小管道气液两相流参数测量与状态监测的研究

发布时间：2020-06-16 11:51

【摘要】：随着微加工技术和新型材料技术的发展,许多工业设备逐渐呈现出微型化、小型化趋势,例如微小型反应器、热交换器以及分离系统等。小管道气液两相流广泛存在于这些微小型化工业设备中。因此,针对小管道气液两相流参数测量与状态监测的研究具有重要的科研意义与工业应用价值。然而现有的针对小管道气液两相流的研究尚不充分,对参数测量与状态监测中涉及的检测方法与信息处理方法的探索还有待加强。本文对小管道气液两相流的流动特性进行了研究,结合多种传感技术与信息处理方法,提出流型辨识、相含率测量以及状态监测新方法。本学位论文的主要工作与创新点如下:1.针对小管道气液两相流的流动特性,设计了一种适用于小管道气液两相流参数测量的光电二极管阵列传感器,并对该传感器结构与传感单元数量进行了优化。优化后的阵列传感器具有轴对称分布的24个光电二极管传感单元,能够有效地获取较大范围内光学信号的强度分布。同时该传感器还具有结构简单、成本低等优点。初步实验结果表明本文设计的阵列传感器是有效的,该传感器获得的光学信号能够有效地反映管道内两相流相分布,将其应用于气液两相流的参数测量是可行的。2.基于所研制的阵列传感器,提出了一种适用于小管道气液两相流的流型辨识新方法。该方法利用阵列传感器采集光学信号,通过主成分分析(PCA)对光学信号进行降维处理并提取光学信号的特征向量(由均值与标准差组成),最后采用Fisher判别分析(FDA)建立的流型分类器进行流型辨识。为提高流型辨识准确率,本文还引入电容耦合式非接触电导测量(C~4D)传感器对两相流进行流型辨识,然后利用多传感器信息融合技术对两种传感器获得的辨识结果进行融合。实验结果表明本文提出的基于阵列传感器的流型辨识方法是有效的,在内径为1.08mm,2.16mm,3.04mm和4.22mm的管道内,流型辨识准确率分别为82.4%,88.0%,84.8%和91.1%。实验结果还表明基于信息融合技术的流型辨识方法有效地提高了辨识准确率,四种管径内辨识准确率分别提高至94.1%,96.0%,90.9%和94.3%。3.基于光电二极管阵列传感器与双目视觉技术,提出了两种相含率测量新方法。基于阵列传感器的相含率测量方法利用该传感器采集光学信号,然后提取光学信号特征向量,最后根据流型辨识结果选择相应相含率测量模型进行相含率测量。本文采用最小二乘支持向量机(LS-SVM)为每种典型流型建立测量模型。基于双目视觉技术的相含率测量方法采用单个高速相机结合反射棱镜同时获取小管道气液两相流水平与垂直两个方向的图像,然后通过图像处理方法获得两个方向的气液相分布从而实现相含率测量。实验结果表明本文提出的两种相含率测量方法均是有效的。基于光学阵列传感器的相含率测量方法在内径为1.08mm,2.16mm,3.04mm以及4.22mm的管道内,相含率测量的最大绝对误差分别为10.0%,6.62%,9.22%以及5.89%。基于双目视觉的相含率测量方法在内径为2.16mm,3.04mm和4.22mm的管道内,相含率测量的最大绝对误差分别为5.20%,5.81%以及5.88%。4.采用压力传感器,红外相机以及高速相机对小管道流动沸腾状态进行了监测,并对沸腾时的气泡生长特性进行了研究。小管道采用截面尺寸为0.8mm ×8mm的方形管道,流体介质为蒸馏水。实验结果表明由于沸腾状态的不同,管内流体沸腾时的压降与过热温度具有较强的不稳定性与周期性。同时,实验结果还表明方形管道对气泡生长过程有明显的限制作用,管道的厚度以及宽度对气泡的限制作用分别体现在气泡等效半径以及长宽比上。相较于已报道的二阶段气泡生长模型,本文根据气泡等效半径与长宽比的变化,将蒸馏水气泡生长情况分为三个阶段:自由生长阶段、部分受限阶段与完全受限阶段。5.对体积分数为5%的乙醇-水混合溶液的流动沸腾状态进行了研究,对比了蒸馏水与混合溶液的气泡生长特性。实验结果表明,混合溶液的气泡生长过程没有明显的阶段分布且受到管道限制作用较小,与蒸馏水的气泡生长过程有较大不同。本文针对混合溶液与蒸馏水沸腾特性的不同,对混合溶液中介质的潜热、热容、挥发性以及扩散速度等进行了研究。研究结果表明,在气泡生长前期,由于乙醇更强的挥发性以及更低的潜热与热容,使得混合溶液气泡生长速度较蒸馏水更快,受到管道尺寸的限制也较小;在气泡生长后期,随着气泡周围乙醇浓度的降低,气泡生长过程开始受到扩散速度的限制,使得混合溶液气泡生长速度逐渐减小并趋向于蒸馏水的生长情况。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O359;TP212
【图文】：

示意图,高速摄像,高速相机,压力罐

像进行处理获得管道内部气液相界面分布，从而实现相含率测量。因此利用高速逡逑摄像法进行小管道气液两相流相含率测量受到了众多研究工作者的重视。逡逑Ｃｈｅｎ等人［１２１采用如图１．１所示的高速摄像法测量装置，对内径为１．００ｍｍ与逡逑１．５０ｍｍ管道内的氮气－水两相流进行研究。测量装置主要包括高速相机、光源以逡逑及透明测试管段。他们对获得的流动图像进行分析，获得了气液两相流流型图，逡逑并且构建了气泡移动速度与相含率之间的关系式。Ｔｒｉｐｌｅｔｔ等人［１６力］利用高速摄逡逑像法对小管道气液两相流相含率测量进行研究。他们分别在圆形管道（内径为逡逑１．１ｍｍ与１．４５ｍｍ）与半三角管道（水力直径为１．０９ｍｍ与Ｌ４９ｍｍ）中针对泡状逡逑流与段塞流进行相含率测量实验。逡逑？逡逑0逦ｒ——逡逑１逦０③邋ｊ逡逑ｒ＼逦？逦＾逡逑＾邋、——逡逑ｒＨ逦，逦＿逡逑１逡逑图１．１高速摄像法参数测量实验装置示意图（１光源，２高速相机，３储液逡逑罐，４电子天平，５入水口，６压力罐）［４１］逡逑由于高速摄像法只能获取气液两相流单个方向的图像信息，在进行相含率测逡逑量的过程中，需要对气液相界面进行一定的近似。Ｓｅｒｉｚａｗａ与Ｒｅｚｋａｌｌａｈ等人［Ｕ，４Ｑ＿逡逑４２］在利用高速摄像法进行相含率测量时，将段塞近似为一个两端有半球盖的圆柱逡逑体

示意图,段塞,气泡,示意图

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