本發(fā)明涉及一種兩相流空間加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可視化分析方法。特別是涉及一種基于網(wǎng)格(Wire-Mesh)傳感器的兩相流空間加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可視化分析方法。

背景技術(shù)：

兩相流體的流動(dòng)過(guò)程不僅是日常生活和自然界的常見(jiàn)現(xiàn)象，而且廣泛存在于能源、石油、化工、冶金、制冷、宇航、醫(yī)藥、食品等現(xiàn)代工業(yè)過(guò)程中。由于兩相流動(dòng)的復(fù)雜性和隨機(jī)性,氣液兩相流的流型辨識(shí)和相含率測(cè)量一直以來(lái)是科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中長(zhǎng)期未能得以很好解決的測(cè)量難題。Wire-Mesh成像技術(shù)是近年來(lái)兩相流相含率測(cè)量熱點(diǎn)研究問(wèn)題之一。與傳統(tǒng)的過(guò)程層析成像技術(shù)不同,Wire-Mesh成像技術(shù)采用的是侵入式的測(cè)量成像技術(shù),具有所見(jiàn)即所得的流動(dòng)成像效果,兩相流相含率測(cè)量精度也較高。目前，在兩相流流動(dòng)參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域逐漸得以研究與發(fā)展。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論自創(chuàng)立以來(lái)，如今已在多領(lǐng)域得到了蓬勃發(fā)展，是研究復(fù)雜系統(tǒng)的一個(gè)重要工具，尤其是近年來(lái)其在時(shí)間序列分析中做出了重大貢獻(xiàn)。如果某個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)實(shí)體構(gòu)成，可以把每個(gè)實(shí)體當(dāng)作一個(gè)節(jié)點(diǎn)，把實(shí)體間的某種聯(lián)系當(dāng)作連邊，這樣該系統(tǒng)就被抽象成了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)為現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和數(shù)學(xué)理論的高度結(jié)合提供了可能性和依據(jù)，從而可以更好地建立各種復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以對(duì)其內(nèi)部的機(jī)理進(jìn)行分析。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種能夠獲取兩相流流動(dòng)過(guò)程中泡徑大小、氣泡分布以及流動(dòng)特性等信息的基于網(wǎng)格傳感器的兩相流空間復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可視化分析方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于網(wǎng)格傳感器的兩相流空間復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可視化分析方法，采用16×16電極Wire-Mesh傳感器獲取垂直氣液兩相流的實(shí)驗(yàn)序列，通過(guò)空間加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可視化分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)相含率的測(cè)量并揭示兩相流復(fù)雜流動(dòng)特性；具體包括如下步驟：

1)根據(jù)測(cè)量平面內(nèi)通過(guò)Wire-Mesh傳感器獲取的N個(gè)有效交叉點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)序列構(gòu)建相應(yīng)工況的t_k時(shí)刻的空間加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)所述的實(shí)驗(yàn)序列表示W(wǎng)ire-Mesh傳感器中第i個(gè)有效交叉點(diǎn)n_i從t_k時(shí)刻開(kāi)始長(zhǎng)度為L(zhǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，空間加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建過(guò)程包括：

(1)以Wire-Mesh傳感器中的所有有效交叉點(diǎn)n_i作為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，并確定所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)n_i的節(jié)點(diǎn)權(quán)值其中表示實(shí)驗(yàn)序列的時(shí)域平均值；

(2)選定閾值S_ε，當(dāng)時(shí)，定義網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)n_i∈n^gas，其中g(shù)as代表氣相，n^gas表示被氣相包圍的有效交叉點(diǎn)的集合；當(dāng)時(shí)，定義網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)n_i∈n^water，其中water代表水相，n^water表示被水相包圍的有效交叉點(diǎn)的集合；

(3)在n^gas內(nèi)確定節(jié)點(diǎn)n_i和節(jié)點(diǎn)n_j之間的距離包括：首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)序列的特征參數(shù)構(gòu)造特征向量通過(guò)實(shí)驗(yàn)序列的特征參數(shù)構(gòu)造特征向量然后求取特征向量與特征向量之間的距離其中||·||表示取二范數(shù)值的操作；

(4)選定閾值ε，在所述的n^gas內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)對(duì)之間確定連邊表示t_k時(shí)刻的空間加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)n_i和n_j的連邊權(quán)值，其中表示如果則值為1，如果則值為0，構(gòu)成節(jié)點(diǎn)帶權(quán)值的空間加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)

2)應(yīng)用Girvan–Newman社團(tuán)探尋算法，探尋不同工況所對(duì)應(yīng)的空間加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部社團(tuán)結(jié)構(gòu)，確定實(shí)驗(yàn)序列所對(duì)應(yīng)的相分布拓?fù)鋱D；并結(jié)合根據(jù)空間加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的權(quán)值得到的相分布直觀圖，確定t_k時(shí)刻測(cè)量平面內(nèi)兩相流流動(dòng)過(guò)程中泡徑大小、氣泡分布以及流體流動(dòng)特性等信息；

3)重新選定開(kāi)始時(shí)刻t_k′，取長(zhǎng)度為L(zhǎng)的數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟1)和步驟2)中的操作過(guò)程，獲取相分布拓?fù)鋱D以及相分布直觀圖，確定t_k′時(shí)刻測(cè)量平面內(nèi)兩相流流動(dòng)過(guò)程中泡徑大小、氣泡分布以及流體流動(dòng)特性信息；

4)進(jìn)行氣液兩相流流動(dòng)參數(shù)及結(jié)構(gòu)的相關(guān)測(cè)量分析，包括：分別繪制氣相含量隨測(cè)量管道半徑的分布曲線以及氣泡平均等效半徑隨水相流速的變化曲線，分析混合流體流速對(duì)氣泡大小及分布的影響機(jī)制；并以所述的分布曲線和影響機(jī)制為基礎(chǔ)，研究?jī)上嗔髁鲃?dòng)形態(tài)的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，分析各種流型的生成演化機(jī)理。

所述Wire-Mesh傳感器由兩層各16根直徑為0.12mm的不銹鋼線構(gòu)成，它們平均分布在管徑為50mm的管道截面中，兩層不銹鋼線的軸向距離為1.5mm，兩層不銹鋼線交錯(cuò)成90°角。

步驟1)中所述的有效交叉點(diǎn)的數(shù)目N小于16×16，這是由于圓形管道中存在邊緣交叉點(diǎn)，其中，邊緣交叉點(diǎn)在建立空間加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)時(shí)不考慮。

步驟1)的第(3)步中所述的特征向量的構(gòu)建過(guò)程為：首先求取實(shí)驗(yàn)序列的時(shí)域特征參數(shù)，包括時(shí)域最大值時(shí)域平均值時(shí)域標(biāo)準(zhǔn)偏差陡度函數(shù)峭度函數(shù)以及經(jīng)快速離散傅里葉變換之后的頻域序列的頻域特征參數(shù)，其中F表示頻域，包括頻域最大值頻域平均值頻域標(biāo)準(zhǔn)偏差

得到對(duì)中各個(gè)元素分別根據(jù)最大值進(jìn)行歸一化得到：

其中max_i(·)表示括號(hào)中的變量隨i變化時(shí)的最大值。

步驟1)的第(4)步中所述閾值ε的值取為步驟2)中所述的相分布直觀圖中對(duì)應(yīng)的最大氣泡等效直徑。

本發(fā)明的基于網(wǎng)格傳感器的兩相流空間復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可視化分析方法，通過(guò)網(wǎng)格(Wire-Mesh)傳感器的多通道數(shù)據(jù)構(gòu)建空間加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)權(quán)值和網(wǎng)絡(luò)社團(tuán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等兩個(gè)角度分別對(duì)氣液兩相流流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行可視化分析，并融合二者的信息，進(jìn)而獲取兩相流流動(dòng)過(guò)程中泡徑大小、氣泡分布以及流動(dòng)特性等信息。

附圖說(shuō)明

圖1a是Wire-Mesh傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1b是Wire-Mesh傳感器的俯視圖

圖中R表示管道直徑，為50mm；h表示電極之間間距，為2.94mm；

圖2是本發(fā)明的t_k時(shí)刻的多通道時(shí)間序列空間加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建分析流程圖；

圖3a是本發(fā)明的多通道時(shí)間序列空間加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)融合測(cè)量信息獲取相分布直觀圖

圖中R表示管道直徑，為50mm；h表示電極之間間距，為2.94mm；

圖3b是本發(fā)明的多通道時(shí)間序列空間加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)融合測(cè)量信息獲取相分布拓?fù)鋱D

圖中R表示管道直徑，為50mm；h表示電極之間間距，為2.94mm。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的基于網(wǎng)格傳感器的兩相流空間復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可視化分析方法做出詳細(xì)說(shuō)明。

首先指出網(wǎng)格傳感器和wire-mesh傳感器在本專(zhuān)利中含義一致，可以互換。

基于Wire-Mesh傳感器的空間多通道測(cè)量數(shù)據(jù)，并結(jié)合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論構(gòu)建空間加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上，從節(jié)點(diǎn)權(quán)值和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩個(gè)角度對(duì)兩相流流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行可視化分析，進(jìn)而獲取兩相流流動(dòng)過(guò)程中泡徑大小、氣泡分布以及流動(dòng)特性等信息。

本發(fā)明的基于網(wǎng)格傳感器的兩相流空間復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可視化分析方法，采用16×16電極Wire-Mesh傳感器獲取垂直氣液兩相流的實(shí)驗(yàn)序列，通過(guò)空間加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可視化分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)相含率的測(cè)量并揭示兩相流復(fù)雜流動(dòng)特性。所述Wire-Mesh傳感器如圖1a、圖1b所示，由兩層各16根直徑為0.12mm的不銹鋼線構(gòu)成，它們平均分布在管徑為50mm的管道截面中，兩層不銹鋼線的軸向距離為1.5mm，兩層不銹鋼線交錯(cuò)成90°角。

本發(fā)明的基于網(wǎng)格傳感器的兩相流空間復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可視化分析方法，具體包括如下步驟：

1)根據(jù)測(cè)量平面內(nèi)通過(guò)Wire-Mesh傳感器獲取的N個(gè)有效交叉點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)序列構(gòu)建相應(yīng)工況的t_k時(shí)刻的空間加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)所述的實(shí)驗(yàn)序列表示W(wǎng)ire-Mesh傳感器中第i個(gè)有效交叉點(diǎn)n_i從t_k時(shí)刻開(kāi)始長(zhǎng)度為L(zhǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，L為單次可視化所取的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，其值的確定需要根據(jù)流體流動(dòng)速度以及流體流動(dòng)結(jié)構(gòu)確定。所述的有效交叉點(diǎn)的數(shù)目N小于16×16，這是由于圓形管道中存在邊緣交叉點(diǎn)，其中，邊緣交叉點(diǎn)在建立空間加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)時(shí)不考慮。空間加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建過(guò)程包括：

(1)以Wire-Mesh傳感器中的所有有效交叉點(diǎn)n_i作為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，并確定所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)n_i的節(jié)點(diǎn)權(quán)值其中表示實(shí)驗(yàn)序列的時(shí)域平均值；

(2)根據(jù)全水的測(cè)量信號(hào)選定閾值S_ε，當(dāng)時(shí)，代表該測(cè)量時(shí)間段內(nèi)有較長(zhǎng)時(shí)間氣相經(jīng)過(guò)該節(jié)點(diǎn)，定義網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)n_i∈n^gas，其中g(shù)as代表氣相，n^gas表示被氣相包圍的有效交叉點(diǎn)的集合；當(dāng)時(shí)，代表該測(cè)量時(shí)間段內(nèi)該節(jié)點(diǎn)處水相持續(xù)時(shí)間相對(duì)很長(zhǎng)，定義網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)n_i∈n^water，其中water代表水相，n^wat^er表示被水相包圍的有效交叉點(diǎn)的集合；后續(xù)過(guò)程僅在n^gas節(jié)點(diǎn)之間確定網(wǎng)絡(luò)連邊，這樣網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的連接情況便可以更加直觀的反映氣相的分布，而減弱水相的影響；

(3)在n^gas內(nèi)確定節(jié)點(diǎn)n_i和節(jié)點(diǎn)n_j之間的距離包括：首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)序列的特征參數(shù)構(gòu)造特征向量通過(guò)實(shí)驗(yàn)序列的特征參數(shù)構(gòu)造特征向量然后求取特征向量與特征向量之間的距離其中||·||表示取二范數(shù)值的操作；

所述的特征向量的構(gòu)建過(guò)程為：首先求取實(shí)驗(yàn)序列的時(shí)域特征參數(shù)，包括時(shí)域最大值時(shí)域平均值時(shí)域標(biāo)準(zhǔn)偏差陡度函數(shù)峭度函數(shù)以及經(jīng)快速離散傅里葉變換之后的頻域序列的頻域特征參數(shù)，其中F表示頻域，包括頻域最大值頻域平均值頻域標(biāo)準(zhǔn)偏差

得到對(duì)中各個(gè)元素分別根據(jù)最大值進(jìn)行歸一化得到：

其中max_i(·)表示括號(hào)中的變量隨i變化時(shí)的最大值。

(4)選定閾值ε，在所述的n^gas內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)對(duì)之間確定連邊表示t_k時(shí)刻的空間加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)n_i和n_j的連邊權(quán)值，其中表示如果則值為1，如果則值為0，構(gòu)成節(jié)點(diǎn)帶權(quán)值的空間加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)其中閾值ε的值取為步驟2)中所述的相分布直觀圖中對(duì)應(yīng)的最大氣泡等效直徑。

2)應(yīng)用Girvan–Newman社團(tuán)探尋算法，尋找不同工況所對(duì)應(yīng)的空間加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部社團(tuán)結(jié)構(gòu)，確定實(shí)驗(yàn)序列所對(duì)應(yīng)的相分布拓?fù)鋱D；并結(jié)合根據(jù)空間加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的權(quán)值得到的相分布直觀圖，確定t_k時(shí)刻測(cè)量平面內(nèi)兩相流流動(dòng)過(guò)程中泡徑大小、氣泡分布以及流動(dòng)特性等信息；

如圖3a所示，為某一可視化時(shí)間段流體的相分布直觀圖示意圖，實(shí)際操作中根據(jù)各交叉點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在該時(shí)間段內(nèi)的平均值來(lái)確定各點(diǎn)的權(quán)值，然后根據(jù)權(quán)值大小繪制彩圖反映氣液各相分布，圖中的黑色區(qū)域代表氣相；圖3b為相同可視化時(shí)間段流體的相分布拓?fù)鋱D示意圖，實(shí)際操作中通過(guò)對(duì)該時(shí)間段對(duì)應(yīng)的空間加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用Girvan–Newman算法進(jìn)行社團(tuán)探尋，確定社團(tuán)結(jié)構(gòu)來(lái)獲取；其中Girvan–Newman算法的核心思想即是不斷地刪除網(wǎng)絡(luò)中介數(shù)中心性最大的連邊，進(jìn)而將網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)以樹(shù)圖形式排列，結(jié)合模塊度Q以及相分布直觀圖便可以選擇適當(dāng)?shù)纳缛簲?shù)，確定社團(tuán)結(jié)構(gòu)。相分布直觀圖雖然可以有效的辨識(shí)大的氣泡結(jié)構(gòu)的存在，但是對(duì)于大氣泡之間的流體各相分布辨識(shí)能力有限，利用空間加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的社團(tuán)結(jié)構(gòu)，可以很好的彌補(bǔ)這一不足，如圖3a所示，上方的兩個(gè)氣泡雖然在相分布直觀圖中邊界清晰，但是在圖3b所示相分布拓?fù)鋱D中卻屬于同一社團(tuán)結(jié)構(gòu)，說(shuō)明這兩個(gè)大氣泡之間很有可能分布有較多的小氣泡；將相分布直觀圖和拓?fù)鋱D結(jié)合，可以更加有效確定測(cè)量平面內(nèi)兩相流流動(dòng)過(guò)程中泡徑大小、氣泡分布以及流動(dòng)特性等信息；

3)重新選定開(kāi)始時(shí)刻t_k′，取長(zhǎng)度為L(zhǎng)的數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟1)和步驟2)中的操作過(guò)程，獲取相分布拓?fù)鋱D以及相分布直觀圖，確定t_k′時(shí)刻測(cè)量平面內(nèi)兩相流流動(dòng)過(guò)程中泡徑大小、氣泡分布以及流體流動(dòng)特性等信息；

4)進(jìn)行氣液兩相流流動(dòng)參數(shù)及結(jié)構(gòu)的相關(guān)測(cè)量分析，包括：分別繪制氣相含量隨測(cè)量管道半徑的分布曲線以及氣泡平均等效半徑隨水相流速的變化曲線，分析混合流體流速對(duì)氣泡大小及分布的影響機(jī)制；并以所述的分布曲線和影響機(jī)制為基礎(chǔ)，研究?jī)上嗔髁鲃?dòng)形態(tài)的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，分析各種流型的生成演化機(jī)理。

以上對(duì)本發(fā)明和實(shí)施例的描述，并不局限于此，實(shí)施例中的描述僅是本發(fā)明的實(shí)施方式之一，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，任何不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)出與該技術(shù)方案類(lèi)似的結(jié)構(gòu)或?qū)嵤├?，均屬本發(fā)明的保護(hù)范圍。