[發明專利]基于廣義復合多尺度熵的氣液兩相流流型非線性動力學分析方法

在審

• 申請號: 202110376605.0
• 申請日: 2021-04-06
• 公開（公告）號: CN113092062A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 孫慶明;巴頔
• 申請（專利權）人: 齊齊哈爾大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00
• 代理公司: 深圳至誠化育知識產權代理事務所(普通合伙) 44728
• 代理人: 劉英

本發明提出了一種基于廣義復合多尺度熵的氣液兩相流流型非線性動力學分析方法。本發明首先進行空氣?水氣液兩相流實驗，采集到三種流型的壓差波動時間序列。然后根據對流型的壓差波動時間序列進行廣義粗粒化處理，接著計算不同尺度因子的各粗粒化時間序列的熵值，再對相同尺度因子下的熵值取均值，得到不同尺度下的廣義復合多尺度熵，并繪制其熵值變化趨勢圖。最后依據不同流型的廣義復合多尺度熵值變化趨勢圖，計算廣義復合多尺度熵值增長速率，得到三種流型壓差波動時間序列的廣義復合多尺度熵值增長速率分布，從而實現流型的表征與識別。本發明中的廣義復合多尺度熵能夠映射氣液兩相流的復雜程度，具有魯棒性強、計算簡單以及易于實現的特點。

技術領域

本發明屬于氣液兩相流流型非線性動力學分析領域，具體是利用廣義復合多尺度熵處理壓差波動時間序列從而實現氣液兩相流流型的非線性動力學表征與識別。

背景技術

氣液兩相流廣泛地存在于自然界和工業生產過程中，由于受相界面相互作用及局部相間相對運動的影響，使得兩相流動過程表現出明顯的非線性和非平衡性的特征。兩相流流型是受限空間內氣液兩相混合物質的宏觀表現，而非線性動力學特性分析映射兩相流流型的復雜程度以及非線性流動過程的演化規律。以理論模型和數值模擬為基礎的分析方法無法完全映射兩相流非線性動力學特性。兩相流流型演化過程與流動參數之間密切相關，流動參數波動特征的有效提取對深刻理解兩相流流型演化過程的非線性動力學特性以及流動參數測量具有重要意義。

隨著非線性分析理論的發展，基于熵值的分析方法被用來研究兩相流非線性動力學特性，金寧德等以近似熵作為復雜性測度分析氣液兩相流電導波動時間序列，指出近似熵對流動參數的變化具有敏感性，能夠用來表征流型。鄭桂波等通過計算多尺度熵率對氣液兩相流流型進行了識別，周云龍等采用多尺度熵對起伏振動狀態下氣液兩相流流型進行了識別，樊春玲等應用多尺度信息熵分析氣液兩相流流動結構動力學特性，發現多尺度復雜熵因果關系平面能夠描述流動結構信息隨尺度增加的連續丟失過程。用熵值分析方法對兩相流流動參數波動時間序列進行表征，是對深刻理解難以通過數學模型準確描述的兩相流流型演化機理的積極探索。但是，目前基于熵值的非線性時間序列分析方法存在以下兩個缺陷：首先，基于均值化的粗粒化過程，會導致原始時間序列在高階矩上的動力學信息的丟失，使得計算出的熵值存在偏差；其次，熵值計算對時間序列長度的依賴性過大，使得其在高尺度因子下熵值的一致性和穩定性較差。

發明內容

本發明的目的是針對背景技術存在的兩個缺陷，研發一種基于廣義復合多尺度熵的氣液兩相流流型非線性動力學分析方法，根據氣液兩相流不同流型壓差波動時間序列的特征，結合廣義粗粒化與復合多尺度熵等非線性時間序列數據處理技術，實現了受限空間內氣液兩相流不同流型的非線性動力學特性表征，并提出廣義復合多尺度熵增長速率的概念對不同流型進行表征和分類。

為了實現以上目的，本發明方法主要包括以下步驟：

(1)獲取氣液兩相流不同流型的壓差波動時間序列樣本數據，具體是：在齊齊哈爾大學多相流檢測實驗室進行垂直上升管內氣液兩相流流型演化模擬實驗，實驗工質為空氣和自來水，實驗在常溫條件下進行，通過閥門先將管內自來水流量固定，然后以逐步增加空氣流量的方式獲取不同的氣液兩相流型，待流型平穩后人工記錄氣液兩相流量配比情況，使用壓差變送器與數據采集卡進行壓差波動時間序列的數據采集，并通過高速攝像機記錄流型圖像信息，模擬實驗中共觀察到泡狀流、塞狀流、混狀流三種流型。

(2)采用廣義粗粒化方法對步驟(1)獲取的氣液兩相流不同流型的壓差波動時間序列進行多尺度粗粒化處理。具體過程如下：

對數據長度為N的氣液兩相流壓差時間序列{x(i)，i＝1，2，3，...，N}進行廣義粗粒化處理，多尺度因子為τ時，構建長度為L＝N/τ的連續粗粒化時間序列其中：

式中：τ為尺度因子，為τ尺度下的第k個廣義粗粒化時間序列，j為的第j個點。