基于电容层析成像技术的冰花分布规律机理与方法研究

In winter, the accumulation of frazil ice particles block river section, causing the rise of water level and then resulting in ice flood disaster, which has devastating effect on the water environment, hydropower stations, hydraulic structures and shipping in freezing regions. Thus, it is a key issue to study the frazil ice distribution regularities. Based on Solid-liquid two-phase flow theory, project applicant proposes a method to achieve accurate detection of the frazil ice distribution parameters with the Electrical Capacitance Tomography. The size, shape, flow pattern and concentration of the frazil ice particles can be extracted and realized, under different temperature and flow velocity, by measuring the capacitance the electrode of between multiple arrays and obtaining the Solid-liquid two-phase flow images with mathematical model and image reconstruction algorithm optimization. The study can provide a new method to understand the frazil ice evolution process, the relationship between the frazil ice distribution and ice jam and ice flood prediction.

冬季寒冷地区河流常因大量冰花堆积堵塞部分河道断面，造成上游水位壅高而形成凌汛灾害，对江河水环境、水电站正常运行、水工结构物及冬季航运等造成极大影响。因此，实现冰花分布规律的研究是水工设施防凌减灾与设计等领域的一项重要课题。基于固液两相流理论，项目申请者提出一种基于电容层析成像技术实现冰花分布特性研究的新思路，通过测量多个阵列电极对间的电容值，并以此作为投影数据，采用优化的数学模型与图像重建算法重建检测区域内冰花-水两相流介质分布图像，提取不同温度、不同流速条件下冰花粒径、几何形状、流型等分布参数信息，实现冰花浓度的检测，揭示冰花分布、形成与演变规律。研究成果可为冬季寒冷地区河流冰花演变过程与行为、冰花分布规律与冰塞内在联系研究及凌汛灾害预警提供一种新的检测方法和技术手段。

冬季寒冷地区河流冰花分布规律的研究对于冰盖的形成、演变和行为研究以及水工设施防凌减灾与设计具有非常重要的意义。本项目提出基于电容层析成像的方法进行冰花分布特性的研究。项目主要完成了以下工作：（1）利用有限元分析软件建立了电容层析成像传感器仿真模型，确定了传感器模型的结构参数；（2）研制了冰花-水两相流电容层析成像检测系统，可实现成像区域内不同介质分布的冰花-水两相流电容数据的采集；（3）对电容层析成像图像重建算法进行了优化。提出基于加权保真项与混合正则化项的图像重建算法及基于混沌模拟退火果蝇优化算法的图像重建算法。通过冰花-水两相流数值实验及实验室实验，验证了该算法可以提升图像重建精度，减少重建结果中的伪影，图像误差及相关系数均有显著改进，同时对噪声也具有良好的鲁棒性；（4）研发了一种基于图像识别的冰盖剖面测量控制系统，并进行了实验室试验。结果表明，冰花层厚度检测精度可达2mm。研究成果可为冬季寒冷地区河流冰花分布规律与冰塞内在联系研究及凌汛灾害预警提供一种新的检测方法和技术手段。