CN111307809A - 小管道气液两相流相分布光学检测***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小管道气液两相流相分布光学检测***和方法。首先，采用两束片状光束从两个相互垂直的方向照射被测气液两相流，并同步测量由此产生的光强分布；然后，结合管道内充满液相时的光强分布数据，从测量结果中提取所需的光强分布特征量；接下来，基于几何光学原理建立关于小管道截面相分布参数与光强分布特征量的测量模型，并利用实验数据实现管截面气液相分布测量；最后，基于多组相分布测量结果进一步实现气液两相流气液相分布重建以及液膜厚度估计。该***具有非接触/非侵入式测量、高时间/空间分辨率以及装置结构简单等优势；该方法基于几何光学原理，为获取小管道气液两相流的截面气液相分布信息提供了有效、便捷的新途径。

Description

小管道气液两相流相分布光学检测***和方法

技术领域

本发明属于两相流流体检测技术领域，涉及一种小管道气液两相流相分布光学检测***和方法。

背景技术

小管道气液两相流广泛存在于能源、石油和化工等领域，针对该流动过程的相分布检测研究在科学研究领域以及工业应用领域都具有极为重要的价值。因为该技术不仅可以为科学研究和理论建模提供有效的数据来源，还可以为工业生产的安全、高效运行提供支持和保障。

在现有的气液两相流相分布检测技术中，高速摄像方法和粒子示踪方法是两类已经被成功应用于小通道气液两相流检测的方法，其中，高速摄像方法是一种较早被应用于小通道流动状态检测的方法，也是目前较为成功且检测精度较高的方法之一。虽然该技术可以获得高精度的两相流流动图像并具有非侵入、非接触检测的优势，但是高速摄像机需要在管道透明的条件下才能获得流体图像，而这一点在许多应用场景中是难以实现的。另外，高速摄像机本身的高昂成本也成为了该技术的一个局限因素。对于粒子示踪方法而言，虽然利用该方法可以得到高质量的气液两相流界面形状信息，并获得较为精确的流场分布信息，但是，这类技术的局限性在于：一方面，检测***中的相应设备，如高能脉冲激光器、高速摄像机等成本非常昂贵，并且装置的结构也较为复杂；另一方面，该类技术需要在原流体中加入示踪颗粒，而这可能会影响工质的物理性质。

发明内容

为了进一步完善现有的小管道气液两相流相分布检测技术，本发明公开了一种小管道气液两相流相分布光学检测***，包括激光器、扩束镜、狭缝、分光镜、第一平面镜、第二平面镜、第一高速CMOS传感器、第二高速CMOS传感器以及小管道气液两相流；首先，由激光器发出的光束依次经由扩束镜、狭缝后变为平行片状光束，经过分光镜后分为水平、竖直两束片状光束，其中水平片状光束直接入射至小管道气液两相流，竖直片状光束经第一平面镜和第二平面镜反射后从另一垂直方向入射至小管道气液两相流；最后，由第一高速CMOS传感器及第二高速CMOS传感器分别测量水平、竖直两束片状光束经由气液两相流后产生的光强分布。

本发明的另一目的在于提供了一种基于几何光学原理的小管道气液两相流相分布光学测量方法，步骤如下：

1)获取小管道气液两相流的光强分布：采用权利要求1所述的检测***同步采集相互垂直角度的平行片状入射光束经过小管道气液两相流后产生的光强分布数据；

2)提取光强分布特征量：结合管道内充满水时的光强分布数据，从步骤1)采集得到的光强分布中提取出相对缺失部分的长度、相对缺失部分的中心偏移量，再将二者作归一化处理后作为最终的光强分布特征量；

3)建立小管道气液两相流相分布测量模型：将小管道截面内的气液两相流分布情况描述为中心位置、半轴长度可变的椭圆，记椭圆的中心坐标为(x,y)，椭圆的水平、竖直半轴长分别为a、b，建立关于截面气液相分布参数(x,y,a,b)与光强分布特征量的相分布测量模型；

4)辨识步骤3)得到的相分布测量模型的模型参数：在步骤1)中的实验参数条件下，根据几何光学原理得到截面气液相分布参数(x,y,a,b)在不同取值条件下产生的理论光强分布，并提取理论光强分布特征量；将提取到的理论光强分布特征量代入步骤3)所述的相分布测量模型中，得到截面气液相分布参数的测量结果；最后，采用最小二乘方法获得相分布测量模型的模型参数；

5)测量小管道气液两相流相分布：按照步骤1)和步骤2)获取一段采样时间内两个相互垂直方向的光强分布并提取光强分布特征量，将光强分布特征量以及步骤4)辨识得到的模型参数代入相分布测量模型中，得到截面气液相分布参数的测量结果。

进一步的，所述的步骤2)具体为：

1)测量并记录管道内充满水时两个相互垂直方向上的光强分布，分别记两个方向的光强分布长度为Δl_h、Δl_v；

2)当管道中有气泡经过时，相应的光强分布会产生缺失部分，将此时的光强分布与管道内充满水时的光强分布做差，通过边沿检测方法进一步得到光强缺失部分的长度Δl₁，以及光强缺失部分的中心偏移量Δl₂；

3)分别将两个互相垂直方向上的光强分布特征记为(Δl_1h,Δl_2h)以及(Δl_1v,Δl_2v)，归一化处理后得到最终的光强分布特征量

其中：

式中，

和

分别为水平方向上的光强缺失部分的长度和中心偏移量，

和

分别为垂直方向上的光强缺失部分的长度和中心偏移量。

进一步的，所述的步骤3)具体为：

采用中心位置及半轴长度可变的椭圆近似描述小管道截面内的气液相分布情况，记椭圆的中心坐标为(x,y)，椭圆的水平、竖直半轴长分别为a、b，以管道截面中心作为原点，以水平、竖直方向为横、纵坐标轴建立平面直角坐标系，记管道的外半径和内半径分别为R、R_c，记管道、气相以及液相的折射率分别为n_c，n_g和n_l，记光检测边界与管道中心的垂直距离为L；根据几何光学理论，建立关于截面气液相分布参数(x,y,a,b)与光强分布特征量

的相分布测量模型：

式中，A₁,A₂,B₁,B₂,C₁,C₂,α₁,α₂,β₁,β₂,γ₁,γ₂为待辨识模型参数，R、R_c、n_c、n_g、n_l、L为实验参数，

为无量纲的截面气液相分布参数。

进一步的，所述的步骤4)具体为：

将步骤3)建立的相分布测量模型转化为：

P＝M^-1N (5)

根据几何光学原理得到截面气液相分布参数(x,y,a,b)在不同取值条件下产生的理论光强分布，计算过程中的参数R、R_c、n_c、n_g、n_l、L和步骤1)中的实验参数相同；提取理论光强分布特征量记为

将相应的预设截面气液相分布参数记为

i＝1,2,…,N；N表示截面气液相分布参数(x,y,a,b)的组数，即截面数量；

在此基础上，定义损失函数L(θ)为：

式中，θ表示一组待辨识模型参数A₁,A₂,B₁,B₂,C₁,C₂,α₁,α₂,β₁,β₂,γ₁,γ₂；

为第i组理论计算对应的截面气液相分布参数的预设结果，P_i为将第i组理论光强分布特征量代入相分布测量模型表达式(5)～(8)后得到的截面气液相分布参数的测量结果；

则根据下式可以确定相分布测量模型中的待辨识模型参数θ^*：

本发明的另一目的在于提供一种小管道气液两相流的液膜厚度估计方法，基于上述的相分布测量模型，首先，利用一段采样时间内水平方向的光强分布测量结果，按照所述步骤2)的光强分布特征量提取方法，得到一组光强分布特征量

将步骤4)辨识的模型参数代入相分布测量模型中，进一步得到截面气液相分布参数

与光强分布特征量

之间的关系：

式中，A₁,A₂,C₁,C₂,α₁,α₂,γ₁,γ₂为待辨识模型参数，

为无量纲的截面气液相分布参数；

根据相对液膜厚度的定义有：

式中，δ表示液膜的绝对厚度，D表示管道内径；

则根据式(12)～(13)，利用提取的光强分布特征量

得到一组相对液膜厚度估计值{(δ/D)_i}，取平均值作为最终的液膜厚度估计结果。

本发明具备的有益效果为：

(1)本***与传统的气液两相流光学测量***相比，采用两片高速CMOS传感器同步测量两个相互垂直方向上，由片状入射光经过气液两相流后产生的光强分布信号，能够充分利用光强分布信号中包含的气液相界面形状信息，并具有非侵入、非接触测量以及高时间、空间分辨率等优势，适用于小管道气液两相流参数测量及状态监测等应用场景中。

(2)本发明中的小管道气液两相流相分布测量方法中的光强分布提取过程，通过结合管道内充满水时的光强分布数据并采用做差的方式提取光强分布缺失部分，可以有效地避免杂散光引起的光强噪声对于光强分布特征量提取的影响。另外，通过将光强分布特征进行归一化处理，可以有效减小实验条件(如气液相介质折射率、玻璃管道折射率、管道尺寸等)测量误差对于光强分布特征量的影响。

(3)本发明中的小管道气液两相流相分布测量方法相比于传统的光学层析成像方法，根据小管道中气液两相流的流动特征，采用参数可调的椭圆近似描述管道截面内的气液相分布情况，仅采用两个方向的光强分布信号即实现了截面相分布情况的测量，其测量结果具有较高的精度。

(4)本发明中的小管道气液两相流液膜厚度测量方法仅需要水平方向的光强分布信号，在实际使用中可以在图1的基础上进一步省略分光镜4、第一平面镜5、第二平面镜6和第二高速CMOS传感器8。相比于传统的液膜厚度测量方法，该方法具有装置结构简便、测量过程简单等优势。实验测量结果表明，其液膜厚度测量结果与现有的液膜厚度经验公式具有较好的一致性。

附图说明

图1为所提出的小管道气液两相流光学检测***的结构示意图；

图2为光强分布特征量示意图；

图3为光强分布理论计算所采用的坐标及参数定义；

图4为实施例中的气液两相流连续气泡重建结果；

图中：激光器1，扩束镜2，狭缝3，分光镜4，第一平面镜5，第二平面镜6，第一高速CMOS传感器7，第二高速CMOS传感器8，小管道气液两相流9。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的***和发明进行进一步的说明。

如图1所示，一种小管道气液两相流相分布光学检测***，由激光器1、扩束镜2、狭缝3、分光镜4、第一平面镜5、第二平面镜6、第一高速CMOS传感器7、第二高速CMOS传感器8以及小管道气液两相流9组成。首先，由激光器1发出的光束经由扩束镜2、狭缝3后变为宽度合适的平行片状光束，该宽度与被测管道外径等宽；然后，原平行片状光束经过分光镜4后分为水平、竖直两束片状光束，水平光束直接入射至小管道气液两相流9，竖直片状光束被第一平面镜5和第二平面镜6反射后从另一垂直方向入射至小管道气液两相流9；最后，由第一高速CMOS传感器7及第二高速CMOS传感器8分别测量经由气液两相流后产生的光强分布数据。

如图2所示，管道内充满水时的光强分布为“钟型”曲线(图2中带三角形标识的浅灰色曲线)，而当气泡经过片状入射光照射平面时，相应的光强分布曲线会产生部分“缺失”部分(图2中带正方形标识的黑色曲线)，理论计算表明，光强分布的相对缺失部分是由气泡对原入射光束的散射导致的，因此，可以从测量结果中提取出光强分布相对缺失部分的长度Δl₁、相对缺失部分的中心偏移量Δl₂，再将二者与管道内充满水时的光强分布长度Δl的比值作为最终的光强分布特征量。由于测量中涉及两个相互垂直方向的光强分布数据，故此处记水平方向的光强分布特征量为(Δl_1h,Δl_2h)，记竖直方向的光强分布特征量为(Δl_1v,Δl_2v)并将两个方向上管内充满水时的光强分布长度分别记为Δl_h和Δl_v，则可以得到最终的光强分布特征量

为：

式中，

和

分别为水平方向上的光强缺失部分的长度和中心偏移量，

和

分别为垂直方向上的光强缺失部分的长度和中心偏移量。

如图3所示，以管道截面中心作为原点，以水平、竖直方向为横、纵坐标轴建立平面直角坐标系，记管道的外半径和内半径分别为R和R_c，记管道、气相以及液相的折射率分别记为n_c，n_g和n_l，记光检测边界与管道中心的垂直距离为L，采用中心位置及半轴长度可变的椭圆近似描述小管道截面内的气液相分布情况，记椭圆的中心坐标为(x,y)，椭圆的水平、竖直半轴长分别为a、b，则根据几何光学理论，可以建立关于截面气液相分布参数(x,y,a,b)与光强分布特征量

的相分布测量模型：

上式(2)中的系数A,B,C,α,β,γ满足以下关系：

综合式(2)～(3)可以得到相分布测量模型的最终表达式(4)～(6)：

式中，A₁,A₂,B₁,B₂,C₁,C₂,α₁,α₂,β₁,β₂,γ₁,γ₂为待辨识模型参数，R、R_c、n_c、n_g、n_l、L为实验参数，

为无量纲的截面气液相分布参数。

在建立了气液两相流相分布测量模型后，需要进一步对所建立的模型进行辨识，即根据实验测量条件得出合适的模型参数。首先，通过理论计算获得相分布参数(x,y,a,b)在不同取值条件下的光强分布，理论计算所需的参数(R、R_c、n_c、n_g、n_l和L)均根据实验条件设置。然后，根据相分布测量模型所需的参数形式对理论计算结果进行预处理，提取出所需的光强分布特征量以及相应的相分布参数。最后，采用最小二乘方法对相分布测量模型进行辨识。

根据建立的相分布测量模型的最终表达式(4)～(6)，可得：

P＝M^-1N (7)

根据几何光学原理得到截面气液相分布参数(x,y,a,b)在不同取值条件下产生的理论光强分布，计算过程中的参数R、R_c、n_c、n_g、n_l、L和获取小管道气液两相流的光强分布的实验参数相同；提取理论光强分布特征量记为

将相应的预设截面气液相分布参数记为

i＝1,2,…,N；N表示截面气液相分布参数(x,y,a,b)的组数，即截面数量；

在此基础上，定义损失函数L(θ)为：

式中，θ表示一组待辨识模型参数A₁,A₂,B₁,B₂,C₁,C₂,α₁,α₂,β₁,β₂,γ₁,γ₂；

为第i组理论计算对应的截面气液相分布参数的预设结果，P_i为将第i组理论光强分布特征量代入相分布测量模型表达式(7)～(10)后得到的截面气液相分布参数的测量结果；

则根据下式可以确定相分布测量模型中的待辨识模型参数θ^*：

在完成了相分布测量模型的参数辨识后，即可根据光强分布的实验测量结果，实现不同采样时刻的小管道气液两相流的相分布测量。

基于所建立的相分布测量模型，可以进一步实现小管道气液两相流的气液相分布重建。首先，利用一段采样时间内两个相互垂直方向的光强分布测量结果，可以提取出一组光强分布特征量

结合相分布参数测量模型可以得到一组介质分布参数的测量结果{(x,y,a,b)_i}，在此基础上，结合采样光强分布的采样频率以及气泡速度即可重建出一段采样时间内的气液相分布情况。具体而言，气泡轮廓的重建相当于已知离散点的条件下，采用插值方法获得连续的气液相分布情况，即在三维的条件下进行插值。首先将已知的一系列椭圆依序排开，其空间间隔由采样频率(即采样时间间隔)和气泡速度计算得出，然后采用曲面依次连接相邻的椭圆即可得到三维的气泡形状。在二维情况下(从管道一侧观察，此时仅需要考虑气泡的上、下边缘即可)，采用最简单的一次插值便可得到连续气泡的轮廓重建结果，图4展示了一组采用上述方法完成的气液两相流连续气泡重建结果。

基于所建立的相分布测量模型，还可以进一步实现小管道气液两相流的液膜厚度测量。具体而言，首先，利用一段采样时间内水平方向的光强分布测量结果并提取光强分布特征量，得到一组光强分布特征量

将辨识的模型参数代入相分布测量模型中，进一步得到截面气液相分布参数

与光强分布特征量

之间的关系：

式中，A₁,A₂,C₁,C₂,α₁,α₂,γ₁,γ₂为待辨识模型参数，

为无量纲的截面气液相分布参数；

解上式(14)得：

根据相对液膜厚度的定义有：

式中，δ表示液膜的绝对厚度，D表示管道内径；

则根据式(14)～(17)，可以利用以上提取的光强分布特征量

得到一组相对液膜厚度估计值{(δ/D)_i}。由于在一个气泡或气弹经过的过程中，会采集一组光强分布值并由此计算出一系列液膜厚度估计值，相当于获得了从气泡头部到尾部的N个截面(N由实际采样频率和气泡速度、尺寸共同决定)的液膜厚度，而最终取以上测量结果的平均值作为液膜厚度估计结果。

为了验证所提出的液膜厚度估计方法的可行性，在内径、外径分别为4.82mm和7.02mm的透明小管道中开展了验证性实验，实验所采用的气液两相流由空气和去离子水组成，其它具体实验测量条件如表1所列。

表2展示了采用所提出的液膜厚度估计方法得到的液膜厚度估计结果，与采用三种现有经验公式计算得到的液膜厚度参考值的偏差统计结果。可以看出，液膜厚度估计结果与三种现有经验公式的最大绝对偏差分别为4.6μm、6.4μm和6.5μm，实验结果验证了所提出的小管道气液两相流液膜厚度估计方法的可行性与有效性。

表1实验测量条件

表2液膜厚度估计值与现有经验公式对比

Claims (6)

1.一种小管道气液两相流相分布光学检测***，其特征在于：包括激光器(1)、扩束镜(2)、狭缝(3)、分光镜(4)、第一平面镜(5)、第二平面镜(6)、第一高速CMOS传感器(7)、第二高速CMOS传感器(8)以及小管道气液两相流(9)；由激光器(1)发出的光束依次经由扩束镜(2)、狭缝(3)后变为平行片状光束，再经过分光镜(4)后分为水平、竖直两束片状光束，其中水平片状光束直接垂直入射至小管道气液两相流(9)，竖直片状光束依次经第一平面镜(5)和第二平面镜(6)反射后从另一垂直方向入射至小管道气液两相流(9)；最后，由第一高速CMOS传感器(7)及第二高速CMOS传感器(8)分别测量水平、竖直两束片状光束经由气液两相流后产生的光强分布。

2.一种基于几何光学原理的小管道气液两相流相分布光学测量方法，其特征在于，步骤如下：

1)获取小管道气液两相流的光强分布：采用权利要求1所述的检测***同步采集相互垂直角度的平行片状入射光束经过小管道气液两相流后产生的光强分布数据；

2)提取光强分布特征量：结合管道内充满水时的光强分布数据，从步骤1)采集得到的光强分布中提取出相对缺失部分的长度、相对缺失部分的中心偏移量，再将二者作归一化处理后作为最终的光强分布特征量；

3)建立小管道气液两相流相分布测量模型：将小管道截面内的气液两相流分布情况描述为中心位置、半轴长度可变的椭圆，记椭圆的中心坐标为(x,y)，椭圆的水平、竖直半轴长分别为a、b，建立关于截面气液相分布参数(x,y,a,b)与光强分布特征量的相分布测量模型；

4)辨识步骤3)得到的相分布测量模型的模型参数：在步骤1)中的实验参数条件下，根据几何光学原理得到截面气液相分布参数(x,y,a,b)在不同取值条件下产生的理论光强分布，并提取理论光强分布特征量；将提取到的理论光强分布特征量代入步骤3)所述的相分布测量模型中，得到截面气液相分布参数的测量结果；最后，采用最小二乘方法获得相分布测量模型的模型参数；

5)测量小管道气液两相流相分布：按照步骤1)-步骤2)获取一段采样时间内两个相互垂直方向的光强分布并提取光强分布特征量，将光强分布特征量以及步骤4)辨识得到的模型参数代入相分布测量模型中，得到截面气液相分布参数的测量结果。

3.根据权利要求2所述的一种基于几何光学原理的小管道气液两相流相分布光学测量方法，其特征在于，所述的步骤2)具体为：

1)测量并记录管道内充满水时两个相互垂直方向上的光强分布，分别记两个方向的光强分布长度为Δl_h、Δl_v；

2)当管道中有气泡经过时，相应的光强分布会产生缺失部分，将此时的光强分布与管道内充满水时的光强分布做差，通过边沿检测方法进一步得到光强缺失部分的长度Δl₁，以及光强缺失部分的中心偏移量Δl₂；

3)分别将两个互相垂直方向上的光强分布特征记为(Δl_1h,Δl_2h)以及(Δl_1v,Δl_2v)，归一化处理后得到最终的光强分布特征量

其中：

式中，

和

分别为水平方向上的光强缺失部分的长度和中心偏移量，

和

分别为垂直方向上的光强缺失部分的长度和中心偏移量。

4.根据权利要求2所述的一种基于几何光学原理的小管道气液两相流相分布光学测量方法，其特征在于，所述的步骤3)具体为：

采用中心位置及半轴长度可变的椭圆近似描述小管道截面内的气液相分布情况，记椭圆的中心坐标为(x,y)，椭圆的水平、竖直半轴长分别为a、b，以管道截面中心作为原点，以水平、竖直方向为横、纵坐标轴建立平面直角坐标系，记管道的外半径和内半径分别为R、R_c，记管道、气相以及液相的折射率分别为n_c，n_g和n_l，记光检测边界与管道中心的垂直距离为L；根据几何光学理论，建立关于截面气液相分布参数(x,y,a,b)与光强分布特征量

的相分布测量模型：

式中，A₁,A₂,B₁,B₂,C₁,C₂,α₁,α₂,β₁,β₂,γ₁,γ₂为待辨识模型参数，R、R_c、n_c、n_g、n_l、L为实验参数，

为无量纲的截面气液相分布参数。

5.根据权利要求2所述的一种基于几何光学原理的小管道气液两相流相分布光学测量方法，其特征在于，所述的步骤4)具体为：

将步骤3)建立的相分布测量模型转化为：

P＝M^-1N (5)

根据几何光学原理得到截面气液相分布参数(x,y,a,b)在不同取值条件下产生的理论光强分布，计算过程中的参数R、R_c、n_c、n_g、n_l、L和步骤1)中的实验参数相同；提取理论光强分布特征量记为

将相应的预设截面气液相分布参数记为

N表示截面气液相分布参数(x,y,a,b)的组数，即截面数量；

在此基础上，定义损失函数L(θ)为：

式中，θ表示一组待辨识模型参数A₁,A₂,B₁,B₂,C₁,C₂,α₁,α₂,β₁,β₂,γ₁,γ₂；

为第i组理论计算对应的截面气液相分布参数的预设结果，P_i为将第i组理论光强分布特征量代入相分布测量模型表达式(5)～(8)后得到的截面气液相分布参数的测量结果；

相分布测量模型中的待辨识模型参数θ^*为：

6.一种基于权利要求2的小管道气液两相流的液膜厚度估计方法，其特征在于，利用一段采样时间内水平方向的光强分布测量结果，按照所述步骤2)的光强分布特征量提取方法，得到一组光强分布特征量

将步骤4)辨识的模型参数代入相分布测量模型中，进一步得到截面气液相分布参数

与光强分布特征量

之间的关系：

式中，A₁,A₂,C₁,C₂,α₁,α₂,γ₁,γ₂为待辨识模型参数，

为无量纲的截面气液相分布参数；

根据相对液膜厚度的定义有：

式中，δ表示液膜的绝对厚度，D表示管道内径；

利用提取的光强分布特征量

可以得到一组相对液膜厚度估计值{(δ/D)_i}，取平均值作为最终的液膜厚度估计结果。

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