氣液兩相流動結構復雜性分析.pdf

1、兩相/多相流廣泛存在于自然界及石油化工、能源動力、航空航天、生物醫(yī)藥、食品加工等工業(yè)過程中。由于其相間的相互作用及隨機可變的相界面分布，形成了兩相/多相流復雜的非線性、非平穩(wěn)性特征，以及復雜的時間演化和空間分布特征，使得兩相/多相流的研究十分復雜和困難。采用傳統(tǒng)的研究、分析方法至今無法準確描述兩相/多相流的流型演化機理及動力學特性等問題。兩相/多相流的復雜性是其非線性及非穩(wěn)定性的本質特征，復雜性理論的提出為研究兩相/多相流動特性提供了新

2、思路和新途徑。
　　課題研究工作以水平管氣液兩相流為對象，在采集流動過程的平均及局部流場電導陣列傳感器測試信號的基礎上，分別從混沌特性、系統(tǒng)結構復雜性、多尺度復雜性角度，對兩相流的復雜性進行討論和分析。同時，基于熵測度和非平衡理論構建兩相流復雜性模型，研究定量分析兩相流復雜性的方法。論文主要研究工作包括：
　　（1）在對氣液兩相流動過程特性及測試信號特點分析的基礎上，對兩相流在相空間中的混沌特性及基于0-1混沌測試方法的非相

3、空間中的混沌特性進行了討論，驗證了兩相流是一個混沌系統(tǒng)，從而為研究兩相流的復雜性提供理論基礎。
　?。?）針對氣液兩相流在頻域上的結構復雜性，提出一種基于頻帶因子和傅里葉功率譜熵的多尺度頻譜熵研究兩相流的結構復雜性的方法。通過頻帶因子的滑動，改變信號的分析頻率，計算不同頻帶因子下的功率譜熵，進而分析兩相流的頻率結構及功率譜隨著頻帶因子的改變發(fā)生的變化。通過分析波狀流、塞狀流和彈狀流3種流型的多頻帶譜熵，發(fā)現(xiàn)3種流型的電導波動信號隨

4、著頻帶因子的不同表現(xiàn)出相異的多頻帶譜熵特征，能有效指示3種流型的結構復雜性變化。多頻帶譜熵平均值具有較強的流型識別能力，為流型識別提供一種新的準則。
　　（3）針對氣液兩相流動結構具有多尺度及多樣性，提出一種基于粗粒化過程和譜熵結合的多尺度譜熵研究兩相流多尺度復雜性的算法，該算法將兩相流波動信號中的頻率成分從高頻到低頻逐漸濾除后分析兩相流在不同頻率尺度上的頻率結構或頻譜分布的復雜性，并將其用于泡狀流、塞狀流和彈狀流的多尺度復雜性分

5、析。研究發(fā)現(xiàn)，3種流型中泡狀流頻域能量譜結構最復雜，所含頻率成分多，頻域復雜度高；而塞狀流頻域結構相對簡單，復雜性最低。與兩相流的小波能量熵和基于EMD分解的IMF能量熵相比，多尺度譜熵對于具有不同流動動力學特性的兩相流型具有更高的識別能力，能夠有效分析兩相流的復雜性。
　?。?）針對氣液兩相流流動結構復雜性定量分析方法問題，將熵測度與統(tǒng)計理論相結合，提出基于排列熵和Tsallis熵的兩相流復雜性模型，并利用離差加權法修正模型中的

6、非平衡度。以Logistic映射為例驗證了兩相流復雜性模型用于分析非線性系統(tǒng)復雜性的可行性和有效性；將兩相流復雜性模型用于定量分析泡狀流、塞狀流和彈狀流的復雜度，研究結果表明兩種復雜性模型都能較好反映兩相流的統(tǒng)計復雜度，證明兩相流復雜性模型的有效性。通過驗證，Tsallis熵復雜性模型在刻畫兩相流的復雜度時比基于排列熵的復雜性模型具有更高的統(tǒng)計分析能力，更適合用于定量分析兩相流的復雜性。因此，基于Tsallis熵的兩相流復雜性模型為定量