基于环形光学阵列的微小通道气液两相流参数测量研究

With the rapid development of micro-chemical technology, miniature equipments emerge extensively in industrial fields, which makes the gas-liquid two-phase flow in micro/mini-channels popular among domestic and abroad researchers. As primary research of the gas-liquid two-phase flow in micro/mini-channels, parameter measurement is critical for flow mechanism analysis, industrial equipment design, process regulation and therefore needs prior investigation. However, due to the restriction of micro/mini-channels’ geometry, current measurement techniques are not capable of providing detailed information of the two-phase flow, which fails to meet the increasing requirements of academic research and industrial applications. More corresponding research is required urgently. In our preliminary work, parameter measurement methods based on an optical array sensor were proposed, and the measurement performance was improved. Based on our previous research, this project aims to develop a new optical array sensor with multiple ring-shaped sensing arrays, which is capable of acquiring more holistic optical signals including transmitted, reflected and refracted light signals. Further, based on these three kinds of signals, signal processing techniques, pattern recognition, machine learning and image reconstruction algorithms will be introduced to achieve parameter measurement and estimation, including void fraction, velocity, flow pattern and cross-section phase distribution, etc. This project will provide new measurement methods for gas-liquid two-phase flow in micro/mini-channels, and has great significance for both academic research and industrial applications.

随着微化工的技术快速发展，大量微型、小型化工业设备开始涌现，使微小通道气液两相流研究开始受到广泛关注。参数测量是微小通道气液两相流机理与特性研究的基础，对微小型设备热工设计和过程控制有重要作用，是首要研究的关键问题。然而，受到通道尺寸的限制，行之有效的微小通道气液两相流参数测量方法还较少，现有方法无法满足机理研究与工程应用的迫切需求，亟需开展相关研究工作。在前期工作中，申请人提出了一种具有多传感单元的光学阵列传感器，提高了参数测量的精度。鉴于此，本项目拟设计一款具有多个环形传感阵列结构的新型光学阵列传感器，获取测量过程中的穿透光、反射光与偏折光等光信号，分析光信号的形成机理与特征，采用信息处理技术、模式识别、机器学习与图像重建等算法，实现相含率、流速、流型、截面相分布等参数测量与估计。本项目的顺利开展将为微小通道气液两相流提供新的参数测量方法，具有重要的科学研究意义和工业应用价值。

气液两相流广泛存在工业生产中，例如石油系统中的油气采掘以及油气混输，低温制冷工业中的制冷循环系统，以及各种热交换器和化学反应设备等。两相流参数检测与流动状态监测对工业安全生产，流动特性分析和机理研究有重要意义。.鉴于此，本项目针对微小管道和常规管道下气液两相流，开发了多种测量传感器，基于多种信号处理与模式识别算法，实现了两相流多种参数检测与层析成像工作。主要研究成果为：1）针对微小通道内的气液两相流，利用可视化方法获得流动图像信息，并采用光路和仿真分析，提出了一种消除图像畸变的计算方法；2）利用聚类分析和信息处理技术，优化了传感单元数量与位置，设计了一款新型光学阵列传感器。并基于该传感器，实现了微小管道下气液两相流的流型辨识工作；3）对光学层析成像传感器感光元件与发光元件数量进行研究，对比了不同数量配比下的图像重建性能，并构建了光学成像检测系统；4）利用遗传算法，研究了光学层析成像传感器重建特性，优化了发光与感光元件结构，设计了优化层析成像传感器，并验证了该传感器对其他传感器的优势性能。.本项目在两相流参数检测和层析成像领域取得了一系列成果，提出了适用于微小管道和常规管道的气液两相流检测方法和层析成像方法，研究了多种图像重建方法，对推进气液两相流参数检测方法和层析成像技术有重要意义。在项目执行期间，共发表（含网络首发）论文8篇，其中发表在IEEE sensors, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Sensors等SCI期刊论文三篇，发表在仪器仪表学报EI论文一篇，发表在光学学报EI一篇，其他论文三篇。申请专利4项。协助培养研究生3名，毕业1名；培养本科生10名，毕业6名。