基于超声多普勒效应的水平气液段塞流液膜厚度测量方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115930860A(43)申请公布日2023.04.07(21)申请号202211606191.7(22)申请日2022.12.12(71)申请人天津大学地址300072天津市南开区卫津路92号(72)发明人翟路生徐博夏海沿(74)专利代理机构天津市北洋有限责任专利代理事务所12201专利代理师程毓英(51)Int.Cl.G01B17/02(2006.01)G01S7/539(2006.01)权利要求书2页说明书6页附图5页(54)发明名称基于超声多普勒效应的水平气液段塞流液膜厚度测量方法(57)摘要本发明涉及一种基于超声多普勒效应的水平气液段塞流液膜厚度测量方法，包括下列步骤：搭建水平气液段塞流超声多普勒测量系统，利用双晶超声探头获得回波信号，采集得到数字回波信号；依次对数字回波信号进行正交解调、低通滤波处理，获得仅包含与运动气泡速度有关的多普勒信息的信号；重构多普勒信号；提取多普勒频移信息，得到管道径向位置处气泡运动的速度序列；得到气泡速度时空分布矩阵；进行液膜区及液塞区的识别；泰勒泡所在位置处的速度为零，泰勒泡底部的分散气泡可引起多普勒频移，从而在速度时空分布中呈现非零速度值，通过探测液膜区距离双晶超声探头最远的非零速度值的位置，实现段塞流液膜厚度的测量；获得液膜厚度序列。CN115930860ACN115930860A权利要求书1/2页1.一种基于超声多普勒效应的水平气液段塞流液膜厚度测量方法，包括下列步骤：(1)搭建水平气液段塞流超声多普勒测量系统，利用双晶超声探头获得回波信号，采集得到数字回波信号；(2)依次对数字回波信号进行正交解调、低通滤波处理，获得仅包含与运动气泡速度有关的多普勒信息的信号udpl(t)；(3)重构多普勒信号，方法为：设多普勒角为θ，对于超声脉冲发射到接收的延迟时间τ，提取不同超声脉冲的解调和低频滤波后的信号udpl(t)的幅值信息；延迟时间τ与管道的某个径向位置x对应，即x＝τcsinθ/2，其中c为超声波的传播速度；提取的幅值信息按脉冲序列重构一个信号，此重构信号为管道径向位置x处的多普勒信号；(4)设双晶超声探头受到受激励信号作用产生的超声脉冲的重复频率为fprf，多普勒信号的频率即为运动气泡引起的多普勒频移fD；选择脉冲重复数Npulse，将管道径向位置x处的多普勒信号划分为不同的时间片段，每个时间片段为Npulse/fprf秒；对不同时间片段内的信号进行快速傅里叶变换，提取多普勒频移信息fD；按下式将各时间片段的多普勒频移换算为对应的气泡运动速度v：得到管道径向位置x处气泡运动的速度序列v(t)；(5)对管道径向所有位置重复上述步骤，即可得到气泡速度时空分布矩阵v(x,t)，其中x代表管道内的径向位置，t代表时间；该速度时空分布矩阵v(x,t)可描述段塞流中气泡速度的时空分布情况；(6)对速度时空分布矩阵v(x,t)进行液膜区及液塞区的识别，方法如下：①输入速度时空分布矩阵v(x,t)，搜索矩阵的最大速度值，记为Vmax，Vmax为液塞区中气泡运动最大速度；②速度时空分布矩阵v(x,t)中每列元素v(:,t)对应一个瞬时速度剖面；搜索列元素最大值设为vmax,对应该时刻速度剖面的速度最大值；将vmax与Vmax进行对比，选取合适的速度阈值α，如果vmax＜αVmax,则时刻t各位置气泡运动速度都不符合液塞区运动气泡特征，将时刻t识别为液膜区；如果vmax≥αVma，统计v(:,t)中位于管道上半部分的非零元素个数，记为Cnum，选取合适的速度个数阈值β，当Cnum小于阈值β时，将时刻t识别为液膜区；反之，识别成液塞区；③构造二值标识信号Smark，该信号由0和1组成，其中0和1分别代表液膜区和液塞区；④根据二值标识信号Smark中可能出现的错误信号的情形，对其修正，经修正后的二值标识信号仍旧记为Smark；利用修正后的二值标识信号Smark标识液膜区和液塞区；(7)泰勒泡所在位置处的速度为零，泰勒泡底部的分散气泡可引起多普勒频移，从而在速度时空分布中呈现非零速度值，通过探测液膜区距离双晶超声探头最远的非零速度值的位置，实现段塞流液膜厚度的测量；当最临近泰勒泡底部的气泡通过测量线时，气泡产生反射超声波信号的起始点和终止点分别设为P1和P2；P1和P2对应的管道径向位置分别为xk和xj，由下式计算运动气泡半径r：2CN115930860A权利要求书2/2页其中，r为运动气泡半径；此最临近泰勒泡底部的气泡在瞬时速度剖面产生局部速度vf，局部速度vf出现的位置用xk‑xj表示；由于液膜厚度h与xk存在差值Δh：Δh＝r‑rcosθ液膜厚度h表示为：(8)获得液膜厚度序列H(t)。2.根据权利要求1所述的水平气液段塞流液膜厚度测