CN1635369A - 一种气液两相流流型快速在线识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于多相流检测技术领域。本发明主要内容是利用电容层析成像装置采集反映气液两相流介质分布的电容信息，根据流型的几何形状特征，对采集的电容数据分别进行计算，得到不同流型下R₁，R₂，R₃，R₄四个流型识别参数及变化规律，同时提出了利用这四个参数的变化规律进行流型识别的判别准则。它解决了现有技术存在的重建图像模糊、图像重建过程复杂、运算量大、实时性差等缺点。本发明简便易行，计算量小，对于层状流、环状流、核心流以及塞状流均具有较高的识别准确率，满足工业在线运行需要。

Description

一种气液两相流流型快速在线识别方法

(一)技术领域

本发明涉及一种气液两相流流型快速在线识别方法，属于多相流检测技术领域。

(二)背景技术

气液两相流的研究是随着工业技术的需要而发展起来的。在实际工业两相流系统应用过程中，两相流流型的不同，不但影响两相流的流动特性、传热和传质性能，而且影响系统运行的可靠性和效率。两相流流型的在线识别对生产过程的监控和故障诊断等均具有重要意义。同时，对于两相流其他参数的测量也往往依赖于对流型的了解。因此流型是两相流系统中具有重要工程意义的基本参数之一，一直是两相流研究中的一个重要方向。

电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography，简记ECT)技术是20世纪末期发展起来的一种两相流参数检测新技术。电容层析成像系统一般由三部分组成：传感器、数据采集控制单元和图像重建计算机。对于12电极系统，阵列式电容传感器各电极两两相互组合可获得66个独立电容测量值。为了减小系统噪声对计算结果的影响，一般使用归一化后的电容值如下式，

$C_{\mathrm{ij}}=\frac{C_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{meas}}-C_{\mathrm{ij}}^{\min }}{C_{\mathrm{ij}}^{\max }-C_{\mathrm{ij}}^{\min }}$

其中C_ij表示归一化后的电容值，C_ij ^max与C_ij ^min分别为满管和空管时的电容值。

ECT技术用于两相流流型的识别主要通过如下途径：首先利用ECT传感器获取两相流介质分布的电容信息，再通过图像重建得到两相流的介质分布图像，通过观察或者通过对重建图像的进一步处理，得到两相流的流型信息。但是由于ECT传感器所能获取的信息量有限，导致ECT图像重建是一个欠定的病态方程的求解过程，虽经国内外学者的多年努力，ECT图像重建问题仍未很好解决，所得图像还较模糊，只能定性地描述两相流的介质分布状况，同时由于图像重建过程计算复杂，运算量大，实时性还较差，因此ECT流型识别的在线应用还不多。

(三)发明内容

为了解决现有技术存在的重建图像模糊、图像重建过程计算复杂、运算量大、实时性差的缺点，本发明设计了一种气液两相流流型快速在线识别方法。本发明的主要内容是利用电容层析成像装置采集两相流介质分布的电容信息，不走图像重建的技术路线，而是利用两相流经过的管道绝大多数为圆形的特点，根据流型的几何形状特点，通过对两相流介质分布的电容信息的处理，进而得到管道中的流型信息。

本发明是由如下技术方案实现的：

图1给出了一个12电极电容层析成像系统的传感器横截面图。图中标有1～12的是紧贴在绝缘管道外壁上均匀分布的12个铜箔电极，9号电极位于正上方，3号电极位于正下方。管道中流动的是气液两相流，13是气相，14是液相。

在水平管层状流中，由于重力作用，液体在管道的下方分布，气体在上方分布，气相和液相对各电极的影响因此具有一定的规律可寻，如果以穿过6号和12号电极的直径为界的话，液相对于1～5号电极的作用要大于对7～11号电极的作用，而对于核心流与环状流，这种作用会是对称的，因此可以利用这种规律来判断流型。

本发明的操作步骤如下：

(1)先用电容层析成像装置采集反映气液流动状态的两两电极间的电容数据，并对采集的电容数据进行归一化处理。

(2)根据流型的几何形状特点，对采集的电容数据分别进行计算，得到不同流型下R₁，R₂，R₃，R₄四个流型识别参数：

$R_1=\frac{\underset{\underset{i\≠j}{i,j=7}}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ij}}}{\underset{\underset{i\≠j}{i,j=1}}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ij}}};$ $R_2={\left(\frac{1}{9}\underset{\stackrel{i=1}{j=i+2}}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}{(C_{\mathrm{ij}}-\stackrel{\‾}{C_{\mathrm{ij}}})}^2\right)}^{\frac{1}{2}};$

$R_3=\frac{1}{10}\underset{\stackrel{i=1}{j=i+2}}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ij}};$ $R_4=\frac{1}{6}\underset{\stackrel{i=1}{j=i+6}}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{i,j}.$

在上述公式中，R₁反映了液相介质对位于上半部电极对的作用程度与位于下半部电极对的作用程度的差异；R₂反映了流体沿管壁方向的规则程度；R₃反映了流体沿管壁方向的分布密度大小；R₄反映了管道中液相介质的多少。

当三种流型在液相介质占据传感器的管截面95％以上的空间时，三个指标将趋于一致，理论上在达到满管时交于同一点。因此在接近满管的情况下，三种流型的判别将变得很困难，为了解决这种困难，将液相介质分布超过95％管截面时，定义为准满管，不再区分三种流型，这比将其分成三种典型流型中的任何一种更符合实际观察结果，同时将有利于提高除此之外的流型辨别准确度。同理，在液相介质分布不足5％管截面时，定义为准空管。以上假设情况，利用ECT重建的图像也很难进行分辨，其他流型识别方法在以上两种情况下的识别也较困难。

(3)由此得到流型识别准则，流型识别准则示意图如图2所示，

①当R₁＞0.998，且R₄＜0.495时，则该流型为准空管；

②当R₁＞0.998，且R₄＞0.545时，则该流型为准满管；

③当R₁＜0.998，且0.495＜R₄＜0.545时，流型将分别识别为层状流、环状流或核心流。

(i)当R₁＜0.930；或者R₁＞0.930且R₂＞0.300，则该流型为层状流。

(ii)当R₁＞0.930，且R₂＜0.300时分为两种情况：当R₃＞0.670时，该流型为环状流；当R₃＜0.670时，则为核心流。

④准满管、准空管、层状流与环状流的个数分别进行统计，在一定时间内如果出现以下情况：

(i)准空管与准满管交替出现；

(ii)准满管与层状流交替出现；

(iii)准满管与环状流交替出现；

则识别为塞状流。

本发明避免了图像重建，因此速度快。另外，本发明方法简单易行，计算量小，对于层状流、环状流、核心流以及塞状流均有较高的识别准确率，满足工业在线运行需要。

(四)附图说明

图1是ECT传感器横截面示意图。图中1～12电极，13气相，14液相。

图2是流型识别准则示意图。

图3是动态实验数据图示。

(五)具体实施方式

下面结合实例对本发明的方法作进一步的说明。

实施例1

利用本发明的流型识别新方法进行了动态在线实验，液相介质为柴油，气相介质为空气。

为了直观起见，利用ECT重建图像作为参照。图像重建算法采用经典的反投影算法，如下式，

$G\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=i+1}{\overset{12}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\frac{C_{\mathrm{ij}}{s}_{\mathrm{ij}}\left(k\right)}{\underset{m=1}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=m+1}{\overset{12}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{\mathrm{mn}}\left(k\right)}\right\}$

其中，G(k)表示第k个像素内介质的介电常数，即灰度值，C_ij为电极i和电极j间的归一化测量电容值，s_ij(k)为第k个像素对应于电极对(i，j)的相对灵敏度。

选取典型流型数据举例如图3示，判别参数及识别结果如表1所示。

表1结果表明，在动态下该方法识别效果良好。

             表1动态实验识别结果

图像     R₁        R₂        R₃    辨识结果

(a)    0.6249     1.7882     0.6435    层状流

(b)    0.6373     1.5010     0.7370    层状流

(c)    0.5917     1.9845     0.7156    层状流

(d)    0.7631     0.7391     0.9023    层状流

(e)    0.9818     0.1119     0.6881    环状流

(f)    0.9533     0.1725     0.7104    环状流

(g)    0.9629     0.1491     0.7089    环状流

(h)    1.0025     0.1066     0.6941    环状流

在实验过程中，对准满管、准空管、层状流与环状流的个数分别进行统计，也能将塞状流识别出来。

Claims (1)

1、一种气液两相流流型快速在线识别方法，其特征是操作步骤如下：

(1)首先用电容层析成像装置采集反映气液流动状态的两两电极间的电容数据，并对采集的电容数据进行归一化处理，然后

(2)根据流型的几何形状特点，对采集的电容数据分别进行计算，得到不同流型下R₁，R₂，R₃，R₄四个流型识别参数

$R_1=\frac{\underset{\underset{i\≠j}{i,j=7}}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ij}}}{\underset{\underset{i\≠j}{i,j=1}}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ij}}},$ $R_2={\left(\frac{1}{9}\underset{\underset{j=i+2}{i=1}}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}{(C_{\mathrm{ij}}-\stackrel{\‾}{C_{\mathrm{ij}}})}^2\right)}^{\frac{1}{2}},$

$R_3=\frac{1}{10}\underset{\underset{j=1+2}{i=1}}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ij}},$ $R_4=\frac{1}{6}\underset{\underset{j=1+6}{i=1}}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{i,j};$

(3)利用R₁，R₂，R₃，R₄四个参数的变化规律，得到在线识别气液两相流流型的识别准则，即

①当R₁＞0.998，且R₄＜0.495时，则该流型为准空管；

②当R₁＞0.998，且R₄＞0.545时，则该流型为准满管；

③当R₁＜0.998，0.495＜R₄＜0.545时，流型将分别识别为层状流、环状流或核心流；

(i)当R₁＜0.930；或者R₁＞0.930且R₂＞0.300，则该流型为层状流；

(ii)当R₁＞0.930，且R₂＜0.300时分为两种情况：当R₃＞0.670时，该流型为环状流；当R₃＜0.670时，则为核心流；

④对准满管、准空管、层状流与环状流的个数分别进行记数，如果出现以下情况：

(i)准空管与准满管交替出现；

(ii)准满管与层状流交替出现；

(iii)准满管与环状流交替出现；

则识别为塞状流。

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