摘要
气液两相流现象广泛存在于自然界，生活中也经常接触到气液两相流，随着科技的快速发展，在化工、石油运输、能源动力以及航空航天等工业领域中关于气液两相流的应用也越发广泛。气液两相流流动特性的复杂多变导致事故时有发生，而加强气液两相流流动状况的持续监测和提高气液两相流流动参数测量的准确性能够降低工业中风险发生的概率，因此探索不同的气液两相流检测方法无论在科学研究还是工业应用中都具有重要的意义与价值。超声多普勒检测法是应用于气液两相流检测的新方法，适用于大多数测量环境、不会对检测的流场产生干扰，而且能够检测不透明的流体。目前对超声多普勒检测法应用于气液两相流检测的研究较少，针对超声多普勒检测法在实际检测中的问题，本文做了以下研究： （1）提出一种基于超声多普勒效应识别（Ultrasonic Doppler Identification，UDI）气液两相流流型的方法，该方法利用气液界面接触面积不同反射声强的差异性，通过短时傅里叶变换提取回波信号的多普勒频移和多普勒振幅，实现了气液两相流流型的识别。以气相作为实验对象，首先验证多普勒振幅应用于幅值分类的可行性，并根据统计的气相的多普勒振幅概率密度函数设定多普勒振幅阈值，然后利用短时傅里叶变换对纯水、泡状流和段塞流中的气相回波信号进行时-频-幅分析，验证UDI方法的有效性，最后利用UDI法对气液两相流的流型进行实时监测。研究结果表明：利用UDI法测量气液两相流能够准确获得气相在流体内的分布情况，从而实现流型的识别。 （2）基于超声多普勒速度分布形貌（Ultrasonic Velocity Profile，UVP）原理，提出了一种改进的两相流超声速度分布形貌（Developed Ultrasonic Velocity Profile，DUVP）识别与测量方法。该方法利用不同界面（散射体与液体的边界表面）处声强反射率的差异性，通过自相关技术提取回波信号中的多普勒频移和多普勒振幅，实现了气液两相流速度分布的识别和测量。以液相和气相作为实验对象，首先验证多普勒振幅应用于幅值分类的可行性，然后根据统计的液相和气相的多普勒振幅概率密度函数设定多普勒振幅阈值，利用液相和气相的速度分布测量结果验证DUVP法的有效性，最后利用DUVP法对气液两相流的速度分布进行识别和测量。研究结果表明：DUVP法与传统的UVP法相比，在测量液相和气相的速度分布时测量精度更高，并且能够同时识别和测量气液两相流的速度分布。 本文提出的方法能够有效地识别和测量气液两相流的流型与速度分布，且测量过程中仅使用单一超声换能器，节约了测量所需成本，为工业的两相流识别与检测的低成本化提供了可行的方案。
NETL