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《气-液两相流图像灰度脉动信号的多尺度双分形特性研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、气-液两相流图像灰度脉动信号的多尺度双分形特性研究第32卷2011年第5期10月核动力工程NuclearPowerEngineeringV_01.32.NO.5Oct.20l1文章编号:0258—0926(2011)05-0100.05气.液两相流图像灰度脉动信号的多尺度双分形特性研究李洪伟,周云龙2(1.华北电力大学能源与动力工程学院,北京,102206;2.东北电力大学能源与机械工程学院,吉林,132012)摘要:应用高速摄影技术拍取气-液两相流水平管中3种典型流型的动态图像视频,对每一帧图
2、像的平均灰度脉动信号进行提取;将提取的信号进行多尺度固有模态函数分解,然后与极差,标准偏差(R/S)分析方法相结合,提取各尺度的HURST指数和双分形特征.对气.液两相流的3种典型流型进行了气泡群和单个气泡2种形式的动力学行为分析,应用峭度系数提取对分析结果进行验证,并论述了HURST指数值随气相表观速度的变化情况.结果表明:固有模态函数分解(EMD)结合R/S分析能够很好地揭示气.液两相流的非线性动力学特征.关键词:气.液两相流;图像灰度;固有模态函数分解;HURST指数;峭度;功率谱中图分类
3、号:O359.1文献标志码:A1前言在核能系统中,开展两相流的研究对水冷堆的设计和运行非常重要.两相流存在复杂相间界面效应及相对运动,准确识别两相流流型相当困难,尤其是流型转变动力学机理至今尚未十分清楚.两相流是一个复杂的非线性动力学系统,自20世纪90年代以来,基于混沌及分形时间序列分析的流型识别研究成果日趋增多.孙斌等川对气.液两相流压差波动信号进行混沌特性分析,重点应用HURST指数及功率谱来对两相流流动变化进行解释,取得了较好的效果.笔者应用高速摄影技术在水平管中拍取3种典型气.液两相流
4、流型的动态图像,对每一帧图像的平均灰度进行提取,组成一个时间序列,进行固有模态函数分解(EMD)6层分解,从多尺度对气.液两相流进行分析,提取每一层子带的双HURST指数,其中高频带,中频带与低频带的效果存在一定区别,从而得到一个气-液两相流流动机理的全新理解.结合峭度变化图重新对上面的分析进行了验证.2实验系统及实验方法空气.水两相流实验系统如图1所示.本实验收稿日期:2010-05-05;修回日期:2010-09—23基金项目:国家自然科学基金项目(50976018)图1空气.水两相流实验系
5、统Fig.1ExperimentSystemforAir-WaterTwo.PhaseFlow选用内径40i//m,长为2m的透明有机玻璃管.水流量范围:0.007～3.180m/h;空气流量范围:0.500---4.585m/h.图2给出了在水平测试管中采集到大小为512~192像素,帧频为125帧/s的动态流型图像中截取的3种典型图像.李洪伟等:气.液两相流图像灰度脉动信号的多尺度双分形特性研究101a泡状流b端塞流c雾状流图23种典型气.液两相流型图像Fig.2ImagesofThreeT
6、ypicalGas—LiquidTwo-PhaseFlowPatterns3序列长度的优化为了保证所分析的流体动力学特性全面且实验数据不冗余,本文采用文献【2】中的3个参数作为序列长度优化的指标,即波动强度(啦,),偏斜因子(S)和平坦因子(F)值.通过计算得知,采样点达到1413个时各项指标趋于稳定.3种典型流型的灰度脉动序列如图3所示.季{31nL,——————.L.......J...—,.———L———..J.......—J———————J———.._J^80ll:??-:-t图33种
7、典型流型的灰度脉动时间序列4EMD方法与HURST指数4.1EMD分解EMD方法的出发点是局部分析信号中包含的固有模态函数(MF).I需满足以下条件:①极值点数和零点数相差小于l;②IMF的均值趋于0.对于任意信号x(t),经过EMD分解以后得到了个满足条件的IMF分量和一个残差分量.可得到的分解结果为:(,)=∑1IⅢ()+(f)(1):l即原始数据数列可表示为个IMF分量与1个残余项的和.具体步骤见文献【3].4.2HURST指数计算HURST指数的方法很多,如分析法和频谱分析法等.但常用的
8、是由HURST建立的R/'吩析法.HURST指数卸均求取步骤见文献【4】.对实测序列,若H=0.5,则表明该序列是完全随机的,前后没有任何相关性;若H<0.5,则表明该序列具有反持久性,即当前的增长(下降)意味着日后的下降(增长);若O.5,则相反.5结果分析5.1动力学分析对图3中给出的灰度脉动信号进行EMD分解,结果如图4所示.限于篇幅,仅列出泡状流的分解结果.之前应用HURST分析法理解气.液两相流的相关文献均将注意力集中在第一处线性突变处(例如图5a中靠左的虚线处).笔者通过对3种
