基于两相流压降噪音频谱分析的流型判别方法及其系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于两相流测试技术领域，具体涉及一种基于两相流压降噪音频谱分析的 流型判别方法及其系统。
【背景技术】
[0002] 随着航天技术的发展，微重力条件下的科学实验越来越多，实验所采用的原料、工 质也越来越广泛，甚至将来有可能在空间进行生产。两相流系统因其利用汽液相变潜热而 具有强散热能力，在航天与民用热管理领域得到广泛的应用。管内两相流的阻力以及换热 系数依赖于两相流流形。目前，两相流形的判别主要依赖于高速视频图像的识别、电容法、 电阻丝阵列法[1-4]等。这些方法涉及到大信息量的数据处理或高灵敏度的测量仪器，对于 空间实验和工程要求而言，其重量、体积和功耗较大。
[0003] 对于管道两相流而言，无论是实验还是工程监控，差压传感器(DPS)都被普遍采用 于采集摩擦压降的数据，并且发现两相流的压降数据存在较大的噪音。若能利用压降数据 中的噪音，提取出有关两相流流形信息，从而加以判别，则可简化测量装置、降低了所需测 量仪器的重量、体积和功耗。基于DPS噪音的小波分析进行两相流流形识别已有所报导，但 论文作者仅指出了这个可行性，没有给出具体的识别法则，其识别效果较为粗糙[5]。
[0004] 参考文献
[0005] [1]Shi Li-1ian,Cai Jin-hui,Zhou Ze~kui.Gas-liquid two-phase flow pattern identification based on image processing.Journal of Zhejiang University 2005；39-8
[0006] [2]A Garcia，J P Solano，P G Vicente，A Viedma.Flow pattern assessment in tbes with wire coil inserts in laminar and transition regimes. International Journal of Heat and Fluid Flow 28(2007)516-525
[0007] [3]Lifeng Zhang，Huaxiang Wang.Identification of oil-gas two-phase flow pattern based on SVM and electrical capacitance tomography technique.Flow mearurement and Instrumentation 21(2010)20-24
[0008] [4]Eckhard Schleicher，Tayfun Besim Aydin ?Ronald E·Vieira，Carlos F. Torres ?Eduardo Pereyra ? Cem Sarica，Uwe Hampel. Refined reconstruchtion of liquid-gas interface structures for stratified two-phase flow using wire-mesh sensor.Flow Measurement and Instrumentation 2015.06.002
[0009] [5]陈万鹏.两相流流型识别方法研究.[硕士学位论文]天津大学
【发明内容】
[0010] 为了解决上述问题，本发明的第一目的提供一种基于两相流压降噪音频谱分析的 流型判别方法，具有识别效果精确的特点。
[0011] 为实现上述目的，本发明按以下技术方案予以实现的：
[0012] 本发明所述基于两相流压降噪音频谱分析的流型判别方法，用于判别管道内两相 流的流型，包括以下步骤：
[0013] 分别采集管道测量段两端和液栗两端各自对应的连续压降时域信号；
[0014] 对所述连续压降时域信号进行压降高频采样，得到压降时域图；
[0015] 利用快速傅里叶变换将所述压降时域图变换为压降频谱图；
[0016] 将管道测量段两端的压降频谱图与液栗两端的压降频谱图进行关联性判断，得出 两相流的类别。
[0017] 进一步地，如果管道测量段对应的压降频谱图与液栗两端对应的频谱图特征关 联，则测量段内对应的工质流的流型为纯液相；
[0018] 如果管道测量段对应的压降频谱图与液栗两端对应的频谱图特征无关联，则该工 质流的流型两相流，具体为塞状流、波状流、分层流或者环状流。
[0019] 进一步地，判别所述工质流的流型为塞状流、波状流、分层流或者环江流，具体是：
[0020] 设置无量纲参数
[0021] 当C_max 2 0.05时，则该工质流的流型为塞状流；
[0022] 当C_max〈0.05，C_rms〈0.003时，则该工质流的流型为环状流；
[0023]当(：_111&以0.05，(：_^^2 0.003时，则该工质流的流型为波状流或分层流；
[0024] 其中，C_max为测量段两端的压降频谱图中低频最大幅值与压降直流分量的比值， 并且低频的范围是(〇，l〇)Hz;
[0025] C_rms为测量段两端的压降频谱图中噪音幅值的均方根与压降直流分量的比值， 并且对应的频率范围是(30,50)Hz;
[0026] 所述工质为R134a，并且管道的管径为2mm。
[0027] 进一步地，所述特征关联具体为:在同一频率下，管道测量段两端与液栗两端对应 的压降频谱图中都具有特征噪音。
[0028] 为了解决上述问题，本发明的第二目的提供一种基于两相流压降噪音频谱分析系 统，具有重量轻、体积和功耗都较小的特点。
[0029] 本发明所述的基于两相流压降噪音频谱分析系统，包括：
[0030] 差压传感器，用于采集连续压降时域信号；
[0031]单片机，用于对所述连续压降时域信号进行压降高频采样，得到压降时域图；
[0032] 中央处理器，用于对所述压降时域图进行快速傅里叶变换，得到压降频谱图并存 储；
[0033] 根据管道测量段两端的压降频谱图与液栗两端的压降频谱图进行关联性判断，得 出两相流的类别。
[0034] 进一步地，如果管道测量段对应的压降频谱图与液栗两端对应的频谱图特征关 联，则测量段内对应的工质流的流型为纯液相；
[0035] 如果管道测量段对应的压降频谱图与液栗两端对应的频谱图特征无关联，则该工 质流为两相流，具体为塞状流、波状流、分层流或者环状流。
[0036] 进一步地，判别所述工质流为塞状流、波状流、分层流或者环状流，具体是：
[0037] 设置无量纲参数
[0038]当C_max 2 0.05时，则该工质流的流型为塞状流；
[0039] 当C_max〈0 · 05，C_rms〈0 · 003时，则该工质流的流型为环状流；
[0040]当(：_1^以0.05，(：_^^2 0.003时，则该工质流的流型为波状流或分层流；
[0041] 其中，C_max为测量段两端的压降频谱图中低频最大幅值与压降直流分量的比值， 并且低频的范围是(〇，l〇)Hz;
[0042] C_rms为测量段两端的压降频谱图中噪音幅值的均方根与压降直流分量的比值， 并且对应的频率范围是(30,50)Hz;
[0043] 所述工质为R134a，并且管道的管径为2mm。
[0044] 进一步地，所述特征关联具体为:在同一频率下，管道测量段两端与液栗两端对应 的压降频谱图中都具有特征噪音。
[0045] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0046] 本发明所述的基于两相流压降噪音频谱分析的流型判别方法，利用的是差压传感 器采集连续压降时域信号，然后对该连续压降时域信号进行压降高频采样，得到压降时域 图，再对该压降时域图进行快速傅里叶变换，从而得到压降频谱图。然后将测量段与液栗两 端的压降频谱图进行关联性判断，进而判定管道内的工质的流型类别。
[0047] 该判断原理之所以利用压降在频谱图进行关联性判断，主要是因为在微重力环境 下，管道内汽-液两相流的重力压降的贡献可忽略；只有摩擦压降和加速压降的贡献。同时， 又由于摩擦压降比较稳定，相对于在极低频范围内（含直流分量）的压降贡献;加速压降与 工质密度和流速的平方成正比，因此，当差压传感器采样两端的工质密度或流速不同时， 差压传感器就会探测到非零的加速压降差信号(它叠加在摩擦压降信号之上），这个信号随 时变化产生了压降噪音。更深入地，差压传感器采样点的流速对于层流或两相流的塞状流 约为工质的宏观流速，因此会表现出相对低频的噪音;但对湍流或两相流中的波状流或环 状流，它取决于采样点的工质局域流速，因此会表现出相对高频的噪音。因此通过甄别出这 些噪音的信息，就可以判别两相流的流型。
[0048] 本发明所述的基于两相流压降噪音频谱分析系统，包括用于采集连续压降时域图 的差压传感器、对所述联系压降时域信号进行压降高频采样并且得到压降时域图的单片 机、