基于渦街特性的流動(dòng)分析與參數(shù)檢測(cè).pdf

1、流體在管道內(nèi)的流動(dòng)幾乎存在于所有工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程和設(shè)備之中。作為熱量、質(zhì)量、動(dòng)量傳遞和參與化學(xué)反應(yīng)的主要介質(zhì)，流體的流動(dòng)狀態(tài)及其參數(shù)的變化對(duì)生產(chǎn)過(guò)程有著至關(guān)重要的影響。及時(shí)掌握管內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)并準(zhǔn)確測(cè)量其參數(shù)，是有效控制生產(chǎn)操作、優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程的必備條件之一。然而，工業(yè)生產(chǎn)中流體種類繁多、工作條件復(fù)雜，雖然目前已有多種流體參數(shù)測(cè)量方法和儀表，但是仍然存在大量的實(shí)際問(wèn)題急待解決。一直以來(lái)，流體狀態(tài)的獲取及其參數(shù)的測(cè)量都是過(guò)程檢測(cè)與控制領(lǐng)域的一大

2、公認(rèn)難題。 渦街是粘性流體在一定條件下繞過(guò)非流線型柱體時(shí)產(chǎn)生的一種特殊的流動(dòng)現(xiàn)象。越來(lái)越多的研究顯示出，渦街與其所在的流場(chǎng)狀態(tài)密切耦合，渦街特性能夠在很大程度上反映流體流動(dòng)狀況。因此，渦街特性作為一個(gè)包含大量流動(dòng)信息的“富流場(chǎng)信息源”，通過(guò)對(duì)其采用合適的信號(hào)檢測(cè)和處理方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管內(nèi)流體的流動(dòng)分析和參數(shù)檢測(cè)。盡管這一課題的理論和實(shí)際意義均十分重大，但是該領(lǐng)域的研究成果還相當(dāng)有限。因此，在這一前沿交叉方向上開(kāi)展研究工作，不但能

3、夠有力推動(dòng)過(guò)程參數(shù)檢測(cè)理論和技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也將為尚在迅速發(fā)展中的流體力學(xué)旋渦理論注入新的活力。 本論文緊緊圍繞基于渦街特性的管道內(nèi)流體流動(dòng)分析與參數(shù)檢測(cè)這一核心目標(biāo)開(kāi)展研究，獨(dú)創(chuàng)性地利用渦街尾流中特定位置處的管壁差壓對(duì)單相流和氣液兩相流的流動(dòng)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，深入刻畫了渦街特性與其所處流場(chǎng)狀態(tài)的耦合關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上，成功實(shí)現(xiàn)了流量和流型等關(guān)鍵參數(shù)的有效檢測(cè)。本論文完成的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下： (1)根據(jù)渦街流動(dòng)的

4、基本特性，首次提出了基于管壁處?kù)o壓波動(dòng)信號(hào)的非侵入式渦街流動(dòng)特性檢測(cè)新方法——“管壁差壓法”。通過(guò)采用RNG k-ε模型對(duì)管內(nèi)渦街流場(chǎng)的三維數(shù)值模擬，論證了管壁差壓法的可行性，著重描繪了管內(nèi)卡門渦街的產(chǎn)生和脫落過(guò)程，重點(diǎn)分析了靜壓和速度等流動(dòng)參數(shù)隨渦街脫落的演變情況，針對(duì)不同的檢測(cè)目的設(shè)計(jì)了周向式和軸向式兩種管壁差壓法，研制了配套的信號(hào)處理系統(tǒng)。 (2)基于管壁差壓法提取的渦街特性，成功地實(shí)現(xiàn)了管道內(nèi)單相流體流量的準(zhǔn)確測(cè)量。通過(guò)

5、從管壁差壓信號(hào)中提取渦街頻率，根據(jù)渦街頻率與流速的關(guān)系獲得了管內(nèi)流體的體積流量，形成了一種檢測(cè)更穩(wěn)定、抗干擾性更強(qiáng)、測(cè)量下限更低的“管壁差壓式渦街流量計(jì)”；分析了干擾噪聲、取壓位置、引壓管等因素對(duì)管壁差壓式渦街流量計(jì)測(cè)量性能的影響，評(píng)定了測(cè)量系統(tǒng)的不確定度，提出了相應(yīng)的克服措施，優(yōu)化了管壁差壓式渦街流量計(jì)的測(cè)量性能；基于漸縮漸擴(kuò)管原理，有效地拓展了管壁差壓式渦街流量計(jì)的測(cè)量下限。 (3)創(chuàng)新性地提出了基于渦街信號(hào)統(tǒng)計(jì)特征的流動(dòng)分

6、析的思想及方法，并實(shí)現(xiàn)對(duì)部分管道內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)的診斷。通過(guò)對(duì)渦街信號(hào)的功率譜和高階譜分析，提出了“功率譜式渦街能量比”，為渦街流量計(jì)檢測(cè)元件位置的優(yōu)化提供了依據(jù)，并以雙譜幅度最大值為特征參數(shù)，揭示了渦街信號(hào)的非高斯性隨流量的變化情況，深化了人們對(duì)渦街流動(dòng)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)；利用固有模態(tài)分解技術(shù)提取了非平穩(wěn)狀態(tài)下渦街信號(hào)的固有模態(tài)函數(shù)，提出了“EMD式渦街能量比”，實(shí)現(xiàn)了定量判斷管內(nèi)渦街流動(dòng)是否處于正常單相流動(dòng)狀態(tài)。 (4)首次研究了氣液

7、兩相流渦街和氣液兩相流繞流的管壁差壓特性，定量判別了氣液兩相流渦街的穩(wěn)定性，揭示了流型對(duì)氣液兩相流繞流壓降的影響。以氣液兩相流渦街周向管壁差壓信號(hào)為基礎(chǔ)，提出了一個(gè)基于管內(nèi)平均流速和渦街頻率的量綱為1的渦街穩(wěn)定性指數(shù)，利用該指數(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)管內(nèi)氣液兩相流渦街的穩(wěn)定性的定量判斷，發(fā)現(xiàn)體積含氣率對(duì)氣液兩相流渦街的穩(wěn)定性起主要作用；通過(guò)軸向管壁差壓法測(cè)量了氣液兩相流繞流近尾流區(qū)的動(dòng)態(tài)壓降，討論了氣液兩相流繞流動(dòng)態(tài)壓降與流型之間的關(guān)系，結(jié)果表明，氣

8、液兩相流繞流的動(dòng)態(tài)壓降特性對(duì)于流型具有很大的依賴性。 (5)提出了基于氣液兩相流繞流頻域特征的流型識(shí)別方法，并成功地應(yīng)用于垂直管中氣液兩相流流型的識(shí)別。通過(guò)對(duì)氣液兩相流繞流周向管壁差壓信號(hào)頻域特征的量化處理，分析了頻域特征參量與流型之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一個(gè)三層前饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以氣液兩相流繞流周向管壁差壓信號(hào)的量化頻域特征作為輸入，以數(shù)值化的流型作為輸出，采用BP算法進(jìn)行訓(xùn)練。該方法對(duì)于垂直上升管內(nèi)的單相水、泡狀流、彈狀流和混狀流

9、有較好的識(shí)別效果，準(zhǔn)確率接近90％。 (6)基于氣液兩相流渦街特性，創(chuàng)新性地提出了渦街一文丘里聯(lián)合法和單渦街流量計(jì)法，實(shí)現(xiàn)了氣液泡狀流流量和含氣率等關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量。通過(guò)分析管壁差壓式渦街流量計(jì)在氣液泡狀流中的性能和不確定度，提出了以渦街流量計(jì)和文丘里管作為測(cè)量元件的“渦街一文丘里聯(lián)合法”，建立了以渦街頻率和文丘里差壓為被測(cè)量的測(cè)量模型，該方法對(duì)氣液泡狀流質(zhì)量流量的測(cè)量相對(duì)誤差可達(dá)±5％；通過(guò)建立渦街周向管壁差壓信號(hào)頻率和幅度與被

10、測(cè)流體的關(guān)系，使用單個(gè)渦街流量計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣液泡狀流流量和體積含氣率的雙參數(shù)測(cè)量，該方法對(duì)氣液泡狀流流量和體積含氣率的測(cè)量相對(duì)誤差分別為±5％和±10％，可以滿足大量工業(yè)實(shí)際應(yīng)用的要求。 本論文以渦街特性這一學(xué)術(shù)思想為主線，在一個(gè)統(tǒng)一的框架內(nèi)集中解決了單相流流量測(cè)量與狀態(tài)診斷、氣液兩相流流型識(shí)別與參數(shù)測(cè)量等過(guò)程檢測(cè)基本問(wèn)題。以上研究成果得到了國(guó)內(nèi)外同行的廣泛認(rèn)可和正面評(píng)價(jià)，目前已經(jīng)和即將在Measurement Science &

11、 Technology、Sensors & Actuators A Physical、Measurement、Flow Measuremem & Instrumentation、Chemical Engineering Communications等本領(lǐng)域權(quán)威學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表相關(guān)論文30余篇，申請(qǐng)和授權(quán)國(guó)家專利7項(xiàng)，并且部分研究成果還受到了國(guó)內(nèi)一些著名儀表廠家的關(guān)注，正在商議相關(guān)合作和技術(shù)轉(zhuǎn)讓等事宜。這些研究成果豐富和發(fā)展了過(guò)程參數(shù)檢測(cè)理