（熱能工程專業(yè)論文）氣液兩相流流型在線識(shí)別系統(tǒng).pdf

摘要 摘要 氣液兩相流的流型影響著兩相流的流動(dòng)特性和傳熱特性，同時(shí)也影響著流 動(dòng)參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量以及兩相流系統(tǒng)的運(yùn)行特性。實(shí)現(xiàn)對(duì)氣液兩相流流型的客觀 自動(dòng)識(shí)別，不僅對(duì)壓力降的正確計(jì)算，而且對(duì)于控制某些有害流型的出現(xiàn)，從 而保證整個(gè)流體系統(tǒng)既經(jīng)濟(jì)又安全的運(yùn)行具有十分重要的意義。隨著現(xiàn)代測(cè)量 技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的普及，使流型在線識(shí)別系統(tǒng)的研究與開(kāi) 發(fā)成為可能。 本文討論了水平管內(nèi)氣液兩相流的參數(shù)波動(dòng)特點(diǎn)，選用壓差信號(hào)作為流型 研究的特征信號(hào)。針對(duì)壓差信號(hào)的非平穩(wěn)和非線性特點(diǎn)，將統(tǒng)計(jì)理論和小波理 論引入流型識(shí)別中，提取了流型壓差信號(hào)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差、斜度、峭度以及小 波包能量特征參數(shù)，形成一個(gè)特征向量，作為b p 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入；通過(guò)對(duì)神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，完成特征空間到流型空間的映射，依據(jù)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)流 型的客觀自動(dòng)識(shí)別。 在w i n d o w s x p 平臺(tái)上使用v i s u a lb a s i c 6 0 語(yǔ)言編程完成了氣液兩相流流 型在線識(shí)別軟件的設(shè)計(jì)。按照信號(hào)測(cè)量、信號(hào)特征提取和流型識(shí)別三個(gè)實(shí)現(xiàn)流 型客觀自動(dòng)識(shí)別的步驟，開(kāi)發(fā)了一套氣液兩相流流型在線識(shí)別系統(tǒng)。此系統(tǒng)操 作界面友好，使用方便。最后，在氣液兩相流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上采集了1 8 0 組仿真樣 本進(jìn)行仿真試驗(yàn)。結(jié)果顯示：流型正確識(shí)別率為9 1 7 ，此系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室 的流型識(shí)別，不僅具有較高的識(shí)別率，而且很好地實(shí)現(xiàn)了識(shí)別結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示， 達(dá)到了流型在線識(shí)別的目的。 關(guān)鍵詞氣液兩相流流型在線識(shí)別 東北電力大學(xué)碩士學(xué)位誰(shuí)文 a b s t r a c t g 船- l i q u i dt w o p h a s ef l o wp a t t e r na f f e c t st h ec h a r a c t e r i s t i co ff l o wa n dh e a t t r a n s f e ro ft w o - p h a s es y s t e m ，t h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i co ft w o p h a s es y s t e m ， a n dt h ee x a c tm e a s u r e m e n to ff l o wp a r a m e t e r a f t e rt h eo n - l i n ei d e n t i f i c a t i o no f g a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o wp a t t e r ni sr e a l i z e d ，p r e s s u r ed r o pc a i lb ec a l c u l a t e dr i g h t a n d b a df l o wp a t t e r nc a nb ec o n t r o l l e d ，t h e nt h ee c o n o m ya n ds a f ep e r f o r m a n c eo f t h ew h o l ef l o ws y s t e mc a nb ee n s u r e d w i 也t h eu s eo fc o m p u t e ra n dt h e d e v e l o p m e n to f t h em o d e m m e a s u r i n gt e c h n o l o g ya n ds i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e s ， t h es t u d ya n dd e v e l o p m e n to fo n l i n ei d e n t i f i c a t i o nf o rf l o wp a t t e mb e c o m e s f e a s i b l e i nt h i sp a p e r , t h ec h a r a c t e r i s t i co fp a r a m e t e rw h i c hc a nr e f l e c tt h ef l u c t u a t i n g c h a r a c t e r i s t i co fg a s - l i q u i dt w o - p h a s eh o r i z o n t a lf l o wi sd i s c u s s e d ，t h ep r e s s u r ed r o p i ss e l e c t e d a i m e da tt h ec h a r a c t e r i s t i co fn o n l i n e a ra n dn o n - s t a t i o n a r yo fp r e s s u r e d r o p ，s t a t i s t i ct h e o r ya n dw a v e l e tt h e o r ya r ec o n s i d e r e d ，a n da v e r a g e ，s t a n d a r d d e v i a t i o n ，s k e w n e s s ，k u r t o s i s ，a n dw a v e l e tp a c k e te n e r g ya r ec a l c u l a t e d ，o n ef e a t u r e v e c t o ri so b t a i n e d i nt h ee n d t h ef e a t u r ev e c t o rv a l u e si si n p u t t e dt ob pn e u t r a l n e t w o r k ，a n dt h eb pn e u t r a ln e t w o r ki st r a i n e d m e a n w h i l e ，t h em a p p i n gf r o m c h a r a c t e r i s t i cs p a c et of l o wp a t t e r ns p a c ei se r e c t e d , t h eo n - l i n ei d e n t i f i c a t i o no f f l o wp a t t e r nc a nb ef i n i s h e db yb pn e u t r a ln e t w o r kw h i c hh a sb e e nt r a i n e d t h es o f t w a r eo fo n - l i n ei d e n t i f i c a t i o nf o rg a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o wp a t t e mi s d e s i g n e d w i t hv i s u a lb a s i c6 0b a s e do nt h ew i n d o w s x po p e r a t i n g s y s t e m a c e o r d m gt om e a s u r e m e mo fs i g n a l ，e x t r a c t i o no fs i g n a l c h a r a c t e r i s t i ca n ds t a t e i d e n t i f i c a t i o n ，w h i c ha r et h r e ep r o g r e s s e so fr e a l i z i n ge x t e r n a l a n da u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o n a no n - l i n ei d e n t i f i c a t i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e d 1 1 1 ei n t e r f a c eo fs y s t e m i sf r i e n d l ya n dc o n v e n i e n t l y i nt h ee n d ，18 0g r o u p so fs i m u l a t i n gs a m p l e sa r e g a t h e r e do na i r - w a t e rt w o - p h a s ef l o wt e s te q u i p m e m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e a c c u r a t ei d e n t i f i c a t i o nr a t ei s9 1 7 t h es y s t e mn o to n l yh a sb e t t e ri d e n t i f i c a t i o n i i r a t e ，b u ta l s oc a na u t o m a t i c a l l ys e n do u to n - l i n ef l o wp a r e mi n f o r m a t i o na n dr e a c h t h et a r g e to f o n - l i n ei d e n t i f i c a t i o n k e y w o r d s g a s ii q u i dt w o p h a s ef i o wf i o wp a t t e r n o n - i r el d e n t i f i c a t i o n - i l l - 論文原創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的學(xué)位論文系在導(dǎo)師指導(dǎo)下本人獨(dú)立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明確標(biāo)注或得到許可。論文內(nèi)容未包含法 律意義上已屬于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他學(xué)位申 請(qǐng)的論文或成果。 本人如違反上述聲明，愿意承擔(dān)以下責(zé)任和后果： 1 交回學(xué)校授予的學(xué)位證書(shū)： 2 學(xué)?？稍谙嚓P(guān)媒體上對(duì)作者本人的行為進(jìn)行通報(bào)； 3 本人按照學(xué)校規(guī)定的方式，對(duì)因不當(dāng)取得學(xué)位給學(xué)校造成的名譽(yù)損害， 進(jìn)行公開(kāi)道歉。 4 本人負(fù)責(zé)因論文成果不實(shí)產(chǎn)生的法律糾紛。 論文作者簽名： 犁絲b 日 日期：叢噓年上月l 日 論文知識(shí)產(chǎn)權(quán)權(quán)屬聲明 本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下所完成的論文及相關(guān)的職務(wù)作品，知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬學(xué)校。 學(xué)校享有以任何方式發(fā)表、復(fù)制、公開(kāi)閱覽、借閱以及申請(qǐng)專利等權(quán)利。本人 離校后發(fā)表或使用學(xué)位論文或與該論文直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時(shí)，署名單 位仍然為東北電力大學(xué)。 論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 習(xí)三盤 日期：迎z 年址月上日 日期：竺：! 年上月上日 第1 章緒論 第1 章緒論 1 1 氣液兩相流型在線識(shí)別的研究背景及意義 氣液兩相流動(dòng)現(xiàn)象是在自然界和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中廣泛存在的一個(gè) 現(xiàn)象，與人類的生活和生產(chǎn)密切相關(guān)。目前，在動(dòng)力、化工、核能、制冷、 石油和冶金等行業(yè)的許多生產(chǎn)設(shè)備中都涉及到氣液兩相流動(dòng)工況，例如電站 的各種沸騰管、各式氣液兩相混合器、氣液分離器以及化工行業(yè)的精餾塔等。 氣液兩相流體在絕熱或受熱管道中流動(dòng)時(shí)，因壓力、流量、熱流密度和管道 幾何形狀的不同會(huì)形成各種流動(dòng)結(jié)構(gòu)型式，即流型，它極大地影響著氣液兩 相流的流動(dòng)特性和傳熱傳質(zhì)特性，同時(shí)也影響著流動(dòng)參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量以及兩 相流系統(tǒng)的運(yùn)行特性。例如，對(duì)于管內(nèi)氣液兩相流的壓力降計(jì)算，正確地進(jìn) 行壓力降計(jì)算才能使設(shè)備具有安全的水循環(huán)和足夠的流動(dòng)壓頭，從而為整個(gè) 流體系統(tǒng)選用合宜的泵或其他動(dòng)力設(shè)備提供可靠的依據(jù)，使整個(gè)系統(tǒng)既經(jīng)濟(jì) 又安全的運(yùn)轉(zhuǎn)。它的計(jì)算是設(shè)計(jì)各種存在氣液兩相流動(dòng)的工程設(shè)備的最基本 和最重要的課題之一，曼德漢曾通過(guò)試驗(yàn)比較認(rèn)為，根據(jù)管中流型應(yīng)用相 應(yīng)計(jì)算式得出的計(jì)算結(jié)果比通用流型的計(jì)算式得到的結(jié)果要正確；另外，當(dāng) 液體在管內(nèi)做強(qiáng)制對(duì)流沸騰時(shí)，其沸騰傳熱工況與兩相混合物的流型關(guān)系密 切；而且，在不同的流型下，兩相流具有不同的流動(dòng)特征，在理論上針對(duì)不 同的流型可以分別建立相應(yīng)的計(jì)算模型以提高計(jì)算精度；在工程應(yīng)用中，通 過(guò)控制流動(dòng)參數(shù)可以避免某些有害流型的出現(xiàn)，以保證設(shè)備的安全運(yùn)行f 2 1 。 傳統(tǒng)的采用在現(xiàn)場(chǎng)獲得的流動(dòng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)流型圖或半經(jīng)驗(yàn)半理論 的流型轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則識(shí)別流型的方法：由于氣液兩相流流動(dòng)的復(fù)雜性及流型的多樣 性，這一方法由于判別主觀性較強(qiáng)等原因不能滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的客觀在線要 求。還有利用測(cè)量方法識(shí)別流型，包括直接測(cè)量和間接測(cè)量，其中有采用目測(cè)、 高速攝影、接觸式探針等直接測(cè)量的方法和通過(guò)對(duì)波動(dòng)特性分析后的特征來(lái)識(shí) 別流型等間接測(cè)量的方法。目測(cè)法是流型識(shí)別中最可靠的識(shí)別方法之一，但是 在流速較高的情況下，無(wú)法做出實(shí)時(shí)、自動(dòng)的測(cè)量：高速攝影法相對(duì)可以滿足 東北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 實(shí)時(shí)要求，但是仍然具有較大的主觀性。隨著控制科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展， 智能化的研究己在人類的生產(chǎn)活動(dòng)與其它活動(dòng)中得到廣泛的應(yīng)用，越來(lái)越多的 研究者將這一思想引入流型識(shí)別的研究中。近年來(lái)，由于現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)、信號(hào) 處理技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的普及，流型在線識(shí)別系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)成為可能。 通過(guò)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣液兩相流流型客觀自動(dòng)的識(shí)別，不僅對(duì)壓力降的正確計(jì)算，而且 對(duì)于控制某些有害流型的出現(xiàn)，從而保證整個(gè)流體系統(tǒng)既經(jīng)濟(jì)又安全的運(yùn)轉(zhuǎn) 具有十分重要的意義。 1 2 氣液兩相流型識(shí)別研究的發(fā)展及現(xiàn)狀 由于氣液兩相流動(dòng)存在著氣泡的分裂和聚集，氣、液相界面的形狀和分布 在時(shí)間和空間上均是隨機(jī)可變的，與單相流相比較，兩相流的流型變化要復(fù)雜 很多。 1 2 1 傳統(tǒng)流型識(shí)別方法的研究進(jìn)展及現(xiàn)狀 傳統(tǒng)的流型識(shí)別方法有使用流型圖和流型轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則式識(shí)別流型。在氣液兩 相流中，在兩相流量、流體的物性值( 密度、粘度、表面張力等) 、管道的幾何 形狀，管道尺寸以及熱流密度確定的條件下，要判斷管內(nèi)氣液兩相流的流型可 應(yīng)用流型圖。流型圖主要是根據(jù)資料總結(jié)而成的。由于研究者主觀認(rèn)識(shí)有差異， 這樣導(dǎo)致流型圖坐標(biāo)參數(shù)表達(dá)式形式繁多，較為通用的表達(dá)式是以液體流量和 氣體流量為坐標(biāo)的流型圖。近年來(lái)，各國(guó)學(xué)者根據(jù)對(duì)流動(dòng)機(jī)理的分析和試驗(yàn)提 出許多用來(lái)確定流型分界的流型圖，其中b a k e r 流型圖和m a n d h a n e 流型圖最具 有代表性。e w i n g i3 j 利用攝像技術(shù)記錄水平管中的氣液兩相流流型變化情況并與 b a k e r 提出的流型圖進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)原有流型圖數(shù)據(jù)加以擴(kuò)充，擴(kuò)大了原有流型 圖的適用范圍。w e i s m s n 4 5 】利用更廣泛的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了兩幅適用于水平 及垂直上升管的通用流型圖。由于從一種流型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N流型要有一個(gè)演 變過(guò)程，而并非突變，故在流型上不用線條來(lái)表示分界，而是用黑色帶來(lái)表 示不同流型的過(guò)渡區(qū)。 除了使用流型圖識(shí)別流型外，還可以應(yīng)用通過(guò)對(duì)流型轉(zhuǎn)變機(jī)理的分析而得 到的判別式來(lái)幫助確定具體流型。k o k a l l 6 i 等對(duì)泊氣兩相流在傾斜管內(nèi)的流型進(jìn) 行了深入的研究，將實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)與t a i t e l 和d u l k e r 所繪制的流型圖進(jìn)行了 比較，并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)原有的半經(jīng)驗(yàn)半理論流型轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則進(jìn)行了驗(yàn)證，提出 了改進(jìn)后的準(zhǔn)則。l uz h o n g q i 7 1 以簡(jiǎn)化的兩相流體模型為基礎(chǔ)并采用一系列經(jīng)驗(yàn) 或理論關(guān)系式封閉方程，計(jì)算得到界面濃度與含氣率、干度的關(guān)系，并以此識(shí) 別流型。k a l k a c h - n a v a r r o 8 1 等發(fā)展了描述氣泡串形成與破碎的廣義兩相流體模 型，對(duì)含氣率和壓力波進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算與分析，從而進(jìn)行兩相流流型的判別。 周云龍【9 1o 】等對(duì)螺旋管和傾斜下降管內(nèi)氣液兩相流截面含氣率變化規(guī)律進(jìn)行了 研究，得出了計(jì)算螺旋管內(nèi)主要流型平均截面含氣率的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式及計(jì)算傾斜 下降管氣液分層流截面含氣率的理論模型，為螺旋管及傾斜下降管內(nèi)的氣液兩 相流流型識(shí)別提供了理論基礎(chǔ)。但是，受主觀因素影響仍然很大，而且在利用 以上兩種方法時(shí)用到的流量、干度、截面含氣率等流動(dòng)參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量很難實(shí) 現(xiàn)；再者，已有的流型圖和半經(jīng)驗(yàn)半理論的流型轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則都有一定的適用范圍， 流型圖是在基于穩(wěn)態(tài)流型轉(zhuǎn)變的假設(shè)下用實(shí)驗(yàn)方法得到的，而生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的流動(dòng) 條件千差萬(wàn)別，很難有與流型圖完全一致的適用條件。白博峰【l i j 通過(guò)比較 m c q u i l l a n & w h a l l e y 和m i s h i m a & i s h i i 提出的不同流型轉(zhuǎn)變模型在系統(tǒng)壓力為 3 0 m p a 下內(nèi)徑為2 0 m m 垂直上升管內(nèi)得到的汽水兩相流的流型圖后得出結(jié)論， 不同流型轉(zhuǎn)變模型的差異明顯。所以目前的流型圖和流型轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則還只能作為 一種定性判別手段，難以滿足客觀在線識(shí)別的要求。 1 2 2 流型客觀在線識(shí)別方法的發(fā)展及現(xiàn)狀 所謂流型的客觀識(shí)別方法，也就是通過(guò)采用先進(jìn)的測(cè)試與信號(hào)處理技術(shù)， 獲取反映氣液兩相流各種流型本質(zhì)特征的客觀數(shù)理描述與流型轉(zhuǎn)變過(guò)程中特征 參數(shù)的變化規(guī)律，根據(jù)這些數(shù)理描述及其特征參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行定量分析， 實(shí)現(xiàn)流型的客觀識(shí)別與劃分。氣液兩相流流型的識(shí)別工作屬于模式識(shí)別課題， 要進(jìn)一步做到客觀的在線識(shí)別一般包括三個(gè)環(huán)節(jié)：流型特征信號(hào)的測(cè)量、信號(hào) 的流型特征提取和流型的識(shí)別。 近年來(lái)，隨著工業(yè)技術(shù)的提高，對(duì)流型識(shí)別的準(zhǔn)確性和適時(shí)性要求也不斷 東北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 提高，客觀、在線的流型識(shí)別方法成為人們關(guān)注的一個(gè)方面。盡管在諸多研究 人員的努力下，傳統(tǒng)的氣液兩相流流型識(shí)別方法研究有了很大的進(jìn)展，但是仍 無(wú)法克服其自身固有的缺點(diǎn)，這使它很難滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對(duì)流型客觀、在線 識(shí)別的要求。 除采用流型圖和流型轉(zhuǎn)變判據(jù)確定流型外，對(duì)流型的辨識(shí)還可以通過(guò)直接 對(duì)流體波動(dòng)狀況進(jìn)行觀測(cè)的方法，在文獻(xiàn) 1 2 仲對(duì)這些方法進(jìn)行了總結(jié)敘述， 其中主要包括目測(cè)法、高速攝影法、射線衰減法、接觸式探針?lè)ǖ戎苯佑^測(cè)法。 目測(cè)法是一種較為簡(jiǎn)單和直觀的方法，但是由于判斷標(biāo)準(zhǔn)人為因素太大，無(wú)法 對(duì)高速流體的流型做出實(shí)時(shí)客觀判斷，不過(guò)在目前的研究中，對(duì)流型的識(shí)別最 終幾乎都要通過(guò)與目測(cè)結(jié)果作比較來(lái)驗(yàn)證識(shí)別結(jié)果的有效性，它是現(xiàn)在為止較 可靠的識(shí)別方法；采用高速攝影法能夠滿足實(shí)時(shí)的要求，但是主觀性仍然很強(qiáng)； 射線衰減法的基本原理是利用射線在氣相和液相中的衰減系數(shù)不同這一特點(diǎn)來(lái) 實(shí)現(xiàn)流動(dòng)可視化的。這種方法雖然能準(zhǔn)確地反應(yīng)出空泡份額及其脈動(dòng)，但是， 從安全和經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，它不是一種很好的兩相流測(cè)試方法；采用接觸式 探頭獲得的數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確反映該測(cè)量點(diǎn)流體的特征，但是長(zhǎng)時(shí)間使用后，探 頭表面會(huì)粘附上一些雜質(zhì)，從而影響測(cè)量的精度。 在尋求流型的客觀鑒別方法過(guò)程中，一些研究者嘗試性地通過(guò)測(cè)量和分析 諸如密度、壓力、空泡份額等兩相局部參數(shù)，應(yīng)用電導(dǎo)探針、x - 射線衰減等辨 識(shí)流型。早期的工作包括j o n e s 和z u b e r ( 1 9 7 4 ) 1 13 j 采用x - 射線衰減技術(shù)，通 過(guò)分析垂直管內(nèi)空氣、水兩相的空泡份額的概率密度函數(shù)( p r o b a b i l i t yd e n s i t y f u n c t i o n 簡(jiǎn)稱p d f ) i 拄t 線的峰態(tài)特征判斷流型。t u t u 【1 4 】根據(jù)壓差波動(dòng)概率密度分 布的峰值個(gè)數(shù)和位置，識(shí)別出泡狀流、彈狀流、乳狀流和環(huán)狀流。由于流動(dòng)參 數(shù)的波動(dòng)性是氣液兩相流的普遍特性，兩相流介質(zhì)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，即流型， 可以利用氣液兩相流動(dòng)參數(shù)的波動(dòng)特性來(lái)識(shí)別。在已有的研究文獻(xiàn)中，主要是 對(duì)壓力、壓差及含氣率等波動(dòng)參數(shù)的測(cè)量分析。此外還有對(duì)其它波動(dòng)參數(shù)進(jìn)行 測(cè)量的相關(guān)研究。對(duì)于流型識(shí)別此類模式識(shí)別課題，一個(gè)重要的問(wèn)題就是如何 從樣本中提取信息或特征，在此基礎(chǔ)上對(duì)未知模式分類做出判決。特征的選取 沒(méi)有對(duì)與錯(cuò)的區(qū)別，差異在于對(duì)流型識(shí)別的識(shí)別率高低。w a m b s g a n s s l i 5 1 等人通 過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)水平放置的矩形通道內(nèi)氣、水兩相流動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)，提出利用壁面靜壓 第1 章緒論 力波動(dòng)均方根客觀識(shí)別泡狀流或塞狀流向彈狀流的轉(zhuǎn)變及彈狀流向環(huán)狀流的轉(zhuǎn) 變的方法。自博峰【1 6 l 等利用壓差波動(dòng)信號(hào)的功率譜密度( p o w e rs p e c t r u md e n s i t y 簡(jiǎn)稱p s d ) 隨頻率分布特性的均方根進(jìn)行流型的識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了泡狀流、間歇流 和環(huán)狀流的客觀識(shí)別。然而，白博峰1 1 7j 等在隨后的研究中提出雖然壓差波動(dòng)信 號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征量、均值和均方根與流型密切相關(guān)，但僅僅依據(jù)這一特征量進(jìn)行 流型識(shí)別缺乏實(shí)用性。v i n c e 和l a h e y t l 8 鍵出將空隙率信號(hào)的p s d 和p d f 作為 氣液兩相流流型的特征量，并指出空隙率信號(hào)的功率譜密度和概率密度的各階 矩反映了各流型的過(guò)渡信息，但是由于概率密度及其均值的二階矩對(duì)液相流速 相當(dāng)敏感，因此僅采用空隙率的p s d 和p d f 特征進(jìn)行流型識(shí)別的效果并不理 想。梁法春i ”1 等對(duì)測(cè)量的壓差信號(hào)進(jìn)行分析，將一維信號(hào)轉(zhuǎn)換為二維圖像，分 析不同流型信號(hào)區(qū)和背景區(qū)面積比值r s s ，將其作為一個(gè)特征參數(shù)，區(qū)分出了段 塞流。 隨著基礎(chǔ)科學(xué)的應(yīng)用，最近幾年來(lái)，出現(xiàn)了利用混沌、分形理論、小波理 論、信息理論和軟測(cè)量技術(shù)識(shí)別氣液兩相流流型的新方法。在信息論中，熵描 述了系統(tǒng)的不確定性，規(guī)定了自發(fā)過(guò)程的方向性( 熵增加或負(fù)熵減少) 。石磊【2 田 等在研究中發(fā)現(xiàn)，壓差脈動(dòng)信號(hào)的s h a n n o n 信息熵隨流型的不同而具有不同的 特性。小波理論主要分析波動(dòng)過(guò)程在不同時(shí)間、頻率上的能量，或不同時(shí)間或 尺度上的信號(hào)能量、自相關(guān)系數(shù)、互相關(guān)系數(shù)。李菊【2 l 】等按m a l l a t 小波分析算 法對(duì)壓差信號(hào)進(jìn)行分析，依據(jù)信號(hào)在不同頻率范圍內(nèi)的能量特點(diǎn)，對(duì)段塞流和 波狀流的進(jìn)行識(shí)別。陳珙【2 2 1 等利用尺度密度即小波變換系數(shù)的方差除以總采樣 點(diǎn)數(shù)的大小來(lái)定義不同頻段內(nèi)的信號(hào)能量，并依據(jù)信號(hào)能量幾個(gè)尺度下能量的 分布關(guān)系作為流型識(shí)別的判別依據(jù)。與傳統(tǒng)頻譜分析技術(shù)( 傅立葉譜、相關(guān)、 譜密度等) 相比，小波分析方法相對(duì)傳統(tǒng)的頻譜分析技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)在于能夠刻畫(huà) 不同時(shí)刻的差別，對(duì)信號(hào)特征的數(shù)理表述有一定的優(yōu)勢(shì)。但是即使流型相同， 不同流動(dòng)工況的參數(shù)波動(dòng)過(guò)程之間仍有差別，采用小波分析的結(jié)果會(huì)有較大差 異，不利于波動(dòng)過(guò)程客觀規(guī)律的總結(jié)。由于氣、液相界面的變形和運(yùn)動(dòng)等原因， 兩相流動(dòng)表現(xiàn)了強(qiáng)烈的非線性，在多數(shù)流型下并不滿足隨機(jī)運(yùn)動(dòng)模型，從傳統(tǒng) 處理方法的數(shù)學(xué)內(nèi)涵看，統(tǒng)計(jì)分析前提是假設(shè)對(duì)象是平穩(wěn)過(guò)程，因此在兩相流 領(lǐng)域應(yīng)用這種方法缺乏堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，目前直觀的統(tǒng)計(jì)參數(shù)識(shí)別流型被許多 東北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 學(xué)者否定，非線性理論研究波動(dòng)過(guò)程成為一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)，利用確定性混沌 理論定量研究流型已受到很多人認(rèn)同。白博峰【2 3 】等認(rèn)為確定性混沌理論能揭示 波動(dòng)的非線性特征，氣液兩相流壁面靜壓力波動(dòng)信號(hào)的混沌特性與流型有關(guān)， 而且利用壓力波動(dòng)信號(hào)的混沌參數(shù)對(duì)氣液兩相流流型進(jìn)行了定量的分析探討。 楊靖1 2 4 i 等對(duì)氣液兩相流壓差波動(dòng)信號(hào)的分形插值非線性數(shù)據(jù)擬合與重構(gòu)方法進(jìn) 行了探索研究，利用分形插值方法對(duì)兩相流機(jī)理作出了新的分析，并據(jù)此給出 了一種改進(jìn)以往兩相流壓力降數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的新方法。y c a i l ”j 等提出利用 混沌理論計(jì)算氣液兩相流壓力波動(dòng)信號(hào)的分形維數(shù)、自相關(guān)函數(shù)、l y a p u n o v 指 數(shù)和準(zhǔn)相平面軌跡等特征量，并以上述特征量識(shí)別流型，指出利用相關(guān)維數(shù)識(shí) 別流型是一種有潛力的流型識(shí)別方法。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使氣液兩相流型的在線、客觀識(shí)別走上了一個(gè)新 的臺(tái)階。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由大量處理單元互連而成，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)、學(xué)習(xí)和容錯(cuò) 能力，對(duì)信息處理更接近人類的思維活動(dòng)。許多研究人員開(kāi)始利用人工神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)進(jìn)行氣液兩相流流型的在線、客觀識(shí)別研究。m o n j i i 2 6 1 等將含氣率波動(dòng)信號(hào)的 均方根、斜度和峰度分別作為一層和兩層前向網(wǎng)絡(luò)的輸入特征參數(shù)，仿真結(jié)果 表明網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別率可達(dá)9 1 ，而且誤識(shí)別的樣本多數(shù)出現(xiàn)在流型轉(zhuǎn)變區(qū)。m i 和i s h i i f 2 7 1 利用氣液兩相流動(dòng)含氣率波動(dòng)信號(hào)的均方根和方差作為網(wǎng)絡(luò)的輸入特 征參數(shù)，分別使用b p ( b a c kp r o p a g 撕o n ) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和自組織映射網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行流型的 客觀識(shí)別，取得了良好的識(shí)別效果。然而，m o n j i 和m i 均采用氣液兩相流動(dòng)的 含氣率作為分析信號(hào)，而氣液兩相流的含氣率測(cè)量非常困難，因此兩者提出的 方法有一定的局限性。氣液兩相流壓力、含氣率等參數(shù)的波動(dòng)過(guò)程存在許多不 確定的現(xiàn)象，這種不確定性主要表現(xiàn)在隨機(jī)性和模糊性兩個(gè)方面。模糊性主要 指流型發(fā)生過(guò)渡過(guò)程時(shí)所呈現(xiàn)的“亦此亦彼”性。它不是由于人的主觀認(rèn)識(shí)達(dá)不 到客觀實(shí)際造成的，而是氣液兩相流的一種客觀屬性。彭黎輝 2 8 】等利用模糊神 經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)識(shí)別氣液兩相流流型，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，表明此方法對(duì)層流、環(huán)狀流、 塞狀流及泡狀流均有較好的識(shí)別能力。夏靖波 2 9 1 等對(duì)有電容傳感器陣列采集的 反映兩相介質(zhì)分布的信息進(jìn)行模糊處理，經(jīng)k o h o n e n 網(wǎng)絡(luò)的自組織學(xué)習(xí)，提取 輸入模式樣本的分類特征，通過(guò)b p 網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)督學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)兩相流流型識(shí)別。 王妍艽| 3 0 i 等使用自適應(yīng)梯度下降法和模擬退火法改進(jìn)傳統(tǒng)的b p 算法，并將改 第1 章緒論 進(jìn)后的網(wǎng)絡(luò)用于氣液兩相流流型的識(shí)別，利用前人的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了這一方法的有 效性。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在氣液兩相流流型識(shí)別領(lǐng)域的嘗試不止這些，隨著應(yīng)用的 不斷深入，很多問(wèn)題需要做更進(jìn)一步的研究。白博峰 3 1 - 3 5 | 提出流型是一個(gè)非物 理量的概念，其實(shí)質(zhì)是相界面在空間的分布和在時(shí)間軸的變化，單獨(dú)采用一個(gè) 或一種信號(hào)去實(shí)現(xiàn)流型的識(shí)別缺乏對(duì)對(duì)象的充足描述，如果將壓力、壓差和含 氣率進(jìn)行組合分析，對(duì)實(shí)現(xiàn)流型識(shí)別會(huì)起到良好的推動(dòng)作用，能夠增加準(zhǔn)確性 和可靠性，將壓差波動(dòng)信號(hào)的傅立葉譜( f f t ) 、壓力波動(dòng)信號(hào)的傅立葉譜( f f t ) 以及壓力和壓差的均方根、偏態(tài)系數(shù)、峰態(tài)系數(shù)、分維數(shù)等參數(shù)分別作為c p n ( c o u n t e rp r o p a g a t i o nn e t w o r k s ) 和b p 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了氣液 兩相流流型的智能識(shí)別。在最近的研究中又基于多信號(hào)壓力和壓差信號(hào)波 動(dòng)過(guò)程，對(duì)流型進(jìn)行多信息獲取以及信號(hào)的多特征提取，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建 立了特定流型的識(shí)別規(guī)則，采用學(xué)習(xí)矢量量化模式分類器作為未知流型的分類 器，根據(jù)數(shù)據(jù)融合的技術(shù)思路設(shè)計(jì)出油氣水多相流的流型在線識(shí)別系統(tǒng)。 1 2 3 現(xiàn)有在線識(shí)別方法存在問(wèn)題 在很多流型在線識(shí)別研究的資料中，都將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為討論的主題。 雖然在現(xiàn)有的研究成果中，這一方法在不同程度上顯示了它的優(yōu)越性，但在對(duì) 流型客觀在線識(shí)別方法的研究過(guò)程中，為了更加準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)流型的識(shí)別，研究 人員對(duì)流型波動(dòng)參數(shù)的多個(gè)特征進(jìn)行了提取實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了在線識(shí)別，而且在各 自的實(shí)驗(yàn)中都得到了較好的識(shí)別效果。但是，這些試驗(yàn)大多數(shù)只實(shí)現(xiàn)了典型流 型中少數(shù)幾個(gè)流型的識(shí)別，要實(shí)現(xiàn)兩相流多個(gè)流型的在線準(zhǔn)確識(shí)別，還需要研 究人員做更多的探索工作。另外，波動(dòng)參數(shù)的選取原則是參數(shù)波動(dòng)能夠最大程 度地反映流型及其變化。壓力波動(dòng)信號(hào)的測(cè)量簡(jiǎn)單易行，但信號(hào)中摻雜了由實(shí) 驗(yàn)段出口反射產(chǎn)生的虛假信號(hào)和上游流過(guò)各種通道所產(chǎn)生的噪聲：由于不同流 型的壓降特性不同，壓差波動(dòng)特性與流型的關(guān)系密切，但不同的實(shí)驗(yàn)條件或測(cè) 點(diǎn)布置有不同的數(shù)值特征，這種方法需具體驗(yàn)證；利用含氣率識(shí)別流型最為直 接，因?yàn)閮上嗔餍蛷牧鲃?dòng)的幾何角度上講就是氣相、液相的相對(duì)分布形式，但 是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量的設(shè)備造價(jià)太高。由前邊的論述已知，作為特征信號(hào)，壓力、 東北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 壓差及含氣率都有各自的優(yōu)點(diǎn)。 總結(jié)起來(lái)，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)流型的在線識(shí)別存在兩個(gè)問(wèn)題： ( 1 ) 描述流型的特征僅來(lái)源于單個(gè)傳感器或單個(gè)參數(shù)，難以全面描述氣液 兩相流流型的本質(zhì)特征； ( 2 ) 識(shí)別方法完全拋棄了兩( 多) 相流體力學(xué)理論，因而制約了利用人工神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行流型客觀識(shí)別的準(zhǔn)確率和在線識(shí)別的可靠性。 1 3 本課題所要研究的內(nèi)容 為了實(shí)現(xiàn)氣液兩相流流型實(shí)現(xiàn)最優(yōu)在線、客觀識(shí)別，關(guān)鍵在于氣液兩相流 動(dòng)特征信號(hào)的采集、流型特征量的提取和在線識(shí)別方法的選取。因此，本課題 完成了如下工作： 1 通過(guò)對(duì)氣液兩相流壓差波動(dòng)信號(hào)不同特征值的比較分析，找出一種能較 好地反映流型特征的數(shù)據(jù)融合方法； 2 通過(guò)對(duì)現(xiàn)有在線識(shí)別方法的比較分析，選出最優(yōu)的在線實(shí)現(xiàn)手段； 3 在w i n d o w s 平臺(tái)下，應(yīng)用v i s u a lb a s i c6 0 編程，開(kāi)發(fā)出界面友好、應(yīng) 用靈活的流型在線識(shí)別應(yīng)用軟件： 4 通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)所編制的應(yīng)用軟件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 第2 章流型在線識(shí)別方法 第2 章流型在線識(shí)別方法 在宏觀上，常把自然界物質(zhì)分為三相，即氣相、液相和固相。所謂的多相 流包括汽( 氣) 液兩相流、氣固兩相流、液固兩相流、液液兩相流以及相應(yīng)的 三相流和多相流。存在變動(dòng)分界面的兩種獨(dú)立物質(zhì)組成的物體的流動(dòng)稱為兩相 流，多相流申研究較多的是氣液兩相流。本課題主要對(duì)水平管氣液兩相流的流 型進(jìn)行討論。 本章將先簡(jiǎn)要論述水平管氣液兩相流的流型分類情況，因?yàn)閷?duì)流型的恰當(dāng) 分類是整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提。 2 1 水平管氣液兩相流流型的分類 對(duì)兩相流流型的研究至今已經(jīng)有幾十年的歷史了，但流型的分類仍然沒(méi) 有統(tǒng)一，甚至同一名稱的流型，在定義上也不完全一致，比如僅僅對(duì)于垂直 上升管的流型劃分就有幾十種，對(duì)于水平管絕熱兩相流動(dòng)的流型劃分也有十 多種。在早期的流型識(shí)別研究中，流型分類相對(duì)簡(jiǎn)單；隨著研究手段的完善 和工作的不斷深入，流型的分類日益精細(xì)。但是在長(zhǎng)期的科學(xué)研究及工程應(yīng) 用中發(fā)現(xiàn)，許多流型只是在極其狹窄的工況下存在，并且與其他流型的區(qū)別 并不顯著，過(guò)分精細(xì)的劃分對(duì)研究?jī)上嗔鞯膫鳠崤c傳質(zhì)特性研究并沒(méi)有太大 的意義，因此流型的劃分又出現(xiàn)了由細(xì)到粗的趨勢(shì)。 究其根源，多相流的流型劃分通常有兩類方法；一類是按照流體的外觀形 狀來(lái)劃分；另一類則是根據(jù)相的分布特點(diǎn)來(lái)劃分。前一類劃分方法較多，目前 較流行的一種方法是按照各相流量由少到多的順序來(lái)劃分流型。由于實(shí)驗(yàn)手段 和人為判斷的差異，這類劃分方法所劃分的流型通常數(shù)量不同，名稱也不統(tǒng)一。 后一種劃分方法根據(jù)相的分布特點(diǎn)來(lái)劃分流型。通常說(shuō)來(lái)，基于現(xiàn)象描述的流 型劃分方法多用第一種，而基于流動(dòng)機(jī)理分析的流型劃分方法則多用第二種。 參考水平管氣液兩相流流型劃分方法【36 。，將實(shí)驗(yàn)中觀察得到的流型按 照流動(dòng)形態(tài)大致分為6 種，即細(xì)泡狀流型、氣塞狀流型、平滑分層流型、波 狀分層流型、氣彈狀流型及環(huán)狀流型，上述流型的示意圖見(jiàn)圖2 - i 。流型特 征簡(jiǎn)述如下： 圖2 1 流型示意圖 泡狀流 塞狀流 平滑分層流 波狀分層流 彈狀流 環(huán)狀流 1 泡狀流氣相是以分散在液體中的氣泡而流動(dòng)，在重力作用下，氣 泡大都集中在管道的上部。典型的泡狀流動(dòng)發(fā)生在氣體表觀速度低而液體流 速高的情況下。 2 塞狀流 當(dāng)氣相流量增加時(shí)，泡狀流中的的小氣泡合并成氣塞形成 塞狀流，特點(diǎn)是液相中含有沿管道頂部流動(dòng)的彈狀大氣泡。 3 平滑分層流當(dāng)氣液兩相流量都很小時(shí)，氣液兩相將分開(kāi)流動(dòng)，兩 相之間存在一平滑分界面。 4 波狀分層流 在平滑分層流時(shí)，當(dāng)氣相流量增大，兩相界面出現(xiàn)波 動(dòng)，形成波狀分層流。 第2 章流型在線識(shí)別方法 5 彈狀流當(dāng)氣相流量在波狀分層流的基礎(chǔ)上繼續(xù)增加時(shí)，波動(dòng)振幅 增長(zhǎng)到與管道頂部表面接觸時(shí)，將形成彈狀流。 6 環(huán)狀流這種流態(tài)在較高的氣體流速時(shí)發(fā)生。液相的一部分是以管 壁上的液膜的形式流動(dòng)，同時(shí)氣體在管中心流動(dòng)。通常，液相的另一部分以 液滴狀被挾帶在氣芯中流動(dòng)。 考慮到實(shí)用性以及上述流動(dòng)結(jié)構(gòu)型式外觀形狀的相互聯(lián)系，將氣塞狀流 與氣彈狀流合稱為間歇流，平滑分層流與波狀分層流合稱為層狀流。本系統(tǒng) 將主要對(duì)泡狀流、間歇流、層狀流、環(huán)狀流四種流型進(jìn)行識(shí)別。 2 2 流型在線識(shí)別方法 傳統(tǒng)的流型識(shí)別方法有流型圖和流型轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則式。應(yīng)用這兩種方法識(shí)別 流型只能大致預(yù)測(cè)流型及其轉(zhuǎn)換，但是不能準(zhǔn)確獲取流動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息。 而工程應(yīng)用中，往往需要實(shí)時(shí)了解流型對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況的影響。根據(jù)工作原 理，流型實(shí)時(shí)識(shí)別的方法可以分為兩類：一類是根據(jù)兩相流流動(dòng)圖像的形式 直接確定流型，如目測(cè)法、高速攝影法、過(guò)程層析成像法等：另一類是間接 方法，即通過(guò)對(duì)反映兩相流流動(dòng)特性的波動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理分析，提取出流型 特征，進(jìn)而識(shí)別流型。這種方法建立在隨即信號(hào)處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，不僅設(shè) 備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，而且還具有發(fā)展成流型識(shí)別的客觀方法的希望。以下主 要對(duì)流型識(shí)別方面涉及的處理方法進(jìn)行簡(jiǎn)單論述。 1 頻域處理方法h u b b a r d l 3 7 1 就將水平管道氣液兩相流壓力信號(hào)的功率 譜分析結(jié)果應(yīng)用于流型判別。通過(guò)壓力信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)求得功率譜密度函 數(shù)。通過(guò)歸一化后的比較分析，得出以下結(jié)論：連續(xù)流( 層狀流和波狀流) 的功率譜密度集中在零頻率附近，雖頻率增加幅度明顯下降；彌散狀流( 泡 狀流與霧狀流等) 的功率譜密度分布較平坦；間歇流的功率譜密度分布出現(xiàn) 一個(gè)幅度明顯的特征峰。m a t u s z k i e w i c z l 3 8 1 等將電導(dǎo)探針測(cè)得的局部空隙率 信號(hào)作為提取功率譜密度的分析信號(hào)，對(duì)氣泡流到塞狀流的轉(zhuǎn)換進(jìn)行分析后 得出結(jié)論，空隙率信號(hào)在氣泡流時(shí)具有較小的方差，在塞狀流時(shí)具有較大方 東北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 差。 2 時(shí)頻處理方法小波分析是信號(hào)處理領(lǐng)域的一門新科學(xué)，近些年來(lái)， 很多學(xué)者將小波分析用于流型識(shí)別的研究。勞力云在文獻(xiàn) 3 9 1 中對(duì)內(nèi)徑分別 為4 0 m m 和5 0 m m 的水平管道空氣水兩相流的脈動(dòng)壓差信號(hào)進(jìn)行了 w i g n e r v i l l e ( w v d ) 譜分析，得出結(jié)論，氣泡流、塞狀流和彈狀流的w v d 分布區(qū)別較為明顯。 3 幅域處理方法信號(hào)幅域的處理只對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。常用參 數(shù)有方差、均值、概率密度函數(shù)等，在文獻(xiàn) 4 0 1 中也有過(guò)論述。孫斌在文獻(xiàn) 4 1 】中，通過(guò)對(duì)壓差信號(hào)的概率密度特征的分析，得出以下結(jié)論，分層流與 泡狀流的p d f 的分布范圍都較窄，在壓差較小的區(qū)域有一個(gè)峰值，間歇流 具有明顯的兩峰值，而且分布范圍很寬，環(huán)狀流分布在較窄的范圍內(nèi)，有一 個(gè)非常尖的峰值在較大壓差上。而且這種方法以氣泡的物理表現(xiàn)為依據(jù)，因 此對(duì)流型的判別較為可靠。 4 其它識(shí)別方法隨著基礎(chǔ)理論的發(fā)展，模糊理論、混沌分形理論、神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等被應(yīng)用到流型的識(shí)別研究中，從而使流型的在線識(shí)別成為可能。吳 浩江 4 2 1 用分形的特征參數(shù)一關(guān)聯(lián)維數(shù)來(lái)表征油氣水多相流流動(dòng)的分形性 質(zhì)。分析了多相流流動(dòng)中的不同點(diǎn)流型的流型信號(hào)( 壓差信號(hào)) ，分析表明， 不同流型的信號(hào)在重構(gòu)偽相空間中具有有限的低維維數(shù)，流型的產(chǎn)生具有內(nèi) 在的確定性機(jī)制，而且不同流型間的關(guān)聯(lián)維數(shù)互相間有較明顯的區(qū)別。顧春 來(lái)在文獻(xiàn) 4 3 仲將由多傳感器系統(tǒng)測(cè)得的氣液兩相流動(dòng)的差壓波動(dòng)信號(hào)， 通過(guò)計(jì)算傳感器間的互相關(guān)函數(shù)，并運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論進(jìn)行了流型的在線自 動(dòng)識(shí)別。 值得注意的是，有些研究者綜合應(yīng)用一些現(xiàn)代信息處理技術(shù)，從多相 流體系的常規(guī)信號(hào)提取流型特征，實(shí)現(xiàn)流型判別。吳浩江【4 4 】等對(duì)管段差壓 信號(hào)利用小波分解重構(gòu)方法進(jìn)行去噪處理后，應(yīng)用分形理論，提取特定流 型對(duì)應(yīng)的特征向量，將模式理論應(yīng)用到流型識(shí)別中，利用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)實(shí)現(xiàn)油氣水三相流流型在線識(shí)別系統(tǒng)。 本文需要實(shí)現(xiàn)流型的在線識(shí)別，通過(guò)分析，按照客觀自動(dòng)的流型在線識(shí)別 第2 章流型在線識(shí)別方法 的三個(gè)環(huán)節(jié)：特征信號(hào)的測(cè)量、信號(hào)的特征提取和流型的識(shí)別，在下面的內(nèi)容 中將詳細(xì)討論應(yīng)該選擇什么樣的特征信號(hào)來(lái)進(jìn)行研究，以及選取特征信號(hào)的哪 些特征來(lái)表現(xiàn)各個(gè)流動(dòng)型式，并提出本文使用的實(shí)現(xiàn)在線識(shí)別的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理 論算法。 2 3 特征信號(hào)的選取 2 3 1 特征信號(hào)的討論 能夠反映氣液兩相流流型變化的兩相流參數(shù)很多，其中，兩相流的波 動(dòng)特性很好的反應(yīng)了兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)型式。通常研究最多的波動(dòng)參數(shù)有絕 對(duì)壓力、含氣率、壓差。 絕對(duì)壓力波動(dòng)過(guò)程記錄的是近區(qū)域和遠(yuǎn)區(qū)域的氣泡成核、生長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng) 和合并、流過(guò)節(jié)流元件等所產(chǎn)生的噪聲，同氣泡的大小關(guān)系密切。 如果從幾何角度上考慮的話，兩相流動(dòng)的流型就是氣相和液相的相對(duì) 分布形式。利用含氣率識(shí)別流型相比較而言是最直接的。但是，含氣率的精 確測(cè)量很難，測(cè)量設(shè)備價(jià)格昂貴，含氣率波動(dòng)反應(yīng)的是由于氣泡的通過(guò)而產(chǎn) 生的局部含氣率的變化，與氣泡大小無(wú)關(guān)。 壓差波動(dòng)在一定程度上過(guò)濾掉了測(cè)量段之外的壓力波。很多研究者通 過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)流型的壓差波動(dòng)特性進(jìn)行了探討1 4 孓4 引，結(jié)果都顯示壓差波動(dòng)信號(hào) 與流型有密切關(guān)系。很多研究也證明了壓力信號(hào)的波動(dòng)與流型的變化是密切 相關(guān)的，壓力信號(hào)的波動(dòng)可以提供流型識(shí)別的足夠信息1 47 。4 馴； 2 3 2 壓差信號(hào)的選取 本文選用壓差信號(hào)作為流型識(shí)別的參數(shù)主要考慮以下幾個(gè)方面： 1 壓差信號(hào)是兩相流實(shí)驗(yàn)中最容易獲取的信號(hào)，并且對(duì)流動(dòng)沒(méi)有阻力， 不會(huì)影響流型的穩(wěn)定和觀測(cè)； 2 因?yàn)閴翰钚盘?hào)屬于快速反應(yīng)信號(hào)，能夠及時(shí)反映流型的變化，有利 于使用頻譜進(jìn)行研究； 東4 e 電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 在流型識(shí)別中，壓差信號(hào)比壓力信號(hào)更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)閴毫π盘?hào)不僅 與測(cè)量點(diǎn)的壓力波動(dòng)有關(guān)系，而且還與測(cè)量點(diǎn)以外區(qū)域的壓力波動(dòng)有關(guān)，并 且由于管道的靜態(tài)壓力一般比較高，容易導(dǎo)致反映流型信息的壓力波動(dòng)信號(hào) 被淹沒(méi)。 2 4 信號(hào)的特征提取 2 4 1 特征提取參數(shù)的討論 對(duì)壓差波動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理的目的在于提取能夠表征各流型的特 征量，即對(duì)流型的某些物理性質(zhì)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。一般來(lái)說(shuō)，只要流型包含足夠 多的信息，就不存在特征量選擇正確與否的問(wèn)題。但是，不恰當(dāng)?shù)奶卣髁窟x擇 會(huì)使流型的識(shí)別規(guī)則復(fù)雜化，從而影響流型網(wǎng)絡(luò)識(shí)別的速度與準(zhǔn)確性。 由于氣液兩相流參數(shù)直接影響著流動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特性，在傳統(tǒng)的信號(hào)分析方法 中，流型特征量一般采用統(tǒng)計(jì)參數(shù)，所給出的結(jié)果可以反映信號(hào)幅度變化的分 布規(guī)律，常用的參數(shù)有概率密度函數(shù)( p d f ) 、方差、均值等。在文獻(xiàn) 4 9 中提 到量綱為一的幅域診斷參數(shù)，他們被用于故障診斷的研究中，這些參數(shù)對(duì)信號(hào) 的幅值和頻率變化不敏感，即和工作條件關(guān)系不大，而對(duì)故障足夠敏感。這些 參數(shù)有波形指標(biāo)、峰值指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、裕度指標(biāo)和峭度指標(biāo)，其中脈沖指標(biāo)、 裕度指標(biāo)和峭度指標(biāo)對(duì)早期故障較為敏感，但穩(wěn)定性不好，一般來(lái)說(shuō)，均方根 值的穩(wěn)定性好，但對(duì)早期故障信號(hào)不敏感，所以，一般將它們兼顧考慮。 分維數(shù)、關(guān)聯(lián)維數(shù)、k o l m o g o r o v 熵、l y a p u n o v 指數(shù)等混沌分形參數(shù)在表征 系統(tǒng)的混沌性質(zhì)方面起著重要作用，其物理意義分別為： 1 h u r s t 指數(shù)( ) h 指數(shù)于分維數(shù)的關(guān)系為_(kāi) ，：i = 2 一h 。描述了序列的長(zhǎng) 程相關(guān)性或曲線的光滑程度。 2 關(guān)聯(lián)維數(shù)( 破) 描述了時(shí)間序列蘊(yùn)藏著參與動(dòng)態(tài)過(guò)程的全部變量的相互 關(guān)聯(lián)的程度。對(duì)理想的動(dòng)力系統(tǒng)，d ，= 1 時(shí)，系統(tǒng)處于自持周期振蕩，d ，= 2 時(shí) 系統(tǒng)處于兩種不可約頻率的準(zhǔn)周期振蕩，當(dāng)反不是整數(shù)或大于2 ，系統(tǒng)表現(xiàn)出 對(duì)初始條件敏感的混沌態(tài)。 第2 章流型在線識(shí)別方法 3 k o l m o g o r o v 熵( k ) 在相空問(wèn)中刻茴混沌運(yùn)動(dòng)信息損失的量度，可以區(qū) 分規(guī)則運(yùn)動(dòng)、混沌運(yùn)動(dòng)和隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。熵越大表明信號(hào)的混沌程度越大，或說(shuō)明 系統(tǒng)越復(fù)雜。 4 l y a p u n o v 指數(shù)大于0 說(shuō)明系統(tǒng)是混沌的并且信息損失或破環(huán)。 這些參數(shù)被引入到流型識(shí)別的研究中，而且在很多學(xué)者的研究中都表現(xiàn)出 了較好的識(shí)別效果1 5 列。但是部分參數(shù)計(jì)算的復(fù)雜性，不適合用于在線識(shí)別。 對(duì)于氣液兩相流的多數(shù)流型，其壓差波動(dòng)信號(hào)表現(xiàn)出非平穩(wěn)性，使得建立 在平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程理論之上的傅里葉變換不能完全適用，僅僅從時(shí)域方面考慮對(duì) 流型特征的描述就不完全，在文獻(xiàn) 5 6 1 中將小波包分析應(yīng)用到流型的識(shí)別中， 并達(dá)到了很好的識(shí)別效果。小波分析是針對(duì)非平穩(wěn)瞬態(tài)信號(hào)寬譜相應(yīng)的特點(diǎn)， 在低頻處有較高的頻率分辨率，在高頻處有較高的時(shí)間分辨率，小波分析的這 種多尺度“聚焦”特性，顯然較傅里葉變換具有更大的適用性。小波包概念是在 小波變化的基礎(chǔ)上提出來(lái)的，它將頻帶進(jìn)行多層次劃分，對(duì)多分辨分析沒(méi)有細(xì) 分的高頻部分進(jìn)一步分解；并能夠根據(jù)被分析信號(hào)的特征，自適應(yīng)的選擇相應(yīng) 頻帶，使之與信號(hào)頻譜相匹配。通過(guò)分解，可以獲得壓差波動(dòng)信號(hào)在不同頻段 內(nèi)的能量，而各頻率成分能量的變化表征了兩相流系統(tǒng)流型的轉(zhuǎn)變。 2 4 2 特征參數(shù)選取 本文針對(duì)兩相流流動(dòng)結(jié)構(gòu)形式變化的復(fù)雜多樣性，只使用單一的參數(shù)難以 全面反映流型的特征的實(shí)際，并結(jié)合本文實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的要求，采用統(tǒng)計(jì)理論與小 波理論相結(jié)合的方法，計(jì)算了壓差波動(dòng)信號(hào)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差、斜度、峭度和小 波包能量特征，具體算法為： 1 均值x均值反映樣本取值的平均情況，計(jì)算公式為： 1 占 z 2 i 乙x i ( 2 一1 ) 智 ”7 式中樣本數(shù)據(jù)長(zhǎng)度； 置樣本元素。 東北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 標(biāo)準(zhǔn)差s t標(biāo)準(zhǔn)差反映樣本數(shù)據(jù)偏離均值變動(dòng)性的大小， 明樣本均值的代表性差；反之，樣本的代表性好，計(jì)算公式為： 踮麗 標(biāo)準(zhǔn)差大說(shuō) ( 2 2 ) 3 斜度s k e斜度反映數(shù)據(jù)圍繞眾數(shù)不對(duì)稱的程度。 阢一刁3 s k e = 筍j 一 ( 2 - 3 ) ( z c x t j pf np 扣 i = l ， 4 峭度k u r峭度對(duì)大幅值非常敏感，當(dāng)其概率增加時(shí)，峭度值將迅 速增大。 ( x t 一；) 47 n k u r = 筍 ( 2 - 4 ) f 阢一刁2 ) 2 i = l ， 5 小波包能量短時(shí)傅立葉變換對(duì)信號(hào)的頻帶劃分是線性等間隔的。 多分辨分析可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效的時(shí)頻分解，由于尺度是按二進(jìn)制變化的， 所以在高頻段其頻率分辨較差，而在低頻段其時(shí)間分辨率較差，即對(duì)信號(hào)的 頻帶進(jìn)行指數(shù)等問(wèn)隔劃分，小波包分析能夠?yàn)樾盘?hào)提供一種更加精細(xì)的分析