基于多尺度排列熵的氣液兩相流型動(dòng)力學(xué)表征及識(shí)別方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于多尺度排列熵的氣液兩相流型動(dòng)力學(xué)表征及識(shí)別方法。本發(fā)明首先進(jìn)行以空氣和水為介質(zhì)的氣液兩相流實(shí)驗(yàn)，采集到三種氣液兩相不同流型的電導(dǎo)波動(dòng)信號(hào)，然后根據(jù)多尺度概念對流型信號(hào)序列進(jìn)行粗?；幚?，得到粗?；瘯r(shí)間序列，接著計(jì)算不同尺度下時(shí)間序列的排列熵，繪制多尺度排列熵分布圖，并且結(jié)合氣液兩相不同流型特征分析其動(dòng)力學(xué)演變特性，最后依據(jù)不同流型的多尺度排列熵分布圖計(jì)算多尺度排列熵率，得到所有流型信號(hào)的多尺度排列熵率分布，從而實(shí)現(xiàn)流型的識(shí)別與分類。本發(fā)明中的多尺度排列熵算法能從時(shí)間序列本身揭示氣液兩相流型信號(hào)的復(fù)雜性，具有計(jì)算簡單快速、魯棒性好等特點(diǎn)，特別適合兩相流流型信號(hào)的實(shí)時(shí)處理。
【專利說明】基于多尺度排列熵的氣液兩相流型動(dòng)力學(xué)表征及識(shí)別方法
所屬【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣液兩相流型動(dòng)力學(xué)表征及識(shí)別領(lǐng)域，具體是利用多尺度排列熵方法處理電導(dǎo)波動(dòng)信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)氣液兩相流流型的動(dòng)力學(xué)表征和識(shí)別。
【背景技術(shù)】[0002]氣液兩相流廣泛存在于化工、核反應(yīng)、天然氣等工業(yè)過程及應(yīng)用中。兩相流是一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，相間存在復(fù)雜界面效應(yīng)及相對運(yùn)動(dòng)。在兩相流研究中，流型描述的是兩相物質(zhì)的分布與混合，而動(dòng)力學(xué)特性分析揭示兩相流型的復(fù)雜性以及非線性流動(dòng)系統(tǒng)的演化規(guī)律。目前，理論模型及數(shù)值模擬方法尚未完全揭示兩相流動(dòng)力學(xué)特性，從一維可測波動(dòng)信號(hào)提取與流型轉(zhuǎn)變密切相關(guān)的特征量對進(jìn)一步認(rèn)識(shí)兩相流流動(dòng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性及流動(dòng)參數(shù)檢測具有重要意義。
[0003]近年來，采用非線性分析方法研究兩相流流型動(dòng)力學(xué)特性取得的成果日益顯著，F(xiàn)ranca等把分形理論用于流型辨識(shí)，Daw等通過計(jì)算混沛吸引子維數(shù)和Lyapunov指數(shù)對氣液兩相流流型進(jìn)行了表征，Annunziato等和Xiao等用吸引子形態(tài)特征量對流型進(jìn)行了辨識(shí)，對兩相流波動(dòng)信號(hào)用非線性方法進(jìn)行表征分析，對揭示具復(fù)雜性、不確定性且很難用數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確描述的兩相流流型轉(zhuǎn)化機(jī)理是有益的補(bǔ)充與探索。金寧德等應(yīng)用Lempel-Ziv復(fù)雜性、漲落復(fù)雜性、功率譜熵和近似熵對垂直上升管中油水和氣液兩相流的電導(dǎo)波動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了分析，指出復(fù)雜性測度對流動(dòng)參數(shù)變化敏感，能夠較好地識(shí)別流型。但是，目前非線性時(shí)間序列分析算法對序列長度及算法中參數(shù)的選擇有敏感依賴性，并且得到的計(jì)算結(jié)果僅為單一非線性表征參數(shù)，在反映流型動(dòng)力學(xué)特性細(xì)節(jié)方面尚存不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對【背景技術(shù)】存在的缺陷，研發(fā)一種基于多尺度排列熵的氣液兩相流型動(dòng)力學(xué)表征及識(shí)別方法，根據(jù)兩相流不同流型電導(dǎo)波動(dòng)信號(hào)的特征，結(jié)合多尺度和排列熵等信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)氣液兩相流不同流型的動(dòng)力學(xué)特性表征，并且提出多尺度排列熵率的概念對不同流型進(jìn)行分類識(shí)別。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明方法主要包括以下步驟：
[0006](I)獲取氣液兩相流不同流型的電導(dǎo)波動(dòng)信號(hào)樣本數(shù)據(jù)，具體是：在天津大學(xué)油氣水三相流實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為空氣及自來水，實(shí)驗(yàn)時(shí)先在管道中通入固定的水相流量，然后在管道中逐漸增加氣相流量，每完成一次氣水兩相流配比后，通過目測的方法觀察氣液兩相流流型，等出現(xiàn)穩(wěn)定流型后使用自行研制的垂直多電極傳感器陣列測量系統(tǒng)進(jìn)行電導(dǎo)波動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，實(shí)驗(yàn)中共觀察到泡狀流、段塞流、泡狀流三種流型；
[0007](2)將步驟（I)獲取的氣液兩相不同流型的電導(dǎo)波動(dòng)信號(hào)看作一段時(shí)間序列，然后根據(jù)Costa等人提出的多尺度時(shí)間序列粗?；椒▽α餍托盘?hào)進(jìn)行處理；具體如下：
[0008]對長度為N的氣液兩相流電導(dǎo)波動(dòng)信號(hào){x (i)，i = I, 2，…，N}進(jìn)行粗粒化處理，尺度為s時(shí)粗?；玫降臅r(shí)間序列，如下式所示：,
Px(I) -__
[0020]7 W N ,
--m +1

s
[0021]式中為尺度s下粗?；蛄虚L度，定義在尺度s下時(shí)間序列的排列熵為：

S
[0022]斤、(/))= _^/)_、(/)丨η ，特別地，當(dāng) ps(l) = Ι/m!時(shí)，Hs(p)取最大值 lnm!。


/-I
[0023](4)根據(jù)步驟（2)和步驟（3)闡述的多尺度排列熵方法計(jì)算三種流型電導(dǎo)波動(dòng)信號(hào)的熵值，繪制不同流型的多尺度排列熵分布圖，結(jié)合氣液兩相流動(dòng)特征分析其動(dòng)力學(xué)特性變化；
[0024](5)以步驟（4)獲得的多尺度排列熵分布圖為基礎(chǔ)，考慮到不同流型信號(hào)前幾個(gè)尺度的多尺度排列熵變化的差異，計(jì)算不同流型信號(hào)的多尺度排列熵率，實(shí)現(xiàn)氣液兩相流型的識(shí)別與分類。
[0025]本發(fā)明與現(xiàn)有的兩相流研究方法相比，具有以下特點(diǎn)：
[0026]排列熵算法通過統(tǒng)計(jì)相空間內(nèi)各個(gè)向量的排列規(guī)律實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)復(fù)雜程度的較好表征，該算法具有較好魯棒性，且快速易于實(shí)現(xiàn)。結(jié)合多尺度理論的排列熵算法可以在不同尺度上揭示泡狀流、段塞流及混狀流的動(dòng)力學(xué)復(fù)雜性。不同流型的多尺度熵曲線在不同尺度下所表現(xiàn)出的獨(dú)特的變化趨勢也從細(xì)節(jié)上反映了各流型的動(dòng)力學(xué)復(fù)雜性間的差異，進(jìn)一步證明了多尺度熵在分析復(fù)雜時(shí)間序列時(shí)所具有的優(yōu)越性，即它既能從整體上反映其動(dòng)力學(xué)特征，又能從細(xì)節(jié)上揭示其演化特征。在氣液兩相流多尺度熵表現(xiàn)出的不同變化趨勢基礎(chǔ)上，提出了多尺度熵率，并可以較好地區(qū)分三種典型流型，為垂直上升管中氣液兩相流流型提供了一種新的辨識(shí)準(zhǔn)則?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0027]圖I為本發(fā)明的實(shí)施流程圖。
[0028]圖2為水相流量為6m3/h時(shí)實(shí)驗(yàn)采集的三種流型的電導(dǎo)波動(dòng)信號(hào)。
[0029]圖3為不同工況下三種流型的多尺度排列熵分布圖。
[0030]圖4為水相流量取2、4、6、8m3/h時(shí)，三種流型的多尺度排列熵分布圖。
[0031]圖5為基于多尺度排列熵率的流型識(shí)別圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖I所示，本實(shí)施例包括以下步驟：
[0033](I)獲取氣液兩相流不同流型的電導(dǎo)波動(dòng)信號(hào),具體是：
[0034]在天津大學(xué)多相流實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行垂直上升管中氣水兩相流動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，整個(gè)測量系統(tǒng)由插入式電導(dǎo)傳感器、激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、測量數(shù)據(jù)分析軟件幾部分組成。測量系統(tǒng)采用頻率為20kHz的恒壓正弦信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)，激勵(lì)電壓有效值為IV。信號(hào)調(diào)理模塊主要由差動(dòng)放大、相敏解調(diào)和低通濾波3個(gè)部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集選用美國國家儀器公司的PXI4472數(shù)據(jù)采集卡，共有8個(gè)通道，且具有同步采集的功能。數(shù)據(jù)處理部分通過與數(shù)據(jù)采集卡配套的圖形化編程語言LABVIEW實(shí)現(xiàn)，可完成實(shí)時(shí)波形顯示、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等功能。
[0035]實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為空氣及自來水，實(shí)驗(yàn)時(shí)先在管道中通入固定的水相流量，然后在管道中逐漸增加氣相流量，每完成一次氣水兩相流配比后，通過目測的方法觀察氣液兩相流流型，等出現(xiàn)穩(wěn)定流型后記錄電導(dǎo)傳感器輸出的波動(dòng)信號(hào)。本次實(shí)驗(yàn)的水相流量范圍為l-12m3/h，氣相流量范圍為O. 5-1OOmVhο電導(dǎo)信號(hào)采樣頻率400Hz，每種流動(dòng)條件記錄50s，共采集20000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)共采集了 66種氣水兩相流流動(dòng)條件的測量數(shù)據(jù)，共觀察到泡狀流（Bubble)、段塞流（Slug)、混狀流（Churn)三種流型，如圖2所示為水相流量為6m3/h時(shí)，三種氣相流量下不同流型的典型電導(dǎo)波動(dòng)信號(hào)。
[0036](2)引入多尺度理論，將步驟（I)采集的流型信號(hào)進(jìn)行粗?；幚恚玫讲煌叨鹊拇至；瘯r(shí)間序列。
[0037]對66種氣液兩相流不同流型的電導(dǎo)波動(dòng)信號(hào)進(jìn)行粗?；x定數(shù)據(jù)長度為N=8000,尺度因子為s=40。把每組數(shù)據(jù)看作{x(i), i = I, 2,…，N}進(jìn)行粗粒化處理,粗?；玫降臅r(shí)間序列，如下式所示：
[0038]/(./) =丄 Σ -V(Z) l<j<N/s
[0039]式中：S為尺度因子，ys(j)為不同尺度下的粗?；瘯r(shí)間序列。
[0040](3)根據(jù)排列熵算法，對步驟二獲取的不同尺度的粗?；瘯r(shí)間序列進(jìn)行熵值計(jì)算，得到不同尺度下粗?；瘯r(shí)間序列的排列熵。具體步驟如下：
[0041]首先，對步驟（2)獲取的不同尺度下的粗?；瘯r(shí)間序列進(jìn)行相空間重構(gòu)，如下式所示：
[0042]Ys (t) = [ys (t),ys(t+xys (t+ (m_l) τ ) ] t e (I, N/s_m+[0043]式中：m為嵌入維數(shù)，τ為延遲時(shí)間，Ys(t)為重構(gòu)向量，本實(shí)施過程中的選取嵌入維數(shù)m = 5,延遲時(shí)間τ = I。
[0044]然后，將向量Ys⑴的m個(gè)分量按升序進(jìn)行排列，即：
【權(quán)利要求】
1.基于多尺度排列熵的氣液兩相流型動(dòng)力學(xué)表征及識(shí)別方法，主要包括步驟： (1)獲取氣液兩相流不同流型的電導(dǎo)波動(dòng)信號(hào)樣本數(shù)據(jù)，具體是：在天津大學(xué)油氣水三相流實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為空氣及自來水，實(shí)驗(yàn)時(shí)先在管道中通入固定的水相流量，然后在管道中逐漸增加氣相流量，每完成一次氣水兩相流配比后，通過目測的方法觀察氣液兩相流流型，等出現(xiàn)穩(wěn)定流型后使用自行研制的垂直多電極傳感器陣列測量系統(tǒng)進(jìn)行電導(dǎo)波動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，實(shí)驗(yàn)中共觀察到泡狀流、段塞流、泡狀流三種流型； (2)將步驟（1)獲取的氣液兩相不同流型的電導(dǎo)波動(dòng)信號(hào)看作一段時(shí)間序列，然后根據(jù)Costa等人提出的多尺度時(shí)間序列粗粒化方法對流型信號(hào)進(jìn)行處理；具體如下： 對長度為N的氣液兩相流電導(dǎo)波動(dòng)信號(hào){x(i)，i = 1，2，- , N}進(jìn)行粗粒化處理，尺度為s時(shí)粗?；玫降臅r(shí)間序列，如下式所示：
2.按照權(quán)利要求1所述的基于多尺度排列熵的氣液兩相流型動(dòng)力學(xué)表征及其識(shí)別方法，其特征在于步驟（I)中所獲取的三種流型的電導(dǎo)波動(dòng)信號(hào)有66組，每組信號(hào)的序列長度N = 8000，步驟（2)中進(jìn)行粗?；幚頃r(shí)所選尺度為s = 40。
3.按照權(quán)利要求1所述的基于多尺度排列熵的氣液兩相流型動(dòng)力學(xué)表征及其識(shí)別方法，其特征在于步驟（3)中計(jì)算排列熵時(shí),依據(jù)Bandt等人的建議,所選擇的嵌入維數(shù)m和延遲時(shí)間τ為m=5和τ = I。
4.按照權(quán)利要求1所述的基于多尺度排列熵的氣液兩相流型動(dòng)力學(xué)表征及其識(shí)別方法，其特征在于步驟（5)中計(jì)算多尺度排列熵率時(shí)，選擇前五個(gè)尺度的排列熵進(jìn)行線性化并計(jì)算其斜率。
【文檔編號(hào)】G01M10/00GK103487234SQ201310463770
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年10月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月7日
【發(fā)明者】樊春玲, 陳秀霆 申請人:青島科技大學(xué)