氣液兩相流測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

1、 熱能動(dòng)力工程前言班級(jí):碩動(dòng)力152專業(yè):動(dòng)力工程姓名:汪輝學(xué)號(hào):2152214135氣液流測(cè)量技術(shù)發(fā)展汪輝摘要:隨著氣液兩相流測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步,氣液兩相流理論得到充分發(fā)展,也為工程實(shí)踐提供了有力工具。本文主要介紹了近年來(lái)氣液兩相流對(duì)流量測(cè)量與流型檢測(cè)的新技術(shù)。在流量測(cè)量領(lǐng)域,本文主要介紹了傳統(tǒng)單相流量計(jì)、多流量計(jì)測(cè)量、分流分相法、超聲波法。在流型檢測(cè)方面主要介紹了,高速攝影法、層析成像法、信號(hào)特征分析法,以及小波變化法,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。關(guān)鍵詞:氣液兩相流;流量測(cè)量;流型檢測(cè)Research on development ofGas-liquid Two-phase Flow Meas

2、urementTechnologyWang HuiAbstract:With the development of gas-liquid two-phase flow,on theone hand it promote the development of the theory of gas liquid two phase flow,on the other hand it provide a powerful tool for Industrial practice.This paper mainly introduces the new technology in recent year

3、s, which includes gas-liquidtwo-phase measurement onflow rate and flow pattern. In the field of flow rate measurement,the traditional single-phase flowmeter,multi-flowmeter measurement, extracting and separating method andthe ultrasonic method are mainly introduced. In the field of flow pattern dete

4、ction,high speed photography method, tomography method, signal feature analysis, wavelet transform method and neural network method are mainly introduced. Keywords:gas-liquid two-phase flow; flow rate measurement; flow pattern detection氣液兩相流的測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步對(duì)其理論和工業(yè)實(shí)踐的發(fā)展有著重要的意義。對(duì)于兩相流基本參數(shù)的測(cè)量呈現(xiàn)出多樣化的趨勢(shì)。例如,針對(duì)氣液兩相

5、流流量測(cè)量林宗虎,王棟等1提出分流分相的氣液兩相流體的測(cè)量方法,最終測(cè)量誤差小于5%,效果比較理想;胡俊介紹了一種基于壓差法的V形內(nèi)錐式流量計(jì),結(jié)果表明利用該流量計(jì)采用經(jīng)典的林宗虎模型對(duì)流型進(jìn)行檢測(cè)是可行的2。對(duì)此本文針對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于流量的測(cè)量方法與流型的檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)展,做了分析與評(píng)述。1流量測(cè)量技術(shù)1.1傳統(tǒng)分離式流量測(cè)量技術(shù)根據(jù)測(cè)量過(guò)程中是否對(duì)兩相流分離可將氣液兩相流流量測(cè)量技術(shù)分為分離法和非分離法。傳統(tǒng)的分離法應(yīng)用分離設(shè)備將汽液混合物分離成單相氣體和液體后,再通過(guò)普通單相流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量。常用的單相流量測(cè)量?jī)x器有差壓流量計(jì)、渦街流量計(jì)、文丘里管、孔板式流量計(jì)、靶式流量計(jì)、節(jié)流原件等。對(duì)于傳統(tǒng)

6、的分離方法雖然有著穩(wěn)定性強(qiáng),測(cè)量精度高、測(cè)量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)但是其體積龐大,造價(jià)過(guò)高,造成其經(jīng)濟(jì)性較差。1.2多流量計(jì)測(cè)量因流量計(jì)的指示值不僅與各相流量有關(guān),還與兩相流體的干度相關(guān),因此在更多的情況下,采用兩種不同特性的流量計(jì)組合測(cè)量。例如:節(jié)流元件-多孔動(dòng)壓探針(笛形管,孔板-文丘里管,靶式流量計(jì)-渦輪流量計(jì),文丘里管-渦輪流量計(jì),垂直上升壓差-垂直下降壓差。該方法裝置簡(jiǎn)單,但測(cè)量范圍小,受到具體流型的制約。近些年對(duì)單個(gè)流量計(jì)與射線流量計(jì)組合研究更加深入。例如,射線-渦輪流量計(jì)13,射線-文丘里管14,微波-文丘里管14,這種方法克服了流型變化對(duì)流量測(cè)量的影響。1.3分流分相法前以述及分流分相的

7、氣液兩相流測(cè)量方法,其原理是通過(guò)分流分相的方法,從被側(cè)兩相流體中成比例的分流、分離出一定份額的單相氣體和單相液體,經(jīng)單相流量計(jì)計(jì)量后根據(jù)比例關(guān)系確定出兩相流體的各相流量。圖1是分流分相法的原理圖。被測(cè)兩相流體流過(guò)分配器時(shí)被分成兩部分:一部分兩相流體(80%95%沿原通道繼續(xù)向下游流動(dòng),稱這部分流體為主流體,這一支路為主流體回路;另一部分兩相流體(5%20%則進(jìn)入了分離器,稱這部分流體為分流體,這一支路為分流體回路.分流體經(jīng)分離器分離后,氣體和液體分別進(jìn)入氣體流量計(jì)和液體流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量,最后又重新與主流體匯合1。圖1 分流分相法原理圖Fig1 principle of extracting an

8、dseparating與分離法相比,該方法流經(jīng)分離器的流量?jī)H為原來(lái)的(5%20%,所以體積比原來(lái)小很多,其體積等同與單相流量計(jì)的體積。根據(jù)分配器結(jié)構(gòu)不同可以分為“T”型三通管式非配器3,4、取樣管型非配器5、轉(zhuǎn)鼓分配器6、旋流分配器。1.4超聲波法超聲波測(cè)速原理基于超聲波在靜止流體中的傳播速度不同,即對(duì)于固定坐標(biāo)系來(lái)說(shuō),超聲波傳播速度與流體的流速有關(guān)15,16。清華大學(xué)王鐵峰,王金福等23在超聲多普勒測(cè)速儀在液-固和氣-液兩相測(cè)量應(yīng)用中指出超聲多普勒測(cè)速儀實(shí)現(xiàn)了非接觸式測(cè)量,并且能得到瞬態(tài)速度的空間分布17。由于超聲波測(cè)得的是流體的流速,故通常是與密度計(jì)結(jié)合,用于測(cè)量流體的質(zhì)量流量。2流型檢測(cè)

9、技術(shù)氣液兩相流流型的檢測(cè)技術(shù)對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用起著非常重要的作用。通過(guò)控制流動(dòng)參數(shù)可以避免有害流型的出現(xiàn),保證設(shè)備安全運(yùn)行。目前流型檢測(cè)方法包括信號(hào)特征分析法、層析成像法、高速攝影法等前處理方法,以及小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等后處理方法。2.1特征信號(hào)分析法特征信號(hào)分析法指通過(guò)分析傳感器的隨機(jī)信號(hào)特征來(lái)進(jìn)行流型識(shí)別。接收這些信號(hào)的傳感器主要包括電學(xué)、光學(xué)、熱膜、差壓和射線傳感器等。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展新型探針的應(yīng)用,氣液兩相流的測(cè)量變得更加切實(shí)可行,比如光纖探頭、電導(dǎo)探頭、熱膜探頭等。電導(dǎo)探頭是通過(guò)測(cè)量探頭針尖處流體導(dǎo)電性的變化來(lái)確定該點(diǎn)的介質(zhì)分布,進(jìn)而確定流型的。光纖探頭測(cè)量方式與電導(dǎo)探針類似,不同之

10、處在 于光導(dǎo)探頭是通過(guò)測(cè)量流體在探頭針尖處對(duì)光強(qiáng)度的影響來(lái)反應(yīng)在改點(diǎn)的介質(zhì)分布,從而確定流型。熱膜探頭20是通過(guò)熱膜不同位置處被氣液兩相流帶走的熱量不同,而確定其流型的。因?yàn)榻佑|式探頭都是直接定位在流體上,因此都能較準(zhǔn)確地反應(yīng)改點(diǎn)的流體特征。但由于探針的存在影響了流型,長(zhǎng)時(shí)間雜質(zhì)的積累也會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差,加之所處環(huán)境惡劣傳感器極易損壞。2.2壓差法差壓法,也稱壓差法,壓差波動(dòng)法是通過(guò)采集氣液兩相流動(dòng)的壓差信號(hào),并對(duì)壓差信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的流型識(shí)別方法。這種壓差信號(hào)是由于管內(nèi)局部點(diǎn)上氣、液介質(zhì)的交替出現(xiàn)而產(chǎn)生的。對(duì)獲得的信號(hào)進(jìn)行分析處理,再與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合,可以對(duì)流行實(shí)現(xiàn)客觀的智能識(shí)別。其中對(duì)于噪聲的

11、處理采用小波包技術(shù),后面將述及。2.3過(guò)程層析成像法層析成像(Tomography也稱計(jì)算機(jī)層析成像(Computerized Tomography簡(jiǎn)稱CT,指在不影響測(cè)量對(duì)象內(nèi)部特征的條件下,從外部獲得的測(cè)量對(duì)象不同方向的投影數(shù)據(jù),然后通過(guò)計(jì)算機(jī)重建測(cè)量對(duì)象內(nèi)部的二維/三維圖像。過(guò)程層析成像(Process Tomography,簡(jiǎn)稱PT技術(shù)主要以工業(yè)過(guò)程尤其是兩相流和多相流為檢測(cè)對(duì)象12,具有非接觸性與實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn),其結(jié)構(gòu)圖可參見(jiàn)圖2。依據(jù)傳感器測(cè)量原理,PT分為X 射線、射線層析成像,超聲波層析成像,電容、電阻、電磁、電感層析成像等。電容層析成像(ECT技術(shù)是PT 技術(shù)中較早被研究的一種

12、技術(shù),它利用多相介質(zhì)具有不同介電常數(shù),通過(guò)電容傳感器獲得介電常數(shù)分布而獲得介質(zhì)分布的圖像,具有簡(jiǎn)單、成本低、非侵入等特點(diǎn)。例如,邵曉寅在電容層析成像技術(shù)在氣液兩相流檢測(cè)中的應(yīng)用研究,王雷,冀海峰,黃志堯等在電容層析成像中的研究17.圖2 過(guò)程層析圖像系統(tǒng)構(gòu)成12Fig2 structure of PT system電阻層析成像(ERT的原理是基于不同的媒質(zhì)具有不同的電導(dǎo)率,判斷出處于敏感場(chǎng)中的物體電導(dǎo)率分布。如董峰,劉小平,鄧湘等在電阻層析成像技術(shù)上的研究19許聰在電阻與超聲雙模態(tài)油氣水多相流測(cè)量方法研究。皆證明了層析成像法具有良好的分辨力。2.4高速攝影法高速攝影法就是利用高速照相機(jī)或攝像機(jī)

13、,通過(guò)透明管段或透明窗口拍攝流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),再利用計(jì)算機(jī)獲取拍攝到圖片對(duì)典型的流型圖像進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)處理,使得敏感對(duì)比更加信命,噪聲盡量減小,以于特征的提取17。但高速攝影法存在兩個(gè)問(wèn)題:一個(gè)問(wèn)題是由于多相流具有復(fù)雜的界面,易產(chǎn)生相對(duì)多重的反射或和折射而影響成像清晰度。另一個(gè)問(wèn)題是由于采用高速攝影,所得信息太多,因而又帶來(lái)了分析或處理這些數(shù)據(jù)的困難16,18。2.5小波分析法小波包分析(wavelet packet analysis簡(jiǎn)稱小波分析,能夠?yàn)樾?號(hào)提供一種更加精細(xì)的分析方法,它將頻帶進(jìn)行多層次劃分,對(duì)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)地選擇相應(yīng)頻帶

14、,使之與信號(hào)頻譜匹配,從而提高了時(shí)-頻分辨率,因此小波包具有更廣泛的應(yīng)用價(jià)值17。如周云龍等在小波分析方面做了細(xì)致的研究10,11。陳珙、黃志堯等同樣闡述了了一種基于小波分析進(jìn)行水平管氣液兩相流流型的辨識(shí)方法7。該方法以測(cè)試管段的管程壓降的波動(dòng)為測(cè)量信號(hào),通過(guò)對(duì)于其小波變換結(jié)果分析,根據(jù)不同流型能量分布的定量指標(biāo)確定了流型判別規(guī)則。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種方法能有效地事項(xiàng)對(duì)水平管層狀流、波狀流,塞狀流等四中典型流型在線辨別2.6神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別法BP(Back Propagation神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是二十世紀(jì)八十年代由Rumelhart 和McCelland為首的科學(xué)家小組提出,是一種按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前

15、饋網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)對(duì)網(wǎng)格的訓(xùn)練,該系統(tǒng)可以自動(dòng)識(shí)別流型,并具有較高的抗干擾能力。但是該方法輸入節(jié)點(diǎn)過(guò)多、訓(xùn)練困難、對(duì)外部噪聲敏感8。因此,王妍芃,林宗虎9提出了一種改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在流型判別中的應(yīng)用方法,并得出該方法具有很強(qiáng)的自學(xué)性、自適應(yīng)性和容錯(cuò)性的結(jié)論。在該方法的基礎(chǔ)上又衍生出Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。例如,王強(qiáng),周云龍,程思勇等提出的基于小波和Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的氣液兩相流流型識(shí)別方法。Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在BP網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上,提高了系統(tǒng)適應(yīng)時(shí)變特性的能力,具有更好地識(shí)別效果10。在Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的基礎(chǔ)上又衍生出與其它方法結(jié)合后的優(yōu)化方法。例如,周云龍,王強(qiáng),孫斌等9提出基于希爾伯特黃變換(H

16、HT與Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的氣液兩相流流型識(shí)別方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法能能較好的識(shí)別水平管內(nèi)四種基本流型。此外還有概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)等。概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(PNN21是Specht在1988年首次提出,是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、訓(xùn)練簡(jiǎn)潔、應(yīng)用廣泛的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)(RBF是根據(jù)人腦皮層中具有局部調(diào)節(jié)和交疊的感受域提出的,又稱局部感受域神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,學(xué)習(xí)速度極快等特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)四種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的比較,發(fā)現(xiàn)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有顯著特點(diǎn),即能克服傳統(tǒng)流型識(shí)別方法主觀性的特點(diǎn)。關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法的研究近年來(lái)呈現(xiàn)出迅速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì),其他科研人員的研究不再贅述。由此可見(jiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法檢測(cè)氣液兩相流流

17、型,將是未來(lái)流型檢測(cè)的一個(gè)極為重要的方向。除此之外還包括混沌理論、復(fù)雜理論等流型檢測(cè)方法17,24,在此也不再贅述。3結(jié)束語(yǔ)通過(guò)對(duì)各個(gè)氣液兩相流動(dòng)參數(shù)測(cè)量方法的分析,一種良好的測(cè)量技術(shù)或檢測(cè)方法必須具有成本低、應(yīng)用范圍廣、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、系統(tǒng)工作可靠、安全等特點(diǎn)。在流量測(cè)量方面多種方法綜合使用或分流分相法,以及對(duì)這些方法的優(yōu)化將是未來(lái)研究的熱點(diǎn)。在流型檢測(cè)方面,對(duì)層析成像法、信號(hào)處理的各個(gè)發(fā)法的深入研究,以及對(duì)各個(gè)模型的優(yōu)化和組合利用的是目前的趨勢(shì)。參考文獻(xiàn):1王棟,林宗虎. 氣液兩相流體流量的分流分相測(cè)量法J. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2001,05:441-444. 2胡俊,董峰. 基于V型內(nèi)錐流量計(jì)

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