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基于多电极电容传感器的低温两相流反演理论和实验研究

谢黄骏  
【摘要】:航天低温推进剂加注、低温空分、氢液化及液化天然气生产等过程都涉及低温流体的输运,监控相含率及相分布对于这些工业过程有重要意义,也是低温两相流换热及流动特性研究的基本参数之一。低温流体与室温流体如水、乙醇等相比,密度、导热系数及液相介电常数等物性有数量级的差别,在这些物理测量过程中,测量算法的准确度及抗噪性要求更高,对信号采集硬件系统的分辨率及精度要求更严格。另外,低温空化、低温热管等两相流动及换热测量要求减少对流场的干扰。因此理想的低温流体两相流相含率及相分布测量手段应具备如下特点:1)非接触、非侵入;2)可同时测量相含率及相分布;3)硬件对复杂环境的兼容性较高,成本可控;4)环境友好,对人无害。传统的低温流体两相流测量技术中,很难在上述四点需求中做到较好的均衡。本文提出一种基于多电极电容传感器的低温流体两相流相含率及相分布测量方案,研究将多电极电容传感器测得的电容向量分别与空泡率及相分布信息相关联的测量算法。本文在电容式传感器的电场特性,相含率测量算法、相分布反演算法等方面,开展了如下三个方面的研究工作:1)研究了电容式传感器测量区域的电场分布特性,得到电容变化与测量区域中两相流流场内任意微元介电常数变化之间的数学关系。通过将流体管路截面网格(微元)化,获得传感器边界电容变化量(dCp,q)与每个网格介电常数变化(dεe)的一阶线性关系,从而得到对应于不同电极对的灵敏场(Sp,qe=dCp,q/dεe)。当传感器在测量区域内形成匀强场时,灵敏场处处相等,流体空泡率与任意位置电容变化量呈等斜率的线性关系,此时电容与测量区域相分布无关,然而这也导致了相分布信息的丢失,只能对相含率进行测量。当测量区域内电场不均匀时,在电场线密度较大的位置灵敏度较高,此时相分布将会显著影响电容值,空泡率与电容间的关系高度非线性。2)基于最小二乘支持向量回归(LSSVR)在高维空间拟合电容向量与空泡率的映射关系,并针对带噪样本开发模糊回归算法(FLSSVR),利用数值实验初步验证了多电极电容传感器结合该算法进行低温流体空泡率计算的可行性。以LN2-VN2作为工质对,通过数值实验验证了利用LSSVR在高维空间中寻找多电极电容传感器电容与低温流体空泡率之间映射关系的可行性。给出了六种典型相分布做为训练样本生成的模板,其中对于无规则相分布的使用很大程度上丰富了训练样本对各流型的覆盖度。研究了不同归一化方法所得输入对计算结果的影响,发现线性归一化电容向量作为输入能够获得准确度最高的空泡率计算结果,其相对误差在10%以内,绝对误差在0.020以内。针对有噪训练数据,计算高维空间中样本点到一次拟合超平面的距离,依此定义模糊隶属度导出FLSSVR算法。数值实验结果表明,该方法在训练样本带噪情况下相较于LSSVR所获结果平均相对误差降低7.41%,均方根误差减小9.80%。3)基于电容层析成像(ECT)技术反演得到低温流体相分布图像,提出一种考虑线性化误差的改进算法,基于数值模拟和常温替代工质实验验证了测量准确性。ECT利用反演算法,对已知独立电容测值求介电分布的反问题进行求解,得到测量区域内的相分布信息并以图像的形式将结果输出。以LN2-VN2作为两相工质对,通过数值实验筛选了适用于8电极电容传感器在低温流体两相流反演时的传统反演算法。利用LSSVR拟合归一化电容向量与线性化误差的关系,并结合传统算法,得到LSSVR耦合的反演算法。数值实验表明,LSSVR耦合的反演算法能够消除传统迭代算法的半收敛现象,极大程度改善反演质量,将图像误差减小27.95%~63.77%,相关性系数提升4.63%~106.39%。搭建了类比于液态甲烷-气态甲烷介电特性的常温介电工质对反演成像实验装置并进行静态实验,结果表明LSSVR耦合的反演算法能够有效提升反演精度,且具有良好的泛化能力。


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