基于渦街特性的流動分析與參數(shù)檢測.pdf

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

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

3、夠有力推動過程參數(shù)檢測理論和技術的發(fā)展，同時也將為尚在迅速發(fā)展中的流體力學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)流體流動分析與參數(shù)檢測這一核心目標開展研究，獨創(chuàng)性地利用渦街尾流中特定位置處的管壁差壓對單相流和氣液兩相流的流動特性進行了系統(tǒng)的分析，深入刻畫了渦街特性與其所處流場狀態(tài)的耦合關系，并在此基礎上，成功實現(xiàn)了流量和流型等關鍵參數(shù)的有效檢測。本論文完成的主要工作和創(chuàng)新點如下： (1)根據(jù)渦街流動的

4、基本特性，首次提出了基于管壁處靜壓波動信號的非侵入式渦街流動特性檢測新方法——“管壁差壓法”。通過采用RNG k-ε模型對管內(nèi)渦街流場的三維數(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)生和脫落過程，重點分析了靜壓和速度等流動參數(shù)隨渦街脫落的演變情況，針對不同的檢測目的設計了周向式和軸向式兩種管壁差壓法，研制了配套的信號處理系統(tǒng)。 (2)基于管壁差壓法提取的渦街特性，成功地實現(xiàn)了管道內(nèi)單相流體流量的準確測量。通過

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

6、析的思想及方法，并實現(xiàn)對部分管道內(nèi)流體流動狀態(tài)的診斷。通過對渦街信號的功率譜和高階譜分析，提出了“功率譜式渦街能量比”，為渦街流量計檢測元件位置的優(yōu)化提供了依據(jù)，并以雙譜幅度最大值為特征參數(shù)，揭示了渦街信號的非高斯性隨流量的變化情況，深化了人們對渦街流動現(xiàn)象的認識；利用固有模態(tài)分解技術提取了非平穩(wěn)狀態(tài)下渦街信號的固有模態(tài)函數(shù)，提出了“EMD式渦街能量比”，實現(xiàn)了定量判斷管內(nèi)渦街流動是否處于正常單相流動狀態(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為基礎，提出了一個基于管內(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)可實現(xiàn)對管內(nèi)氣液兩相流渦街的穩(wěn)定性的定量判斷，發(fā)現(xiàn)體積含氣率對氣液兩相流渦街的穩(wěn)定性起主要作用；通過軸向管壁差壓法測量了氣液兩相流繞流近尾流區(qū)的動態(tài)壓降，討論了氣液兩相流繞流動態(tài)壓降與流型之間的關系，結果表明，氣

8、液兩相流繞流的動態(tài)壓降特性對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別方法，并成功地應用于垂直管中氣液兩相流流型的識別。通過對氣液兩相流繞流周向管壁差壓信號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系，設計了一個三層前饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡，以氣液兩相流繞流周向管壁差壓信號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算法進行訓練。該方法對于垂直上升管內(nèi)的單相水、泡狀流、彈狀流和混狀流

9、有較好的識別效果，準確率接近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法，實現(xiàn)了氣液泡狀流流量和含氣率等關鍵參數(shù)的測量。通過分析管壁差壓式渦街流量計在氣液泡狀流中的性能和不確定度，提出了以渦街流量計和文丘里管作為測量元件的“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量的測量模型，該方法對氣液泡狀流質(zhì)量流量的測量相對誤差可達±5％；通過建立渦街周向管壁差壓信號頻率和幅度與被

10、測流體的關系，使用單個渦街流量計實現(xiàn)了對氣液泡狀流流量和體積含氣率的雙參數(shù)測量，該方法對氣液泡狀流流量和體積含氣率的測量相對誤差分別為±5％和±10％，可以滿足大量工業(yè)實際應用的要求。 本論文以渦街特性這一學術思想為主線，在一個統(tǒng)一的框架內(nèi)集中解決了單相流流量測量與狀態(tài)診斷、氣液兩相流流型識別與參數(shù)測量等過程檢測基本問題。以上研究成果得到了國內(nèi)外同行的廣泛認可和正面評價，目前已經(jīng)和即將在Measurement Science &

11、 Technology、Sensors & Actuators A Physical、Measurement、Flow Measuremem & Instrumentation、Chemical Engineering Communications等本領域權威學術刊物上發(fā)表相關論文30余篇，申請和授權國家專利7項，并且部分研究成果還受到了國內(nèi)一些著名儀表廠家的關注，正在商議相關合作和技術轉讓等事宜。這些研究成果豐富和發(fā)展了過程參數(shù)檢測理