水平油水两相流复杂网络非线性动力学特性研究

本项目在设计电学敏感原理传感器测量系统基础上，采用复杂网络理论研究水平油水两相流流动特性非线性动力学。利用天津大学油气水多相流模拟装置进行动态实验，采集水平油水两相流不同流型特征的电导及电容传感器测量波动信号；基于测量信号构建并分析两相流多尺度相空间复杂网络，从微观到宏观探索由层状流到波状流再到分散流演化过程中油滴生成及分离动力学机制；构建并分析两相流有向加权递归复杂网络，研究由局部分散到双分散再到全空间分散流型转化过程中油相与水相扩散动力学机制。本项目旨在促进多学科的交叉渗透和共同发展，通过复杂网络理论综合认识水平油水两相流复杂流动机制及非线性动力学演化行为，力求解释水平油水两相流流型的形成、生长及转化动力学现象，从而为两相流相间相互作用机理从微观到宏观认识研究提供新思想、建立新途径。

本项目以传感器优化设计和动态实验为信息采集基础，以复杂网络前沿理论为主线，开展多学科交叉研究，探索水平油水两相流流型的形成、生长及转化动力学机制，主要包含三部分内容：.1. 采用有限元方法对四扇区电导传感器和双螺旋电容传感器进行优化设计，硬件设计了传感器测量电路、数据采集与预处理系统和数据通讯接口，成功研制了一套基于四扇区电导传感器及双螺旋电容传感器的水平油水两相流空间流动信息获取测量系统。围绕新型传感器结构、传感器优化设计方法及测量系统设计申请国家发明专利3项。.2. 在天津大学检测技术与自动化装置国家重点学科多相流实验进行了水平油水两相流动态实验，并采用设计的传感器测量系统获取了具有不同流型演化特征的测量信号。提出多元多尺度相空间复杂网络分析理论，为复杂网络多尺度分析提供新思路。基于测量信号和复杂网络多尺度分析，在辨识流型的基础上分析不同尺度下各种子过程量化特征与两相流流型演化动力学关系，揭示了水平油水层状流失稳机制、层状流到分散流转化过程中油滴的生成与分离动力学机制。.3. 提出有向加权递归复杂网络分析理论、基于模态迁移的有向加权复杂网络分析理论和有限穿越可视图分析理论，丰富与发展了基于时间序列的复杂网络动力学研究理论。基于实验测量信号和复杂网络分析理论，揭示了由局部分散到双分散再到全空间分散流型转化过程中油相与水相的扩散动力学机制，研究发现液滴的破裂和聚合(液滴的稳定性问题)以及液滴的径向移动(液滴受力问题)直接决定着分散流型的生成与演化。该研究补充完善现有KH波不稳定性理论在水平油水两相流分散流演化机制研究中的局限性，丰富水平油水两相流分散流型转化动力学机制研究理论。通过对该项目的研究，研究成果整理发表为32篇标注本基金资助的SCI论文和在德国Springer出版的英文学术专著一部。