一种基于脉冲多普勒技术识别管道内气液两相流流型的方法

1.本发明属于流体力学检测领域，具体涉及到一种基于脉冲多普勒技术识别管道内气液两相流流型的方法。


背景技术：

2.气液两相流广泛存在于自然界和人类生产生活中，随着科学技术的发展，在石油化工、管道运输、核工业以及航空航天领域中，气液两相流的应用也非常广泛。例如，在核电站反应堆的冷却循环系统中，堆芯中的气液两相流会影响电站的正常运行；在石油远距离运输过程中，常采用油气混输的方式，管道中的气液两相流会影响运输效率；在冶金工业中，熔池内的气液两相流会影响钢液的流动和冷却。气液两相流因其复杂多变的流动特性常常导致事故的发生，精准实时地识别和检测气液两相流能够有效地减少工业生产中事故发生的概率，因此探索不同的气液两相流识别方法不论在科学研究还是生产生活中都具有十分重要的意义。
3.检测气液两相流的方法主要分为侵入式检测和非侵入式检测。侵入式检测方法主要有热线流速计检测法和导电探针检测法，这两种方法可以检测流体扰动并识别气液两相流的流型。但是侵入式检测的传感器一般设置在流体内部，该方法会对流体产生干扰，因此对实验数据进行处理时必须考虑流体内部传感器对流型的影响。非侵入式检测主要有光学法、超声法、电学法等，该方法对管道扰动较小。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供了一种检测速率快、准确性高，性能稳定、使用范围广泛的基于脉冲多普勒技术识别管道内气液两相流流型的方法。
5.为解决以上技术问题，本发明提出一种基于脉冲多普勒技术识别管道内气液两相流流型的方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：首先将超声换能器与超声检测仪相连接，超声检测仪与数字化仪连接，数字化仪与计算机相连接；然后往水箱中加入适量自来水，打开水泵后使管道中形成循环水；最后打开气泵往管道中注入压缩空气，通过调节阀控制气体流量；步骤二：将超声换能器靠近被测管道，并使其发射的超声波入射角为45
°
，超声检测仪在计算机的控制下产生脉冲信号，超声换能器将该信号转换为超声波向待测管道发射，同时接收超声波进入管道后遇移动散射体因声强反射作用产生回波信号；步骤三：计算机采用正交解调方法从超声换能器接收回波信号中提取所需的多普勒信号；步骤四：利用短时傅里叶变换提取回波信号中各种流型的多普勒振幅，绘制概率密度函数，并设定多普勒振幅阈值；步骤五：根据设定的阈值绘制时频谱图，通过观察时频谱图中多普勒振幅的颜色变化对各种流型进行识别。
6.所述步骤二中声强反射率的表达式为：式中，为散射体的密度，为流体密度，c
1 为散射体中的声速，c2为流体的声速，z1为散射体的声阻抗，z2为流体的声阻抗。
7.所述步骤三中使用正交解调方法提取多普勒回波信号时，首先由超声检测仪控制超声换能器不断发射脉冲频率为的超声波，然后由超声换能器接收回波信号，其中第n个脉冲在测量位置i处的接收时间t
ni
为:式中，d为被测粒子距离换能器的距离；d可表示为：其中c是超声波在液体中的传播速度，t是换能器从发射到接收信号的时间，根据该公式可以确定被测气泡在管道中的位置；被测粒子反射的回波信号f(t)可表示为:式中，为脉冲重复时间t
prf
内被测粒子移动的距离。
8.得到回波信号f(t)后，首先对回波信号进行正交解调，即用f(t)分别乘以正弦分量和余弦分量，再通过低通滤波器消除载波分量和基频分量，得到的连续多普勒信号为：在t
ni
时刻对连续多普勒信号进行采样，得到离散的多普勒信号di(n)为：式中，φi为同向信号xi和正交信号xq的初始相位。
9.所述步骤四中使用短时傅里叶变换提取多普勒回波信号时，先对多普勒信号进行短时傅里叶变换，然后将信号分为多个相邻的窗口，并利用公式(7)将每个窗口的信号沿几个较短的时间转换为频谱；
时频谱图在t时刻的多普勒振幅和频移可用公式(8)、(9)表示：通过短时傅里叶变换得到的时频谱图能直观的展现多普勒信号的时频特性，通过时频谱图能够判断测量通道上的气泡尺寸。
10.本发明基于脉冲多普勒技术，利用气液两相之间回波信号多普勒频移和振幅的差异，提出了一种识别气液两相流流型的方法。通过正交解调方法提取回波信号中的多普勒信号，并利用短时傅里叶变换绘制时频谱图，再通过时频谱图对测量通道中的气泡尺寸进行判断，从而对管道内流体的流型进行识别，相比于其它流体检测方法，该方法具有以下优势：1. 换能器可以放在封闭管道外，从而避免对流体产生任何干扰；2. 使用单一换能器发射和接收超声波，且换能器体积非常小（通常直径约为8毫米），因此对流体产生的扰动很小；3. 脉冲多普勒技术可以用于检测不透明液体，如污水、液态金属、化学试剂等，而光学方法无法检测；4. 根据多普勒频移信号，脉冲多普勒技术可以检测管道中每个位置流体的流动方向，从而确定该位置的速度矢量；5. 换能器与被测管道之间不需要复杂的超声波束形成系统，只需要在被测管道内有适量的反射粒子以产生超声回波。
附图说明
11.图1 管道流型脉冲多普勒测量方法原理；图2 超声回波信号处理方法；图3 管道两相流流型示意图；图4 管道两相流流型脉冲多普勒识别与检测系统；图5 管道通气量不同时的概率密度函数；图6 不同流型的时频谱图。
具体实施方式
12.为更清楚的解释本发明所采取的手段和达到的效果，现结合以下实例对本发明提出的一种基于脉冲多普勒技术识别管道内气液两相流流型的方法的具体实施方式、步骤以及达到的效果进行详细说明：实例中的参数设定为：超声换能器的中心频率为4mhz；脉冲重复频率f
prf
为4khz，脉冲重复时间t
prf
为脉冲重复频率的倒数，即0.25ms；发射频率f0为4mhz；超声波在水中的
传播速度c为1480m/s，脉冲多普勒技术的测量原理如图1所示，换能器向被测管道发射超声波，当超声波遇到被测管道中的气泡发生反射后会产生回波信号，此时换能器转换为接收模式接收该信号，接收到的信号通过超声检测仪和数字化仪处理后存储在计算机上。
13.脉冲多普勒技术测量原理中声强反射率由公式(1)表示。在本实例中，气相的声阻抗z1为40
×
105，液相的声阻抗z2为1.48
×
105。根据公式(1)可知气液界面的反射率大于纯水的反射率，因此当气泡出现在超声换能器的测量通道时，气泡反射的回波信号强度大于纯水反射的回波信号强度，据此可判断管道中的流型是气液两相流还是纯水。
14.当超声波遇到气泡时，根据公式(3)可以确定被侧气泡的位置。其中c是超声波在液体中的传播速度，t是换能器从发射到接收信号的时间，根据该公式可以确定被测气泡在管道中的位置。
15.被测管道中的各种流型如图2示，图2(a)为通气量较小（2.0l/min以下）是泡状流，可以看出被测管道中的气泡较小；图2(b)为增大通气量到2.2l/min时，可以看出由于通气量增大此时在管道上方由小气泡汇集形成了大气泡，该流型被称为段塞流；图2(c)为进一步增大通气量的情况，当进一步增大通气量至3.5l/min以上时，此时管道中既有大气泡又有小气泡，且以很高的速度向上流动，该流型的特点是流动形式混乱，难以测量。
16.图3为脉冲多普勒识别和检测的实验装置多相流示意图。其实验具体步骤如下：1.首先往水箱中加入自来水，利用水泵使自来水通入被测管道；2.通过导线将超声换能器与超声检测仪相连，超声检测仪与数字化仪相连，数字化仪与计算机相连；3.再然后计算机控制超声检测仪发送脉冲信号，通过超声换能器转换为超声波以4mhz的发射频率向被测管道发送；4.超声波进入被测管道后遇到散射体即会产生反射回波，回波信号被超声换能器接收，最后通过数字化仪存储于计算机中。
17.换能器接收到的回波信号处理过程如图4所示，换能器接收到的超声回波信号中含有多普勒频移fd和发射频率f0。通过正交解调技术将回波信号f(t)与正弦分量和余弦分量相乘，再通过低通滤波器滤除基频分量和载波得到连续多普勒信号后交给计算机进行处理。
18.先根据公式(2)、(4)、(5)、(6)从回波信号中获得复数离散形式的多普勒信号，该信号以数组形式表示为：；再根据公式(7)对多普勒信号进行短时傅里叶变换，得到信号频谱为：。
19.根据公式(8)、(9)从多普勒信号中提取多普勒振幅和频移，可绘制概率密度函数和时频谱图。
20.绘制概率密度函数：如图1所示，先往水箱中通入足够的自来水，当水箱中有足够的自来水时，打开水泵，使自来水通入实验装置。计算机控制超声检测仪产生频率为4mhz的脉冲信号，通过超声换能器转换为4mhz的超声波，超声波以45
°
入射角射入被测管道。超声波遇到被测管道中的
散射体时会产生回波信号，回波信号通过数字化仪数字化处理后存储于计算机上。当被测管道中液体的流量不变时，随着气泵通气量的增加，气泡体积也增大。当气泡体积随通气量变化时，可从回波信号中提取多普勒振幅以绘制概率密度函数图。在通气量不同时统计约10000组数据以绘制概率密度函数图，图5为通气量分别为0.7l/min、1.2l/min、1.7l/min和2.2l/min时的概率密度函数图；图5(a)为通气量0.7l/min时的概率密度函数，该通气量的多普勒振幅为14.6mv；图5(b)为通气量1.2l/min时的概率密度函数图，该通气量的多普勒振幅为16.9mv；图5(c)为通气量1.7l/min时的概率密度函数图，该通气量的多普勒振幅为20.2mv；图5(d)为通气量2.2l/min时的概率密度函数图，该通气量的多普勒振幅为105.6mv。
21.由图5可以看出，在界面声强反射率相同的情况下，随着通气量的增加，气泡的多普勒振幅呈现向右移动的趋势。当通气量足够大时，小气泡转换为大气泡，多普勒振幅峰值有明显的右移，因此可以利用多普勒振幅出现的范围来判断气泡的有无和大小。
22.根据图5中气泡尺寸不同时多普勒振幅大小的范围对时频谱图的图例进行划分：在多普勒振幅小于10mv的范围内小气泡出现的概率小于7％，在大于100mv的范围内出现的概率小于16.7％，所以可以认为多普勒振幅的范围在10-100mv之间时为小尺寸气泡，多普勒振幅的范围在100mv以上时为大尺寸气泡，所以将时频谱图的图例设定为10-100mv。
23.绘制时频谱图：通过概率密度函数图对时频谱图的图例进行设定后，利用短时傅里叶变换对不同的回波信号进行时-频-幅分析，从回波信号中提取多普勒频移，绘制时频谱图，可以得到纯水、泡状流、段塞流的时频谱图，如图6所示。该图的横坐标为通道数（即距离，一个通道为0.74mm），纵坐标我多普勒频移，图例为多普勒振幅，背景为特殊灰色。当多普勒频移增大时，时频谱图的颜色会由白色逐渐变成黑色。可以看出，幅值在20mv到100mv之间时频谱图显示为白-灰色-深灰色-黑色；幅值在100mv以上时频谱图显示为黑色。图6(a)为纯水无气泡时的时频谱图，可以看出此时时频谱图均为背景色，此时被测管道中没有气泡产生。图6(b)为泡状流时的时频谱图，可以看出，此时该时频谱图的大部分区域为背景色，但也有小部分的白色区域，说明此时测量通道中有小气泡通过，白色区域较小是因为气泡的尺寸较小，所占的速度范围较小。图6(c)为段塞流时的时频谱图，图中浅灰色区域出现了大面积的白色区域和小部分的黑色区域，小部分的黑色区域表示回波信号中大尺寸气泡的能量峰值，大面积的白色区域表示气泡尺寸很大，所占速度范围较大。由此可得，脉冲多普勒技术识别法能够对被测管道中的各种流型进行识别。