关键词： 多相流检测   电容层析成像   图像重建   机器学习   极限学习机  

摘要： 针对复合材料的无损检测技术,介绍了一种基于极限学习机(ELM)的电容层析成像算法(ECT)。为保证样本的代表性,随机生成各类训练样本模型。对训练样本及测试样本模型的仿真电容值及其灰度值进行归一化处理,采用极限学习机进行训练及测试。给出了仿真结果及分析,探讨了文中方法的优缺点,该方法具有优越的泛化能力和学习速度,且成像精度得到较大提高,具有一定的参考价值。

关键词： 多相流检测   CFD数值模拟   矩阵分解   流场层析成像  

摘要： 多相流及其传递过程广泛存在于生产生活的各个方面,涉及流动、传热、传质、化学及生物反应等许多基础科学问题。多相流检测技术对国民经济与国防科技发展、人体健康,及生态与环境的变迁、保护、可持续开发利用等均具有极为重要的意义。但多相流流动的根本自然规律及其数理描述方式尚未被人们所掌握,虽然随着科学技术的发展,一系列多相流检测技术被开发出来,然而由于多相流流动过程的复杂性,各种方法都存在一定的缺陷。上世纪60年代起,计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)通过离散的方法计算出流体流动的数值解,并随着计算机技术的发展逐渐成为研究流体流动成熟有力的方法之一,特别是像多相湍流这类复杂的流体问题。本文借助现有的成熟CFD软件ANSYS Fluent,结合数学算法提出了一种新的多相流检测方法。因此本文的主要内容包括多相流和CFD基础原理的介绍及重点提出了一种基于计算流体动力学(CFD)和矩阵分解的新型过程层析成像(Process Tomography,PT)方法,用于流场重建。此方法首先通过CFD模拟建立CFD样本数据库,并利用奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)或非负矩阵分解(Non-negative Matrix Factorization,NMF)的矩阵分解方法从样本数据库提取样本基矩阵。然后,利用基矩阵可通过少量传感器测量数据逆解得到样本矩阵,快速地重建流场,从而减少重建所需的采样点,实现降维重建。由重建成像结果可知,本文所提出的数学模型对不同的过程参数都具有良好的重建效果,避免了复杂的多相流敏感场的计算,有效地提高了的速度,能够适用于不同情况下复杂多相流流场的重建。本文的主要创新点在于结合了 CFD数值模拟和稀疏传感器测量,利用SVD、NMF及降维算法实现了流场分布成像重建,克服了一些多相流体检测方法的固有缺点,如电容层析成像复杂敏感场的计算、大尺度和复杂空间多相流的检测困难等,为多相流检测提供了一种新的途径。

关键词： 计量学   电容层析成像   三维图像重建   多相流检测   COMSOL  

摘要： 进行了电容层析成像(ECT)三维图像重建的仿真研究。首先利用COMSOL软件对ECT传感器进行三维建模,基于其高精度的有限元求解,计算ECT的灵敏度矩阵;其次,基于Matlab软件实现了基于线性反投影(LBP)及Landweber迭代算法的ECT图像重建,并利用图像显示程序获得了三维重建图像;最后,对球体及圆柱体模型进行了三维ECT图像重建,获得了较好的重建结果。

关键词： 电容层析成像   多相流检测   COMSOL Multiphysics仿真   非规则ECT传感器   优化设计  

摘要： 针对非规则截面的应用场景,分析设计了非规则电容层析成像(ECT)传感器,优化设计了各项参数,并提出了针对非规则传感器场域的非均等化剖分、灵敏度计算方法以及ECT传感器优化函数。

关键词： 多相流   检测   参数   流型识别   流动保障   软测量   流量  

摘要： 多相流检测技术在海洋石油工业应用广泛,其中在深水流动保障上起着重要的作用。本文介绍了多相流重要参数的检测技术和方法,探讨了多相流检测技术的难点和发展方向。随着海洋油气开采的不断深入,大力发展油气水多相流检测技术势在必行。

关键词： 多相流   DAS   正演模型  

摘要： 分布式声波传感（DAS）技术在石油工业中的应用日益频繁。其中一项重要的应用就是多相流流量的测量。研究为DAS数据提供了井筒中多相流流量和两相流流型的正演模型。建模包括了各种物理参数之间的一系列解析关系,在假设不同流动和井筒的基础上有效模拟DAS数据。该正演模型还能描述各种DAS数据不确定性机理的特征,以及从DAS数据估算得出的各参数的特征。

关键词： 监测技术   多相流   技术进展   流动分析   准确测量   液滴尺寸   结构特征   波浪形态  

摘要： 流动结构特征是多相流流动分析的基础,其中波浪形态和分散液滴尺寸的测量准确测量对于持液率、摩阻参数的计算具有重要意义。本文详细介绍了目前广泛应用的探针法、高速成像法、超声波衰减法、光衍射法、库尔特法的测量原理及适用条件。未来多相流监测技术将应当融合人工智能、机器学习等最新科技成果,同时基于大数据分析,以实现对不同场合多相流波形结构以及液滴和气泡分布的高效准确监测。

关键词： 多相流   过程层析成像   发展趋势  

摘要： 流体的多相流动广泛存在于多个领域,如动力、石油、化工等。多相流检测一直是流体测量领域的一个难点。本文分析了多相流体的流动特征,说明工业检测多相流的困难所在。本文介绍了现阶段多相流流体检测现状,详细介绍现阶段较为成熟的工业多相流检测手段、说明其检测原理并分析各自的优缺点。主要介绍过程层析成像技术理论以及过程层析多相流基本原理以及结构组成。由此分析并提出多相流检测今后可能的发展方向。

关键词： ECT传感器   回字形   抗噪性   成像质量   金属屏蔽层  

摘要： 电容层析成像技术可以简单的称为ECT技术,它是一种通常用于多相流检测的成像技术。因为具有非接触式实时成像的优点导致它发展得非常的迅速。因为是新兴技术的原因也导致了ECT技术面临着不少的技术方面的问题,这些问题中最主要的两点就是成像质量的问题和ECT传感器的抗噪声性能的问题。为解决这两个问题,主要的思路有两个方向,一个改进或者提出新的图像重建的算法,另一个是优化或者设计新的传感器的结构。本文的主要工作就是围绕ECT技术的问题和解决方法展开。本文详细的介绍了ECT技术的背景、ECT技术的原理和ECT系统,并且通过方程来重点的介绍了几种相对经典的ECT图像重建算法。文中通过改变传感器结构和采用不同算法对二维传感器进行了仿真。通过仿真得到了二维传感器的极板间距越短,成像质量越差,传感器极板的数目增多,成像质量提高,但极板间距的影响比极板数目更明显;LBP算法重建速度快,对简单流场成像质量好,对复杂流场不能成像,ART算法整体成像质量不好,Tikhonov算法优势是对细节分辨能力好,Landweber算法整体成像质量最好但速度较慢。通过对二维ECT传感器的仿真验证了ECT传感器的结构和算法对图像重建的影响。在验证了二维ECT传感器的基础上,重点选取了传感器的结构这一切入点,设计了一种回字形结构的新型ECT传感器,并设计了多个传感器作为对照组进行了仿真,得到了这种传感器具有对各种流场的成像质量都很稳定的特点,采用方差分析法和图像评估法相结合的方法,证明了这种传感器具有优秀的抗噪声性能。其中回字形结构和评价该结构所用的方差分析法是文章的创新点。对于传感器的结构,除了传感器的形状,文中还对金属屏蔽层对成像质量的影响进行了研究。通过仿真得到加上金属屏蔽层后,重建图像在靠近电极位置处有规则的畸变点,其中矩形电极加口字型金属屏蔽层后,管道中心处的重建图像更加稳定,即金属屏蔽层牺牲了靠近电极处的部分信息,实现了对管道中心成像质量的提高。在仿真的基础上,设计了实验,通过实验证明了在加金属屏蔽层后成像质量有显著提高,也验证了对电极附近的规则畸变的存在。结合实验和仿真,可以证明金属屏蔽层在ECT传感器的实际应用中对提高成像质量有显著效果。

关键词： 多相流   检测   图像重建   电容层析成像   Landweber法  

摘要： 由于电容层析成像（ECT）图像重建的经典算法Landweber迭代法具有半收敛性,从而限制了其在多相流检测中的广泛应用。为了解决这一问题,从数学角度对Landweber法的半收敛性进行分析证明,并找到其物理本质原因。通过构造压缩算子提出一种全收敛的Landweber法,使得该方法具有稳定的收敛特性。同时,对ECT敏感场的＂软场＂特性进行分析,针对忽略＂软场＂特性所导致的经典Landweber法对不同流型的最佳迭代次数不一致的问题,利用最小二乘支持向量机对一定数量的图像样本进行训练,从而得到一个先验条件,并基于该先验条件提出一种自适应的迭代停止判据,实现在图像重建结果最接近多相流实际分布时停止迭代。仿真结果表明,改进后的方法不仅具有稳定收敛性,而且与Landweber法相比,图像重建精度可提高16%～50%。