电阻抗层析目标高精度提取与两相流三维可视化方法研究

论文摘要

两相流广泛存在于石油、化工、能源、动力和制药等工业过程中,两相流的准确测量与高质量可视化对于理解与预测流体动力学、过程操作与控制、分析与优化流体控制装置都有着重大意义。由于两相流中存在相界面、波动现象、空间结构等复杂因素的相互作用,使得两相流中的相分布和流动形态复杂多变。因此,对两相流动过程与状态的详细描述,以及对各相的准确测量与高质量可视化给工程师和科研人员带来了巨大挑战。本文在分析研究国内外两相流测量与可视化技术的基础上,采用电阻抗层析成像技术(Electrical Impedance Tomography,EIT)开展相关研究,并提出了目标高精度提取与两相流三维可视化的方法,旨在提高EIT在两相流目标测量的精度与增强EIT测量结果在显示流型现象和揭示流动机理上的视觉效果。本文主要完成的工作和创新点如下:从电阻抗成像基础理论出发,详细讨论和分析了EIT电极尺寸对电场特性的影响。针对点电极影响有限元仿真精度的问题,提出了一种基于电极节点分组的EIT有限元仿真,并以此优化了EIT正逆问题的求解过程,有效降低了电极尺寸在EIT有限元仿真结果中引入的误差,提高了EIT正问题和灵敏度矩阵的求解精度。同时对常用图像重建算法进行了评估比较,并分析了各种算法的优缺点,在EIT应用中要根据实际的重建目标和要求选择合适的图像重建算法。针对EIT重建图像中存在严重伪影的问题,提出了一种基于尺寸投影和测量参数相关联的目标高精度提取方法。该方法将EIT测量参数引入到目标提取过程进行多步优化,以实现EIT重建图像中被测目标的边界、大小等定量信息高精度提取。通过仿真实验、静态与动态测量实验验证了所提出的尺寸投影法可有效地提高目标测量的精度。针对气液两相流三维可视化的需求和目标测量的基础,提出了一种基于尺寸投影与气泡映射相融合的三维可视化方法,可详细显示气泡尺寸、形状和位置等信息,改善了EIT测量对气液两相流中气泡的可视化结果。通过开展水平、垂直管道中的气液两相流实验验证了该方法的有效性,并对其中关键性参数的影响进行了讨论。此外,还对在线EIT成像算法在气液两相流上的测量性能进行了分析评估,结果表明灵敏度反投影算法适合于水平气液两相流测量成像,而改进的灵敏度反投影算法适合于垂直气液两相流测量成像。针对固液两相流测量与流动状态监测问题,提出了一种采用双平面的EIT系统对固液两相流进行可视化监测的方案,可以实现对固相截面积分数和轴向速度的测量,以及对固体颗粒在管道横截面上分布情况的可视化监测。通过固液两相流实验初步验证了该方案的可行性,结果表明EIT监测的可视化效果与高速相机记录的流动现场一致性较好,并且实验揭示的固液两相流现象与理论相符合。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 课题研究背景及意义
•   1.2 相关技术的发展概况
•     1.2.1 两相流测量与可视化技术概况
•     1.2.2 电阻抗成像研究的发展概况
•   1.3 论文主要工作与创新点
•     1.3.1 论文创新点
•     1.3.2 论文组织结构
• 第二章 两相流理论基础
•   2.1 引言
•   2.2 两相流基本流动参数
•   2.3 气液两相流流型
•     2.3.1 水平管道中的流动形态
•     2.3.2 垂直管道中的流动形态
•   2.4 固液两相流流型
•   2.5 本章小结
• 第三章 基于电极节点分组的EIT有限元求解
•   3.1 引言
•   3.2 电阻抗层析理论基础
•   3.3 电极尺寸在EIT求解过程的影响
•   3.4 基于电极节点分组的EIT正问题求解
•     3.4.1 有限元剖分与计算
•     3.4.2 电极节点分组建模
•     3.4.3 仿真与测量结果对比
•   3.5 基于电极节点分组的EIT逆问题求解
•     3.5.1 灵敏度矩阵求解
•     3.5.2 图像重建算法分析与评价
•   3.6 本章小结
• 第四章 基于尺寸投影的目标高精度提取方法
•   4.1 引言
•   4.2 基于尺寸投影法的目标提取方法
•     4.2.1 工程阈值目标提取方法的分析
•     4.2.2 自适应阈值目标提取方法的分析
•     4.2.3 尺寸投影法
•   4.3 仿真与实验验证
•     4.3.1 仿真实验验证
•     4.3.2 静态实验验证
•     4.3.3 动态气液两相流实验验证
•   4.4 本章小结
• 第五章 基于尺寸投影与气泡映射相融合的三维可视化方法
•   5.1 引言
•   5.2 气液两相流装置
•   5.3 在线EIT算法的测量性能分析
•   5.4 气液两相流三维可视化
•     5.4.1 气泡映射可视化方法分析与评估
•     5.4.2 尺寸投影与气泡映射相融合的三维可视化
•   5.5 气液两相流实验验证
•     5.5.1 水平气液两相流
•     5.5.2 垂直气液两相流
•   5.6 关键参数影响的讨论
•   5.7 本章小结
• 第六章 基于电阻抗层析的固液两相流可视化测量方案
•   6.1 引言
•   6.2 固液两相流装置与实验参数
•   6.3 固液两相流可视化测量
•     6.3.1 固相截面积分数测量
•     6.3.2 固相轴向速度测量
•     6.3.3 固液两相流动特征提取
•   6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
•   7.1 本文总结
•   7.2 展望与不足
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及所取得的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 李坤

导师: 韩焱

关键词: 电阻抗层析测量,电极节点分组,尺寸投影法,三维可视化,两相流

来源: 中北大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 力学,计算机软件及计算机应用

单位: 中北大学

分类号: TP391.41;O359

DOI: 10.27470/d.cnki.ghbgc.2019.000009

总页数: 144

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