气液两相流压差信号的非线性分析

    1 引言

    数据处理的过程就是从实验数据本身出发来得到一些有关动力过程的信息。实验数据的拟合形式是非常重要的，只有正确地反映了物理过程内在本质的控制方程才是有意义的。

    对于时间序列信号传统的分析方法有谱分析法和统计分析法。谱分析法，如快速 Fourier变换（FFT）、小波分析等，是将各种交织在一起的不同频率组成的混合信号分解成不相同频率的块信号。而统计分析法包括概率密度函数（PDF）和功率密度函数(PSD)分析法等。近年来，还发展起来一些将神经网络、分形理论应用于两相流压差信号分析的方法，而迄今为止分形理论的应用还仅限于分维数的计算。虽然已有的这些方法对于时间序列信号在时频域或其它一些方面的分析是有效的和实用的，但它们大多不能直观、准确地反映出动力系统的本质和动力特性，难以提取内在规律性的信息，而这些信息正是分析时间序列信号可以得到的内容。

    气液两相流流动是一个耗散的非线性动力系统，它可能会显示出一类混沌运动。传统的分析方法不能真正揭示出其潜在的动力过程和本质。如何对信号进行非线性处理，以判定系统中是否存在混沌吸引子，从而探明其动力特性就显得十分必要了。

    本文即是从混沌的定义出发，采用一种与传统分析法截然不同的非线性分析法，探讨了时间序列信号中内在的动力特性，为正确地描述物理过程提供了有力的证据。

    按照 Daniel Kaplan[1]的定义，混沌是一个有界的确定性非周期动力系统，它对初始条件具有敏感的依赖性。由此，判定复杂信号是否由于低维数的混沌所产生的原始指标是关联维数、Lyapunov 指数和预测误差。其中关联维数计算了自由度，Lyapunov指数定量地描述了对初始条件的敏感性，而预测误差检验了混沌系统的确定性。

    2 实验装置

    由于压差脉动是气液两相流动中重要的而且易于获取的特征参数，因此通常选择它来进行分析以得到动力过程的特征。

    实验段为管内径 40 ㎜的水平有机玻璃管（见图1 所示），实验工质采用 46 号机械油和空气。空气由空气压缩机提供，油经油泵从油箱抽出，用流量孔板计量后到气液混合器，从气液混合器出来的油气两相混合物，流经实验管段进行各项数据测量后，进入旋风式气液分离器，将空气分离出来并排入大气。

    其中，气液两相流压差的瞬时值采用 1151 电容式差压变送器进行测量，并通过 PCL818HG 高速动态数据采集板将压差信号时间序列直接输入到计算机中。压差信号的取压距离为 0.02m，采样频率为71 Hz，采样时间为 65s，测量精度为 0.5％。