一种密相气力输送两相流流型的归类方法

摘要

本发明公开了一种密相气力输送两相流流型的归类方法，获取密相气力输送两相流流型的静电信号；对该静电信号进行多尺度分解；计算静电信号的不同尺度能量比重大小；将不同尺度能量比重及大小关系作为必要参数，对该流型所属的类别进行判断，从而实现密相气力输送两相流流型的归类。该归类方法从气固两相流流型的动力学本质出发，具有较高的科学性及合理性。相对于传统按流动形态划分流型的方法，该方法划分的流型种类减少且彼此间有区别明确的动力学机理。归类方法实用范围广，对密相气力输送两相流中的输送介质的物性没有要求。

说明书

技术领域

本发明涉及气固两相流流动检测技术领域，具体地讲，涉及一种密相气力输送两相流流型的归类方法。

背景技术

密相气力输送两相流广泛存在于能源、化工、冶金及医药食品加工等领域。气固两相流的流动状态，即流型，极大的影响着流动参数的准确测量以及流动系统的优化设计和运行稳定性。流型的研究及其在线测量技术的研究对两相流的流动特性，传热传质性能以及其他问题的分析研究，具有重要的科学意义和工业应用价值。

气固两相在流动过程中，气固两相界面及固相的存在状态均发生变化，流动形态多样，流型形成机理复杂。因此，在流型划分方面，不同的研究者给出流型的不同定义和划分。于遵宏等对其进行了总结，目前常用的流型分类方法是根据流动形态，相邻典型流型之间还存在过渡流型。流型种类繁多，典型流型就有7种之多。由于流动条件变化的多样性以及研究角度的多样性，基于流动形态上的流型分类依然有诸多问题，如流型定义模糊、没有定量的划分标准、流型种类较多，相邻流型之间的动力学特征区别不明显等。由此衍生出的问题极大的影响了流型的研究及流型识别技术在气固两相流中的发展和应用，亟待解决。因此，为解决上述问题，需要从气固两相流流动本质出发，对传统流型进行归类，减少流型种类，进而提高流型识别效率，推动流型识别技术在气力输送中的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种密相气力输送两相流流型的归类方法，根据两相流波动信号的多尺度能量比重，实现对密相气力输送两相流流型的归类。

本发明采用如下技术方案实现发明目的：

一种密相气力输送两相流流型的归类方法，其特征是：包括如下步骤：

(1)获取气力输送两相流某一流型的静电信号数据；

(2)对获取的每种流型的静电信号进行多尺度分解，具体步骤如下：

首先对静电信号进行经验模态分解处理，得到10个本征模态分量IMF，然后对每个IMF分量进行R/S分形分析得到关系曲线ln[R(τ)/S(τ)]～lnτ，τ表示R/S分形方法中的一个时间延迟变量，最后对关系曲线的直线段部分做线性拟合，得到拟合直线的斜率，即Hurst指数H；

(3)根据分形特征及Hurst指数H的大小，将静电信号划分为尺度1、尺度2和尺度3，具体划分方法如下：

将Hurst指数H小于0.5的IMF分量划入尺度1；将在小的时间延迟τ下Hurst指数H大于0.5小于1而大的时间延迟τ下的Hurst指数H小于0.5的IMF分量划入尺度2；将Hurst指数H大于0.5小于1的IMF划入尺度3；

(4)计算静电信号的尺度1、尺度2及尺度3的能量比重，能量比重的计算方法如下：

静电信号被分解成10个IMF分量，假设其中尺度1占有M个IMF分量，分别是IMF1，IMF2…，IMFM，一个IMF分量为一组时间序列{x₁,x₂,…x_H}，其中，能量E_IMF1的计算公式为：

E_IMF1＝x₁²+x₂²+…+x_H²

其余的能量E_IMF2、E_IMF3…E_IMFM的计算公式与E_IMF1的计算公式雷同，利用上述公式分别计算每个IMF分量的能量，则静电信号尺度1的能量比重R₁：

$>R_1=\frac{E_{IMF1}+E_{IMF2}+...+E_{IMFM}}{\underset{i=1}{\overset{10}{\Sigma }}{E}_{IMFi}}$>

按照计算静电信号尺度1的能量比重R₁的方法，计算静电信号尺度2能量比重R₂以及尺度3能量比重R₃；

(5)以步骤(4)计算得到的R₁，R₂，R₃作为必要参数，对该流型所属的流型类别进行判断。

作为对本技术方案的进一步限定，所述尺度1比重R₁、尺度2比重R₂和尺度3的比重R₃之和为1，即：

R₁+R₂+R₃＝1。

作为对本技术方案的进一步限定，所述步骤(5)的流型类别共有5种，分别定义为类别1、类别2、类别3、类别4和类别5，类别1、类别2、类别3、类别4和类别5分别代表微尺度流型、微介均衡流型、介尺度流型、介宏均衡流型和宏尺度流型，具体判断方法如下：

当满足以下关系式时，可归为“类别1”，

$>\left(\begin{array}{c}0.5<R_1<1\\ R_1+R_2<1\\ 1-R_1-R_2<R_2\end{array}\right)$>

当满足以下关系式时，可归为“类别2”，

$>\left(\begin{array}{c}0<R_1<0.5\\ 0<R_2<0.5\\ 1-R_1-R_2<R_1\\ 1-R_1-R_2<R_2\end{array}\right)$>

当满足以下关系式时，可归为“类别3”，

$>\left(\begin{array}{c}0.5<R_2<1\\ R_1+R_2<1\end{array}\right)$>

当满足以下关系式时，可归为“类别4”，

$>\left(\begin{array}{c}0<R_2<0.5\\ 1-R_1-R_2<0.5\\ R_1<R_2\\ R_1<1-R_1-R_2\end{array}\right)$>

当满足以下关系式时，可归为“类别5”，

$>\left(\begin{array}{c}0.5<1-R_1-R_2<1\\ R_1<R_2\end{array}\right).$>

现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：该归类方法从气固两相流流型的动力学本质出发，具有较高的科学性及合理性。相对于传统按流动形态划分流型的方法，该方法划分的流型种类减少且彼此间有区别明确的动力学机理。归类方法实用范围广，对气力输送两相流中的输送介质的物性没有要求。

附图说明

图1是密相气力输送两相流的一组静电信号。

图2是静电信号的10个IMF分量。

图3是静电信号的10个IMF分量的关系曲线ln[R(τ)/S(τ)]～lnτ。

图4是5种流型类别的分布图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1-图4所示，1、获取密相气力输送两相流流型的静电信号数据，图1所示为一组静电信号数据。

2、静电信号进行多尺度分解，具体步骤如下：

首先对静电信号进行经验模态分解处理(此为现有技术，在此不再赘述)，得到10个本征模态分量IMFs，然后对每个IMF分量进行R/S分形分析得到关系曲线ln[R(τ)/S(τ)]～lnτ，最后对关系曲线的直线段部分做线性拟合，得到拟合直线的斜率，即Hurst指数H；图2所示为一组静电信号的10个IMF分量，每个分量的关系曲线ln[R(τ)/S(τ)]～lnτ，如图3所示，其中，对每个IMF分量进行R/S分形处理时所选的时间延迟τ的范围为10～100。

根据分形特征及Hurst指数H的大小，将静电信号划分为尺度1、尺度2和尺度3，具体划分方法如下：

将Hurst指数H小于0.5的IMF分量划入尺度1；将在小的时间延迟τ下Hurst指数H大于0.5小于1而大的时间延迟τ下的Hurst指数H小于0.5的IMF分量划入尺度2；将Hurst指数H恒大于0.5小于1的IMF划入尺度3；

4、计算静电信号的尺度1、尺度2及尺度3的能量比重，能量比重的计算方法如下：

静电信号被分解成10个IMF分量，假设其中尺度1占有M个IMF分量，分别是IMF1，IMF2…，IMFM。一个IMF分量为一组时间序列{x₁,x₂,…x_H}，其能量E_IMF1的计算公式为：

E_IMF1＝x₁²+x₂²+…+x_H²

其余的能量E_IMF2、E_IMF3…E_IMFM的计算公式与E_IMF1的计算公式雷同，IMF分量的表述方式也雷同，利用上述公式分别计算每个IMF分量的能量，则静电信号尺度1的能量比重R₁：

$>R_1=\frac{E_{IMF1}+E_{IMF2}+...+E_{IMFM}}{\underset{i=1}{\overset{10}{\Sigma }}{E}_{IMFi}}$>

按照计算静电信号尺度1的能量比重R₁的方法，计算静电信号尺度2能量比重R₂以及尺度3能量比重R₃。并且，R₁+R₂+R₃＝1

5、根据步骤4计算得到的静电信号3个尺度的能量比重，对该流型所属的流型类别进行判断。流型类别共有5种，分别定义为“类别1”，“类别2”，“类别3”，“类别4”，和“类别5”，类别1、类别2、类别3、类别4和类别5分别代表微尺度流型、微介均衡流型、介尺度流型、介宏均衡流型和宏尺度流型，具体判断方法如下：

当满足以下关系式时，可归为“类别1”，

$>\left(\begin{array}{c}0.5<R_1<1\\ R_1+R_2<1\\ 1-R_1-R_2<R_2\end{array}\right)$>

当满足以下关系式时，可归为“类别2”，

$>\left(\begin{array}{c}0<R_1<0.5\\ 0<R_2<0.5\\ 1-R_1-R_2<R_1\\ 1-R_1-R_2<R_2\end{array}\right)$>

当满足以下关系式时，可归为“类别3”，

$>\left(\begin{array}{c}0.5<R_2<1\\ R_1+R_2<1\end{array}\right)$>

当满足以下关系式时，可归为“类别4”，

$>\left(\begin{array}{c}0<R_2<0.5\\ 1-R_1-R_2<0.5\\ R_1<R_2\\ R_1<1-R_1-R_2\end{array}\right)$>

当满足以下关系式时，可归为“类别5”，

$>\left(\begin{array}{c}0.5<1-R_1-R_2<1\\ R_1<R_2\end{array}\right)$>

分别以R₁和R₂为横纵坐标，绘制5种流型类别的分布图，如图4所示。

以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。