气液两相流

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气液两相流

气液两相流流型识别理论的研究进展摘要：介绍了气液两相流的识别理论，探讨了气液两相流流型的划分方法。

叙述了两相流流型软测量方法，并重点介绍了图像处理识别、在线流型技术识别、神经网络、基于压差波动理论、混沌理论等识别流型的新方法。

关键词：气液两相流；流型识别0 引言相的概念通常是指某一系统中具有相同成分及相同物理、化学性质的均匀物质成分，各相之间有明显可分的界面。

从宏观的角度出发，可以把自然界的物质分为三种，即:气相、液相和固相。

单相物质的流动称为单相流，如气体流或液体流。

所谓两相流(Two-Phase Flow)或多相流(Multiphase Flow)是指同时存在两种或多种不同相的物质的流动。

近年来随着国内外石油和天然气工业的发展，迫切需要开发出精度较高的油气水三相流量在线测量仪，以便掌握各个油井的生产动态。

然而，多年来尽管在这方面进行了大量的研究工作，取得了一些进展，但是仍然没有彻底清晰地认识和了解油气水三相混合物的流动型态。

在现今的多相流检测技术领域中，流型的识别问题变得越来越重

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要。

1 两相流流型由于存在一个形状和分布在时间和空间里是随机可变的相界面，而相间实际上又存在一个不可忽略的相对速度，致使流经管道的分相流量比和分相所占的管截面比并不相等。

这就导致了两相流动结构多种多样，流型十分复杂。

流型是影响两相流压力损失和传热特性的重要因素。

两相流各种参数的准确测量也往往依赖于对流型的了解。

因此为了对两相流的特征参数进行测量，必须了解它们的流型。

1.1 垂直上升管中气液两相流流型（1）、泡状流（Bubbly Flow）：气泡以不同尺寸的小气泡形式随机离散分布在流动的液体中。

显然，此时气体为离散相，而液体为连续相。

随着气速的增加，气泡尺寸会不断增大。

（2）、段塞流（Slug Flow）：在气泡流动中当气泡的浓度增高时，气泡聚合为直径接近于管内径的塞状或炮弹状气泡，气泡前端部分呈现为抛物线形状。

在这些塞状气泡之间可带有小气泡的液团。

当气泡快速上升时，液体在气泡与管内壁间的间隙中流动。

（3）、混状流（Churn Flow）：当气泡速度进一步增大时，段塞流中的气泡速度也随之增加并产生破裂、碰撞、聚合和变形，与液体混合成为一种不稳定的上下翻滚的湍动混合物。

此时气液两相界为离散相。

---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ （4）、环状流（Annular Flow）：液流沿着管道的内壁形成一层液体薄膜，而气流则在管道中央流动。

这样，气液两相都变成了连续相。

不过，在这种情况下，管道中央的气体通常还夹带着一些液滴一起流动。

（5）、液丝环状流（Wispy－Annular Flow）：当气液两相流为环状流时，继续增加液相流量，管壁的液膜将加厚且含有小气泡，中心的液滴浓度增加，被中心

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部分气核从液膜带走的液滴在气核内形成不规则的长纤维形状[1]。

1.2 水平管道气液两相流模型由于重力影响造成了水平管道内流动的不对称性，使得其与垂直管道流型有所不同，我们根据Oshinowo 流型划分原则把水平管道中的流型划分六种，即泡状流、塞状流、分层流、波状流、弹状流、环状流。

2 两相流流型软测量方法综述许多研究者根据实验研究和理论推导得到了流型划分的流型图及流型转换判据，但由于实验条件限制，得到的结果通用性差无法实现流型参数的在线识别。

在使用各种仪器设备对管道内的两相流体进行测量的过程中，人们可以使用观察法、高速摄影等方法直接对流型进行辨识，也可以通过对反映两相流流动特性的波动信号进行处理分析提取出流型特征进而进行流型辨识，我们主要讨论后者的发展概况。

a、频域处理方法早在 1966 年 Hubbard 和 Dukler 就将水平管道气液两相流压力信号的功率谱分析结果用于流型判别，Matuskiewicz 等利用功率谱密度的方法对气液两相流中从泡状流到段塞流流型进行了预测。

功率谱密度分析方法的一个关键问题是功率谱密度分布不完全取决于流型，与流体混合速度的关系较大。

b、幅值域处理方法幅值域的处理指对信号幅度进行统计处理，所给出的结果可以反应信号幅变化的分布规律。

常用的参数有概率密度函数、方差、均值等。

由于气液两相流参数直接影响着流动信号的统计特性。

---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 对于测量获得的气液两相流体系中的常规信号，比如局部空隙率、压力、压差信号及电导、电容信号在幅值域上进行统计处理往往可以实现对流型、空隙率等流动参数的检测估计。

c、非线性分析方法对于具复杂性、不确定性且难以用数学模型精确描述的两相流流型辨识问题，众多学者引入现代信息处理方法通过非线性特征量表征两相流流型。

d、信息融合方法除了以上信号处理方法外，在气液两相流流型判别中，也有研究者应用模糊信息处理、模式识别和人工神经网络等软测量手段对两相流流型进行了辨识。

采用信号处理的方法辨识两相流流型，避免了复杂的机理分析，但特征量的提取方法仍存在很多问题，一种信号处理方法不能解决不同测量对象及不同工况条件下的所有流型辨识问题；一些非线性特征量计算量大，提取并非容易，这也限制了该方法的实时性和推广应用；此外一些算法本身的鲁棒性及全局收敛性仍有待于进一步研究；对于复杂过渡流型缺乏效果明显的判别方法[2]。

3 流型识别的新方法 3.1 基于图像处理流型识别根据图像灰度直方图统计特征,提出了一种基于图像处理和改进支持向量机相结合的气液两相流流型识别的新方法。

该方法是应用高速摄像机在气液两相流试验台上获取 7 种典型流型的图像,经过图像处理,对图像进行灰度直方图统计特征提取构成特征矢量,作为流型样本对改进支持向量机进行训练与识别。

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