兩相流復雜網(wǎng)絡非線性動力學特性研究.pdf

1、兩相流廣泛存在于工業(yè)生產(chǎn)過程中的各個領域,其作為一個復雜非線性系統(tǒng),迄今,采用傳統(tǒng)科學觀念和方法研究復雜多變量隨機過程的多相流動問題,其兩相流流型演化動力學特性尚未取得清楚認識,尚需從全新復雜系統(tǒng)理論與研究方法角度揭示復雜多相流流動機制。復雜網(wǎng)絡作為一個全新而又有效的工具,不僅可以挖掘包含在非線性時間序列中的重要信息特征,同時也可用于研究理論模型所不能精確描述的復雜非線性動力學系統(tǒng)。本文以垂直上升氣液兩相流和水為連續(xù)相傾斜上升油水兩相流

2、為研究對象,在采集兩相流平均及局部流場電導陣列傳感器測量信號基礎上,全新構建了兩相流流型復雜網(wǎng)絡、流體動力學復雜網(wǎng)絡、流體結構復雜網(wǎng)絡和有向加權遞歸復雜網(wǎng)絡,在此基礎上,對兩相流復雜網(wǎng)絡非線性動力學特性進行了研究。論文研究取得的創(chuàng)新性成果如下:
　　 1.提出一種基于多組兩相流測量信號相關特性的流型及流體動力學復雜網(wǎng)絡構建方法?；贙-means聚類及數(shù)據(jù)場理論的兩類復雜網(wǎng)絡社團結構探尋算法,發(fā)現(xiàn)兩相流復雜網(wǎng)絡社團結構與流型具有

3、內(nèi)在對應關系,從而實現(xiàn)了對包括過渡流型在內(nèi)的垂直氣液／傾斜油水兩相流流型識別新方法。發(fā)現(xiàn)垂直氣液／傾斜油水兩相流動力學復雜網(wǎng)絡度分布均呈現(xiàn)出明顯的小世界效應和無標度特性,且不同流型網(wǎng)絡度分布及網(wǎng)絡信息熵與流型演化趨勢相吻合,為揭示流型演化非線性動力學復雜性研究提供了新方法。
　　 2.提出一種相空間復雜網(wǎng)絡概念和構建算法。發(fā)現(xiàn)由于相空間不穩(wěn)定周期軌道(UPOs)吸引作用,混沌相空間復雜網(wǎng)絡具有明顯小世界效應和無標度特性；周期信號

4、對應的相空間復雜網(wǎng)絡為規(guī)則網(wǎng)絡；噪聲信號對應的相空間復雜網(wǎng)絡為隨機網(wǎng)絡。在此基礎上,全新探索了相空間復雜網(wǎng)絡局部模體頻率分布與傾斜油水逆流流體結構動力學之間內(nèi)在對應關系,結果表明:相空間復雜網(wǎng)絡局部模體頻率分布特征可有效地揭示傾斜油水逆流流型所特有的混沌結構動力學特性,即水包油擬段塞流型(D O／W PS)結構動力學具有弱混沌特性,過渡流型(TF)結構動力學具有強混沌特性屬高維混沌動力學系統(tǒng),而水包油局部逆流流型(D O／W CT)結構

5、動力學介于兩者之間。進一步發(fā)現(xiàn)相空間復雜網(wǎng)絡聚集系數(shù).介數(shù)聯(lián)合分布及網(wǎng)絡同配特性對氣液兩相流氣泡聚合與擊碎過程敏感,為氣液兩相流流型生長與衰落非線性動力學機制研究提供了新途徑。
　　 3.提出一種有向加權遞歸復雜網(wǎng)絡概念和構建方法。以 Tent map和2x mod1混沌映射為例,從理論上驗證了以網(wǎng)絡連通集團度選取遞歸閾值的合理性,證實了網(wǎng)絡遞歸閾值系數(shù)是判定信號中是否存在不穩(wěn)定周期軌道(UPO)的有效指示器,進而以 R(o)s

6、sler混沌系統(tǒng)為例驗證了該網(wǎng)絡不僅可用于分析與Lyapunov指數(shù)相關的UPO軌道動力學,而且還可進一步精確探測相空間各階 UPO,為時間序列軌道動力學研究提供一種新思路。在此基礎上,構建了氣液兩相流有向加權遞歸復雜網(wǎng)絡,研究表明:段塞流網(wǎng)絡遞歸閾值系數(shù)明顯小于泡狀流和混狀流,并存在大量不穩(wěn)定周期軌道,其主要由內(nèi)部小循環(huán)和外部大循環(huán)兩部分組成,內(nèi)部小循環(huán)到外部大循環(huán)的軌道運動實則表征了兩相流段塞流中含泡液塞與大氣塞間歇性的類周期振蕩運