【摘要】：隨著微加工技術(shù)和新型材料技術(shù)的發(fā)展,許多工業(yè)設(shè)備逐漸呈現(xiàn)出微型化、小型化趨勢,例如微小型反應(yīng)器、熱交換器以及分離系統(tǒng)等。小管道氣液兩相流廣泛存在于這些微小型化工業(yè)設(shè)備中。因此,針對小管道氣液兩相流參數(shù)測量與狀態(tài)監(jiān)測的研究具有重要的科研意義與工業(yè)應(yīng)用價值。然而現(xiàn)有的針對小管道氣液兩相流的研究尚不充分,對參數(shù)測量與狀態(tài)監(jiān)測中涉及的檢測方法與信息處理方法的探索還有待加強。本文對小管道氣液兩相流的流動特性進行了研究,結(jié)合多種傳感技術(shù)與信息處理方法,提出流型辨識、相含率測量以及狀態(tài)監(jiān)測新方法。本學(xué)位論文的主要工作與創(chuàng)新點如下:1.針對小管道氣液兩相流的流動特性,設(shè)計了一種適用于小管道氣液兩相流參數(shù)測量的光電二極管陣列傳感器,并對該傳感器結(jié)構(gòu)與傳感單元數(shù)量進行了優(yōu)化。優(yōu)化后的陣列傳感器具有軸對稱分布的24個光電二極管傳感單元,能夠有效地獲取較大范圍內(nèi)光學(xué)信號的強度分布。同時該傳感器還具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點。初步實驗結(jié)果表明本文設(shè)計的陣列傳感器是有效的,該傳感器獲得的光學(xué)信號能夠有效地反映管道內(nèi)兩相流相分布,將其應(yīng)用于氣液兩相流的參數(shù)測量是可行的。2.基于所研制的陣列傳感器,提出了一種適用于小管道氣液兩相流的流型辨識新方法。該方法利用陣列傳感器采集光學(xué)信號,通過主成分分析(PCA)對光學(xué)信號進行降維處理并提取光學(xué)信號的特征向量(由均值與標(biāo)準(zhǔn)差組成),最后采用Fisher判別分析(FDA)建立的流型分類器進行流型辨識。為提高流型辨識準(zhǔn)確率,本文還引入電容耦合式非接觸電導(dǎo)測量(C~4D)傳感器對兩相流進行流型辨識,然后利用多傳感器信息融合技術(shù)對兩種傳感器獲得的辨識結(jié)果進行融合。實驗結(jié)果表明本文提出的基于陣列傳感器的流型辨識方法是有效的,在內(nèi)徑為1.08mm,2.16mm,3.04mm和4.22mm的管道內(nèi),流型辨識準(zhǔn)確率分別為82.4%,88.0%,84.8%和91.1%。實驗結(jié)果還表明基于信息融合技術(shù)的流型辨識方法有效地提高了辨識準(zhǔn)確率,四種管徑內(nèi)辨識準(zhǔn)確率分別提高至94.1%,96.0%,90.9%和94.3%。3.基于光電二極管陣列傳感器與雙目視覺技術(shù),提出了兩種相含率測量新方法。基于陣列傳感器的相含率測量方法利用該傳感器采集光學(xué)信號,然后提取光學(xué)信號特征向量,最后根據(jù)流型辨識結(jié)果選擇相應(yīng)相含率測量模型進行相含率測量。本文采用最小二乘支持向量機(LS-SVM)為每種典型流型建立測量模型。基于雙目視覺技術(shù)的相含率測量方法采用單個高速相機結(jié)合反射棱鏡同時獲取小管道氣液兩相流水平與垂直兩個方向的圖像,然后通過圖像處理方法獲得兩個方向的氣液相分布從而實現(xiàn)相含率測量。實驗結(jié)果表明本文提出的兩種相含率測量方法均是有效的�；诠鈱W(xué)陣列傳感器的相含率測量方法在內(nèi)徑為1.08mm,2.16mm,3.04mm以及4.22mm的管道內(nèi),相含率測量的最大絕對誤差分別為10.0%,6.62%,9.22%以及5.89%�；陔p目視覺的相含率測量方法在內(nèi)徑為2.16mm,3.04mm和4.22mm的管道內(nèi),相含率測量的最大絕對誤差分別為5.20%,5.81%以及5.88%。4.采用壓力傳感器,紅外相機以及高速相機對小管道流動沸騰狀態(tài)進行了監(jiān)測,并對沸騰時的氣泡生長特性進行了研究。小管道采用截面尺寸為0.8mm ×8mm的方形管道,流體介質(zhì)為蒸餾水。實驗結(jié)果表明由于沸騰狀態(tài)的不同,管內(nèi)流體沸騰時的壓降與過熱溫度具有較強的不穩(wěn)定性與周期性。同時,實驗結(jié)果還表明方形管道對氣泡生長過程有明顯的限制作用,管道的厚度以及寬度對氣泡的限制作用分別體現(xiàn)在氣泡等效半徑以及長寬比上。相較于已報道的二階段氣泡生長模型,本文根據(jù)氣泡等效半徑與長寬比的變化,將蒸餾水氣泡生長情況分為三個階段:自由生長階段、部分受限階段與完全受限階段。5.對體積分?jǐn)?shù)為5%的乙醇-水混合溶液的流動沸騰狀態(tài)進行了研究,對比了蒸餾水與混合溶液的氣泡生長特性。實驗結(jié)果表明,混合溶液的氣泡生長過程沒有明顯的階段分布且受到管道限制作用較小,與蒸餾水的氣泡生長過程有較大不同。本文針對混合溶液與蒸餾水沸騰特性的不同,對混合溶液中介質(zhì)的潛熱、熱容、揮發(fā)性以及擴散速度等進行了研究。研究結(jié)果表明,在氣泡生長前期,由于乙醇更強的揮發(fā)性以及更低的潛熱與熱容,使得混合溶液氣泡生長速度較蒸餾水更快,受到管道尺寸的限制也較小;在氣泡生長后期,隨著氣泡周圍乙醇濃度的降低,氣泡生長過程開始受到擴散速度的限制,使得混合溶液氣泡生長速度逐漸減小并趨向于蒸餾水的生長情況。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O359;TP212
【圖文】：

像進行處理獲得管道內(nèi)部氣液相界面分布，從而實現(xiàn)相含率測量。因此利用高速逡逑攝像法進行小管道氣液兩相流相含率測量受到了眾多研究工作者的重視。逡逑Ｃｈｅｎ等人［１２１采用如圖１．１所示的高速攝像法測量裝置，對內(nèi)徑為１．００ｍｍ與逡逑１．５０ｍｍ管道內(nèi)的氮氣－水兩相流進行研究。測量裝置主要包括高速相機、光源以逡逑及透明測試管段。他們對獲得的流動圖像進行分析，獲得了氣液兩相流流型圖，逡逑并且構(gòu)建了氣泡移動速度與相含率之間的關(guān)系式。Ｔｒｉｐｌｅｔｔ等人［１６力］利用高速攝逡逑像法對小管道氣液兩相流相含率測量進行研究。他們分別在圓形管道（內(nèi)徑為逡逑１．１ｍｍ與１．４５ｍｍ）與半三角管道（水力直徑為１．０９ｍｍ與Ｌ４９ｍｍ）中針對泡狀逡逑流與段塞流進行相含率測量實驗。逡逑？逡逑0邐ｒ——逡逑１邐０③邋ｊ逡逑ｒ＼邐？邐＾逡逑＾邋、——逡逑ｒＨ邐，邐＿逡逑１逡逑圖１．１高速攝像法參數(shù)測量實驗裝置示意圖（１光源，２高速相機，３儲液逡逑罐，４電子天平，５入水口，６壓力罐）［４１］逡逑由于高速攝像法只能獲取氣液兩相流單個方向的圖像信息，在進行相含率測逡逑量的過程中，需要對氣液相界面進行一定的近似。Ｓｅｒｉｚａｗａ與Ｒｅｚｋａｌｌａｈ等人［Ｕ，４Ｑ＿逡逑４２］在利用高速攝像法進行相含率測量時，將段塞近似為一個兩端有半球蓋的圓柱逡逑體

像進行處理獲得管道內(nèi)部氣液相界面分布，從而實現(xiàn)相含率測量。因此利用高速逡逑攝像法進行小管道氣液兩相流相含率測量受到了眾多研究工作者的重視。逡逑Ｃｈｅｎ等人［１２１采用如圖１．１所示的高速攝像法測量裝置，對內(nèi)徑為１．００ｍｍ與逡逑１．５０ｍｍ管道內(nèi)的氮氣－水兩相流進行研究。測量裝置主要包括高速相機、光源以逡逑及透明測試管段。他們對獲得的流動圖像進行分析，獲得了氣液兩相流流型圖，逡逑并且構(gòu)建了氣泡移動速度與相含率之間的關(guān)系式。Ｔｒｉｐｌｅｔｔ等人［１６力］利用高速攝逡逑像法對小管道氣液兩相流相含率測量進行研究。他們分別在圓形管道（內(nèi)徑為逡逑１．１ｍｍ與１．４５ｍｍ）與半三角管道（水力直徑為１．０９ｍｍ與Ｌ４９ｍｍ）中針對泡狀逡逑流與段塞流進行相含率測量實驗。逡逑？逡逑0邐ｒ——逡逑１邐０③邋ｊ逡逑ｒ＼邐？邐＾逡逑＾邋、——逡逑ｒＨ邐，邐＿逡逑１逡逑圖１．１高速攝像法參數(shù)測量實驗裝置示意圖（１光源，２高速相機，３儲液逡逑罐，４電子天平，５入水口，６壓力罐）［４１］逡逑由于高速攝像法只能獲取氣液兩相流單個方向的圖像信息，在進行相含率測逡逑量的過程中，需要對氣液相界面進行一定的近似。Ｓｅｒｉｚａｗａ與Ｒｅｚｋａｌｌａｈ等人［Ｕ，４Ｑ＿逡逑４２］在利用高速攝像法進行相含率測量時，將段塞近似為一個兩端有半球蓋的圓柱逡逑體

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本文編號：2716004