專利名稱：一種利用柱狀圖表征多相混合效果的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種適應(yīng)于化工領(lǐng)域所有多相流的利 用柱狀圖表征多相混合效果的方法。
背景技術(shù)：
混合效果的好壞對于化學(xué)工程過程是非常重要的。大約在60到80年代期間流 體混合技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，其研究的重點主要是針對常規(guī)攪拌槳在低粘和高粘非牛頓 均相體系、固液懸浮和氣液分散等非均相體系中的攪拌功耗、混合時間等宏觀量進行實驗 研究。雖然有大量的設(shè)計經(jīng)驗和關(guān)聯(lián)式的可用于分析和預(yù)測混合體系，但將攪拌反應(yīng)器從 實驗室規(guī)模直接放大到大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)中，仍是沒有把握的，至今仍需要通過逐級放大 來達到攪拌設(shè)備所要求的傳質(zhì)、傳熱和混合。這種方法不但耗費財力和大量的人力和物力， 而且設(shè)計周期很長，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計顯示美國的化學(xué)工業(yè)由于攪拌反應(yīng)器設(shè)計不合理所造成的 損失每年約為10-100億美元。因此采用先進的測試手段和建立合理的數(shù)學(xué)模型獲取攪拌 槽中的速度場、溫度場和濃度場，以及采取有效的表征多相混合效果的方法，不僅對混合設(shè) 備的優(yōu)化設(shè)計具有十分重要的經(jīng)濟意義，而且對放大和混合的基礎(chǔ)研究具有現(xiàn)實的理論意 義。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了激光多普勒測速儀LDV和計算流體力 學(xué)CFD模擬技術(shù)以及電子斷層成像技術(shù)PET等的廣泛應(yīng)用，促進了流體混合技術(shù)飛速的發(fā) 展，就目前看，表征多相混合效果的方法眾多，主要有電導(dǎo)率法、熱電偶法、光學(xué)法、脫色法 等，其中電導(dǎo)率法在低粘性流體的攪拌混合中應(yīng)用很廣，但對攪拌介質(zhì)的要求高，如要求攪 拌介質(zhì)為去離子水；熱電偶法則對流場會產(chǎn)生破壞；一般的光學(xué)法由于裝置復(fù)雜，應(yīng)用也 較少；脫色法用來測高粘流體和粘彈性流體非常有效，但由于采用肉眼判斷，因而帶有較強 的主觀性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服了上述方法的不足，提供一種具有較高的應(yīng)用價值的、簡便 可行的利用柱狀圖表征化學(xué)工業(yè)中多相混合效果的方法。計算代數(shù)拓撲學(xué)中，第0維貝蒂數(shù)的含義是區(qū)域中連通成分的個數(shù)，簡單的說就 是區(qū)域中塊的個數(shù)；第1維貝蒂數(shù)的含義是區(qū)域中洞的個數(shù)，簡單的說就是區(qū)域中大塊的 個數(shù)；柱狀圖，也稱條圖、長條圖、條狀圖，是一種以長方形的長度為變量的表達圖形的統(tǒng)計 報告圖，由一系列高度不等的縱向條紋表示數(shù)據(jù)分布的情況(不同時間或者不同條件)，只 有一個變量，通常利用于較小的數(shù)據(jù)集分析；本發(fā)明用第0維貝蒂數(shù)來表征混合效果的均 勻程度，用第1維貝蒂數(shù)來表征混合效果的非均勻程度，用柱狀圖來比較兩個或以上的價 值，對混合過程中圖像的第0維貝蒂數(shù)和第1維貝蒂數(shù)進行柱狀圖分析，利用其分布的特點 來判斷混合是否最佳。詳細的步驟如下該方法采用統(tǒng)計學(xué)的柱狀圖方法，通過計算多相混 合流體混合圖樣的第0維貝蒂數(shù)和第1維貝蒂數(shù)，分別獲得多相流混合樣本的第0維貝蒂數(shù)和第1維貝蒂數(shù)時間序列的柱狀圖，第0維貝蒂數(shù)和第1維貝蒂數(shù)柱狀圖的橫坐標(biāo)分別 表示混合效果的均勻程度和非均勻程度，而柱狀圖的縱坐標(biāo)則表示時間，其中第0維貝蒂 數(shù)時間序列柱狀圖的橫坐標(biāo)中相對較大值所占的區(qū)域面積越大，而第1維貝蒂數(shù)時間序列 柱狀圖的橫坐標(biāo)中相對較小值所占的區(qū)域面積越大，即第0維貝蒂數(shù)越大，第1維貝蒂數(shù) 越小，混合效果越好。最后，若某工況下的混合樣本的第0維貝蒂數(shù)和第1維貝蒂數(shù)時間序 列的柱狀圖分布同時能夠很好的符合正態(tài)分布，即符合經(jīng)典的鐘形曲線，則表示該工況下 的混合效果最佳。本發(fā)明的有益效果是1、解決了常用表征混合效果方法等的不足之處；2、該方法簡單可行，直觀；3、可以降低因攪拌反應(yīng)器的不合理設(shè)計造成的經(jīng)濟損失，進一步指導(dǎo)實驗設(shè)計。本發(fā)明應(yīng)用在對所有多相混合效果的判斷，該方法簡單方便，且具有很高的實用 價值，對化工實驗中判斷混合效果及理論上指導(dǎo)攪拌反應(yīng)器的設(shè)計，提供了一種可靠實用 的表征方法。


圖1為本發(fā)明第0維貝蒂數(shù)柱狀圖；圖2為本發(fā)明第1維貝蒂數(shù)柱狀圖。
具體實施例方式實施例1 化學(xué)實驗中涉及到氣體液體和固體三相之間的混合反應(yīng)，需將幾種不同物質(zhì)放到 磁力攪拌器中進行混合反應(yīng)，通過粒子測速儀(針對透明或半透明流體)、電子斷層成像技 術(shù) EPT (Electrical Process Tomography)或 CT (Computerized Tomography)(針對不透 明流體)來獲得混合的實時圖樣，然后保存圖像數(shù)據(jù)，借助計算機計算貝蒂數(shù)的程序CHomP 進行計算，獲得第0維貝蒂數(shù)和第1維貝蒂數(shù)的時間序列，最后畫出所有工況下(轉(zhuǎn)速為 0-3000rpm)第0維貝蒂數(shù)和第1維貝蒂數(shù)的時間序列的柱狀圖，觀測其是否符合正態(tài)分布， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速為IOOOrpm的時候，其第0維貝蒂數(shù)和第1維貝蒂數(shù)的柱狀圖分布同時符合 正態(tài)分布，而且發(fā)現(xiàn)其第0維貝蒂數(shù)較大值分布區(qū)域較大，第1維貝蒂數(shù)較大值分布區(qū)域較 小，換句話說，此工況下的相分布塊數(shù)最多，大塊的分布數(shù)最少，混合效果最佳。如圖1和圖 2所示。其柱狀圖符合正態(tài)分布，即經(jīng)典的鐘形曲線。
權(quán)利要求
1.一種利用柱狀圖表征多相混合效果的方法，其特征在于采用統(tǒng)計學(xué)的柱狀圖方 法，計算多相混合流體混合圖樣的第0維貝蒂數(shù)和第1維貝蒂數(shù)，分別獲得多相流混合樣 本的第0維貝蒂數(shù)和第1維貝蒂數(shù)時間序列的柱狀圖，其中第0維貝蒂數(shù)和第1維貝蒂數(shù) 柱狀圖的橫坐標(biāo)分別表示混合效果的均勻程度和非均勻程度，而柱狀圖的縱坐標(biāo)則表示時 間，根據(jù)第0維貝蒂數(shù)時間序列柱狀圖的橫坐標(biāo)中所占的區(qū)域面積的大小來判斷該工況下 的混合效果；當(dāng)?shù)?維貝蒂數(shù)越大，第1維貝蒂數(shù)越小，混合效果越好，柱狀圖分布符合正態(tài) 分布，則表示混合效果最佳。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用柱狀圖表征多相混合效果的方法，其特征在于計算過 程中的第0維貝蒂數(shù)和第1維貝蒂數(shù)是通過CHomP國際免費軟件來計算獲得。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用柱狀圖表征多相混合效果的方法，其特征在于針對透 明或半透明流體通過粒子測速儀來獲得混合的實時圖樣；針對不透明流體采用電子斷層成 像方法EPT來獲得混合的實時圖樣。
全文摘要
本發(fā)明是一種利用柱狀圖表征多相混合效果的方法。該方法采用統(tǒng)計學(xué)的柱狀圖方法，計算多相混合流體混合圖樣的第0維貝蒂數(shù)和第1維貝蒂數(shù)，分別獲得多相流混合樣本的第0維貝蒂數(shù)和第1維貝蒂數(shù)時間序列的柱狀圖。根據(jù)第0維貝蒂數(shù)時間序列柱狀圖的橫坐標(biāo)中所占的區(qū)域面積的大小來判斷該工況下的混合效果；當(dāng)?shù)?維貝蒂數(shù)越大，第1維貝蒂數(shù)越小，混合效果越好，柱狀圖分布符合正態(tài)分布，則表示混合效果最佳。本發(fā)明適應(yīng)所有涉及多相流混合效果的表征，該方法簡單方便，且具有很高的實用價值，對化工實驗中判斷混合效果及理論上指導(dǎo)攪拌反應(yīng)器的設(shè)計，提供了一種可靠實用的表征方法。
文檔編號G06F17/50GK102004816SQ201010529968
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月3日
發(fā)明者徐建新, 王仕博, 王 華 申請人:昆明理工大學(xué)