（熱能工程專業(yè)論文）氣液兩相流流型在線識別系統(tǒng).pdf

摘要 摘要 氣液兩相流的流型影響著兩相流的流動特性和傳熱特性，同時也影響著流 動參數(shù)的準確測量以及兩相流系統(tǒng)的運行特性。實現(xiàn)對氣液兩相流流型的客觀 自動識別，不僅對壓力降的正確計算，而且對于控制某些有害流型的出現(xiàn)，從 而保證整個流體系統(tǒng)既經濟又安全的運行具有十分重要的意義。隨著現(xiàn)代測量 技術、信號處理技術的發(fā)展和計算機的普及，使流型在線識別系統(tǒng)的研究與開 發(fā)成為可能。 本文討論了水平管內氣液兩相流的參數(shù)波動特點，選用壓差信號作為流型 研究的特征信號。針對壓差信號的非平穩(wěn)和非線性特點，將統(tǒng)計理論和小波理 論引入流型識別中，提取了流型壓差信號的均值、標準差、斜度、峭度以及小 波包能量特征參數(shù)，形成一個特征向量，作為b p 神經網絡的輸入；通過對神經 網絡的訓練，完成特征空間到流型空間的映射，依據訓練好的神經網絡實現(xiàn)流 型的客觀自動識別。 在w i n d o w s x p 平臺上使用v i s u a lb a s i c 6 0 語言編程完成了氣液兩相流流 型在線識別軟件的設計。按照信號測量、信號特征提取和流型識別三個實現(xiàn)流 型客觀自動識別的步驟，開發(fā)了一套氣液兩相流流型在線識別系統(tǒng)。此系統(tǒng)操 作界面友好，使用方便。最后，在氣液兩相流實驗系統(tǒng)上采集了1 8 0 組仿真樣 本進行仿真試驗。結果顯示：流型正確識別率為9 1 7 ，此系統(tǒng)應用于實驗室 的流型識別，不僅具有較高的識別率，而且很好地實現(xiàn)了識別結果的實時顯示， 達到了流型在線識別的目的。 關鍵詞氣液兩相流流型在線識別 東北電力大學碩士學位誰文 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，所呈交的學位論文系在導師指導下本人獨立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明確標注或得到許可。論文內容未包含法 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位申 請的論文或成果。 本人如違反上述聲明，愿意承擔以下責任和后果： 1 交回學校授予的學位證書： 2 學?？稍谙嚓P媒體上對作者本人的行為進行通報； 3 本人按照學校規(guī)定的方式，對因不當取得學位給學校造成的名譽損害， 進行公開道歉。 4 本人負責因論文成果不實產生的法律糾紛。 論文作者簽名： 犁絲b 日 日期：叢噓年上月l 日 論文知識產權權屬聲明 本人在導師指導下所完成的論文及相關的職務作品，知識產權歸屬學校。 學校享有以任何方式發(fā)表、復制、公開閱覽、借閱以及申請專利等權利。本人 離校后發(fā)表或使用學位論文或與該論文直接相關的學術論文或成果時，署名單 位仍然為東北電力大學。 論文作者簽名： 導師簽名： 習三盤 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別的研究背景及意義 氣液兩相流動現(xiàn)象是在自然界和現(xiàn)代工業(yè)生產過程中廣泛存在的一個 現(xiàn)象，與人類的生活和生產密切相關。目前，在動力、化工、核能、制冷、 石油和冶金等行業(yè)的許多生產設備中都涉及到氣液兩相流動工況，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時，因壓力、流量、熱流密度和管道 幾何形狀的不同會形成各種流動結構型式，即流型，它極大地影響著氣液兩 相流的流動特性和傳熱傳質特性，同時也影響著流動參數(shù)的準確測量以及兩 相流系統(tǒng)的運行特性。例如，對于管內氣液兩相流的壓力降計算，正確地進 行壓力降計算才能使設備具有安全的水循環(huán)和足夠的流動壓頭，從而為整個 流體系統(tǒng)選用合宜的泵或其他動力設備提供可靠的依據，使整個系統(tǒng)既經濟 又安全的運轉。它的計算是設計各種存在氣液兩相流動的工程設備的最基本 和最重要的課題之一，曼德漢曾通過試驗比較認為，根據管中流型應用相 應計算式得出的計算結果比通用流型的計算式得到的結果要正確；另外，當 液體在管內做強制對流沸騰時，其沸騰傳熱工況與兩相混合物的流型關系密 切；而且，在不同的流型下，兩相流具有不同的流動特征，在理論上針對不 同的流型可以分別建立相應的計算模型以提高計算精度；在工程應用中，通 過控制流動參數(shù)可以避免某些有害流型的出現(xiàn)，以保證設備的安全運行f 2 1 。 傳統(tǒng)的采用在現(xiàn)場獲得的流動參數(shù)的基礎上，根據流型圖或半經驗半理論 的流型轉變準則識別流型的方法：由于氣液兩相流流動的復雜性及流型的多樣 性，這一方法由于判別主觀性較強等原因不能滿足現(xiàn)代工業(yè)生產的客觀在線要 求。還有利用測量方法識別流型，包括直接測量和間接測量，其中有采用目測、 高速攝影、接觸式探針等直接測量的方法和通過對波動特性分析后的特征來識 別流型等間接測量的方法。目測法是流型識別中最可靠的識別方法之一，但是 在流速較高的情況下，無法做出實時、自動的測量：高速攝影法相對可以滿足 東北電力大學碩士學位論文 實時要求，但是仍然具有較大的主觀性。隨著控制科學和計算機科學的發(fā)展， 智能化的研究己在人類的生產活動與其它活動中得到廣泛的應用，越來越多的 研究者將這一思想引入流型識別的研究中。近年來，由于現(xiàn)代測量技術、信號 處理技術的發(fā)展和計算機的普及，流型在線識別系統(tǒng)的研究與開發(fā)成為可能。 通過實現(xiàn)對氣液兩相流流型客觀自動的識別，不僅對壓力降的正確計算，而且 對于控制某些有害流型的出現(xiàn)，從而保證整個流體系統(tǒng)既經濟又安全的運轉 具有十分重要的意義。 1 2 氣液兩相流型識別研究的發(fā)展及現(xiàn)狀 由于氣液兩相流動存在著氣泡的分裂和聚集，氣、液相界面的形狀和分布 在時間和空間上均是隨機可變的，與單相流相比較，兩相流的流型變化要復雜 很多。 1 2 1 傳統(tǒng)流型識別方法的研究進展及現(xiàn)狀 傳統(tǒng)的流型識別方法有使用流型圖和流型轉換準則式識別流型。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，要判斷管內氣液兩相流的流型可 應用流型圖。流型圖主要是根據資料總結而成的。由于研究者主觀認識有差異， 這樣導致流型圖坐標參數(shù)表達式形式繁多，較為通用的表達式是以液體流量和 氣體流量為坐標的流型圖。近年來，各國學者根據對流動機理的分析和試驗提 出許多用來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 提出的流型圖進行了對比，對原有流型圖數(shù)據加以擴充，擴大了原有流型 圖的適用范圍。w e i s m s n 4 5 】利用更廣泛的試驗數(shù)據，提出了兩幅適用于水平 及垂直上升管的通用流型圖。由于從一種流型轉變?yōu)榱硪环N流型要有一個演 變過程，而并非突變，故在流型上不用線條來表示分界，而是用黑色帶來表 示不同流型的過渡區(qū)。 除了使用流型圖識別流型外，還可以應用通過對流型轉變機理的分析而得 到的判別式來幫助確定具體流型。k o k a l l 6 i 等對泊氣兩相流在傾斜管內的流型進 行了深入的研究，將實驗所得的數(shù)據與t a i t e l 和d u l k e r 所繪制的流型圖進行了 比較，并利用實驗數(shù)據對原有的半經驗半理論流型轉變準則進行了驗證，提出 了改進后的準則。l uz h o n g q i 7 1 以簡化的兩相流體模型為基礎并采用一系列經驗 或理論關系式封閉方程，計算得到界面濃度與含氣率、干度的關系，并以此識 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，對含氣率和壓力波進行了穩(wěn)定性計算與分析，從而進行兩相流流型的判別。 周云龍【9 1o 】等對螺旋管和傾斜下降管內氣液兩相流截面含氣率變化規(guī)律進行了 研究，得出了計算螺旋管內主要流型平均截面含氣率的經驗關系式及計算傾斜 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的氣液兩 相流流型識別提供了理論基礎。但是，受主觀因素影響仍然很大，而且在利用 以上兩種方法時用到的流量、干度、截面含氣率等流動參數(shù)的準確測量很難實 現(xiàn)；再者，已有的流型圖和半經驗半理論的流型轉變準則都有一定的適用范圍， 流型圖是在基于穩(wěn)態(tài)流型轉變的假設下用實驗方法得到的，而生產現(xiàn)場的流動 條件千差萬別，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 提出的不同流型轉變模型在系統(tǒng)壓力為 3 0 m p a 下內徑為2 0 m m 垂直上升管內得到的汽水兩相流的流型圖后得出結論， 不同流型轉變模型的差異明顯。所以目前的流型圖和流型轉變準則還只能作為 一種定性判別手段，難以滿足客觀在線識別的要求。 1 2 2 流型客觀在線識別方法的發(fā)展及現(xiàn)狀 所謂流型的客觀識別方法，也就是通過采用先進的測試與信號處理技術， 獲取反映氣液兩相流各種流型本質特征的客觀數(shù)理描述與流型轉變過程中特征 參數(shù)的變化規(guī)律，根據這些數(shù)理描述及其特征參數(shù)的變化規(guī)律進行定量分析， 實現(xiàn)流型的客觀識別與劃分。氣液兩相流流型的識別工作屬于模式識別課題， 要進一步做到客觀的在線識別一般包括三個環(huán)節(jié)：流型特征信號的測量、信號 的流型特征提取和流型的識別。 近年來，隨著工業(yè)技術的提高，對流型識別的準確性和適時性要求也不斷 東北電力大學碩士學位論文 提高，客觀、在線的流型識別方法成為人們關注的一個方面。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別方法研究有了很大的進展，但是仍 無法克服其自身固有的缺點，這使它很難滿足現(xiàn)代工業(yè)生產對流型客觀、在線 識別的要求。 除采用流型圖和流型轉變判據確定流型外，對流型的辨識還可以通過直接 對流體波動狀況進行觀測的方法，在文獻 1 2 仲對這些方法進行了總結敘述， 其中主要包括目測法、高速攝影法、射線衰減法、接觸式探針法等直接觀測法。 目測法是一種較為簡單和直觀的方法，但是由于判斷標準人為因素太大，無法 對高速流體的流型做出實時客觀判斷，不過在目前的研究中，對流型的識別最 終幾乎都要通過與目測結果作比較來驗證識別結果的有效性，它是現(xiàn)在為止較 可靠的識別方法；采用高速攝影法能夠滿足實時的要求，但是主觀性仍然很強； 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)不同這一特點來 實現(xiàn)流動可視化的。這種方法雖然能準確地反應出空泡份額及其脈動，但是， 從安全和經濟性的角度考慮，它不是一種很好的兩相流測試方法；采用接觸式 探頭獲得的數(shù)據，能夠準確反映該測量點流體的特征，但是長時間使用后，探 頭表面會粘附上一些雜質，從而影響測量的精度。 在尋求流型的客觀鑒別方法過程中，一些研究者嘗試性地通過測量和分析 諸如密度、壓力、空泡份額等兩相局部參數(shù)，應用電導探針、x - 射線衰減等辨 識流型。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，通 過分析垂直管內空氣、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 】根據壓差波動概率密度分 布的峰值個數(shù)和位置，識別出泡狀流、彈狀流、乳狀流和環(huán)狀流。由于流動參 數(shù)的波動性是氣液兩相流的普遍特性，兩相流介質的流動結構形式，即流型， 可以利用氣液兩相流動參數(shù)的波動特性來識別。在已有的研究文獻中，主要是 對壓力、壓差及含氣率等波動參數(shù)的測量分析。此外還有對其它波動參數(shù)進行 測量的相關研究。對于流型識別此類模式識別課題，一個重要的問題就是如何 從樣本中提取信息或特征，在此基礎上對未知模式分類做出判決。特征的選取 沒有對與錯的區(qū)別，差異在于對流型識別的識別率高低。w a m b s g a n s s l i 5 1 等人通 過實驗對水平放置的矩形通道內氣、水兩相流動進行試驗，提出利用壁面靜壓 第1 章緒論 力波動均方根客觀識別泡狀流或塞狀流向彈狀流的轉變及彈狀流向環(huán)狀流的轉 變的方法。自博峰【1 6 l 等利用壓差波動信號的功率譜密度( p o w e rs p e c t r u md e n s i t y 簡稱p s d ) 隨頻率分布特性的均方根進行流型的識別，實現(xiàn)了泡狀流、間歇流 和環(huán)狀流的客觀識別。然而，白博峰1 1 7j 等在隨后的研究中提出雖然壓差波動信 號的統(tǒng)計特征量、均值和均方根與流型密切相關，但僅僅依據這一特征量進行 流型識別缺乏實用性。v i n c e 和l a h e y t l 8 鍵出將空隙率信號的p s d 和p d f 作為 氣液兩相流流型的特征量，并指出空隙率信號的功率譜密度和概率密度的各階 矩反映了各流型的過渡信息，但是由于概率密度及其均值的二階矩對液相流速 相當敏感，因此僅采用空隙率的p s d 和p d f 特征進行流型識別的效果并不理 想。梁法春i ”1 等對測量的壓差信號進行分析，將一維信號轉換為二維圖像，分 析不同流型信號區(qū)和背景區(qū)面積比值r s s ，將其作為一個特征參數(shù)，區(qū)分出了段 塞流。 隨著基礎科學的應用，最近幾年來，出現(xiàn)了利用混沌、分形理論、小波理 論、信息理論和軟測量技術識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)過程的方向性( 熵增加或負熵減少) 。石磊【2 田 等在研究中發(fā)現(xiàn)，壓差脈動信號的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過程在不同時間、頻率上的能量，或不同時間或 尺度上的信號能量、自相關系數(shù)、互相關系數(shù)。李菊【2 l 】等按m a l l a t 小波分析算 法對壓差信號進行分析，依據信號在不同頻率范圍內的能量特點，對段塞流和 波狀流的進行識別。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 點數(shù)的大小來定義不同頻段內的信號能量，并依據信號能量幾個尺度下能量的 分布關系作為流型識別的判別依據。與傳統(tǒng)頻譜分析技術( 傅立葉譜、相關、 譜密度等) 相比，小波分析方法相對傳統(tǒng)的頻譜分析技術，優(yōu)點在于能夠刻畫 不同時刻的差別，對信號特征的數(shù)理表述有一定的優(yōu)勢。但是即使流型相同， 不同流動工況的參數(shù)波動過程之間仍有差別，采用小波分析的結果會有較大差 異，不利于波動過程客觀規(guī)律的總結。由于氣、液相界面的變形和運動等原因， 兩相流動表現(xiàn)了強烈的非線性，在多數(shù)流型下并不滿足隨機運動模型，從傳統(tǒng) 處理方法的數(shù)學內涵看，統(tǒng)計分析前提是假設對象是平穩(wěn)過程，因此在兩相流 領域應用這種方法缺乏堅實的數(shù)學基礎，目前直觀的統(tǒng)計參數(shù)識別流型被許多 東北電力大學碩士學位論文 學者否定，非線性理論研究波動過程成為一個新的發(fā)展趨勢，利用確定性混沌 理論定量研究流型已受到很多人認同。白博峰【2 3 】等認為確定性混沌理論能揭示 波動的非線性特征，氣液兩相流壁面靜壓力波動信號的混沌特性與流型有關， 而且利用壓力波動信號的混沌參數(shù)對氣液兩相流流型進行了定量的分析探討。 楊靖1 2 4 i 等對氣液兩相流壓差波動信號的分形插值非線性數(shù)據擬合與重構方法進 行了探索研究，利用分形插值方法對兩相流機理作出了新的分析，并據此給出 了一種改進以往兩相流壓力降數(shù)據經驗關聯(lián)式的新方法。y c a i l ”j 等提出利用 混沌理論計算氣液兩相流壓力波動信號的分形維數(shù)、自相關函數(shù)、l y a p u n o v 指 數(shù)和準相平面軌跡等特征量，并以上述特征量識別流型，指出利用相關維數(shù)識 別流型是一種有潛力的流型識別方法。 人工神經網絡技術的發(fā)展使氣液兩相流型的在線、客觀識別走上了一個新 的臺階。神經網絡由大量處理單元互連而成，具有很強的自適應、學習和容錯 能力，對信息處理更接近人類的思維活動。許多研究人員開始利用人工神經網 絡進行氣液兩相流流型的在線、客觀識別研究。m o n j i i 2 6 1 等將含氣率波動信號的 均方根、斜度和峰度分別作為一層和兩層前向網絡的輸入特征參數(shù)，仿真結果 表明網絡的識別率可達9 1 ，而且誤識別的樣本多數(shù)出現(xiàn)在流型轉變區(qū)。m i 和i s h i i f 2 7 1 利用氣液兩相流動含氣率波動信號的均方根和方差作為網絡的輸入特 征參數(shù)，分別使用b p ( b a c kp r o p a g 撕o n ) 神經網絡和自組織映射網絡進行流型的 客觀識別，取得了良好的識別效果。然而，m o n j i 和m i 均采用氣液兩相流動的 含氣率作為分析信號，而氣液兩相流的含氣率測量非常困難，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)的波動過程存在許多不 確定的現(xiàn)象，這種不確定性主要表現(xiàn)在隨機性和模糊性兩個方面。模糊性主要 指流型發(fā)生過渡過程時所呈現(xiàn)的“亦此亦彼”性。它不是由于人的主觀認識達不 到客觀實際造成的，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 經元網絡識別氣液兩相流流型，通過計算機仿真，表明此方法對層流、環(huán)狀流、 塞狀流及泡狀流均有較好的識別能力。夏靖波 2 9 1 等對有電容傳感器陣列采集的 反映兩相介質分布的信息進行模糊處理，經k o h o n e n 網絡的自組織學習，提取 輸入模式樣本的分類特征，通過b p 網絡的監(jiān)督學習，實現(xiàn)兩相流流型識別。 王妍艽| 3 0 i 等使用自適應梯度下降法和模擬退火法改進傳統(tǒng)的b p 算法，并將改 第1 章緒論 進后的網絡用于氣液兩相流流型的識別，利用前人的數(shù)據驗證了這一方法的有 效性。人工神經網絡在氣液兩相流流型識別領域的嘗試不止這些，隨著應用的 不斷深入，很多問題需要做更進一步的研究。白博峰 3 1 - 3 5 | 提出流型是一個非物 理量的概念，其實質是相界面在空間的分布和在時間軸的變化，單獨采用一個 或一種信號去實現(xiàn)流型的識別缺乏對對象的充足描述，如果將壓力、壓差和含 氣率進行組合分析，對實現(xiàn)流型識別會起到良好的推動作用，能夠增加準確性 和可靠性，將壓差波動信號的傅立葉譜( f f t ) 、壓力波動信號的傅立葉譜( 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 神經網絡的輸入特征參數(shù)，實現(xiàn)了氣液 兩相流流型的智能識別。在最近的研究中又基于多信號壓力和壓差信號波 動過程，對流型進行多信息獲取以及信號的多特征提取，通過大量實驗數(shù)據建 立了特定流型的識別規(guī)則，采用學習矢量量化模式分類器作為未知流型的分類 器，根據數(shù)據融合的技術思路設計出油氣水多相流的流型在線識別系統(tǒng)。 1 2 3 現(xiàn)有在線識別方法存在問題 在很多流型在線識別研究的資料中，都將人工神經網絡作為討論的主題。 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 流型客觀在線識別方法的研究過程中，為了更加準確地實現(xiàn)流型的識別，研究 人員對流型波動參數(shù)的多個特征進行了提取實驗，實現(xiàn)了在線識別，而且在各 自的實驗中都得到了較好的識別效果。但是，這些試驗大多數(shù)只實現(xiàn)了典型流 型中少數(shù)幾個流型的識別，要實現(xiàn)兩相流多個流型的在線準確識別，還需要研 究人員做更多的探索工作。另外，波動參數(shù)的選取原則是參數(shù)波動能夠最大程 度地反映流型及其變化。壓力波動信號的測量簡單易行，但信號中摻雜了由實 驗段出口反射產生的虛假信號和上游流過各種通道所產生的噪聲：由于不同流 型的壓降特性不同，壓差波動特性與流型的關系密切，但不同的實驗條件或測 點布置有不同的數(shù)值特征，這種方法需具體驗證；利用含氣率識別流型最為直 接，因為兩相流型從流動的幾何角度上講就是氣相、液相的相對分布形式，但 是實現(xiàn)準確測量的設備造價太高。由前邊的論述已知，作為特征信號，壓力、 東北電力大學碩士學位論文 壓差及含氣率都有各自的優(yōu)點。 總結起來，利用人工神經網絡實現(xiàn)流型的在線識別存在兩個問題： ( 1 ) 描述流型的特征僅來源于單個傳感器或單個參數(shù)，難以全面描述氣液 兩相流流型的本質特征； ( 2 ) 識別方法完全拋棄了兩( 多) 相流體力學理論，因而制約了利用人工神 經網絡進行流型客觀識別的準確率和在線識別的可靠性。 1 3 本課題所要研究的內容 為了實現(xiàn)氣液兩相流流型實現(xiàn)最優(yōu)在線、客觀識別，關鍵在于氣液兩相流 動特征信號的采集、流型特征量的提取和在線識別方法的選取。因此，本課題 完成了如下工作： 1 通過對氣液兩相流壓差波動信號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)據融合方法； 2 通過對現(xiàn)有在線識別方法的比較分析，選出最優(yōu)的在線實現(xiàn)手段； 3 在w i n d o w s 平臺下，應用v i s u a lb a s i c6 0 編程，開發(fā)出界面友好、應 用靈活的流型在線識別應用軟件： 4 通過實驗數(shù)據對所編制的應用軟件進行了實驗驗證。 第2 章流型在線識別方法 第2 章流型在線識別方法 在宏觀上，常把自然界物質分為三相，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的 三相流和多相流。存在變動分界面的兩種獨立物質組成的物體的流動稱為兩相 流，多相流申研究較多的是氣液兩相流。本課題主要對水平管氣液兩相流的流 型進行討論。 本章將先簡要論述水平管氣液兩相流的流型分類情況，因為對流型的恰當 分類是整個系統(tǒng)正常運行的前提。 2 1 水平管氣液兩相流流型的分類 對兩相流流型的研究至今已經有幾十年的歷史了，但流型的分類仍然沒 有統(tǒng)一，甚至同一名稱的流型，在定義上也不完全一致，比如僅僅對于垂直 上升管的流型劃分就有幾十種，對于水平管絕熱兩相流動的流型劃分也有十 多種。在早期的流型識別研究中，流型分類相對簡單；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。但是在長期的科學研究及工程應 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，過分精細的劃分對研究兩相流的傳熱與傳質特性研究并沒有太大 的意義，因此流型的劃分又出現(xiàn)了由細到粗的趨勢。 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 狀來劃分；另一類則是根據相的分布特點來劃分。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劃分流型。由于實驗手段 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相的分布特點來劃分流型。通常說來，基于現(xiàn)象描述的流 型劃分方法多用第一種，而基于流動機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 。，將實驗中觀察得到的流型按 照流動形態(tài)大致分為6 種，即細泡狀流型、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圖2 - i 。流型特 征簡述如下： 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，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 當氣相流量增加時，泡狀流中的的小氣泡合并成氣塞形成 塞狀流，特點是液相中含有沿管道頂部流動的彈狀大氣泡。 3 平滑分層流當氣液兩相流量都很小時，氣液兩相將分開流動，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，當氣相流量增大，兩相界面出現(xiàn)波 動，形成波狀分層流。 第2 章流型在線識別方法 5 彈狀流當氣相流量在波狀分層流的基礎上繼續(xù)增加時，波動振幅 增長到與管道頂部表面接觸時，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發(fā)生。液相的一部分是以管 壁上的液膜的形式流動，同時氣體在管中心流動。通常，液相的另一部分以 液滴狀被挾帶在氣芯中流動。 考慮到實用性以及上述流動結構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) 將主要對泡狀流、間歇流、層狀流、環(huán)狀流四種流型進行識別。 2 2 流型在線識別方法 傳統(tǒng)的流型識別方法有流型圖和流型轉換準則式。應用這兩種方法識別 流型只能大致預測流型及其轉換，但是不能準確獲取流動狀態(tài)的實時信息。 而工程應用中，往往需要實時了解流型對系統(tǒng)運行狀況的影響。根據工作原 理，流型實時識別的方法可以分為兩類：一類是根據兩相流流動圖像的形式 直接確定流型，如目測法、高速攝影法、過程層析成像法等：另一類是間接 方法，即通過對反映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。這種方法建立在隨即信號處理技術的基礎上，不僅設 備簡單、價格低廉，而且還具有發(fā)展成流型識別的客觀方法的希望。以下主 要對流型識別方面涉及的處理方法進行簡單論述。 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的功率 譜分析結果應用于流型判別。通過壓力信號的自相關函數(shù)求得功率譜密度函 數(shù)。通過歸一化后的比較分析，得出以下結論：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 等將電導探針測得的局部空隙率 信號作為提取功率譜密度的分析信號，對氣泡流到塞狀流的轉換進行分析后 得出結論，空隙率信號在氣泡流時具有較小的方差，在塞狀流時具有較大方 東北電力大學碩士學位論文 差。 2 時頻處理方法小波分析是信號處理領域的一門新科學，近些年來， 很多學者將小波分析用于流型識別的研究。勞力云在文獻 3 9 1 中對內徑分別 為4 0 m m 和5 0 m m 的水平管道空氣水兩相流的脈動壓差信號進行了 w i g n e r v i l l e ( w v d ) 譜分析，得出結論，氣泡流、塞狀流和彈狀流的w v d 分布區(qū)別較為明顯。 3 幅域處理方法信號幅域的處理只對信號幅度進行統(tǒng)計處理。常用參 數(shù)有方差、均值、概率密度函數(shù)等，在文獻 4 0 1 中也有過論述。孫斌在文獻 4 1 】中，通過對壓差信號的概率密度特征的分析，得出以下結論，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，有一 個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，因 此對流型的判別較為可靠。 4 其它識別方法隨著基礎理論的發(fā)展，模糊理論、混沌分形理論、神 經網絡等被應用到流型的識別研究中，從而使流型的在線識別成為可能。吳 浩江 4 2 1 用分形的特征參數(shù)一關聯(lián)維數(shù)來表征油氣水多相流流動的分形性 質。分析了多相流流動中的不同點流型的流型信號( 壓差信號) ，分析表明， 不同流型的信號在重構偽相空間中具有有限的低維維數(shù)，流型的產生具有內 在的確定性機制，而且不同流型間的關聯(lián)維數(shù)互相間有較明顯的區(qū)別。顧春 來在文獻 4 3 仲將由多傳感器系統(tǒng)測得的氣液兩相流動的差壓波動信號， 通過計算傳感器間的互相關函數(shù)，并運用模糊數(shù)學理論進行了流型的在線自 動識別。 值得注意的是，有些研究者綜合應用一些現(xiàn)代信息處理技術，從多相 流體系的常規(guī)信號提取流型特征，實現(xiàn)流型判別。吳浩江【4 4 】等對管段差壓 信號利用小波分解重構方法進行去噪處理后，應用分形理論，提取特定流 型對應的特征向量，將模式理論應用到流型識別中，利用徑向基函數(shù)神經網 絡實現(xiàn)油氣水三相流流型在線識別系統(tǒng)。 本文需要實現(xiàn)流型的在線識別，通過分析，按照客觀自動的流型在線識別 第2 章流型在線識別方法 的三個環(huán)節(jié)：特征信號的測量、信號的特征提取和流型的識別，在下面的內容 中將詳細討論應該選擇什么樣的特征信號來進行研究，以及選取特征信號的哪 些特征來表現(xiàn)各個流動型式，并提出本文使用的實現(xiàn)在線識別的神經網絡的理 論算法。 2 3 特征信號的選取 2 3 1 特征信號的討論 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 動特性很好的反應了兩相流的流動結構型式。通常研究最多的波動參數(shù)有絕 對壓力、含氣率、壓差。 絕對壓力波動過程記錄的是近區(qū)域和遠區(qū)域的氣泡成核、生長、運動 和合并、流過節(jié)流元件等所產生的噪聲，同氣泡的大小關系密切。 如果從幾何角度上考慮的話，兩相流動的流型就是氣相和液相的相對 分布形式。利用含氣率識別流型相比較而言是最直接的。但是，含氣率的精 確測量很難，測量設備價格昂貴，含氣率波動反應的是由于氣泡的通過而產 生的局部含氣率的變化，與氣泡大小無關。 壓差波動在一定程度上過濾掉了測量段之外的壓力波。很多研究者通 過實驗對流型的壓差波動特性進行了探討1 4 孓4 引，結果都顯示壓差波動信號 與流型有密切關系。很多研究也證明了壓力信號的波動與流型的變化是密切 相關的，壓力信號的波動可以提供流型識別的足夠信息1 47 。4 馴； 2 3 2 壓差信號的選取 本文選用壓差信號作為流型識別的參數(shù)主要考慮以下幾個方面： 1 壓差信號是兩相流實驗中最容易獲取的信號，并且對流動沒有阻力， 不會影響流型的穩(wěn)定和觀測； 2 因為壓差信號屬于快速反應信號，能夠及時反映流型的變化，有利 于使用頻譜進行研究； 東4 e 電力大學碩士學位論文 3 在流型識別中，壓差信號比壓力信號更有優(yōu)勢，因為壓力信號不僅 與測量點的壓力波動有關系，而且還與測量點以外區(qū)域的壓力波動有關，并 且由于管道的靜態(tài)壓力一般比較高，容易導致反映流型信息的壓力波動信號 被淹沒。 2 4 信號的特征提取 2 4 1 特征提取參數(shù)的討論 對壓差波動信號數(shù)據進行分析與處理的目的在于提取能夠表征各流型的特 征量，即對流型的某些物理性質進行數(shù)學描述。一般來說，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題。但是，不恰當?shù)奶卣髁窟x擇 會使流型的識別規(guī)則復雜化，從而影響流型網絡識別的速度與準確性。 由于氣液兩相流參數(shù)直接影響著流動的統(tǒng)計特性，在傳統(tǒng)的信號分析方法 中，流型特征量一般采用統(tǒng)計參數(shù)，所給出的結果可以反映信號幅度變化的分 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 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)對信號 的幅值和頻率變化不敏感，即和工作條件關系不大，而對故障足夠敏感。這些 參數(shù)有波形指標、峰值指標、脈沖指標、裕度指標和峭度指標，其中脈沖指標、 裕度指標和峭度指標對早期故障較為敏感，但穩(wěn)定性不好，一般來說，均方根 值的穩(wěn)定性好，但對早期故障信號不敏感，所以，一般將它們兼顧考慮。 分維數(shù)、關聯(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)的關系為_ ，：i = 2 一h 。描述了序列的長 程相關性或曲線的光滑程度。 2 關聯(lián)維數(shù)( 破) 描述了時間序列蘊藏著參與動態(tài)過程的全部變量的相互 關聯(lián)的程度。對理想的動力系統(tǒng)，d ，= 1 時，系統(tǒng)處于自持周期振蕩，d ，= 2 時 系統(tǒng)處于兩種不可約頻率的準周期振蕩，當反不是整數(shù)或大于2 ，系統(tǒng)表現(xiàn)出 對初始條件敏感的混沌態(tài)。 第2 章流型在線識別方法 3 k o l m o g o r o v 熵( k ) 在相空問中刻茴混沌運動信息損失的量度，可以區(qū) 分規(guī)則運動、混沌運動和隨機運動。熵越大表明信號的混沌程度越大，或說明 系統(tǒng)越復雜。 4 l y a p u n o v 指數(shù)大于0 說明系統(tǒng)是混沌的并且信息損失或破環(huán)。 這些參數(shù)被引入到流型識別的研究中，而且在很多學者的研究中都表現(xiàn)出 了較好的識別效果1 5 列。但是部分參數(shù)計算的復雜性，不適合用于在線識別。 對于氣液兩相流的多數(shù)流型，其壓差波動信號表現(xiàn)出非平穩(wěn)性，使得建立 在平穩(wěn)隨機過程理論之上的傅里葉變換不能完全適用，僅僅從時域方面考慮對 流型特征的描述就不完全，在文獻 5 6 1 中將小波包分析應用到流型的識別中， 并達到了很好的識別效果。小波分析是針對非平穩(wěn)瞬態(tài)信號寬譜相應的特點， 在低頻處有較高的頻率分辨率，在高頻處有較高的時間分辨率，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 小波變化的基礎上提出來的，它將頻帶進行多層次劃分，對多分辨分析沒有細 分的高頻部分進一步分解；并能夠根據被分析信號的特征，自適應的選擇相應 頻帶，使之與信號頻譜相匹配。通過分解，可以獲得壓差波動信號在不同頻段 內的能量，而各頻率成分能量的變化表征了兩相流系統(tǒng)流型的轉變。 2 4 2 特征參數(shù)選取 本文針對兩相流流動結構形式變化的復雜多樣性，只使用單一的參數(shù)難以 全面反映流型的特征的實際，并結合本文實現(xiàn)實時的要求，采用統(tǒng)計理論與小 波理論相結合的方法，計算了壓差波動信號的均值、標準差、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，計算公式為： 1 占 z 2 i 乙x i ( 2 一1 ) 智 ”7 式中樣本數(shù)據長度； 置樣本元素。 東北電力大學碩士學位論文 2 標準差s t標準差反映樣本數(shù)據偏離均值變動性的大小， 明樣本均值的代表性差；反之，樣本的代表性好，計算公式為： 踮麗 標準差大說 ( 2 2 ) 3 斜度s k e斜度反映數(shù)據圍繞眾數(shù)不對稱的程度。 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峭度對大幅值非常敏感，當其概率增加時，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 小波包能量短時傅立葉變換對信號的頻帶劃分是線性等間隔的。 多分辨分析可以對信號進行有效的時頻分解，由于尺度是按二進制變化的， 所以在高頻段其頻率分辨較差，而在低頻段其時間分辨率較差，即對信號的 頻帶進行指數(shù)等問隔劃分，小波包分析能夠為信號提供一種更加精細的分析