氣液兩相流動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性分析.pdf

1、兩相/多相流廣泛存在于自然界及石油化工、能源動(dòng)力、航空航天、生物醫(yī)藥、食品加工等工業(yè)過程中。由于其相間的相互作用及隨機(jī)可變的相界面分布，形成了兩相/多相流復(fù)雜的非線性、非平穩(wěn)性特征，以及復(fù)雜的時(shí)間演化和空間分布特征，使得兩相/多相流的研究十分復(fù)雜和困難。采用傳統(tǒng)的研究、分析方法至今無法準(zhǔn)確描述兩相/多相流的流型演化機(jī)理及動(dòng)力學(xué)特性等問題。兩相/多相流的復(fù)雜性是其非線性及非穩(wěn)定性的本質(zhì)特征，復(fù)雜性理論的提出為研究?jī)上?多相流動(dòng)特性提供了新

2、思路和新途徑。
　　課題研究工作以水平管氣液兩相流為對(duì)象，在采集流動(dòng)過程的平均及局部流場(chǎng)電導(dǎo)陣列傳感器測(cè)試信號(hào)的基礎(chǔ)上，分別從混沌特性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、多尺度復(fù)雜性角度，對(duì)兩相流的復(fù)雜性進(jìn)行討論和分析。同時(shí)，基于熵測(cè)度和非平衡理論構(gòu)建兩相流復(fù)雜性模型，研究定量分析兩相流復(fù)雜性的方法。論文主要研究工作包括：
　?。?）在對(duì)氣液兩相流動(dòng)過程特性及測(cè)試信號(hào)特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)兩相流在相空間中的混沌特性及基于0-1混沌測(cè)試方法的非相

3、空間中的混沌特性進(jìn)行了討論，驗(yàn)證了兩相流是一個(gè)混沌系統(tǒng)，從而為研究?jī)上嗔鞯膹?fù)雜性提供理論基礎(chǔ)。
　?。?）針對(duì)氣液兩相流在頻域上的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，提出一種基于頻帶因子和傅里葉功率譜熵的多尺度頻譜熵研究?jī)上嗔鞯慕Y(jié)構(gòu)復(fù)雜性的方法。通過頻帶因子的滑動(dòng)，改變信號(hào)的分析頻率，計(jì)算不同頻帶因子下的功率譜熵，進(jìn)而分析兩相流的頻率結(jié)構(gòu)及功率譜隨著頻帶因子的改變發(fā)生的變化。通過分析波狀流、塞狀流和彈狀流3種流型的多頻帶譜熵，發(fā)現(xiàn)3種流型的電導(dǎo)波動(dòng)信號(hào)隨

4、著頻帶因子的不同表現(xiàn)出相異的多頻帶譜熵特征，能有效指示3種流型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性變化。多頻帶譜熵平均值具有較強(qiáng)的流型識(shí)別能力，為流型識(shí)別提供一種新的準(zhǔn)則。
　?。?）針對(duì)氣液兩相流動(dòng)結(jié)構(gòu)具有多尺度及多樣性，提出一種基于粗?；^程和譜熵結(jié)合的多尺度譜熵研究?jī)上嗔鞫喑叨葟?fù)雜性的算法，該算法將兩相流波動(dòng)信號(hào)中的頻率成分從高頻到低頻逐漸濾除后分析兩相流在不同頻率尺度上的頻率結(jié)構(gòu)或頻譜分布的復(fù)雜性，并將其用于泡狀流、塞狀流和彈狀流的多尺度復(fù)雜性分

5、析。研究發(fā)現(xiàn)，3種流型中泡狀流頻域能量譜結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，所含頻率成分多，頻域復(fù)雜度高；而塞狀流頻域結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，復(fù)雜性最低。與兩相流的小波能量熵和基于EMD分解的IMF能量熵相比，多尺度譜熵對(duì)于具有不同流動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性的兩相流型具有更高的識(shí)別能力，能夠有效分析兩相流的復(fù)雜性。
　?。?）針對(duì)氣液兩相流流動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性定量分析方法問題，將熵測(cè)度與統(tǒng)計(jì)理論相結(jié)合，提出基于排列熵和Tsallis熵的兩相流復(fù)雜性模型，并利用離差加權(quán)法修正模型中的

6、非平衡度。以Logistic映射為例驗(yàn)證了兩相流復(fù)雜性模型用于分析非線性系統(tǒng)復(fù)雜性的可行性和有效性；將兩相流復(fù)雜性模型用于定量分析泡狀流、塞狀流和彈狀流的復(fù)雜度，研究結(jié)果表明兩種復(fù)雜性模型都能較好反映兩相流的統(tǒng)計(jì)復(fù)雜度，證明兩相流復(fù)雜性模型的有效性。通過驗(yàn)證，Tsallis熵復(fù)雜性模型在刻畫兩相流的復(fù)雜度時(shí)比基于排列熵的復(fù)雜性模型具有更高的統(tǒng)計(jì)分析能力，更適合用于定量分析兩相流的復(fù)雜性。因此，基于Tsallis熵的兩相流復(fù)雜性模型為定量