方立德　李勝耀　王松　付祿新　李小亭

摘要：氣液兩相流動(dòng)廣泛存在于石油、化工、管道運(yùn)輸、核反應(yīng)堆等領(lǐng)域，利用聲發(fā)射檢測技術(shù)的非侵入式優(yōu)勢，對(duì)管內(nèi)兩相流動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)行無干擾，通過檢測氣液兩相流動(dòng)噪聲，實(shí)現(xiàn)氣液兩相流相含率的測量。通過提取垂直管氣液兩相流流動(dòng)噪聲信號(hào)特征參數(shù)，在時(shí)域、頻域分析方面分辨單相流動(dòng)與兩相流動(dòng)的差別，研究兩相流動(dòng)的流動(dòng)機(jī)理、流型過渡特性、流動(dòng)噪聲與流動(dòng)形態(tài)之間的關(guān)系。在垂直管彈狀流流型下，利用重標(biāo)極差分析法（R/S分析法）對(duì)所測得垂直管氣液兩相流流動(dòng)噪聲進(jìn)行分析，提取的垂直管兩相流聲發(fā)射信號(hào)作為輸入量，利用支持向量機(jī)回歸的方法，克服兩相流聲發(fā)射信號(hào)的非線性關(guān)系，成功建立相含率測量模型。

關(guān)鍵詞：聲發(fā)射;相含率;兩相流;支持向量機(jī)

中圖分類號(hào)：TB937

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674–5124（2019）02–0022–08

0 引言

氣液兩相流動(dòng)廣泛存在于石油、化工、管道運(yùn)輸、核反應(yīng)堆等領(lǐng)域，兩相流參數(shù)[1]的有效檢測對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。兩相流相含率的測量是研究兩相流動(dòng)的流動(dòng)機(jī)理、流型過渡特性、流動(dòng)噪聲與流動(dòng)形態(tài)之間的關(guān)系的基礎(chǔ)，越來越受到研究者重視[2]。

目前，國內(nèi)外對(duì)兩相流相含率的測量方法研究較多，常用的有電學(xué)法、光學(xué)法[3]、微波法[4]、γ射線法[5]以及聲學(xué)法等。電學(xué)法分為電導(dǎo)法[6]與電容法[7]，其中電導(dǎo)法適用于水為連續(xù)相的情況;電容法適用于連續(xù)相的流體，但適用范圍小，只有在低含水率時(shí)才能保證精度。光學(xué)法對(duì)于流體介質(zhì)要求比較高，需要保證管道透明，同時(shí)隔絕外界光線的干擾。微波法在測量精度、運(yùn)行穩(wěn)定性方面有一定的優(yōu)勢，但其造價(jià)較高且標(biāo)定復(fù)雜，安裝困難。γ射線法測量精度越高耗時(shí)越長，需要防護(hù)手段防止其對(duì)周圍環(huán)境的破壞。聲學(xué)法[8]包括主動(dòng)測量法—超聲波測量法[9]和被動(dòng)測量法—聲發(fā)射測量法[10]。聲學(xué)法穿透能力強(qiáng)，其中超聲波多普勒法適用對(duì)含有固體微?；驓馀莸囊合嗔黧w測量，但多普勒頻移難以捕捉，測量誤差大;聲發(fā)射測量法能夠彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，基于對(duì)流動(dòng)噪聲的測量，誤差小靈敏度高，不會(huì)對(duì)于內(nèi)部流場進(jìn)行干擾，同時(shí)具有非侵入式優(yōu)勢，能夠?qū)崟r(shí)在線檢測等。王鑫[11]、張凱[12]等通過聲發(fā)射技術(shù)對(duì)的聲音信號(hào)檢測，分別結(jié)合了高速攝像技術(shù)、電容耦合電阻層析成像（CCERT）技術(shù)對(duì)兩相流進(jìn)行參數(shù)提取和建立相含率預(yù)測模型。

本文利用聲發(fā)射測量技術(shù)，通過提取垂直管氣液兩相流流動(dòng)噪聲信號(hào)特征參數(shù)，在時(shí)域、頻域方面分析單相流動(dòng)與兩相流動(dòng)的差別，對(duì)所測得垂直管氣液兩相流流動(dòng)噪聲進(jìn)行R/S分析，提取垂直管兩相流聲發(fā)射信號(hào)作為輸入量，并利用支持向量機(jī)回歸的方法，對(duì)聲發(fā)射技術(shù)在相含率的測量模型方面進(jìn)行了研究探索。

1 流動(dòng)噪聲測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)室的多相流測試系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)油、氣、水3種介質(zhì)的混合測量，同時(shí)油、氣、水也可以分別通過增壓泵進(jìn)入計(jì)量管段完成單相測量。本文水路的流量計(jì)采用了KROHNE電磁流量計(jì)，型號(hào)為OPTIFLUX4300，管徑DN10，測量范圍流速0.05～10m/s，工作環(huán)境溫度–20～150°C，測量精度為±0.5%;氣路采用為DN50的HLQZ-20型氣體智能羅茨流量計(jì)，測量流量范圍為0.05～20m3/h，環(huán)境溫度–10～50°C，精度等級(jí)1.0%，如圖1實(shí)驗(yàn)測試現(xiàn)場。該系統(tǒng)中均采用標(biāo)準(zhǔn)表法進(jìn)行測量，水路、氣路測量精度分別可以達(dá)到0.5、0.1級(jí)，符合檢測要求。

實(shí)驗(yàn)選取了8組聲發(fā)射探頭，采用對(duì)稱位置安放，如圖2所示。根據(jù)材料聲學(xué)特性，實(shí)驗(yàn)選用1套流動(dòng)噪聲檢測裝置，在測量管道兩端分別平均分布4個(gè)吸噪底盤，每個(gè)底盤上均裝有聲發(fā)射固定裝置，在測量過程中，將聲發(fā)射探頭固定在吸噪底盤上，對(duì)噪聲進(jìn)行有效減弱，可以更有效地過濾實(shí)驗(yàn)裝置的固有噪聲。探頭與管道吸噪底盤涂有白凡士林耦合劑用于進(jìn)行管道吸噪底盤與探頭之間的密封，有利于氣液兩相流聲發(fā)射彈性波的接收。所測數(shù)據(jù)來自8個(gè)聲發(fā)射探頭的平均值。

1.2 氣液兩相流測量工況點(diǎn)

本次實(shí)驗(yàn)基于垂直管道氣液兩相流動(dòng)噪聲特性，所設(shè)計(jì)工況點(diǎn)為彈狀流與泡狀流共計(jì)90個(gè)工況點(diǎn)。工況點(diǎn)設(shè)計(jì)如表1所示。單相水流量工況點(diǎn)為0.4，0.6，0.8，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10m3/h。實(shí)驗(yàn)是在垂直管道中測得單相水以及氣液兩相流動(dòng)聲發(fā)射信號(hào)，共采集泡狀流及彈狀流共90組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中彈狀流50組，泡狀流40組及單相流13組。

2 基于流動(dòng)噪聲相含率模型研究

2.1 相含率測量技術(shù)路線

垂直管氣液兩相流相含率是基于支持向量機(jī)回歸的方法，提出的測量氣液兩相流相含率的新方法的有效性，利用動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來自河北大學(xué)多相流實(shí)驗(yàn)室，動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)是利用聲發(fā)射檢測儀器對(duì)垂直管氣液兩相流進(jìn)行測量。提取實(shí)驗(yàn)過程中所采集到的流量值及其他入口參數(shù)，得到實(shí)際液相含率，所測得的體積含液率在0～1之間。

式中：Q1——液相體積流量;

Qg——?dú)庀囿w積流量;

Pg——?dú)饴穳毫?

Tg——?dú)饴窚囟?

Pb——背景壓力;

Tb——背景溫度。

對(duì)所測得的參數(shù)求平均值，并計(jì)算各個(gè)工況下的體積含液率，求得的液相體積含率即作為實(shí)際液相含率。實(shí)驗(yàn)總共獲得3組測量數(shù)據(jù)，其中前兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，用來建立垂直管氣液兩相流相含率測量模型，另1組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為測試集，用于檢驗(yàn)所建立的測量模型的預(yù)測效果。

如圖3所示流型的不同會(huì)影響相含率測量，實(shí)驗(yàn)是基于聲發(fā)射檢測技術(shù)，探究垂直管彈狀流與泡狀流流動(dòng)噪聲信號(hào)與相含率之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。實(shí)際測量過程中，首先利用聲發(fā)射檢測系統(tǒng)獲得垂直管氣液兩相流動(dòng)噪聲信號(hào);之后將獲得的兩相流動(dòng)噪聲信號(hào)經(jīng)特征提取，提取特征向量，最后輸入到相

應(yīng)流型的相含率測量模型中計(jì)算相含率值。

2.2 單相液與氣液兩相流動(dòng)噪聲對(duì)比

由于在兩相流動(dòng)過程中，管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)噪聲信號(hào)包含了氣液兩相流與管壁的摩擦以及氣液兩相之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)采集到的聲發(fā)射時(shí)域信號(hào)能很好地反映出兩相流動(dòng)過程不同工況下流動(dòng)噪聲的強(qiáng)烈程度。下面給出垂直管單相流動(dòng)狀態(tài)下以及泡狀流與彈狀流兩種典型流型的流動(dòng)噪聲信號(hào)時(shí)域、頻域圖。

如圖4～圖6所示，在垂直管中，由于單相水流動(dòng)只受重力影響，聲發(fā)射應(yīng)力波信號(hào)主要來自液體與管壁的摩擦，接收到的信號(hào)幅值相比兩相流明顯更小。彈狀流流動(dòng)噪聲信號(hào)在無氣彈經(jīng)過時(shí)電壓幅值相對(duì)較小，信號(hào)整體出現(xiàn)了類似突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)的特征，并呈現(xiàn)周期性變化。原因在于有氣彈經(jīng)過時(shí)兩相流體相互振動(dòng)摩擦明顯，氣彈帶動(dòng)水流造成兩相之間相互作用力增強(qiáng)，電壓幅值明顯增大。在無氣彈和破碎的氣泡經(jīng)過時(shí)，此時(shí)聲發(fā)射檢測到的管內(nèi)流動(dòng)噪聲主要來源于液相與管壁的摩擦，電壓幅值變小。

伴隨著液相流量的增大，兩相流型從彈狀流過渡為泡狀流。大的氣彈也隨著液體流量的增加撞擊破裂為小氣泡。正因?yàn)闅庖簝上嘀g相互作用更加明顯，相比彈狀流電壓幅值變化更為劇烈。通過氣液兩相流時(shí)域信號(hào)能很明顯區(qū)分泡狀流與彈狀流。產(chǎn)生這種變化的原因在于，隨著氣相和液相流量的不斷增加，兩相之間的卷吸作用力也不斷增加，從而引起了兩相流動(dòng)聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度的變化。

對(duì)管內(nèi)流動(dòng)噪聲信號(hào)傅里葉變換得到信號(hào)的頻域圖。對(duì)比圖7單相水流動(dòng)狀態(tài)下的流動(dòng)噪聲信號(hào)，在低頻段內(nèi)幅值有較為明顯的變化。在水流量0.4～10m3/h范圍內(nèi)單相流最大幅值不超過0.01V。如圖8、9所示為兩相流聲發(fā)射信號(hào)頻域圖。氣液兩相流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜，在垂直管中，受浮力影響，氣泡帶動(dòng)水流使得兩相流體與管壁摩擦更為劇烈，氣相與液相之間的碰撞尤為明顯使得聲發(fā)射檢測儀接收的應(yīng)力波更強(qiáng)，這是造成管內(nèi)兩相流動(dòng)的噪聲信號(hào)頻域圖幅值更高的原因。

2.3 R/S分析氣液兩相流動(dòng)噪聲特性

為了對(duì)垂直管氣液兩相流流動(dòng)噪聲信號(hào)進(jìn)行更深入地分析研究，結(jié)合小波分析，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行9層小波分解，將小波分解得到的10個(gè)尺度進(jìn)行R/S分析。

由圖10表示的是在垂直管彈狀流不同工況點(diǎn)下，以lg（R/S）為縱坐標(biāo)，以lgn為橫坐標(biāo)繪制的不同尺度R/S分析圖。

可以明顯發(fā)現(xiàn)在小波分解各尺度R/S分析圖中有許多明顯的拐點(diǎn)，說明氣液兩相流本身具有雙分形性，在時(shí)間序列上既存在持久性又呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。通過計(jì)算垂直管氣液兩相流動(dòng)噪聲信號(hào)經(jīng)過9層小波分解之后各尺度的Hurst指數(shù)[13]，發(fā)現(xiàn)在細(xì)節(jié)信號(hào)d1，d2，d3在3個(gè)尺度上Hurst指數(shù)均<0.5，而在d4～d9尺度上Hurst指數(shù)均>0.5。細(xì)節(jié)信號(hào)d1，d2，d3這3個(gè)尺度所對(duì)應(yīng)的高頻段信號(hào)呈現(xiàn)反持久性，是由于離散相（氣相）與連續(xù)相（液相）之間的不規(guī)則撞擊以及氣泡帶動(dòng)水流造成的卷吸作用力造成的。

2.4 基于支持向量機(jī)相含率測量模型

支持向量機(jī)既可以用于模式識(shí)別分類問題，同時(shí)還可以去研究非線性回歸的問題。支持向量機(jī)回歸是針對(duì)小樣本提出的，此次學(xué)習(xí)過程樣本數(shù)較少，可以選擇支持向量機(jī)。在有限樣本的情況下選擇支持向量機(jī)可以達(dá)到較好的回歸效果。和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相比，它不以設(shè)計(jì)者具有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)為依賴，而且泛化能力非常好，不會(huì)出現(xiàn)過學(xué)習(xí)情況。在對(duì)回歸問題進(jìn)行分析時(shí)，支持向量機(jī)的基本思想是找到一個(gè)最優(yōu)平面，使得所有學(xué)習(xí)樣本離這個(gè)最優(yōu)平面最近。因此，支持向量機(jī)回歸可以歸為求出下述問題的最優(yōu)解：

式中：w——權(quán)向量;

ε——訓(xùn)練誤差;

c——懲罰因子;

b——偏移項(xiàng);

ξi、ξi?——松弛變量;

φ（·）——核空間映射函數(shù);

i——訓(xùn)練樣本的個(gè)數(shù)。

為對(duì)如上優(yōu)化問題進(jìn)行求解，建立了拉格朗日函數(shù)，并且將其轉(zhuǎn)換成了對(duì)偶形式：

其中，βi和βi表示拉格朗日乘子;（xi，xj）=Kφ（xi）φ（xj）為核函數(shù)，這里核函數(shù)選取徑向基核函數(shù)，K（xi，xj）=exp（?xi?xj2l2σ2）（其中σ表示核函數(shù)參數(shù)）。

SVM回歸問題通過上式的轉(zhuǎn)換最終變成了對(duì)存在約束條件的二次規(guī)劃問題的求解，對(duì)上式求得最優(yōu)解之后，就能求得偏移項(xiàng)b及支持向量的系數(shù)βi，β?i，i=1，2，3，···，l，SVM回歸模型便也可以求得，如下式：

因此，以所獲得的聲發(fā)射信號(hào)前5層小波能量構(gòu)成的特征向量Ta作為輸入，輸出為氣液兩相流相含率a，由SVM回歸方法構(gòu)建的相含率測量模型即為

其中，Ta和Ta都表示特征向量，前者是待測樣本test train的，后者是訓(xùn)練集樣本的。

由于動(dòng)態(tài)聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)信號(hào)波動(dòng)性較強(qiáng)，因此提取垂直管氣液兩相流動(dòng)噪聲信號(hào)的特征參數(shù)對(duì)建立相含率模型尤為重要。通過小波分解氣液兩相流動(dòng)噪聲信號(hào)，可知能量主要集中在前5個(gè)尺度，前5層小波能量能很好地反映相含率的信息，因此在建立垂直管彈狀流相含率測量模型時(shí)，提取聲發(fā)射信號(hào)的前5層小波能量為特征參數(shù)，并構(gòu)成測量時(shí)的特征向量Ta，用來作為相含率測量模型的輸入?yún)⒘俊?/p>

如圖11～13所示，采用聲發(fā)射檢測結(jié)合支持向量機(jī)回歸技術(shù)，通過提取氣液兩相流動(dòng)噪聲信號(hào)的前5層小波能量作為輸入量。支持向量機(jī)（SVM）回歸的方法能夠克服兩相流流動(dòng)噪聲信號(hào)與相含率之間的非線性關(guān)系，在垂直管彈狀流流型下，液相體積含率的測量最大相對(duì)誤差不高于6%，泡狀流體積含液率最大相對(duì)誤差不超過2.5%，對(duì)提出的相含率測量新方法進(jìn)行了有效地驗(yàn)證。

3 結(jié)束語

1）對(duì)比單相水與氣液兩相流流動(dòng)噪聲信號(hào)時(shí)域和頻域上的差別，由于只受流體與管壁的摩擦影響，單相流動(dòng)噪聲信號(hào)幅值在低頻處明顯升高，說明聲發(fā)射檢測儀所接收的流體與管壁之間的摩擦應(yīng)力波來自低頻段。

2）通過小波分解和R/S分析，細(xì)節(jié)信號(hào)d1，d2，d3這3個(gè)尺度所對(duì)應(yīng)的高頻段信號(hào)呈現(xiàn)反持久性，說明了氣液兩相流的雙分形性或者說是混沌特性是由于離散相（氣相）所造成的。

3）支持向量機(jī)回歸的方法能夠克服兩相流流動(dòng)噪聲信號(hào)的非線性關(guān)系，建立了液相體積含率測量模型，泡狀流測量最大相對(duì)誤差不超過2.5%，彈狀流相含率測量最大相對(duì)誤差6%以內(nèi)。說明聲發(fā)射和支持向量機(jī)回歸技術(shù)的相結(jié)合，對(duì)相含率模型建立來說是成功的。

參考文獻(xiàn)

[1]譚超，董峰.多相流過程參數(shù)檢測技術(shù)綜述[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2013，39（11）：1923-1932.

[2]方立德，呂曉暉，田季，等.基于近紅外差壓技術(shù)的氣液兩相流雙參數(shù)測量[J].中國測試，2018，44（1）：21-26.

[3]方立德，李婷婷，李丹，等.新型氣液兩相流相含率檢測裝置特性研究[J].中國測試，2017，43（3）：121-125.

[4]FORDHAMEJ， LENNCP， HOLMESA， etal.Correctionsofgradiomanometerdataforvolumefractionsintwo-phaseflows[J].MeasurementScienceandTechnology， 1999， 10（12）： 131-135.

[5]BOURDELE， PASQUETD， DENORMEP， etal.MeasurementofthemoisturecontentwithacylindricalresonatingcavityinTM010mode[J].IEEETransactionsonInstrumentationandMeasurement， 2000， 49（5）： 1023-1028.

[6]LUCASGP， PANAQIOTOPOULOSN.Oilvolumefractionandvelocityprofilesinvertical， bubblyoil-in-waterflows[J].FlowMeasurementandInstrumentation， 2009， 20（3）： 127-135.

[7]TOLLEFSENJ， HAMMERA.Capacitancesensordesignforreducingerrorsinphaseconcentrationmeasurements[J].FlowMeasurementandInstrumentation， 1998， 9（1）： 25-32.

[8]LUCASGP， PANAQIOTOPOULOSN.Oilvolumefractionandvelocityprofilesinvertical， bubblyoil-in-waterflows[J].FlowMeasurementandInstrumentation， 2009， 20（3）： 127-135.

[9]張易農(nóng)，彭靜，程耀華，等.多種超聲流量計(jì)對(duì)氣液兩相流流量計(jì)量的試驗(yàn)研究[J].中國測試，2017，43（9）：143-147.

[10]畢雪芹，倪原，雷志勇.基于雙頻多普勒法的超聲波流量測試[J].探測與控制學(xué)報(bào)，2008（4）：73-75.

[11]王鑫，李美慧，岳曉慶，等.油氣管道兩相段塞流的聲發(fā)射測試實(shí)驗(yàn)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017，36（9）：51-54.

[12]張凱，胡東芳，王保良，等.基于CCERT與聲發(fā)射技術(shù)的氣液固三相流相含率測量[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，43（11）：2352-2358.

[13]HURSTHE.Long-termstoragecapacityofreservoirs[J].TransactionsofAmericanSocietyofCivilEngineers， 1951（116）： 770-808.