域信号中有着明显区别,小波能量和小波包分解后的信息熵的值也存在较大的差异性,从另一角度验证了在不同流型下两相流体在管道内部不同的运动状态,利用模式识别的思想,对垂直管4种典型流型进行了流型识别,取得了较好的效果,研究结果表明声发射技术可以作为一种技术手段用于气液两相流流动的检测。     

基于声发射的气固两相流流型识别

气固流化床中流型的识别是两相流相关参数检测的重要内容。利用声发射检测技术对气固流化床进行数据采样,结合数理统计、小波算法以及信息熵等方法提取气固流化床中不同流型的特征参数。由实验结果可知,此方法提取出的特征参数真实反映了典型气固流型下的动力学特征,在流化床中,鼓泡床、湍动床和快速流化床在时域、频域有着显著的区别。将小波能量、数理统计的结果以及小波包分解后的信息熵导入支持向量机(SVM)中,进行气固流型识别,正确率85%。因此,声发射检测技术与支持向量机相结合的方法可用于气固两相流流型的识别,具有一定的可行性。     

气液两相流参数测量中弧状电极电磁流量计理论分析

常用电磁流量计的电极为点状形式,广泛用于管道流体速度分布呈轴对称的单相流参数测量,当流速呈非轴对称分布时则引起测量误差。为满足两相流参数测量要求,改善点状电极结构对流速分布的敏感性,提出了采用弧状电极结构形式电磁流量计对两相流参数进行测量。采用解析计算法研究了弧状电极电磁流量计的特性:对弧状电极测量敏感场的权重函数分布进行了计算,同时为降低管道流体流速分布对测量准确性的影响,根据权重函数分布均匀性,确定了弧状电极电磁传感器的结构参数;分析了垂直上升管气液两相流典型流型时弧状电极电磁流量计的响应特性。分析结果表明,弧状电极电磁流量计的权重函数分布相比点状结构形式要均匀得多,其响应特性分析给出了两相流测量中电极之间测量电压与流体速度之间的关系,从而为弧状电极电磁流量计在气液两相流参数测量中的应用提供了理论基础。     

喷嘴释放单气泡的声发射特性

利用声发射技术在单气泡发生实验装置中研究了气液两相流中单气泡的动力学特性,使用自行开发的采集处理程序进行气泡声信号的参数提取,采用统计分析、小波变换和快速傅里叶变换对声信号进行时域和频域范围的分析。分析结果表明,声发射技术可以检测到管内气泡的声信号,具有较高的信噪比,且声信号随着喷嘴尺寸的增大而增大,随着液相表面张力的减小而减小。比较不同喷嘴直径下气泡的频率谱,发现喷嘴释放气泡发出的声信号频率为150～200 kHz,且随着喷嘴直径的增大,峰值频率相应增大,提出了声信号峰值频率与气泡尺寸之间的关联式。同时得到了气泡上升过程中的连续形态变化,分析了气泡产生声音的机理。研究表明,声发射技术是一种灵敏度高、测量手段方便的方法,可用于气液两相流气泡运动特性的检测。     

喷嘴释放单气泡的声发射特性

利用声发射技术在单气泡发生实验装置中研究了气液两相流中单气泡的动力学特性,使用自行开发的采集处理程序进行气泡声信号的参数提取,采用统计分析、小波变换和快速傅里叶变换对声信号进行时域和频域范围的分析。分析结果表明,声发射技术可以检测到管内气泡的声信号,具有较高的信噪比,且声信号随着喷嘴尺寸的增大而增大,随着液相表面张力的减小而减小。比较不同喷嘴直径下气泡的频率谱,发现喷嘴释放气泡发出的声信号频率为150~200 k Hz,且随着喷嘴直径的增大,峰值频率相应增大,提出了声信号峰值频率与气泡尺寸之间的关联式。同时得到了气泡上升过程中的连续形态变化,分析了气泡产生声音的机理。研究表明,声发射技术是一种灵敏度高、测量手段方便的方法,可用于气液两相流气泡运动特性的检测。     

多尺度信息熵特征的气液二相流流型识别方法

为研究垂直上升管中的气液二相流的流型,利用自制的多电导探针的测量系统采集了4种典型流型的电导波动信息。根据小波包变换能将电导波动信号按任意时频分辨率分解到不同频段的特性,对其进行了3层小波包分解后并计算了各个频段的信息熵特征向量,并作为特征参数输入到E lm an神经网络进行训练,实现了与神经网络相结合流型的智能识别。研究结果表明,该方法能够很准确地识别出4种流型,且提取特征比较方便,从而为流型识别提供了一种新的有效方法。     

基于EMD和ICA的AR模型在两相

为了对气液两相流流型进行准确识别,提出了一种基于经验模态分解（EMD）和独立成分分析（ICA）的AR模型的流型识别方法。该方法首先提取气液两相流动态差压信号,通过EMD技术对其进行分解,对分解出来的高频模态进行小波包消噪,然后通过ICA技术实现原始信号的降维处理。对通过ICA得到的独立分量建立AR模型,将模型参数和残差方差作为特征向量,建立不同流型的模板向量。计算未知流型信号的特征向量与模板特征向量的综合Mahalanobis距离,通过比较各判别距离的大小得到流型识别的结果。对40 mm水平管气水两相流进行实验,利用文丘里管采集动态差压信号,采用上述处理过程可以对泡状流、弹状流、塞状流进行有效识别,识别率达94.3％。该方法受环境条件影响小,可以有效滤除信号中的噪声成分,识别率高,易于工程实现。     

经验模态分解和小波分析在小通道气液两相流流型辨识中的应用

基于两电极电容传感器获得的小通道气液两相流电容波动信号,分别应用经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,END)和小波分解将电容信号分解成不同特征尺度上分量的组合.对每层分量提取能量特征,将提取的流型特征参数作为最小二乘支持向量机(Least Squares Support Vector...     

气液两相流电容传感器相浓度测量特性

为了考察两种电容传感器(对壁式及双螺旋式)测量气液两相流相浓度的适应性,搭建了垂直上升气液两相流电容传感器测量系统。实验表明对壁式电容传感器测量分辨率较差,而双螺旋式电容传感器对相浓度具有较高的分辨能力。采用时频分析方法对电容传感器波动信号进行了分析,发现两种电容传感器的时频联合表达均能清晰地表征流型运动特征,并可对流型进行有效辨识。最后,基于双螺旋式电容传感器测量信号,建立了气液两相流漂移模型,取得了对段塞流和混状流分相表观流速较好的预测结果。研究表明,双螺旋式电容传感器在气液两相流流动参数测量上具有较好的应用前景。     

基于图像纹理分析的两相流流型时空演化特性

为了研究气液两相流流动结构时空演化特征,在水流量为0.02~0.4 m·s^-1及气流量为0.005~2.7 m·s^-1 的流动范围内,对垂直及倾斜30°上升的气液两相管流中的七种典型流型采集了动态图像信息。在流型图像特征分析中采用了灰度共生矩阵法对图像局部邻域内的二维信息进行量化表征,提取了六种反映不同流型动态图像纹理结构的时变特征参数,对流型生长过程中流动结构变化进行了分析。研究结果表明：流型图像纹理结构特征动态参数演化趋势刻画了不同流型流动结构差异及动力学复杂性,该分析方法有助于理解气液两相流流动结构时空演化特征,也是气液两相流流型辨识的有效手段。     

起伏振动状态下倾斜管内两相流多尺度熵分析

将振动装置和气液两相流实验回路相结合,在起伏振动状态下对倾斜管内气液两相流进行实验研究,观察记录流型并使用多尺度熵方法对压差波动信号进行分析。研究结果表明振动条件下倾斜管内出现两种新流型为珠状流、起伏弹状流。同时对95种流动条件下的5种典型流型的差压波动信号进行多尺度熵分析。结果表明,不同流型在低尺度（前9个）下的熵值变化率有明显不同,高尺度下的熵值可以反映不同流型的动力学特性。     

基于距离评估的气液二相流流型识别方法

为了克服气液二相流特征融合后不相关特征过多的问题,提出了基于距离评估和支持向量机(SVM)的气液二相流流型识别方法。首先利用经验模式分解和小波包方法对原始的压差波动信号进行分解,分别提取原始信号和各分解信号的时域特征参数组成融合特征,然后采用距离评估方法对融合特征进行评估,根据距离评估因子的大小挑选出敏感特征作为SVM的输入,进而实现对流型的自动识别。水平管内空气-水二相流流型识别结果表明:该方法能够准确获取流型的敏感特征,减小运算规模,提高识别准确率。     

子波分析识别环流反应器泡状结构实验

用热膜测速技术以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率精细测量了环流反应器内气液二相流速度的时间序列信号,对气液二相流速度信号中自动识别泡状流结构进行了研究。用子波分析方法,将热膜测速仪输出的气液二相流混合速度信号在时域空间和频域空间同时进行时频双局部化多尺度分解,研究了气液二相流中液相流和泡状流结构的分尺度时域特征和分尺度能谱等统计特征,利用子波能谱分析的能量最大准则,提出了一种用子波变换自动识别气液二相流中泡状流结构的新方法。     

两相流流动结构多尺度复杂熵因果关系平面特征

采用一种新的信息熵理论分析了气液两相流流动结构动力学特征。首先考察了典型混沌时间序列的多尺度复杂熵因果关系平面特征,然后将该方法应用于气液两相流3种典型流型(泡状流、段塞流及混状流)的电导传感器波动信号处理,结果表明单尺度复杂熵因果关系平面能够对不同流型线性识别。此外发现多尺度复杂熵因果关系平面能够描述流动结构信息随尺度增加的连续丢失过程,反映了气液两相流流动结构稳定性及复杂性,是理解两相流流动结构非线性动力学特性的一种有用分析工具。     

基于复杂度特征的气液二相流流型识别方法

针对气液二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。该方法首先对二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。对水平管内空气-水二相流的实验结果表明,文中提出的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。     

扰流型喷枪顶吹管内特殊两相流流型实验

主要对自主设计的渐缩管、渐扩渐缩管、螺旋管和四孔管进行水-空气两相流混合顶吹实验,并得出了扰流型喷管的管内流型变化规律。实验通过对可视化特殊喷管内的气液两相进行高速拍摄,并调节水与空气两相各自的体积流量,获取不同喷管中出现的特殊流型照片及视频。实验结果表明：在表观气速和表观液速变化时,除渐缩管外,其他特殊喷管的流型转变均有一定规律性;渐扩渐缩管内截面半径变化较大,易产生环状-搅拌流,并有典型泡状流出现,螺旋管由于轴向环流速度的影响,会产生大密度泡状流并逐渐过渡到有旋流趋势的环状流型,特殊结构的四孔管中流型较稳定,短暂出现泡状流、弹状流后形成稳定环状流。四孔管的设计最利于冶金熔炉中柴油-氮气混合两相流喷吹,形成的气泡群中单个气泡直径较小,柴油被充分细化打散,渣层中的还原反应更充分,能有效提高柴油对渣层中磁性铁的还原率。     

Analysis of dynamic of two-phase flow in small channel based on phase space reconstruction combined with data reduction sub-frequency band wavelet☆

A new method of nonlinear analysis is established by combining phase space reconstruction and data reduction sub-frequency band wavelet. This method is applied to two types of chaotic dynamic systems (Lorenz and Rössler) to examine the anti-noise ability for complex systems. Results show that the nonlinear dynamic system analysis method resists noise and reveals the internal dynamics of a weak signal from noise pollution. On this basis, the vertical upward gas–liquid two-phase flow in a 2 mm× 0.81mmsmall rectangular channel is investigated. The frequency and energy distributions of the main oscillation mode are revealed by analyzing the time– frequency spectra of the pressure signals of different flow patterns. The positive power spectral density of singular-value frequency entropy and the damping ratio are extracted to characterize the evolution of flow patterns and achieve accurate recognition of different vertical upward gas–liquid flow patterns (bubbly flow: 100%, slug flow: 92%, churn flow: 96%, annular flow: 100%). The proposed analysis method will enrich the dynamics theory of multi-phase flow in small channel.     

Numerical simulation of churn flow in a vertical pipe

A numerical simulation of the churn flow regime of air-water and R134a vapour-liquid mixtures by means of the volume of fluid (VOF) method is presented. The focus of the paper is on the inlet region of a vertical pipe. An axisymmetrical domain is used, reproducing the region next to the porous wall liquid injector of a typical test section for the investigation of vertical gas-liquid flows.A simplified model of the levitation process of the ring-type waves typical in churn flow is proposed. The influence of the gas Froude number on the waves amplitude is shown by means of the simplified model and used to explain the numerical results.A comparison of the numerical results with experimental wave frequency data and visualizations available in the literature is performed. The velocity field in the forming wave region and the pressure and shear stress variations along the interface are shown.Simulations have been performed at different liquid and gas superficial velocities and pipe diameters and the influence of these parameters on the gas-liquid interface is discussed.