[发明专利]基于环形光学阵列的小通道两相流参数测量装置和方法

说明书

本发明涉及基于环形光学阵列的小通道两相流参数测量装置和方法。本发明包括环形光学阵列传感器、透明测试管道、信号采集模块、信号激励模块与微型计算机。气液两相流从透明测试管道中流入，测试管道放置在光学阵列传感器中心轴上，环形光学阵列传感器分别与信号激励模块以及信号采集模块相连，两个模块分别于微型计算机相连。基于每种光信号类型进行流型辨识，并且引入贝叶斯推理进行辨识结果的融合，能够有效提高辨识准确度与可靠性。本发明环形发光阵列从多个角度发射入射光，多层光学阵列从多个角度充分采集复杂的穿透光、偏折光与反射光信号，反映管道内流体流动结构；采用光电二极管、激光二极管等元件，结构简单、系统成本低、采集速度快。

技术领域

本发明属于多相流参数测量技术领域，涉及一种基于环形光学阵列的小通道两相流参数测量装置与方法。

背景技术

工业设备微小型化是20世纪90年代以来自然科学与工程技术发展的一个重要趋势。随着微化工技术的快速发展，微型化、小型化工业设备开始大量涌现，例如微型反应器、微小型散热器以及微小型萃取系统等。与常规工业设备相比，微小型工业设备最突出的特点就是采用了微米级和毫米级通道，比表面积大幅增加，使得通道内流体的传热传质过程得到了显著强化，反应过程更加彻底。微小型工业设备能够精准控制反应过程，具有结构紧凑、安全性高和过程连续等特点。

微小型工业设备的兴起，使得微小通道内气液两相流研究成为新的热点，受到国内外学者的广泛关注。微小通道气液两相流研究开展首要解决的关键问题是通道内两相流参数的测量问题。两相流参数的准确测量对了解两相流流动机理、流动特性、传热传质特性等方面有着非常重要的作用，一直是化工、能源、生物等领域研究的重点内容。在微小型工业设备中，气液两相流参数的测量与准确估计对设备的热工设计、工业生产的稳定控制和生产过程的优化起到至关重要的作用，是微化工技术发展的重要基础，具有重要的科学意义和工业应用价值。

由于通道尺寸和复杂流动特性的影响，微小通道内气液两相流参数测量具有一定的难度，主要表现在：1)随着管径减小，表面张力、润湿性与管壁粗糙度等因素作用增强，影响流动因素增多，流动特性较为复杂；2)通道尺寸较小，传感器的设计与安装受到限制；3)与常规通道下流动特性有显著不同，导致在常规通道中应用成熟的两相流相关理论模型与经验公式不再适用，可借鉴研究成果较少。

多年来，国内外研究学者针对微小通道气液两相流进行了深入的研究，通过借鉴和沿用常规通道两相流的测量技术，提出了多种适用的参数测量方法。现有的测量方法主要可以分为侵入式与非侵入式两大类。根据测量原理，又可以分为电学测量法、光学测量法、可视化方法、超声波测量法和射线法等。在众多参数测量方法中，光学测量法由于非接触式、高时空分辨率、快速响应等优势，在微小通道气液两相流参数测量领域受到重点关注。尤其是随着精细加工和半导体技术的发展，光电元器件尺寸不断减小，光学测量法应用于微小通道参数测量的优势更加明显。

现有的许多光学测量方法为微小通道气液两相流参数测量提供了可行的解决思路，具有非常重要的意义。然而在一定程度上还存在不足：1)传感器构型较为单一，主要获取了处于入射光平面的光信号，无法全面地反映微小通道气液两相流复杂的流动状态。2)截面信息获取手段缺乏,大部分测量方法只能获取气液两相流整体的流动信息，对测试截面上气液相分布和流动信息的获取不够充分；3)信息处理手段不够深入,对微小通道内光信号的形成机理研究不足，没有区分偏折光、反射光以及穿透光等多种光信号类型，对反映气液两相流流动特性深层次信息的挖掘还不够充分。

总之，现有的光学测量方法传感器构型较为单一、信息处理手段不够深入，对光信号形成的机理研究不足，不能有效地反映微小通道气液两相流复杂的流动结构与截面的流动信息，无法满足日益增长的测量需求，亟需开展更加深入的研究。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种基于环形光学阵列的小通道两相流参数测量装置和方法。