文档介绍：国家自然科学基金资助(编号:51176141;61104207)
天津市应用基础及前沿技术研究计划资助(编号:11JCZDJC22500) <br大学建设联合培养博士生项目资助
基于电学及射线成像技术的两相流可视化
研究
Visualization Methods of Two-phase Flow
Based on Electrical and Ray Tomography
一级学科:控制科学与工程
学科专业:检测技术与自动化装置
研究生:张志强
指导教师:董峰教授
天津大学电气与自动化工程学院
二零一二年十二月
独创性声明
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作了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者签名: 签字日期: 年月日
我是爱天大的!!
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学位论文作者签名: 导师签名:
签字日期: 年月日签字日期: 年月日
摘要
两/多相流体的流动过程不仅是日常生活和自然界的常见现象,而且广泛存
在于能源、石油、化工、冶金、制冷、宇航、医药、食品等现代工业过程中。其
流动参数的测量,对于国民经济发展、资源的合理有效的利用有重大而深远的意
义。然而,在两/多相流的流动过程中,由于相间流动特性差异、相间界面复杂
多变,使得多相流参数的精确测量一直是科学研究和工业过程中的热点和难点。
因此,课题的研究从多相流可视化测量的角度出发,对多相流的可视化测量手段,
特别是层析成像技术进行了研究和分析,开发新型可视化测试传感器用于多相流
的过程参数的测量和分析。主要完成的工作如下:
1、基于 FPGA pcatPCI 技术,设计并成功搭建了一套数字化电阻
层析成像系统。pactPCI 总线协议,具有稳定性强,传
输速度快,可扩展性强等优点。基于 FPGA 技术实现了数字解调等数字信号处理
方法,提高了电阻层析成像系统的数据采集速度。成像实验测试结果证明,该数
字化电阻层析成像系统具有 1300 幅/秒以上的采集速度,60 分贝以上的信噪比和
良好的成像性能,能够满足导电物质为连续相的大多数工况的检测要求。
2、基于电容法测量原理,提出了一种基于多段电极的轴向步进法激励模式。
仿真结果证明,在该模式下,系统测试得到的数据进行简单的处理后,其特征能
够直接进行流型识别,不同液位层流的数据也具有明显的特征。该方法主要考察
两相流体容性信息在由局部测量到全局测量过程中的信息响应特征。
3、基于电容法测量原理,开发了可应用于环形流通区域中两相流的可视化
测量的环域局部聚焦成像传感器。传感器的灵敏度分析和仿真成像结果表明,该
传感器具有良好的灵敏度;通过传感器的测量数据,无需进行复杂的成像算法,
可直接进行环域两相流分布的成像,提供了一种针对环域流通工况下两相流的可
视化测试方法。
4、利用 Wire-Mesh 传感器和超快 X 射线成像传感器进行了垂直上升管道气
液两相流的泡状流和弹状流的实验。对试验数据进行处理分析,提取出截面相含
率的径向分布,气相速度的径向分布和气泡大小分布等特征。实验分析结果证明,
利用 Wire-Mesh 传感器和超快 X 射线成像传感器,在测量流体流动瞬时过程,
具有较高的空间分辨率和时间分辨率,提供了一种测量快速流动两相流瞬态参数
I
测量的可行性方法。通过该两种传感器图像数据提取的气相含率径向分布具有很
高的一致性,偏差在 4%以内;利用相关算法能够计算出气相速度径向分布;在
得到气相截面含率和气相速度后,可以进行气泡大小计算,最终得到气泡大小分
布情况,结果显示,在测量气泡大小分布时,在泡状流流型下,两种传感器能够
得到非常一致的结果。
关键词:电阻层析成像;数字化;轴向步进式激励;环域聚焦成像;电网格;
超快 X 射线成