1 研究背景多相流是一种常见的流动现象,在自然界、工业生产以及能源利用中广泛存在。油水两相流是具有代表性的液液两相流动形态,也是石油、化工、动力等现代能源与过程工业领域的常见流体。油水两相流动状态和机理研究对发展两相流基础理论、保障生产安全高效运行、研制新型过程设备具有重要作用,其中涉及到很多的关键过程参数及其分布的在线检测问题。流速是表征流动过程状态和特性的关键分布参数,油水两相流流速及其分布信息在两相流体力学建模与计算验证、工业过程监测与诊断、现场混合流量计量中均有明确测试需求。因此,油水两相流流速及其分布参数的准确检测具有十分重要的意义。不同于单相流流动参数检测,油水两相流是典型非线性、时变复杂过程,由于油、水两相具有不同动力学性质,其相间存在较强界面效应并伴随动量传递与粘性耦合,导致油水两相流场具有非均匀、多分散的复杂流体结构以及“反相”等流动状态特点,给流动参数检测技术的研究带来较大挑战。油水两相流流速检测技术虽经过一定发展,但现有流速及分布检测方法和技术（例如探针法、差压法、超声法、光学法、电磁法、互相关法等）在测量原理和应用条件上均有各自局限性（例如测量精度低,单点/侵入式测量,不适于工业在线监测,受流体导电性、粒子/离散相浓度、介质/管道透光性限制等）,对于复杂时变的油水两相流速及其分布,很难实现全流型范围内的有效、准确的在线检测。如能采用非扰动手段,在线获取油水两相流流速及其分布,将对两相流理论研究及其工程应用产生重要的推动作用。超声多普勒测试技术源于多普勒效应,利用超声波作用于散射体产生的散射回波频率变化（即频移）与运动速度成正比的原理测量散射体速度。根据声波发射方式,可分为连续波超声多普勒（CWUD）和脉冲波超声多普勒（PWUD）两种方法,前者可获得测量空间内散射体的平均速度,后者可获得沿测量线不同深度处散射体速度分布。超声多普勒测试技术具有测量响应快、安装位置灵活、物理意义明确、非侵入、成本低、易于实现等优点,其测试过程无需标定、不受流体导电性影响,且能有效检测封闭不透光管道内的流体,在均匀离散分布的低含率气液、液固两相流流速检测中得到较多应用。然而,油水两相流的流体结构复杂时变且相间声阻抗差异较小,超声散射机制耦合离散相粒子尺度、多重散射等多种复杂物理效应,超声多普勒测试技术用于油水两相流速检测的研究仍然较少,两相流多普勒频移特性尚未完全明确且缺乏针对流体结构和流动特点的流速测量模型,无论在理论还是实验方面都需进一步研究。因此,如能充分挖掘并研究超声多普勒频移信号中的速度信息及其利用方式,结合介质非均匀、多分散流动特征及多普勒频移特性,研究用于弱声阻抗比油水两相流的超声多普勒测试方法及信号处理、测量模型,有望实现油水两相流流速及其分布的非侵入、准确的在线检测。2学位论文主要工作为实现非侵入、准确的油水两相流流速及其分布在线检测,论文在超声波散射机理和仿真分析的基础上,从油水两相流超声多普勒频谱特征研究出发,采用理论分析、数值仿真计算、机理建模和实验测试相结合的方法,对油水两相流流速及其分布的超声多普勒检测方法开展深入研究。论文主要工作如下:1)针对本研究总体目标,即采用超声多普勒检测方法实现油水两相流表观流速、一维流速分布和二维截面流速分布检测的问题,设计相关传感器,开发实验测试系统,开展实验测试,获取典型流动状态实验测试数据。2)针对油水两相流超声多普勒频谱特性的研究问题,提出同侧双晶连续波多普勒测试方法,分析多普勒频谱特征,明确流场对频谱的调制规律,并由此建立流型识别和流速测量模型,流型识别精度可达95%且总表观流速相对测量误差小于4%。3)针对油水两相流流速分布和更高精度表观流速的检测问题,提出单线脉冲波多普勒测试方法,获取流体一维速度分布,建立无量纲速度分布模型,实现油水两相流速度分布参数化表征,建立非滑移和滑移总表观流速测量模型,将总表观流速相对测量误差减小到2%左右。4)针对提高油水两相流一维速度分布测量精度和实现非均匀、非对称二维截面速度分布检测的问题,提出多线脉冲波多普勒测试方法,构建一发三收（1T-3R）速度分布修正模型,将一维速度分布相对测量误差减小70%,并基于多线多角度速度分布检测实现二维截面速度分布可视化测量。2.1检测方法与测试系统在对国内外油水两相流流动参数检测技术总结、分析和超声多普勒技术及其应用综述的基础上,研究油水两相流超声波散射特性,并确定采用超声多普勒检测方法实现油水两相流流速及其分布的测量,设计实验测试系统并完成实验测试。2.1.1检测原理与方法基于油水两相流低声阻抗比及多液滴分布特征,结合液滴实际尺寸,采用1MHz频率,在0.5-4mm不同尺寸油/水单液滴和典型流型下开展流场/声场耦合数值仿真,研究油水两相流超声波散射特性,确定可产生多普勒散射信号的液滴尺寸及流型适用范围。仿真结果表明,除层流（ST）外的油水两相流分散流均可产生携带多普勒频移信息的有效散射回波信号。基于上述分析,论文采用超声多普勒检测方法实现油水两相流流速及其分布检测。该检测方法原理如图2-1所示,在假设油水两相流中离散相液滴对超声波的多重散射为高斯随机过程的基础上,采用同侧双晶连续波多普勒方法获取表征离散相流动速度的空间平均多普勒频移信息,分析油水两相流多普勒频谱特性,由此构建表观流速基本测量模型,并实现流型识别,为后续精细化流速测量模型的参数选取提供流型先验信息;采用单线脉冲波多普勒方法获取表征离散相速度分布的时空多普勒频移信息,计算一维流速分布,并通过不同流型下流动特征分析,构建无量纲速度分布模型以及表观流速测量模型,实现流速分布参数化表征并获得更高精度表观流速;进一步结合流场/声场特性,采用多线脉冲波多普勒方法建立速度分布修正模型,提高一维流速分布测量精度并获得二维截面流速分布。上述检测方法利用多普勒频移信息建立流速及其分布测量模型,实现非侵入、准确的油水两相流表观流速、一维速度分布和二维截面流速分布的在线检测。2.1.2测试系统设计与实验测试根据所研究内容及实验需求,设计并完成一套实验测试系统,并在油水两相流实验装置上开展实验测试,获取各流动状态下测试数据,为开展超声多普勒油水两相流流速及其分布检测研究提供测试数据。该测试系统总体结构如图2-2所示,共由四个模块组成:单通道连续/脉冲波多普勒测试模块、八通道阵列式脉冲波多普勒测试模块、电容电导测试模块以及基于 NI-PXI 的（PCI Extensions for Instrumentation,面向仪器系统的 PCI 扩展）数据采集与上位机软件控制模块。该系统具有非侵入、安全性高、成本低、结构简单易操作等特点,主要设计与实现包括:1)高压可调超声连续/脉冲波激励。综合考虑超声波在油水两相流中能量衰减较大、回波信号弱和多普勒频移信噪比低等问题,采用FPGA（现场可编程门阵列）控制功率MOSFET（表面场效应管）开关的技术方案,实现频率1MHz,幅值可调的高压双极性连续/脉冲波信号（100Vppmax）超声激励;为避免激励信号中持续高压脉冲噪声损坏超声换能器,在连续波激励信号输出端设计专用RC滤波电路,在脉冲波激励信号输出端使用滑动变阻器以实现激励电压幅值调节与脉冲噪声消除。2)可编程超声多普勒激励通道切换和并行信号采集。阵列式脉冲波多普勒测试模块为防止通道切换引入脉冲噪声、确保各通道一致性,设计八路并行高压脉冲激励与信号处理电路,采用“一发全收”的“循环激励/并行测量”策略采集多路超声散射信号,多路激励电路的切换时序和逻辑控制,可根据测试需要实现系统静默/手动切换/自动循环三种工作模式切换。3)超声多普勒频移实时解调与处理。超声多普勒信号处理单元由预处理电路和数字/模拟解调电路组成。预处理电路利用高压保护收/发开关芯片和二极管电路实现电压限幅功能,利用多级有源放大器实现信号高增益放大。数字解调电路包括FPGA数字乘法解调和有限脉冲响应（FIR）滤波功能。为减小数据采集与后处理的运算压力,实时完成散射回波信号处理并直接输出数字多普勒频移信号。4)电容电导传感器全范围含水率测量。电容电导测试模块包括电容和电导两种工作模态,前者采用电流激励/电压测量策略,后者采用电压激励/电压测量策略;流体连续相为导电相水时,电导模态正常工作,连续相为非导电相油时,电容模态正常工作,两种模态相结合实现含水率0-100%全范围连续检测。利用含水率测量信息可实现分相表观流速的计算,此外,电导传感器测量电压的无量纲归一化值Vn可实现不同流态（油/水连续相）的判断。5)数据采集与控制软件界面。NI-PXI数据采集与Lab VIEW控制界面包括系统参数设置、采集信号实时显示、存储以及触发设置等功能,通过“主动触发”和“受控触发”两种状态机实现超声多普勒和电容电导测试模块与上位机的双向触发与数据通信。上述测试系统中,单通道CWUD/PWUD测试模块和多通道阵列式PWUD测试模块的系统参数如表2-1和2-2所示。如图2-3所示,利用所开发的测试系统和配套设计的超声多普勒传感器以及电学传感器,在天津大学油水两相流实验装置上完成典型流动状态下的实验测试。透明亚克力测试管段内径50mm,所用流体为自来水（998kg/m3,0.001Pa-s）和工业白油（790kg/m3,0.029Pa.s）,通过控制单相入口流量,管内共形成六种典型流型,包括层流（ST）、层流夹带液滴（ST＆MI）、水和水包油（Do/w＆w）、油包水和水包油（Dw/o＆Do/w）、水包油（o/w）和油包水（w/o）流型,其中,本研究工作不包含ST流型。总表观流速变化范围0.23m/s至3.17m/s,含水率变化范围3%至97%。2.2连续波油水两相流多普勒频谱分析与表观流速测量提出同侧双晶连续波超声多普勒检测方法,分析弱声阻抗比、离散非均匀分布的油水两相流超声多普勒频谱,明确流场特性对多普勒频谱调制作用,为油水两相流超声多普勒检测研究提供理论基础,由此建立表观流速基本测量模型,并实现流型识别,为后续精细化流速测量模型构建提供先验流态信息。2.2.1同侧双晶CWUD传感器设计与优化通过超声波传播理论计算、数值仿真和实验测试,采用聚烯亚胺固体声楔和复合压电晶片,设计并优化非侵入式同侧双晶CWUD传感器结构和声学参数,如图2-4所示,两压电晶片贴于隔声板两侧,其直径9mm,中心频率1MHz且超声入射角θ0为60°,形成的测量空间能够有效覆盖管道截面径向范围,连续波多普勒测试信号包含管内离散相综合流动信息,且其平均多普勒速度可视为离散相真实平均流速。2.2.2超声多普勒频谱分析基于典型流型下同侧CWUD传感器多普勒测试信号,从多普勒时频谱和平均功率谱两个角度定性和定量分析连续波多普勒频谱,如图2-5所示,明确油水两相流流场特性（如流动结构、流动状态、流速及其分布、液滴分布和数量等）对多普勒频谱特征（形状、带宽、能量、分布均匀性等）调制作用。如图2-6所示,通过对频谱特征值分析,例如时频标准差std（fd-time）、频谱展宽指数SBI、偏度CS、峰度CK、最大频移fdmax、平均频移fd、功率P和归一化频谱方差NSV,油水两相流流体结构和离散相运动强度可调制多普勒时频谱稳定性和波动幅度,流速和离散相分布/数量可调制频谱幅值、峰值位置、带宽和形状分布等特征。此外,基于“反相”流动状态特点,如图2-7所示,油水两相流平均多普勒频移具有双线性响应特性fd,即流动状态对平均频移有明显调制作用,平均频移与总表观流速随连续相不同呈双线性关系。2.2.3流型识别基于油水两相流多普勒频谱分析,频谱特征可以反映不同流型的流动特性,由此,引入“消融学习”方法从频谱特征中挑选最有效流型特征值Std（fd-time）、CS和SBI,并结合电导传感器无量纲归一化参数Vn,构建决策有向无环图（Decision Directed Acyclic Graph,DDAG）支持向量机多值分类模型（Multi-class SVM）,实现油水两相流流型识别。实验测试结果表明,采用该方法,平均识别精度可达95%,如表2-3所示。2.2.4表观流速测量基于油水两相流平均多普勒频移双线性特性,流动状态不同,平均频移响应不同。由此,根据电导传感器无量纲参数Vn提供的连续相信息,分别构建水连续和油连续流动状态下流速测量模型,建立总表观流速与离散相真实平均流速关系式,得到各流型总表观流速,并结合含水率信息计算分相表观流速,计算流程如图2-8所示。实验测试及误差分析结果表明:采用同侧双晶CWUD检测方法所获得的油水两相流总表观流速和和分相流速相对测量误差分别约为3%和4%,如图2-9所示。2.3单线脉冲波超声多普勒流速及其流速分布测量提出采用单线脉冲波超声多普勒检测方法,设计单探头PWUD传感器,采用脉冲重复发射/接收法（UDM）获取油水两相流一维流速分布,并由此构建无量纲流速分布模型,实现流速分布参数化表征,并基于相间滑移/非滑移两种假设,分别构建总表观流速测量模型,实现更高精度的表观流速测量。2.3.1单探头PWUD传感器设计如图2-10,设计并加工楔块/压电晶片一体化非侵入PWUD传感器,楔块厚度略大于近场距离,以避免超声近场效应以及消除相含率、温度和多普勒角度的变化对速度分布测量结果的影响;切割楔块角度实现管道内超声入射角θ0固定60°的激励声场配置,最优化超声波透射强度并降低局部采样体积内超声多普勒测量不确定度。2.3.2 UDM方法一维流速分布测量考虑油水两相流中弱散射声场特性,采用距离门（range-gate）技术的脉冲波重复发射与接收测量方法（UDM）提高低幅值回波信号中多普勒信号检测信噪比,测量沿声束线（近似管径方向）速度分布,计算流程如图2-11所示。综合速度分辨率、最大可测流速、最大可测深度及测量时间等多指标优化UDM测试参数,其中,脉冲周期4,脉冲重复频移10KHz,重复次数500,所得空间分辨率为2.96mm,多普勒速度分辨率为0.038m/s,最大可测速度为9.53m/s,满足实验测试需求。图2-12为采用单线PWUD传感器获得的不同流动状态下油水两相流一维流速分布测量结果示例。2.3.3无量纲流速分布模型通过典型流型一维流速分布测量结果,发现不同流型下流速分布特征具有差异:水连续流态具有近似单相湍流的幂律型流速分布,油连续流态具有近似单相层流的抛物线型流速分布,水连续与油连续流态均具有非轴对称分布特征。实验测试结果验证和解释了前述多普勒平均频移双线性响应特性的成因。在此基础上,计算流体摩擦速度并建立半对数坐标下无量纲流速分布模型,实现油水两相流流速分布参数化表征,模型如图2-13所示。2.3.4表观流速测量利用油水两相流一维流速分布测量信息,首先忽略相间滑动,构建基于矩形分层截面流速分布的无滑移流速测量模型,通过对速度分布截面积分,建立总表观流速与离散相真实流速分布的关系式,并结合含水率信息计算各分相表观流速。实验测试及误差分析结果表明:所得的总表观流速和分相流速相对测量误差（RE）分别约6%和7%,如图2-14（a）所示。考虑相间相对滑动,结合漂移模型和一维流速分布测量信息,构建油水两相流滑移流速测量模型,并根据不同流型流动特征以及离散相受力/动量守恒分析,对模型参数进行理论推导。实验测试及误差分析结果表明:如图2-14（b）所示,采用滑移流速测量模型所得总表观流速和分相流速相对测量误差（RE）分别降低到2%和4%,与无滑移测量模型相比分别减少了 60%和45%。2.4多线脉冲波超声多普勒流速分布测量提出多线脉冲波超声多普勒检测方法,构建一发三收速度分布修正模型,提高单线PWUD一维流速分布测量精度,在此基础上,为解决单线速度分布无法表征非均匀、非对称流场的二维截面速度分布问题,基于多线PWUD多角度测量方法,实现二维截面速度分布可视化测量;此外,构建超声多普勒信号数值计算模型,并从数值仿真验证和鼓泡塔实验测试两个方面验证所提检测方法。2.4.1 PWUD传感器阵列设计与实现如图2-15,设计并加工PWUD传感器阵列,在管道外壁同一横截面均匀放置八个圆柱形超声换能器,优化换能器尺寸及安装角度使其测量空间覆盖管道横截面;设计凹槽式换能器外壳,利用标准螺纹将各换能器固定于管道横截面,确保其安装位置与角度一致性,降低超声多普勒测量不确定度。2.4.2 1T-3R方法速度分布修正模型通过分析流场/声场特性及其对超声散射和多普勒效应的影响,明确单线PWUD速度分布测量精度的关键影响因素:离散相和声场分布的非均匀性、低声阻抗比液滴引起的超声波前向散射扰动,以及随传播深度增加的多重多普勒调制效应。为提高测量精度,提出一发三收（1T-3R）方法的速度分布修正模型,原理如图2-16所示,利用PWUD传感器阵列三个相邻探头（中心探头发射声波,三个探头同时接收回波）获取与中心探头测量线速度分布相关的三个多普勒信号,计算不同测量点相对各探头的多普勒角和声传播距离,根据中间和两侧探头相对各测量点的声传播距离差（d1-d2）加权各多普勒速度,获得沿中心探头测量线的更高精度一维速度分布。在此基础上,利用PWUD传感器阵列获得的多角度一维速度分布检测信息,根据空间位置和多普勒角度插值计算二维截面速度分布。2.4.3 1T-3R多线脉冲波多普勒数值模拟与验证根据PWUD采样体积内各液滴对多普勒频移信息的综合调制,采用多液滴多普勒信号耦合的方式构建多普勒信号数值计算模型,生成油水两相流中超声多普勒数值模拟信号。该模型可描述流体介质属性、液滴数量及其分布、流速分布和超声扩散衰减等流场/声场特性,并自定义测试系统参数和噪声。为定量验证1T-3R速度分布修正方法性能,利用该模型,基于1T-3R多线脉冲波多普勒检测方法,对不同流速下截面均匀和非均匀流速分布进行数值模拟计算。结果表明:如表2-4和表2-5所示,采用1T-3R多线脉冲多普勒检测方法,所得多线一维流速分布和二维截面流速分布相对测量误差RE分别小于5%和7%,与单线脉冲多普勒检测方法相比,测量误差分别减小75%和80%。2.4.4实验测试和结果为实验验证所提1T-3R多线脉冲多普勒检测方法,设计静态水中油滴垂直上升鼓泡塔测试装置,采用PWUD传感器阵列进行实验测试。如图2-17,该装置通过控制蠕动泵流量和基底针槽通道阀门,实现不同流速下油滴群单峰、双峰和均匀分布的上升轨迹流动状态,获得4种不同截面速度分布实验条件。基于多线PWUD测试数据,采用1T-3R速度分布修正方法获得一维速度分布和二维截面速度分布,测量结果如图2-18所示,其中,Qo为油相入口流量。实验测试结果表明:采用1T-3R多线脉冲多普勒检测方法获得的截面速度分布,其峰值位置与油滴通过管道截面的真实位置吻合,其速度峰值与实验观测一致。3总结与展望3.1总结针对非侵入、准确的油水两相流流速及其分布在线检测问题,论文围绕超声多普勒检测方法,从理论分析、数值仿真计算、测量模型构建和实验测试与验证等方面开展一系列研究工作,主要工作归纳如下:1)在仿真分析油水两相流超声散射特性的基础上,设计并优化针对多普勒频谱分析和速度分布检测的超声传感器结构,并开发实验测试系统,在实验装置上实现油水两相流典型流动状态下有效准确的实验测试数据采集。2)提出采用同侧CWUD检测方法分析油水两相流超声多普勒频谱,设计优化并实现同侧双晶CWUD传感器,明确流场特性对多普勒频移信号调制规律,提供了油水两相流超声多普勒检测研究的理论基础;采用消融学习方法提取多普勒频谱特征,建立DDAG多分类SVM流型识别模型,流型识别精度可达95%,提供了后续测量模型的先验流型信息;基于多普勒平均频移双线性响应特性,建立总表观流速测量模型,相对测量误差小于4%。3)提出单线PWUD检测方法,设计并实现单线PWUD传感器,采用Range-Gate技术的UDM方法测量一维流速分布,并由此构建无量纲速度分布模型,实现油水两相流速度分布的参数化表征;利用速度分布信息,在相间无滑移假设下,构建无滑移测量模型,所得总表观流速相对测量误差约6%;基于相间滑移和液滴受力分析,构建滑移测量模型,将总表观流速测量误差减小到2%左右。4)提出多线PWUD检测方法,设计并实现PWUD传感器阵列,通过理论分析明确单线PWUD速度分布测量精度关键影响因素,由此构建一发三收策略的速度分布修正模型,并基于流场/声场特性,构建超声多普勒信号数值计算模型,速度分布测试结果表明1T-3R方法的相对测量误差减小了 70%;利用PWUD传感器阵列多角度速度分布检测信息,实现非均匀、非对称流场中二维截面速度分布的可视化测量。论文所提超声多普勒检测方法能够有效解决油水两相流流速及其分布检测的问题,实现非侵入、准确地在线获取流体总表观流速、分相流速和一维速度分布、二维截面流速分布信息。论文研究工作,在油水两相流动机理研究方面,可为流动模型建立、流体计算力学数值模拟验证、相间作用研究和流场可视化等提供有效流速信息;在工业应用方面,可用于油水两相流或其它液液两相流的非侵入流速检测,为其流动状态诊断、流变在线监测等提供准确数据。3.2展望论文针对油水两相流速度极其分布的检测问题,采用连续波和脉冲波超声多普勒检测方法,并完成测试系统搭建、传感器优化设计、频谱特征分析、测量模型构建、实验测试与验证等工作,仍存在许多问题需要进一步研究,主要包括以下几个方面:1)探索基于无量纲速度分布模型的表观流速理论模型。论文利用单线PWUD测试方法获得的一维流速分布信息分别构建了油水两相流半对数坐标下无量纲速度分布模型和总表观流速测量模型。因此,若能进一步对该速度分布参数化模型和总表观流速进行深入机理分析并建立两者之间的理论关系式,可为油水两相流流速测量提供新的理论模型。2)设计非侵入且耐压脉冲波多普勒传感器阵列结构,完成1T-3R速度修正方法定量实验验证。论文对所提1T-3R速度修正方法完成了定量数值模拟验证,且通过鼓泡塔对其完成定性实验验证,但尚需通过流动实验装置对1T-3R方法进行定量实验验证,而其难点在于为实时在线监测管内流动状态,需在透明亚力克测试管段上设计非侵入且耐压PWUD传感器阵列,这对管道硬度和传感器加工工艺具有极高要求。因此,未来工作还需设计实现新型传感器阵列结构以解决上述问题。3)深入研究油水两相流超声散射机制,提高多普勒速度估计精度、优化多普勒信号数值计算模型、充分挖掘多普勒信号中的流场信息。油水两相流中弱声阻抗比、多分散液滴等导致超声波多重散射机理十分复杂,因此,论文假设离散相液滴多重散射为高斯随机过程计算了多普勒频移;此外,论文利用电学传感器提供测量模型所需相含率信息,增加了测试系统的复杂性。因此,若能结合介质属性和流动特征深入研究油水两相流超声散射/衰减与多普勒信号的机理关系,不仅可以用于多普勒频移精度提升,也可将散射机理应用到多普勒信号数值计算模型,提高模型可靠性,此外,还可通过探索超声多频/编码激励等方法,在多普勒信号中提取相含率信息,实现超声多普勒方法的速度/含率同步测量。4)扩展超声多普勒检测方法的流型适用范围。论文将流体中离散相液滴作为超声散射体,因此主要研究对象为油水两相分散流。对于层流和波状流,多普勒频移信息可表征相界面波动信息,若将多普勒速度视为中间变量,并根据流体结构特征建立多普勒速度和相界面波动速度之间的理论关系式,可实现油水两相分层流的流速测量。5)探索利用多角度多普勒频移投影信息重建流体截面流速分布。论文采用PWUD传感器阵列获得的多线速度分布信息,根据空间位置和多普勒角度插值得到二维截面速度分布。需结合传感器阵列几何结构,获取流体速度场的多角度多普勒投影信息,探索投影信息与流速场的物理及数值映射关系,进而提出逆问题算法重建油水两相流的二维截面速度分布。