[发明专利]气液弹状流结构流速声电双模态测量方法

摘要

本发明涉及一种气液弹状流结构流速声电双模态测量方法，采用双晶超声换能器和电学传感器实现,包含：采集电学传感器的含水率和超声传感器的多普勒频移信号；计算采样时间内的含水率均值th_H，将th_H作为含率阈值对流体进行区域划分，利用液弹区和气弹区的含水率序列分别计算液弹区含水率均值和气弹区的含水率均值并对流体进行二次区域划分为气弹区、混合区和液弹区；利用经验模态分解，对超声多普勒频移信号进行高频去噪处理；再次利用经验模态分解为若干本征模态函数；计算液弹头部即混合区时间范围内的多普勒平均频移，液弹区时间范围内的多普勒平均频移，液膜时间范围内的多普勒平均频移度；计算弹状流的结构流速。

主权项

1.一种气液弹状流结构流速声电双模态测量方法，采用双晶超声换能器和电学传感器实现，双晶超声换能器用于获取两相流超声多普勒频移信号，电学传感器用于获取含水率信号，所述双晶超声换能器采用收发一体同侧结构，被安装于水平的测试管道底部并保证超声波声束方向与流动方向的夹角为θ；所述电学传感器由四个环形金属电极镶嵌在测试管道内壁组成，与超声换能器同时安装于测试管道中，测量方法包含如下步骤：1)采集电学传感器的含水率信号H(t),t∈(0,T)和超声传感器的多普勒频移信号f_d(t),t∈(0,T)，其中T为采样时间；2)计算采样时间内的含水率均值将th_H作为含率阈值对流体进行区域划分：若某时刻下含水率大于th_H，则该时刻下的含率为液弹区流过电学传感器时的含水率，否则该时刻下的含率为气弹区流过电学传感器时的含水率，即其中H_nl，H_ng分别为液弹区和气弹区的含水率序列；3)利用H_nl、H_ng分别计算液弹区含水率均值和气弹区的含水率均值与其中T_l，T_g分别为在采样时间内液弹区和气弹区经历的时间；将与作为含率阈值对流体进行二次区域划分：若某时刻含水率小于则该时刻为气弹区通过电学传感器，若某时刻含水率小于且大于则该时刻为混合区通过电学传感器，否则为液弹区通过电学传感器，即由此可分别获取液弹区的开始时刻T₁，混合区的停止时刻T₂、气弹区的开始时刻T₃以及气弹区的停止时刻，即下一液弹区的开始时刻T₄；4)利用经验模态分解，对超声多普勒频移信号进行高频去噪处理：基于经验模态分解的方法，将超声多普勒频移信号f_d(t),t∈(0,T)逐级分解为若干本征模态函数IMF_j(t),j＝1,2,...,n和趋势函数r_n(t)的和：其中n为分解得到的本征模态函数个数，利用互相关方法计算各本征模态函数IMF_j(t),j＝1,2,...,n与原多普勒频移信号的相关系数，去除前m级中与原多普勒频移信号的相关系数小于阈值th_cc的高频本征模态函数分量；m一般取值为3‑4，th_cc一般取值为0.2‑0.3；将前m级中与原多普勒频移信号的相关系数大于或等于th_cc的本征模态函数、剩余的n‑m级本征模态函数以及趋势函数r_n(t)进行加和，重新组合成新的待处理信号f′_d(t),t∈(0,T)；5)再次利用经验模态分解的方法将信号f′_d(t),t∈(0,T)分解为若干本征模态函数IMF_i(t),i＝1,2,...,N和趋势项函数r_N(t)的和，即其中N为分解得到的本征模态函数个数；选取前4级本征模态函数IMF_i(t),i＝1,2,3,4作为主分量；6)对主分量进行短时傅里叶变换得到其时频谱图，经过与电学含水率信号联合分析，确定主分量分别反映出的流体的结构流速：第一级本征模态函数IMF₁(t)为最高频成分，反映弹状流中液弹的传播速度；第二级本征模态函数IMF₂(t)覆盖液弹区，和第一级本征模态函数IMF₁(t)一起反映液弹区的平均流速；第三级和第四级本征模态函数IMF₃(t)和IMF₄(t)出现在液弹区，与液滴夹带情况相关，反映液弹区内流体流速；7)对第一级本征模态函数分量进行快速傅里叶变换并计算液弹头部即混合区时间范围内的多普勒平均频移：对第一级和第二级本征模态函数分量的加和进行快速傅里叶变换并计算液弹区时间范围内的多普勒平均频移对第三级和第四级本征模态函数分量的加和进行快速傅里叶变换并计算液弹时间范围内的多普勒平均频移其中f_d1，f_d2，f_d3分别为IMF₁(t)，IMF₁(t)+IMF₂(t)，IMF₃(t)+IMF₄(t)对应的频率，也即不同尺度下的超声多普勒频移，S_d1(f_d1)，S_d2(f_d2)，S_d3(f_d3)分别为其对应的能量谱强度；8)根据多普勒效应基本原理，计算弹状流的结构流速：其中液弹的传播速度为：液弹的平均速度为：液弹区的平均流速为：其中f₀为超声波反射探头的激励频率，θ为超声波声束方向与水平方向的夹角，c为流体中声速。