本發(fā)明涉及多相流測(cè)量技術(shù)以及流型識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種水平氣液兩相流流型定量判定方法及裝置。

背景技術(shù)：

流型是研究?jī)上嗔鞯幕A(chǔ)，無(wú)論是學(xué)術(shù)研究還是工程應(yīng)用，區(qū)分兩相流流型是最根本最核心的問(wèn)題。流型即兩相流動(dòng)介質(zhì)的分布情況，兩相流的界面分布呈現(xiàn)不同的幾何形狀或流動(dòng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)Oshinowo流型劃分原則把水平管道中的流型劃分六種，即泡狀流、塞狀流、分層流、波狀流、彈狀流、環(huán)狀流。迄今為止，兩相流流型轉(zhuǎn)換動(dòng)力學(xué)機(jī)理至今尚未十分清楚。

早期的流型判定采用流型圖，而工業(yè)應(yīng)用往往需要得到實(shí)際流動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息，因此流型的在線識(shí)別成為研究的熱點(diǎn)。流型的在線識(shí)別可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是直接觀測(cè)法，如中國(guó)專(zhuān)利CN1595132A提出了一種兩相流網(wǎng)絲電容層析成像方法。采用介入式網(wǎng)絲電容傳感器對(duì)兩相流流體進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)掃描，獲取兩相流體在管線橫截面上的各個(gè)方向上的投影信息，得到兩相流體流動(dòng)的實(shí)時(shí)圖像。該方法采用了先進(jìn)的電容探針測(cè)量技術(shù)，具有實(shí)時(shí)性，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，網(wǎng)絲電容探針在高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)下容易損壞。另一類(lèi)是間接測(cè)量的方法，選取能夠反應(yīng)流動(dòng)流型特征的物理參數(shù)為研究對(duì)象，例如氣液兩相流的含氣率、壓差、電阻、電容、電導(dǎo)率等，采用現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)，提取不同流型下的特征量來(lái)識(shí)別流型。在此方面，大量的研究者做出了貢獻(xiàn)。

對(duì)于復(fù)雜的兩相流非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，難以用數(shù)學(xué)模型精確描述流型辨識(shí)問(wèn)題。眾多學(xué)者引入現(xiàn)代信息處理方法通過(guò)非線性特征量表征兩相流流型。中國(guó)專(zhuān)利CN1563940提出了一種基于希爾伯特-黃變換的水平管氣液兩相流流型識(shí)別方法，對(duì)兩相流差壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，具有定量特征。但該方法具有如下不足之處，一是只提及到識(shí)別泡狀流、彈狀流、混狀流三種流型，缺少波狀流、分層流、環(huán)狀流等流型識(shí)別的準(zhǔn)則，對(duì)水平管道氣液兩相流流型的種類(lèi)識(shí)別不夠全面。二是處理的信號(hào)為兩相流的壓差信號(hào)，而壓差信號(hào)并不是直接反應(yīng)兩相流流型的第一首選信號(hào)。

1991年，Pincus等(Pincus S M.Approximate entropy as a measure of system complexity.[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,1991,88(6):2297-301.)提出的在臨床醫(yī)學(xué)方面近似熵算法來(lái)處理短的多噪聲的時(shí)間序列信號(hào)。然而近似熵有兩個(gè)缺點(diǎn)，一是嚴(yán)重依賴(lài)于采集的時(shí)間信號(hào)長(zhǎng)度；二是缺乏相關(guān)一致性。基于此，Richman等(Richman J S,Moorman J R.Physiological time-series analysis using approximate entropy and sample entropy.[J].American Journal of Physiology Heart&Circulatory Physiology,2000,278(6):H2039-H2049.)提出了改進(jìn)算法樣本熵。Costa(Costa M.Multiscale entropy analysis of complex physiologic time series.[J].Physical Review Letters,2002,89(6):705-708.])認(rèn)為人體健康狀況的生理動(dòng)力學(xué)具有內(nèi)在的多尺度性，而傳統(tǒng)算法沒(méi)有考慮到這一點(diǎn)，多尺度熵算法因此提出。多尺度熵算法的最早提出是用于生理醫(yī)學(xué)信號(hào)處理，然而在其它領(lǐng)域，作為信號(hào)處理的一種手段，對(duì)于非線性時(shí)間序列信號(hào)，多尺度熵算法顯示出了優(yōu)越性。天津大學(xué)鄭桂波，金寧德(兩相流流型多尺度熵及動(dòng)力學(xué)特性分析[J].物理學(xué)報(bào),2009,58(7):4485-4492.)采用多尺度熵算法，對(duì)兩相流電導(dǎo)波動(dòng)率信號(hào)進(jìn)行處理，研究結(jié)果表明不同尺度樣本熵的變化速率特征可以分辨泡狀流、段塞流、混狀流等三種典型流型，并提出了多尺度熵率(Rate of MSE)這一概念。

中國(guó)專(zhuān)利CN103487234A提出了一種基于多尺度排列熵的氣液兩相流型動(dòng)力學(xué)表征及識(shí)別方法。該方法與天津大學(xué)鄭桂波、金寧德等的分析方法具有相承性。及對(duì)采集到的三種氣液兩相不同流型的電導(dǎo)波動(dòng)信號(hào)，按照多尺度熵的概念進(jìn)行一系列的數(shù)學(xué)方法處理，繪制多尺度排列熵分布圖。最后依據(jù)不同流型的多尺度排列熵分布圖，計(jì)算多尺度排列熵率。根據(jù)流型的多尺度排列熵率分布的分析實(shí)現(xiàn)流型的識(shí)別與分類(lèi)。但該專(zhuān)利也只有識(shí)別泡狀流、彈狀流、混狀流三種流型，缺少其他流型的定量判定。

兩相流流型即為氣液兩相介質(zhì)在界面的分布，空泡份額能直接反應(yīng)流型，因此選取空泡份額或含氣率為對(duì)象研究流型最具有代表性，是首要選擇。但空泡份額或者干度又比較難以獲得。壓差，電導(dǎo)率等能夠間接反應(yīng)空泡份額，是研究流型問(wèn)題的次要選擇。兩相流測(cè)量技術(shù)發(fā)展比較成熟，如前述中國(guó)專(zhuān)利CN1595132A的電容測(cè)量方法可以測(cè)得液膜厚度，而且測(cè)量的探針電路更加簡(jiǎn)單。液膜厚度可代表含氣率，單獨(dú)運(yùn)用就能識(shí)別部分典型流型?，F(xiàn)有學(xué)者多運(yùn)用先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)對(duì)壓差、電導(dǎo)率等第二選擇對(duì)象進(jìn)行分析研究，提取流型的特征量不夠直接反應(yīng)流型。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問(wèn)題之一。

為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種水平氣液兩相流流型定量判定方法，該方法可以提高判定的適用性、可靠性和準(zhǔn)確性。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種水平氣液兩相流流型定量判定裝置。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明一方面實(shí)施例提出了一種水平氣液兩相流流型定量判定方法，包括以下步驟：獲取多種流型下兩相流液膜厚度數(shù)據(jù)；按照多尺度熵概念對(duì)所述多種流型下兩相流液膜厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理分析，以提取出不同流型的特征；根據(jù)提取的不同流型的特征得到多尺度熵排列分布特征曲線，并計(jì)算多尺度熵排列分布圖不同流型曲線的多尺度熵率；根據(jù)所述多種流型下兩相流液膜厚度數(shù)據(jù)、所述多尺度熵排列分布特征曲線、所述多尺度熵率建立流型數(shù)據(jù)庫(kù)，以得到流型識(shí)別的定量判定表格，從而通過(guò)所述流型識(shí)別的定量判定表格實(shí)現(xiàn)判定的目的。

本發(fā)明實(shí)施例的水平氣液兩相流流型定量判定方法，基于液膜厚度測(cè)量技術(shù)及多尺度熵信號(hào)處理技術(shù)，從而采用多相流測(cè)量技術(shù)與現(xiàn)代隨機(jī)信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)水平管道兩相流流型識(shí)別，可以采用多尺度熵算法處理兩相流液膜厚度信號(hào)，彌補(bǔ)了單一使用在流型辨識(shí)方面的不足，提取特征量達(dá)到流型識(shí)別的目的，提高了判定的適用性和可靠性，提高了判定的準(zhǔn)確性，簡(jiǎn)單便捷。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的水平氣液兩相流流型定量判定方法還可以具有以下附加的技術(shù)特征：

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，采用單絲電容探針測(cè)量?jī)上嗔饕耗ず穸?，所述方法還包括：將不同管徑不同流型下的液膜高度進(jìn)行歸一化處理，并計(jì)算平均液膜厚度。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述平均液膜厚度的計(jì)算公式為：

$L^{\′}=\frac{h}{D},$

其中，h為水平管道氣液兩相流液膜厚度，D水平管道直徑。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在于測(cè)量所述兩相流液膜厚度時(shí)，在垂直于水平管道流動(dòng)方向，沿直徑布置兩根金屬導(dǎo)線。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述按照多尺度熵概念對(duì)所述多種流型下兩相流液膜厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理分析，進(jìn)一步包括：將原始時(shí)間序列作粗粒化處理，然后對(duì)各尺度計(jì)算其樣本熵，以做出不同流型的多尺度熵排列分布特征曲線圖，并計(jì)算各條曲線的多尺度熵增長(zhǎng)速率。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明另一方面實(shí)施例提出了一種水平氣液兩相流流型定量判定裝置，包括：獲取模塊，用于獲取多種流型下兩相流液膜厚度數(shù)據(jù)；處理模塊，用于按照多尺度熵概念對(duì)所述多種流型下兩相流液膜厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理分析，以提取出不同流型的特征；計(jì)算模塊，用于根據(jù)提取的不同流型的特征得到多尺度熵排列分布特征曲線，并計(jì)算多尺度熵排列分布圖不同流型曲線的多尺度熵率；判定模塊，用于根據(jù)所述多種流型下兩相流液膜厚度數(shù)據(jù)、所述多尺度熵排列分布特征曲線、所述多尺度熵率建立流型數(shù)據(jù)庫(kù)，以得到流型識(shí)別的定量判定表格，從而通過(guò)所述流型識(shí)別的定量判定表格實(shí)現(xiàn)判定的目的。

本發(fā)明實(shí)施例的水平氣液兩相流流型定量判定裝置，基于液膜厚度測(cè)量技術(shù)及多尺度熵信號(hào)處理技術(shù)，從而采用多相流測(cè)量技術(shù)與現(xiàn)代隨機(jī)信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)水平管道兩相流流型識(shí)別，可以采用多尺度熵算法處理兩相流液膜厚度信號(hào)，彌補(bǔ)了單一使用在流型辨識(shí)方面的不足，提取特征量達(dá)到流型識(shí)別的目的，提高了判定的適用性和可靠性，提高了判定的準(zhǔn)確性，簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的水平氣液兩相流流型定量判定裝置還可以具有以下附加的技術(shù)特征：

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，采用單絲電容探針測(cè)量?jī)上嗔饕耗ず穸?，所述獲取模塊還用于將不同管徑不同流型下的液膜高度進(jìn)行歸一化處理，并計(jì)算平均液膜厚度。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述平均液膜厚度的計(jì)算公式為：

$L^{\′}=\frac{h}{D},$

其中，h為水平管道氣液兩相流液膜厚度，D水平管道直徑。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在于測(cè)量所述兩相流液膜厚度時(shí)，在垂直于水平管道流動(dòng)方向，沿直徑布置兩根金屬導(dǎo)線。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述處理模塊進(jìn)一步用于將原始時(shí)間序列作粗?；幚?，然后對(duì)各尺度計(jì)算其樣本熵，以做出不同流型的多尺度熵排列分布特征曲線圖，并計(jì)算各條曲線的多尺度熵增長(zhǎng)速率。

本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的水平氣液兩相流流型定量判定方法的流程圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的液膜厚度的測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的單絲電容探針的原理示意圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的各種流型的水膜高度信號(hào)多尺度熵示意圖；

圖5為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的分層流水膜高度信號(hào)示意圖；

圖6為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的環(huán)狀流水膜高度信號(hào)示意圖；

圖7為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的塞狀流水膜高度信號(hào)示意圖；

圖8為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的彈狀流水膜高度信號(hào)示意圖；

圖9為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的波狀流水膜高度信號(hào)示意圖；

圖10為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的泡狀流水膜高度信號(hào)示意圖；

圖11為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的水平氣液兩相流流型定量判定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類(lèi)似的標(biāo)號(hào)表示相同或類(lèi)似的元件或具有相同或類(lèi)似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

下面參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提出的，首先將參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提出的。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的水平氣液兩相流流型定量判定方法的流程圖。

如圖1所示，該水平氣液兩相流流型定量判定方法包括以下步驟：

在步驟S101中，獲取多種流型下兩相流液膜厚度數(shù)據(jù)。

其中，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，采用單絲電容探針測(cè)量?jī)上嗔饕耗ず穸?，方法還包括：將不同管徑不同流型下的液膜高度進(jìn)行歸一化處理，并計(jì)算平均液膜厚度。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，平均液膜厚度的計(jì)算公式為：

$L^{\′}=\frac{h}{D},$

其中，h為水平管道氣液兩相流液膜厚度，D水平管道直徑。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在于測(cè)量?jī)上嗔饕耗ず穸葧r(shí)，在垂直于水平管道流動(dòng)方向，沿直徑布置兩根金屬導(dǎo)線。

例如，圖2為整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)圖，圖2所示，可以采用單絲電容探針測(cè)量液膜厚度，測(cè)量系統(tǒng)包括單絲電容探針、電容測(cè)量電路、電容電壓轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)。將不同管徑不同流型下的液膜高度進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算平均液膜厚度由公式表示：

$L^{\′}=\frac{h}{D},$

式中，h為水平管道氣液兩相流液膜厚度，D為水平管道直徑。

其中，圖3為單絲電容探針原理圖。

在水中的單絲電容探針構(gòu)成了一個(gè)圓柱形電容器。電容器的一極為絕緣導(dǎo)線金屬絲，導(dǎo)線表面的絕緣層充當(dāng)電介質(zhì)，而另一極為包絡(luò)在導(dǎo)線表面的液膜即導(dǎo)電相水。圓柱形電容器的電容值可由下式確定：

$C_{max}=\frac{2\mathrm{\π}\mathrm{\ϵ}l}{\ln \frac{d_2}{d_1}},$

式中，l為覆蓋在導(dǎo)線表面的水膜長(zhǎng)度，ε為絕緣層的介電常數(shù)，d₁為導(dǎo)線金屬芯的直徑，d₂為導(dǎo)線絕緣層外徑。

當(dāng)為全液相時(shí)，測(cè)得的電容值最大。當(dāng)氣液兩相流流過(guò)單絲電容探針時(shí)，探針表面會(huì)隨機(jī)的被液相或者氣相覆蓋。假設(shè)某一時(shí)刻，介入管中的單絲電容探針表面氣液分布如圖3中所示，此時(shí)形成了一個(gè)并聯(lián)的電容器，電容值為各等效電容之和可由下式確定：

$C=\frac{2{\mathrm{\π\ϵl}}_1}{ln\frac{d_2}{d_1}}+\frac{2{\mathrm{\π\ϵl}}_2}{ln\frac{d_2}{d_1}}+...+\frac{2{\mathrm{\π\ϵl}}_n}{ln\frac{d_2}{d_1}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{C}_i=k\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{l}_i,$

式中，l_i覆蓋在導(dǎo)線表面的水膜長(zhǎng)度，ε絕緣層的介電常數(shù)，d₁導(dǎo)線金屬芯的直徑，d₂導(dǎo)線絕緣層外徑。

由于ε，d₁，d₂，均保持不變，因而測(cè)量電容只與覆蓋在導(dǎo)線表面水膜總的長(zhǎng)度成正比。將單絲電容探針作為電極串聯(lián)RC電路，選取合適的RC值可以消除干擾。將電容信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡，最后在電腦中得到一個(gè)電壓值實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將探針短路得到一個(gè)電壓信號(hào)U₁，對(duì)應(yīng)電路自帶的電容值C₁；將管道全部充滿(mǎn)水，測(cè)得的電壓值U₂對(duì)應(yīng)單絲電容探針最大電容值C_max與電路自帶電容值C₁之和。當(dāng)氣液兩相流流過(guò)探針時(shí)，若此時(shí)測(cè)得的電壓信號(hào)為U，則液膜厚度占整個(gè)管道直徑的比值稱(chēng)之為管道液膜厚度或液膜高度可由下式公式確定：

$\frac{h}{D}=\frac{U-U_1}{U_2-U_1}.$

在步驟S102中，按照多尺度熵概念對(duì)多種流型下兩相流液膜厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理分析，以提取出不同流型的特征。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，按照多尺度熵概念對(duì)多種流型下兩相流液膜厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理分析，進(jìn)一步包括：將原始時(shí)間序列作粗?；幚?，然后對(duì)各尺度計(jì)算其樣本熵，以做出不同流型的多尺度熵排列分布特征曲線圖，并計(jì)算各條曲線的多尺度熵增長(zhǎng)速率。

也就是說(shuō)，測(cè)得的不同管徑不同流型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)液膜厚度信號(hào)進(jìn)行多尺度熵?cái)?shù)學(xué)方法處理。多尺度熵(MSE)計(jì)算首先將原始時(shí)間序列作粗?；幚?，然后對(duì)各尺度計(jì)算其樣本熵。

樣本熵具體算法如下：

(1)對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)度為N的原始時(shí)間序列{u(i):i＝1,2,…,N}。

(2)按序號(hào)順序得到可得到N-m+1個(gè)相空間向量X_m(i)(1≤i≤N-m+1)，X_m(i)＝{u(i+k)：0≤k≤m-1}。

(3)定義兩個(gè)向量X(i)和X(j)之間的最大距離為：

d[X(i),X(j)]＝max｛|u(i+k)-u(j+k)|：0≤k≤m-1}。

(4)給定閾值r，對(duì)于每個(gè)1≤i≤N-m,統(tǒng)計(jì)滿(mǎn)足d[X_m(i),X_m(j)]小于閾值r的個(gè)數(shù)，及此數(shù)目與距離總數(shù)N-m-1的比值,記作其中i≠j排除自身匹配。

定義：

$B^m\left(r\right)={(N-m)}^{-1}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N-m}{B}_i^m\left(r\right).$

(5)同理，按照上述步驟，統(tǒng)計(jì)向量X_m+1(i)與向量X_m+1(j)的距離d[X_m+1(i),X_m+1(j)]在容限r(nóng)范圍內(nèi)的個(gè)數(shù)，及其與距離總數(shù)N-m-1的比值，記作并且i≠j。有：

$A^m\left(r\right)={(N-m)}^{-1}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N-m}{A}_i^m\left(r\right),$

樣本熵定義為：

SampEn(m，r)＝lim_N→∞(-ln[A^m(r)/B^m(r)])，

多尺度熵算法如下：

對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)度為N的原始時(shí)間序列{u(i):＝1,2,…,N}，構(gòu)建粗?；蛄衶y^τ(j)：j＝1,2,…,N/τ}，其中，

$y^{\mathrm{\τ}}\left(j\right)=\frac{1}{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\Σ}}_{i=(j-1)\mathrm{\τ}}^{j\mathrm{\τ}}u\left(i\right),1\≤j\≤N/\mathrm{\τ}.$

即將原始序列劃分為互不重疊的長(zhǎng)度為τ的多個(gè)窗，對(duì)每個(gè)窗內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均值得到新的序列，對(duì)應(yīng)的尺度為τ。閾值r取原始時(shí)間序列標(biāo)準(zhǔn)差(SD)的0.1-0.25倍，計(jì)算各個(gè)尺度下粗?；蛄械臉颖眷刂?，即為多尺度熵。

在步驟S103中，根據(jù)提取的不同流型的特征得到多尺度熵排列分布特征曲線，并計(jì)算多尺度熵排列分布圖不同流型曲線的多尺度熵率。

在步驟S104中，根據(jù)多種流型下兩相流液膜厚度數(shù)據(jù)、多尺度熵排列分布特征曲線、多尺度熵率建立流型數(shù)據(jù)庫(kù)，以得到流型識(shí)別的定量判定表格，從而通過(guò)流型識(shí)別的定量判定表格實(shí)現(xiàn)判定的目的。

也就是說(shuō)，作出不同流型的多尺度熵排列分布特征曲線圖，計(jì)算各條曲線的多尺度熵增長(zhǎng)速率，反應(yīng)在曲線上即為曲線的斜率。以對(duì)尺度熵特征曲線、多尺度熵率、平均液膜厚度三個(gè)物理量，建立流型數(shù)據(jù)庫(kù)表。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，本發(fā)明實(shí)施例的方法采用單絲電容探針測(cè)量方法獲取不同管徑不同流型下液膜厚度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；用多尺度熵對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理，提取流型特征量達(dá)到流型識(shí)別的目的，多尺度熵(MSE)計(jì)算首先將原始時(shí)間序列作粗?；幚?，然后對(duì)各尺度計(jì)算其樣本熵。做出不同流型的多尺度熵排列分布特征曲線圖，計(jì)算各條曲線的多尺度熵增長(zhǎng)速率，反應(yīng)在曲線上即為曲線的斜率，進(jìn)而以多尺度熵特征曲線、多尺度熵率、平均液膜厚度三個(gè)物理量，建立流型數(shù)據(jù)庫(kù)表。其中，選取液膜厚度這一波動(dòng)參數(shù)作為流型識(shí)別研究的基礎(chǔ)，測(cè)量液膜厚度時(shí)，只需要在垂直于水平管道流動(dòng)方向，沿直徑布置兩根金屬導(dǎo)線。

具體而言，根據(jù)圖1中流程，按照如圖2、3中所述測(cè)量系統(tǒng)及原理，可以獲得58組各種不同流型下的液膜厚度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按照多尺度熵進(jìn)行處理，得到不同流型下多尺度熵排列分布圖如圖4所示。對(duì)圖4進(jìn)行分析，提取出以下特征：

低尺度下泡狀流熵值最高，其次分別為環(huán)狀流和分層流，塞狀流、彈狀流和波狀流最小。整體上看，泡狀流的熵值隨著尺度線不斷減小，最后趨于穩(wěn)定；環(huán)狀流和分層流都是隨著尺度增加先增加后減小，但兩者在小尺度上差異明顯，并在第五尺度相交，波峰位置也有差異；在低尺度下塞狀流、彈狀流和波狀流的熵值很接近，彈狀流的熵值大于塞狀流，都有較好的線性，按照多尺度熵率的定義(前6尺度熵值的線性擬合斜率)計(jì)算其熵率發(fā)現(xiàn)，塞狀流的多尺度熵率集中在0.007～0.01，彈狀流則在0.01～0.025。實(shí)驗(yàn)測(cè)得了大量波狀流，他們的熵值范圍與彈狀流和塞狀流重合，多尺度熵率范圍也較大，在0.002～0.026之間，可見(jiàn)多尺度熵率不能將波狀流區(qū)分出來(lái)。注意到波狀流盡管在前6尺度與塞狀流、彈狀流很相似，但是在大尺度下波狀流的熵都出現(xiàn)了明顯的下降趨勢(shì)，這使得它們與塞狀流和彈狀流出現(xiàn)分化。

僅僅依靠多尺度熵排列圖和多尺度熵率，只能夠區(qū)分泡狀流、彈狀流、塞狀流。但從單條曲線來(lái)看，難以將彈狀流和波狀流、分層流等區(qū)分。液膜厚度本身就能夠反應(yīng)流型，因此做出不同流型下，平均液膜厚度曲線，如圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10所示。對(duì)上述圖形分析，結(jié)合液膜厚度分析流型，可以得出以下特征：

分層流界面出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，如圖5所示，水膜高度在0.17左右。結(jié)合圖4可以看到，在細(xì)節(jié)上，分層流的波動(dòng)是不規(guī)律的，因此小尺度下熵值比較高；但是大時(shí)空尺度下分層流有著比較穩(wěn)定相對(duì)水膜高度，起伏較小，因此在大尺度計(jì)算時(shí)，得到新序列所需的每個(gè)窗口的平均值會(huì)隨著尺度增加更加接近，反映多尺度熵上，大尺度下熵值會(huì)越來(lái)越小。

當(dāng)氣相速度很高時(shí)，高速氣流占居管道中心位置，液膜分布在管道四周，形成環(huán)狀流。橫管中受到重力作用，液膜分布并不均勻。水膜高度曲線如圖6所示，由于中間氣芯運(yùn)動(dòng)速度很高，相比分層流，環(huán)狀流曲線震動(dòng)頻率更高，幅值也更大。從圖中可以看出液膜高度信號(hào)幅值大于0.2。這使得在細(xì)節(jié)上環(huán)狀流比分層流更加不規(guī)律；在大時(shí)空尺度下，盡管波動(dòng)劇烈，但信號(hào)波動(dòng)的范圍很小，使得不同窗口環(huán)狀流的液膜厚度的平均值也會(huì)隨著尺度增大而接近，從而使熵值不斷減小。

塞狀流和彈狀流都可以被歸納為間歇流，他們的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是可以明顯地分為液彈區(qū)和液膜區(qū)，兩者交替，如圖7、圖8所示?？梢钥吹剑麪盍鞴艿纼?nèi)液膜液彈有規(guī)律的交替變化使得他們的水膜高度信號(hào)有周期性，因此熵值較低。

彈狀流中氣相速度更大，氣液兩相混合程度加劇，使得大量氣泡分步在液塞當(dāng)中，波動(dòng)的曲線表明了氣泡的存在。與塞狀流相比，彈狀流流動(dòng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，反映在多尺度熵上為彈狀流的熵值高于塞狀流的熵值，彈狀流宏觀整體上相比塞狀流更復(fù)雜混亂，因此彈狀流的熵值增長(zhǎng)速率比塞狀流更快，其這也是區(qū)分這兩種流型的關(guān)鍵。使用多尺度熵率能夠很好的定量區(qū)分兩種流型。

波狀流液膜厚度信號(hào)如圖9所示。在分層流中，隨著界面速度的進(jìn)一步加大，液體受到氣體的沖擊形成了明顯的波峰的結(jié)構(gòu)，波峰中夾雜著氣泡，氣體的沖擊所形成的波峰具有一定的周期性，但周期較長(zhǎng)，10s的采集時(shí)間中最多有三個(gè)波峰，平穩(wěn)后又表現(xiàn)為分層流的高度信號(hào)特點(diǎn)。這種波峰類(lèi)似于彈狀流的液彈，但高度僅為彈狀流的0.8倍左右，液膜區(qū)也更薄。這樣液膜與液彈的交替，使得波狀流的水膜高度信號(hào)的結(jié)構(gòu)，在小時(shí)空尺度上接近彈狀流的結(jié)構(gòu)，大時(shí)空尺度下波狀流的波峰效果被削減，使得它的熵值變化表現(xiàn)出分層流的特點(diǎn)，與塞狀流和彈狀流分化開(kāi)來(lái)。此外，由于液彈高度遠(yuǎn)低于彈狀流，因此可以用平均水膜厚度來(lái)有效區(qū)分。

泡狀流液膜厚度信號(hào)如圖10所示。泡狀流特征明顯，液膜高度大約為1。泡狀流對(duì)尺度熵在小尺度下值最大，因此很容易區(qū)分。

通過(guò)以上分析，用平均液膜高度、多尺度熵率及多尺度熵排列圖，做出表1，表1為不同流型下水膜高度曲線參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果及多尺度熵特征表，如下所示，作為流型判斷的數(shù)據(jù)庫(kù)。

表1

水平通道氣液兩相流流型判別準(zhǔn)則：

泡狀流：?jiǎn)握{(diào)遞減的多尺度熵曲線，液膜平均厚度L′>0.99；

環(huán)狀流：先增加后減小的多尺度熵曲線，第1尺度熵值大于0.8，且在第2或3尺度得到峰值；

分層流：先增加后減小的多尺度熵曲線，第1尺度熵值小于0.8，并在第5尺度得到峰值；

波狀流：?jiǎn)握{(diào)遞增的多尺度熵曲線，液膜平均厚度L′<0.50；

塞狀流：?jiǎn)握{(diào)遞增的多尺度熵曲線，液膜平均厚度L′>0.50，多尺度熵率0<k<0.1；

彈狀流：?jiǎn)握{(diào)遞增的多尺度熵曲線，液膜平均厚度L′>0.70，多尺度熵率0.1<k<0.25。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的水平氣液兩相流流型定量判定方法，基于液膜厚度測(cè)量技術(shù)及多尺度熵信號(hào)處理技術(shù)，從而采用多相流測(cè)量技術(shù)與現(xiàn)代隨機(jī)信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)水平管道兩相流流型識(shí)別，可以采用多尺度熵算法處理兩相流液膜厚度信號(hào)，彌補(bǔ)了單一使用在流型辨識(shí)方面的不足，提取特征量達(dá)到流型識(shí)別的目的，提高了判定的適用性和可靠性，提高了判定的準(zhǔn)確性，簡(jiǎn)單便捷。

其次參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提出的水平氣液兩相流流型定量判定裝置。

圖11是本發(fā)明實(shí)施例的水平氣液兩相流流型定量判定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖11所示，該水平氣液兩相流流型定量判定裝置10包括：獲取模塊100、處理模塊200、計(jì)算模塊300和判定模塊400。

其中，獲取模塊100用于獲取多種流型下兩相流液膜厚度數(shù)據(jù)。處理模塊200用于按照多尺度熵概念對(duì)多種流型下兩相流液膜厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理分析，以提取出不同流型的特征。計(jì)算模塊300用于根據(jù)提取的不同流型的特征得到多尺度熵排列分布特征曲線，并計(jì)算多尺度熵排列分布圖不同流型曲線的多尺度熵率。判定模塊400用于根據(jù)多種流型下兩相流液膜厚度數(shù)據(jù)、多尺度熵排列分布特征曲線、多尺度熵率建立流型數(shù)據(jù)庫(kù)，以得到流型識(shí)別的定量判定表格，從而通過(guò)流型識(shí)別的定量判定表格實(shí)現(xiàn)判定的目的。本發(fā)明實(shí)施例的判定裝置10可以采用多尺度熵算法處理兩相流液膜厚度信號(hào)，提取特征量達(dá)到流型識(shí)別的目的，提高了判定的適用性和可靠性，提高了判定的準(zhǔn)確性。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，采用單絲電容探針測(cè)量?jī)上嗔饕耗ず穸?，獲取模塊還用于將不同管徑不同流型下的液膜高度進(jìn)行歸一化處理，并計(jì)算平均液膜厚度。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，平均液膜厚度的計(jì)算公式為：

$L^{\&prime;}=\frac{h}{D},$

其中，h為水平管道氣液兩相流液膜厚度，D水平管道直徑。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在于測(cè)量?jī)上嗔饕耗ず穸葧r(shí)，在垂直于水平管道流動(dòng)方向，沿直徑布置兩根金屬導(dǎo)線。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，處理模塊200進(jìn)一步用于將原始時(shí)間序列作粗粒化處理，然后對(duì)各尺度計(jì)算其樣本熵，以做出不同流型的多尺度熵排列分布特征曲線圖，并計(jì)算各條曲線的多尺度熵增長(zhǎng)速率。

需要說(shuō)明的是，前述對(duì)水平氣液兩相流流型定量判定方法實(shí)施例的解釋說(shuō)明也適用于該實(shí)施例的水平氣液兩相流流型定量判定裝置，此處不再贅述。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的水平氣液兩相流流型定量判定裝置，基于液膜厚度測(cè)量技術(shù)及多尺度熵信號(hào)處理技術(shù)，從而采用多相流測(cè)量技術(shù)與現(xiàn)代隨機(jī)信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)水平管道兩相流流型識(shí)別，可以采用多尺度熵算法處理兩相流液膜厚度信號(hào)，彌補(bǔ)了單一使用在流型辨識(shí)方面的不足，提取特征量達(dá)到流型識(shí)別的目的，提高了判定的適用性和可靠性，提高了判定的準(zhǔn)確性，簡(jiǎn)單便捷。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“縱向”、“橫向”、“長(zhǎng)度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”、“順時(shí)針”、“逆時(shí)針”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

此外，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個(gè)該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個(gè)”的含義是至少兩個(gè)，例如兩個(gè)，三個(gè)等，除非另有明確具體的限定。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語(yǔ)應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通或兩個(gè)元件的相互作用關(guān)系，除非另有明確的限定。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過(guò)中間媒介間接接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本說(shuō)明書(shū)的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書(shū)中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不必須針對(duì)的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說(shuō)明書(shū)中描述的不同實(shí)施例或示例以及不同實(shí)施例或示例的特征進(jìn)行結(jié)合和組合。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。