基于HHT与SVM的气液两相流双参数测量

摘要

气液两相流广泛存在于石油、化工、冶金、医药、电力等领域,其参数的测量对于国民经济、生产安全都有十分重要的意义.两相流动是一个十分复杂的过程,参数较多,检测相当困难.流型、空隙率是气液两相流中非常重要的参数,而且测量比较困难,还影响两相流其它参数的测量.本文采用文丘利管作为测量装置,对文丘利管差压信号与气液两相流的流型关系进行了深入的研究,提出了一种基于HHT(Hilbert-Huang Transform)与模糊推理的气液两相流流型识别方法,实现了对气油、气水两相流典型流型的识别;通过分析差压信号的波动成份、平稳成份与空隙率的关联,提出了基于HHT与SVM(Support Vector Machine)结合的空隙率估计方法.本论文的主要研究成果有:1.提出了基于HHT的差压波动信号滤波方法.该滤波方法利用HHT的带通滤波特性,实现对泡状流、弹状流、塞状流、混状流差压信号有效滤波,滤波后可以很好的保留两相流差压信号的非线性特征.2.提出了利用HHT进行两相流差压信号的时频分析方法.通过分析不同流型信号的边界谱、瞬时能量可以分别在频域、时域内对信号进行研究.而通过信号的Hilbert-Huang谱,能够同时在时频域分析信号的变化情况,也就是可以清楚了解信号在不同时刻频率成份及其强度.这样可以更加直观分析不同流型下信号的特性.3.通过对不同流型差压信号的HHT结果的研究,发现信号不同频率范围能量分布具有很大的差异,为了定量描述这种差异,定义了不同频率范围(不同模态)信号所占的能量比作为特征变量,通过对不同频率能量比的分析,提出了基于HHT的流型识别方法,并建立了相应的流型图.根据建立的流型图,建立模糊推理规则,从而实现对流型准确客观的识别.特别是对过渡区的流型识别更加具有意义.4.经过HHT后信号大体上被分解为两个部分,一是不同的固有模态,代表信号的波动成份,另一部分是残差,反映信号的平稳成份或趋势项.通过分析发现波动成份与空隙率有很大的关系,而残差与流量关系很大.在此基础上提出了基于HHT与SVM的气液两相流空隙率估计方法.通过对不同管径的气油、气水两相流的实验结果表明,该方法对空隙率的估计具有很高的精度,且受实验条件影响小,易于实现.

目录

文摘

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第一章绪论

§1.1引言

§1.2气液两相流参数检测进展

§1.3气液两相流主要参数及分类

§1.3.1流型

§1.3.2表观速度

§1.3.3滑移比

§1.3.4分相含率

§1.3.5两相混合流的密度

§1.3.6压力和压力降

§1.3.7流量

§1.4气液两相流模型

§1.5本文主要研究内容及意义

第二章流型识别文献综述

§2.1引言

§2.2气液两相流流型的分类和定义

§2.2.1垂直上升管中绝热两相流的流型

§2.2.2水平管中绝热两相流的流型

§2.3气液两相流流型识别的主要方法

§2.3.1流态图法

§2.3.2流型的直接测量法

§2.3.3流型的间接测量法

§2.3.4基于模糊推理与神经网络的流型识别方法

§2.3.5流型识别方法的发展与设想

§2.4小结

第三章HHT在两相流信号处理中的应用

§3.1常规非线性信号处理方法简介

§3.1.1短时傅立叶变换

§3.1.2小波变换方法

§3.1.3 Wigner-Ville分布[Cohen 1995]

§3.1.4其它时频分析方法

§3.2 Hilbert-Huang变换方法

§3.2.1 HHT方法的原理[Huang 1998]

§3.3 HHT在气液两相流信号处理中的应用

§3.3.1常用的滤波与消噪方法

§3.3.2 HHT多尺度滤波原理[谭善文2004]

§3.3.3利用HHT对两相流信号进行消噪

§3.4应用HHT方法进行两相流信号的时频分析

§3.4.1水平管气液两相流差压信号时频分析

§3.4.2垂直管气液两相流差压信号时频分析

§3.5小结

第四章实验装置设计与实验条件

§4.1实验装置工作原理

§4.2主要的标准仪表与装置选择

§4.3文丘利管与差压变送器

§4.3.1文丘利管的主要优点[梁国伟2004]

§4.3.2差压传感器的选取

§4.3.3文丘利管差压信号管路的安装

§4.4小结

第五章基于HHT与模糊推理的气液两相流流型识别

§5.1引言

§5.2基于HHT与模糊推理的流型识别问题

§5.2.1实验过程与注意的问题

§5.2.2水平管道气水两相流不同流型下差压信号的HHT

§5.2.3水平管道气油两相流不同流型下差压信号的HHT

§5.3利用模糊规则进行流型识别

§5.3.1模糊推理的基本原理

§5.3.2水平管流型识别模糊推理系统的设计

§5.3.3实验结果分析

§5.4垂直管气液两相流流型识别

§5.4.1不同流型下文丘利管差压信号的时域描述

§5.4.2垂直管气液两相流的HHT

§5.4.3垂直管流型识别模糊推理系统的设计

§5.5小结

第六章基于HHT与SVM的气液两相流空隙率估计

§6.1空隙率与动态差压信号的关系

§6.1.1空隙率的定义

§6.1.2空隙率的测量方法

§6.2基于HHT的动态差压信号波动成分的提取

§6.3用于描述空隙率的特征变量的定义

§6.4基于SVM的空隙率估计方法

§6.4.1 SVM的原理[Vapnik 1995、张学工2000]

§6.5基于HHT与SVM的气液两相流空隙率估计方法

§6.6空隙率估计实验结果分析

§6.7小结

第七章结论与展望

§7.1结论

§7.2展望

参考文献

作者攻读博士学位期间发表和录用的论文

致谢