關于鼓泡塔和氣升式反應器內流域識別方法的研究綜述摘要：本文簡要敘述了流域識別的各種方法，報道了國外有關流域識別研究工作的最新進展。其中主要對壓力波動信號時間序列的非線性分析法進行了著重論述。并對各種方法在確定鼓泡塔和氣升式反應器內流域轉換和揭示相應流域下流動特性的能力給予了評論，總結了各種方法存在的優點和局限性。關鍵詞：鼓泡塔反應器；氣升式反應器；流型；流域；壓力波動ReviewofthemethodsaboutflowregimeidentificationinbubblecolumnandairliftreactorAbstract：Allkindsofmethodsaboutflowregimeidentificationweredescribedbrieflyinthispaper,andthelatestadvancesinthisfieldwerereported.AseveralNon-linearanalyticmethodsforthetimeserialsofpressurefluctuationsignalsweremainlydiscussed.Theirabilitytodetermineregimetransitionandtoextractregimefeaturesinbubblecolumnandairliftreactorsiscomparedandtheadvantagesandlimitationsofthesemethodsweresummarized.Keywords:bubblecolumnreactor,airliftreactor,flowpattern,flowregime,pressurefluctuation.1、前言：近年來，鼓泡塔反應器和氣升式反應器由于具有結構簡單、能耗小、占地面積少、良好的傳質和混合特性等而被廣泛用于污水處理領域，作為傳統的活性污泥和生物膜法的主要工藝設備。其中尤為值得一提的是：氣升式反應器作為一種改進的鼓泡塔反應器，又兼具剪切速率低、剪切力場分布均勻、返混程度低等獨特的優點，在生物降解工藝中被優先選用，具有廣闊的應用前景。上述兩種多相流反應器體系內的流體動力學特性對絮凝體尺寸分布、污泥固－液分離特性[1]、生物膜的厚度、密度等特性[2]均有巨大的影響作用，因而對最終的污水處理效率具有至關重要的決定作用。鑒于此多相流體系內的流體動力學極為復雜，具有非線性混沌特性，難以解析，考慮到體系的流體動力學特性、混合、傳質特性主要取決于流域以及各流域所特有的流動結構[3]，因而大量研究工作者一直把反應器內流型的識別和流域的劃分作為反應器設計、放大的基礎和確定操作范圍的依據，將實驗室反應器設計放大為工業反應器，首先應保證操作流域的一致。為了探索識別流型和精確確定流域轉換的新方法，尋找揭示不同流型下流動結構和流動特性的新技術，力求解析出引發流域轉換的內在物理機制，研究者們已開展了大量的研究工作，并且取得了一些突破性進展，一些新技術、新方法應運而生。二十世紀，非線性動力學領域混沌理論、分形理論的誕生更為識別流域和解析體系的動態流動特性提供了重要的方法論，顆粒圖象測速儀（PIV）、激光多普勒測速儀（LDA）等先進實驗儀器的出現更為獲取瞬間動態信號提供可靠的工具。本文詳細論述了用于流域識別和確定流域轉換的各種方法，并就各種方法在確定流域轉換和獲取相應流域下流動特性方面的能力進行了比較。2、流域及其特性：確實，具有特定的流域是鼓泡塔反應器和氣升式反應器上升管的一大特色。通常根據表觀氣速和氣體分布均勻性把反應器內的流域劃分為三種基本流動域[4]，即均勻鼓泡域、過渡域和湍動域也稱為非均勻流域。不同的流域具有各自不同的流動特性和流動結構。均勻鼓泡域一般在表觀氣速很小時存在，在此流域內氣泡較小且氣泡尺寸均一，在軸向和徑向分布均勻，氣泡間相互作用很弱，不發生嚴重聚并，無較大的液體宏觀流動結構形成。眾所周知，對于處于間歇操作，使用均勻分布器的鼓泡塔而言，均勻鼓泡流一般在表觀氣速低于5cm/s條件下存在。當表觀氣速進一步增大，體系內開始出現大的流動宏觀結構，即所謂的旋渦－螺旋結構，這表明流域已經發生了轉換，發展為過渡流域，在此流域內，氣泡開始發生聚并，氣泡尺寸分布變寬，流動結構不均勻，不穩定。在更高的表觀氣速下，體系內的流動開始變得極不穩定，氣泡間發生強烈的相互作用，發生嚴重聚并，大氣泡開始出現，湍流域形成。此時，大、小氣泡在反應器內同時出現，大氣泡在反應器中部以較快的速度向上運動而小氣泡則在器壁附近緩慢上升，有時甚至會表現出向下運動趨勢，氣含率存在顯著沿徑向分布，引發了液體的宏觀循環流動，局部和整體液體循環流動同時存在。氣體分布板的構造、反應器的幾何尺寸、操作條件均會對流域產生影響作用，氣體分布板一直是研究的熱點，目前已得出比較一直的結論：使用孔徑小于1mm的多孔布氣板，在不同的氣速下，上述三種流域相繼出現。而使用較大孔徑的多孔布氣板或單口噴嘴，只有非均勻流域出現，基于確定流域轉換點是本文的核心內容，因而在下面的論述中，均以孔徑小于1mm的多孔布氣板體系為核心。3、流域識別和確定流域轉換的方法：3.1基于時均參數的古典方法：歷史上，通常用目視觀測識別流型，但是基于量化表征流域轉換是必不可少的，研究們提出了如下三種經驗方法：3.1.1平均氣含率－表觀氣速法第一種廣為使用的實驗法是通過測量與流動結構相關的某一時均流體動力學參數隨表觀氣速增長的變化趨勢來識別流型，此參數一般在流域發生轉換時會發生突變。在鼓泡塔反應器中，平均氣含率經常被選為表征參數。圖1顯示了鼓泡塔中平均氣含率（εg）隨表觀氣速(Ug)增長的變化情況。當體系內的流動處于均勻流域時，氣含率隨表觀氣速的增長成線性增長。而在過渡流域，氣含率的變化開始偏離此線性關系，首先會出現一個最大值，標志著液體宏觀循環流動結構的形成，然后開始趨于下降，當氣含率達到最小值時，就標志體系已經從過渡流域過渡到完全發展的非均勻流域。可是如此明顯的轉換特征并不總是能獲得的。使得此法的應用受到很大限制。尤其在氣升式反應器中，由于附加的總體液體環流運動的影響，在流域發生轉換時，并沒有最大值出現，使用這種方法很難確定流域轉換對應的氣速。3.1.2漂移通量法：第二種方法是根據漂移通量理論演變而來的：斯（飲1頓）、梨Wallis繭[5]例(1962凱)怒首先提出了漂協移通量理論來襲求取流域轉換神氣速和進行流慨域識別。氣體愧漂移通量的定鷹義是：氣相相升對于兩相平均卡速度運動的表郵面容積通量，棍其表達式為：（1）桑式黨中予U賓s把是氣體相對于就液體的滑移速郵度，當氣液并占流向上時，其點表達式為：益蛇池轎蓬攤（母2想）悲將蘿J黃gl吉對啊ε自g輛作圖，開始遣時負J桿gl浙隨澡ε鄙g額增大緩慢增大蹦，但當喪ε傷g苗增加到某一值緒時，曲線斜率告發生突變扶，脅J干gl鏈迅速增大。曲扇線斜率的改變莊標志著體系開箱始從均勻鼓泡猶流向湍流流域謝過渡，此氣含始率邀ε傷g店對應的表觀氣凝速宗u夫g蝴就是流域開始哥轉變的氣速。株此法較適合于艱識別處于半間伏歇操作鼓泡塔辯內的流域轉換撕。由于氣升式貍反應器內附加支的總體液體循傾環流動的影響守作用，使得發萍生流域轉換時杏曲線的變化趨鑰勢較鼓泡塔而另言要不明顯得淡多，不適于作唱為識別氣升式姿反應器內流域擊轉換的方法壽。鏟擾（機2鞏）、黨Zuber紛和圣Findla冠y哲[5]喊在埋196毅5亂年液在狡Walli怪s討的漂移通量理挖論基礎上提出車了一種改進的倘漂移通量分析降法，這種方法崗最先是用于預剝測非均勻流域福條件下的氣含喜率值，其用于架識別氣升式反膠應器上升管內坊流域轉換要比霉用于鼓泡塔更丸為有效，被廣減為用于識別氣箱升式反應器上瓶升管內的流動悄情況。他們提喜出對于并流操誦作，漂移通量揚方程可由下式四表述：蒸辰牙梢（待3絕）馬式中員，〈〉代表取貸平均蛇，倚C勵0若是徑向非均勻犁性的表征參數骨。如種圖示2返所示樂，格u繼g血/哪ε浩g垂蒙對屈（雄u子g陽+u絨l嘉）作圖，在均芬勻流域，氣含陸率和速度分布還比較均勻飄，脈C密0請一般囑在蝶1.秘0低左孔右麥,誼太而在非均勻流盡域柜，寬C拋0仔一般沿在刑1.53-1驟.6煌0北左右。統Snape役等人禍[6]郊根據外環流氣邀升式反應器上榆升管內的實驗婚數據給出：對趨均勻流猾域縫C昂0碧＝番1.0肉8間，而非均勻流昂域律，睜C冤0勸＝繪1.5抄2餓；由透圖艇2塔可見，過渡流罩域對應踏的攔C庸0頁值比非均勻流宴域下的相應值吊要高得多，這摟說明非均勻流宴域下的速度分水布較之過渡流王而言要平坦的歪多。宴Vial冶[7]拘在其文獻中對倡此提出了解釋隸，他認為這主忌要是因為在過競渡流狀態下，己體系內一個大主的液體局部環恰流結構致使流多動非均勻性增襯加所至。而且塵Vial釘等人在改變降澇流管閥門開度爪的實驗中獲得編了與志Snape忌等人相近的結聯論，在均勻流墓域癥C吐0電約肢為噸1.運0霸，非均勻流鍛域蠅C蘿0柳約聯為益1.囑6押幾乎不隨閥開它度變化，而在注過渡域，閥門封開度精對昏C理0炒值有顯著影響專作用，進一步午支持了上述結圈論（總體液體澡循環速度可流奔動的均勻性產家生了調節作用可）。雖然此法檢可很好的確定齒流域轉換氣速復，但是由于過喊渡發生時，斜訓率變化并不十倒分顯著，很難暈作出精確判斷參，缺乏準確性區。有（雙3歉）、最近仰Bendja熊ballah賽等人瑞[3]化結合上述兩種麻方法，根據漂黨移通量和滑移菠速度提出了一驟種改進的方法食，主要通過滑典移速曬度攜U博s鞠對插u提g輔+u魂l良作圖，由于在臂均勻流域餐，叛U耍s已隨勒u郊g想+u例l熄增加而下降，冊而在非均勻流換域怒，際U殺s援隨祝u旁g夫+u活l保增加而增加，解呈現出與均勻職流域截然不同悅的趨勢，變化揚比較明顯，從火而在一定程度急上提高了流域儀識別的準確度垮。手ε魯g梢u恥g烤/奉ε育g折蝶某刻硬葬跨頂掀約慎籠百(3)宵為程桐叛后烘扇身描趟破(3)版(1爽)繪均勻鼓泡流巨域平沾老(1南)局均勻鼓泡流悠域杠物(2毯)榨過渡流穴域鋼琴竹(2伙)贊過渡停流勿變雅(2飲)建王顏蹄緩(3群)陡非均勻流匠域愚沖友(3武)潛非均勻流域盞分(1)姓(2)巖講(3)魄筍齡腹剝搶瘋劑襯垃金浮耕職攜介他遷嘆秒喉耳(1)憐3挑-5cm/s業戚7-9cm夏/s郊U累g古(項cm/s)斯狹嬌盛史u詳g翠+u侍l禽(m/s)府圖踩1.唱耕鼓泡塔反應器冷內的流域劃分沉圖儉茅炸自圖嫂2.Zube棄r藍和老Findla握y掉漂移通量分析員圖浮3.1.搏3準動態氣體逸出蒼法濁（巷DG鞋D即）艘第三種方法稱肝之為動態氣體糾逸出法窗（秩DG保D飲），此種方法訴是國外近年來退廣泛采用的一獨種比較簡單、強測量精度較高辱的用于測量氣系含率和或知有語關氣泡尺寸分延布特性（大小劣氣泡所占比例路）的方法。在身鼓泡塔處于穩杠定操作條件下雹，突然關閉氣稻源，同時使用桃壓力傳感器連悼續測量切斷氣浮源后反應器內蔬壓力梯度的變翼化。用此法進略行流域識別、僻判斷流域轉換衫主要是基于如鞭下認定：均勻革流域內氣泡尺兆寸分布均勻，褲關閉氣源后，寶所有氣泡幾乎尺均以相同的速秧度逸出，因而遣氣含率隨時間沈呈單一的線性惑下降關系。而桶在非均勻流域行，大小氣泡群晨同時存在，大墨氣泡在關閉氣燭源的初始階段涼首先快速逸出肅，造成氣含率趣的顯著下降，爹而當大氣泡幾緒乎全部逸出后艱，小氣泡開始棚逐漸緩慢逸出聽，氣含率下降點趨勢減緩，逸嗽氣過程表現出兇明顯的階段性井。通過觀察氣鋸含率隨時間的蹲變化規律可獲機悉體系所處的放流域。在鼓泡那塔內使用該法赴獲得的典型曲露線圖如盆圖優3賤所示。顯而易久見，該法不適抗合用于識別氣創升式反應器內需的流域，因為捐關掉氣源也就宵意味著停止了饒總體液體的循雪環運動，而且暫這種方法并不萬能確定出發生賊流域轉換所對貍應的表觀氣速煩。但是不可否舊認的是，該法周確實不失為一灘種同時分析流爐域和氣相流動襯結構的好方法修。鉛饒綜上所述，上榮述提及的基于廊體系平均流體治動力學參數變聞化特性識別流耍域的各種方法譯的主要缺陷在混于缺乏普適性側，要視反應器溪而定而且準確穗度低。這正是盼大量研究者致影力于開發具有愿普適性、高精踐度識別技術的丸主要原因，也暑正是在這種推喂動力的作用下尿，才有了第二且類方法的蓬勃狼發展。西ε田g砌膏暫撥倍雖非均勻流濃域議質運職（扣1擋）慢抱氣源關斷帳前邪院(1多)乘（墓2母a者）大氣泡逸航出帖草（集2乳a駕）儀(2b)瓦雕小氣泡逸出嶺(2b)挨患永騰些（楚3贊）液就位香(3)胖均勻流宜域謊T(s詳)巷時間們圖恩3.取巴動態氣體逸出活法示意圖抬3.殃2匠基于動態信號儲時間序列的非躲線性分析法：潮新近出現的這學類方法主要是煉通過解析與流梢型相關的各種友信號的動態波潑動情況，獲取通體系的瞬態流爆動信息，更為箭準確的識別流絡域轉換，以便己達到從物理本勿質上揭開有關題引發流域發生且轉換的內在機驗制這一最終目逮的。目前，這抹類方法已被廣遣泛應用于兩相久和三相管流晚[8]播、填充床反應縱器射[9]栗、噴淋床反應霞器括[10]槽、流化床反應股器再[11]條、鼓泡塔反應詢器和氣升式反磨應器舒[12-1鍛3]半手內流域的識別搞。為了獲悉有優關流域動態特腰性的相關信息麗，科技人員對店壁面壓力波動茶信號縱[14]晃、局部氣含率破波動信號躲[15]誕（使用光學探鬼針測得）、軸熱向徑向脈動速蠅度波動信號舞[16]賀（使用激光多慌普勒測速儀終（遼LD術A茫）測得）、局乳部瞬間傳熱速塌率波動信號磁[17]煩（使用熱絲探世針作為測量工挖具）等各種信狂號的分析方法價作了深入的探鉗討。目前最為漂突出且廣為使例用的非線性分晉析方法主要包針括：頻譜分析繡法旱[1終4絮，軌18]引、分形分析法金[16,19平]融、混沌分析法慨[16,20巖,21]緊以及新近提出棟的一種基于自挨相關函數的時祖域分析法晉[12-13桃]隆訴本文僅就上述授四種方法給予宏詳細敘述。尚測須闡明的是在育上述提及的測拆量信號中，由史于壓力是能量洗參數，壁面壓狹力信號的波動萄可能源于下列娘各種物理現象統的發生：氣泡腳通過、氣泡形棋成、氣泡聚并鳥和氣泡破碎、切液相的湍動、俗循環流動等，覽因而很難從中灰直接獲取有關建流動結構的相安關信息。但是沿由于獲得壁面禍壓力信號的測漸量技術非常簡榜單而且費用低帳、加之測量儀堅器（一般為壓減力傳感器）并哭未直接插入流踩場對流場不構德成干擾，又不滋受體系透明度眾的限制，備受請青睞，具有實先際工業應用價描值。鑒于上述汽原因，本文僅冰以壁面壓力波崖動信號解析為振例對各種方法谷加以闡述。宇3.2.輝1澇頻譜分析灰法蓬(租PSDF)忙：宏頻譜分析主要憐是把壓力時間恰序列的自相關甜函數夸（紡C墓xx僵）通過快速傅援里葉變換獲得薪相應的功率譜專密度函數鳴（包PSD裙F么）。某一時間芽序著列敘x(t三)磨的傅里葉變換土由慎（邀4除）式定義：則令婚礦（形4以）株時間序亡列同x(t膨)逆的自相關函缸數德C袍xx剪定義式為：衛州蹈（矩5箭）煤相應的功率譜窩密度函數抓（慧PSD為F姓）的表達式為摸：亡畏燙（枕6況）刺功率譜的計算替可是我們獲知涉在宏觀和微觀吳尺度范圍內是杯否有周期或者粱準周期運動的乏存在，以及這磚些運動所產生置的特征頻率。付Draho恭?避等人墓[14]道最早在鼓泡塔騙的研究中使用鵝了這種方法，御他們經過調查畫研究得出了各巡種物理現象產何生的特征頻率倚范圍，詳見縱表朵1后。而且得出如宵下結論：對鼓慚泡塔而言，我夕們感興趣的頻辮率范圍才是聰0貢－聲20H揮z闖。這為后續研宏究工作奠定基難礎。一般對鼓淘泡塔和氣升式尼反應器內壓力備信號作頻譜分渠析時通常采阿用篩25H術z洋作為低通濾波學的截斷頻率餃。亡勁在處理信號時披，一般采厚用亂Welc告h室提出的平均周放期圖法估算，朱即把數據序列留分為長度垮為劑L尚（經常脫選拳51齒2飯個點）蔬的般K警個有一定重疊貸或者無任何重睬疊的數據段，列每一段數據采沖用數據窗狂函數處理，通平常使轎用梁Hannin悄g搜（漢明）窗函熊數來處理以避敵免混淆現象的統發生。共Vial粉等人耍[12,13拉]歪獲得的頻譜圖蠻具有典型的代熔表意義，如宋圖鳳4恒所示，他們的介研究表明：對孫于使用多孔板續作為氣體分布凱器的鼓泡塔反串應器而言，在攜均勻流域時，近只在低頻帶出社現一個特征峰或，對應的特征樹頻率大約勁為氣0.1H抹z醋，經過分析他薪們認為此慰泊餅襯憐表永1察宮壓力信號的特古征頻率顧來染源獅到怨改遙雞特征頻率的數益量級間氣泡的形凱成土返幼彩苦>10樸1刻氣泡通磁過勵摘屑鐘料10錫0滴－符10醉1旋氣泡聚晝并輝蹤庸玻肆10汗0現大尺度旋松渦減鼻規索敬10慘－燭1殘中等尺度旋再渦淡滴飲醋10卷0菊液位波淋動軟民組飯昏10扮－舒2于－付10豎－遺1頑峰是液位緩慢疼振動產生的。余而在非均勻流理域，只老在瀉3雄－央5H賓z嗓出現一個較寬準的特征峰，他劍們認為這是由籮于在此流域下貨，氣液兩相均定已形成宏觀流嘴動結構，近壁剝處氣泡交替地朵向上、向下運灶動，這種準周軟期現象導致近會壁處壓力波動艦較高，產生了冶新的特征峰。家雖然在非均勻偏流域，氣泡發夫生聚并和破碎璃，但是是隨機煙發生的，導致確這些現象的強糠度與而近壁處罪氣泡的準周期想運動相比要弱展得多。在過渡嘆流域，上述提奪及的兩個峰均緩同時存在，只誼是強度有所變窮化。這就意味黨著氣泡的準周巨期運動有一個陵逐漸發展的過結程，隨著氣速航的增加，其強餓度會逐漸增加停，當其強瓶度超越了均勻糠流域下液位波恥動時，就標志馳著已經過渡到偉非均勻流流域待。外環流氣升呢式反應器細的歌PSD既F常變化趨勢與鼓鐘泡塔內的大致熄相同，只是由薄于此體系內總停體液體循環流挎動的寸在，起研到了穩定體系旅的作用，使得沙對氣升式反應狡器而言，第二國個特征峰峰的歲特征頻率暮在題4臭或機5H負z測左右，較鼓泡笛塔的要高（一徹般第在招3H博Z致）。非均勻流域頻率(Hz)頻率(Hz)氣升式反應器Ug＝20cm/s氣升式反應器Ug=12cm/s氣升式反應器Ug=7cm/s鼓泡塔Ug=2.7cm/s鼓泡塔U非均勻流域頻率(Hz)頻率(Hz)氣升式反應器Ug＝20cm/s氣升式反應器Ug=12cm/s氣升式反應器Ug=7cm/s鼓泡塔Ug=2.7cm/s鼓泡塔Ug=11cm/s鼓泡塔Ug=7.2cm/s頻率(Hz)頻率(Hz)頻率(Hz)均勻流域過渡流域非均勻流域過渡流域均勻流域仇雖然頻譜分析溪可以揭示出一俗些物理現象，蒙具有重要意義睜，但是卻有其撥內在的局限性干，是完全基于芽隨機函數的處似理方法演變來價的，緒Chen終等人桶[22]躬研究結果表明限：在鼓泡塔中深即使通過解析拘壓力波動信號狗以外的與流動虧結構緊密相關齒的局部傳熱速允率波動信號，舞僅通過功率譜遵分析很難及時諒洞悉有關反應盈器內流動結構乖變化的信息。尺3.2.畜2變分形分析：捐Fan白，背Neogi旋等人牙[23]抗在探199慧0躍年首次使用這課種方法分析了鋸流化床反應器撲內的壓力波動企信號，桶Draho襪?池等人咱[19]碼在甲199改2銹年把這種方法巡成功地用于鼓起泡塔反應器內戶流域的識別。梯鼓泡塔反應器朗內的流動具有殃高度的隨機性菠，這主要是由寬于體系內存在首著液體循環流撿動、氣泡形成惡、氣泡聚并與鎮破碎、氣泡通距過等各種物理蒙現象，這些現圓象具有非周期竹運動的特性，黃忽快忽慢。而籠在時間序列中半包含兩種主要野的過程信息：京一些過程具有凡長期依存性，諒換句話說，時冒間序列的將來酒，這些過程稱桃為持久性過程歡或正相關過程方；使另外一些過程夫只有短期記憶爐，時間序列的吧將來演變趨勢掛同它的過去正魯相反，這類過瞧程稱為反持久纖性過程或負相憤關過程。退分形分析法碰是勻Hurst取[24]糖在陶195膨1盡年提出的對時耍間序列采用所侮謂儉的倒R/樸S先（遞rescal素erang旺eanal蕉ysi秤s確）方法進行分勵析（其全名扭為招“丘改變尺寸范圍艱的分析），來餐求分取盒Hurs無t費指數和時間序末列的分數維。賭其基本思想是歷：改變所研究約的時間尺度的禁大小，研究其汪統計特征的變革化規律，從而好可將小尺度范描圍的規律用于類大的時間尺度妖范圍內或將大保時間尺度得到鏈的規律應用到態小尺度，這種廢整體和部分之圍間規律的相似級性正是分形幾嗎何的核心思想丈。上述兩種過霉程浮的渠Hurs毀t紙指數各自具有獎相應的范圍：泳于正相關過程則，俘Hurs爛t寬指數一般陰在閑0.5-營1肝的范圍內，而謙對于負相關過慈程樓，茄Hurs忌t流在瘡0山－萍0.貸5處范圍內變動密，餓Hurs蟻t栗指數等靠于留0.圍5小時說明此過程符是隨機過程御。纏Hurst襲觸指恒數伙H賽和分數維的計潮算過程如下所形述：湊首先把測得的暮時間序列分跡為伯L惡個時間間隔長刃度為紗τ傅的子段，每個杜子段中包立括辛n饅個數據，對于頭每一個子捧段田i忘：紛闊1叼、累積離蠶差阿波；北躍座（稠7絮）聽2肝改變尺度范炸圍劍R(i,n魄)通以及時間序列咸的均方根偏手差饑S(i,n警)憑由下兩式計算深：安帽煌勾（乖8準）吵婚樹精（愁9品）閃叉召落睬求裕（克1會0咬）潤（谷R/困S監）研τ肢等么于茄L嫁個綁（龜R/笛S否）象i染的平均值懼由于槳，因而通過營（渴R/蘇S鑒）倒τ液－債τ沃雙對數坐標圖廉的斜率就可求媽得相應另的召Hurs缺t次的指數值。廈對于自仿射曲版線按，哨Feder雕[25]蜻指愿出四H害與局部分形維拉數滑d活FL蘇有如下關系存傳在：儲太袍位斗江（躺1需1毀）盼Vial剪等人派[12,13蒜]炸的研究表明，約對于使用多孔瘡板作為氣體分咱布器的鼓泡塔商反應器而言，甘過渡流域的主篇要特點殿是轎Hurs瘡t臂指數發生突變后，由均勻流域批的核0.抱9治急劇下降權到只0.侍5疼左右。在均勻烤流域則表現出谷顯著的正相關飄特性，而在非麻均勻流域則表鎮現出顯著的負助相關特性。在富氣升式反應器宏內流域之間存扭在的差異不如血鼓泡塔的明顯那，而且不能識施別出均勻流域親與過渡流域之若間的轉換點。經但是通過這種笨方法，他們卻垂發現了這樣一妙個事實：與鼓座泡塔相比而言往，氣升式反應資器右內的行為的持撥久性差。總之鬧，分形分析法犯提供了有關流種型方面的定性出信息，但是卻吵很難精確識別違流域轉換點。釀3.1.較3榆混沌分析：捎9難0洞年代非線性動味力學中混沌理矛論的誕生使非緩線性科學有了兔可靠的理論保影證，也為多相壯流領域的研究院工作注入了新巾的生機與活力工，迄今為止，降混沌理論在流辦型轉變、表征薦流動結構購[洽及反應器放大雹等方面得到了泡初步的應用。劇所謂的混沌體鞠系是指一個非列線性的確定性撇體系，其具有蜜敏感依賴于初迫始條件的特性漠，換句話說，席初始條件的微拍小差別將最終匙導致截然不同豈的現象出現，尺這皆是源于初巖始時存在的差病異在演化過程逗中會呈指數性飲增長所致。這究種差異增長的遇快慢一般用戒Komogo交rov粗熵來衡量，此域參數的大小描筋述了體系的運耗動特性：對于妨規則運動而言關，勸K=黎0思；對于隨機運派動世，艙K狼→奮，若系統表現莊出確定性混沌沾特性，儲則余K租值是大腦于頭0悲的常數。此參粘數表示了系統婆在隨時間變化址的過程中信息界的損失速度，盆反映了系統的煮可預測程度或苦者說系統的混坦亂度。史考察一個動態欠體系可通過在立相空間中觀察塊其軌跡的方法聯實現。為了構且造相空間，需木要同步測出體紗系所有狀態變躁量的時間序列猾。這是很難作連到的。往往可經通過解析一等歲時時間間隔的雄單變量的時間壓序列來分析系后統的特性，這較是因為單變量歉時間序列是許地多物理因子相踢互作用的綜合嘴反映，它蘊藏桃著參予運動的你全部變量的痕煮跡，一個變量信隨時間的變化鼠隱含著整個系長統的動力學規膜律。為此，法扮國數學家春Rulle利于安198遲1枯年提出了重構潮相空間的概念億，即由任意一曾個單變量的時妹間序列重構一府個等價的相空里間來再現系統掏的動態特性。勸Takens謙[26]找則從數學上為制其奠定了可靠冒的基礎，提出都了如何用延遲繳坐標法將時間舉序奧列穿x(t贈)傅重構隸為算m勻維相空間，其巴中遮m澇稱為嵌入維數朵，是重構的相擁空間的維數。唯由系統中某一委可觀測的時間窩序列，重見構錢m纏維相空間，得鴿到一組相空間擱矢量：暈禮偷（途1扣2覽）偽τ殿為延滯時間，雜是需要確定的毒參數。狗τ青的確定一般是稼采用識vande墳nBlee望k暖和羞咸Choute厘n隔τ疤[27]班等鋼人赤199儉3滑年提出的方法待－把自相關函泉數拒與談x言坐標的第一個民交點作為延遲稼時間。此重構慎相空璃間中吸引子的持分形結構可由駛Grassb櫻erger碗和妨Procac劉cia蜂[28]扇提出的關聯維濕數來表征。關咸聯維數定量刻式畫了系統的自獵由度，可通過丘關聯積分函但數飄C致D蹄(r掘)縮求得，具體入租下：繳患菊諒（泛1能3我）直式典中務H態e里是候Heavis數id校e婚階躍函數，著，對于確定性僚混沌體系，有副如下關系存在恐：遇三鉗著虛絨（努1河4謠）圍通過關聯積分華曲戚線梢lnC筑D葵(繳r)半—才ln潮r豬上直線段的斜稈率可求編得拍D捆c答，而后連續增槍大嵌入維今數術m事,鄭重復上述步驟席，便可得到一糖系列頁的償D琴c舅值。樓當程D盟c街不再隨嵌入維鮮數的增大發生魯變化而達到飽莫和時，對應的畫值就是體系的柴關聯維什數村D簡。雨關聯維數和攏Komogo折rov彎熵是識別流域貿和確定流域轉饒換的兩個重要陜參數。禍Letzel屬等人部[20]紅在俘199偽7球年通過對間歇熟鼓泡塔反應器報內的壓力時間磨序列的分析得勻出了相應的關怠聯維剩數顆D峰和塑Komogo陪rov美熵值，他們發浸現顆K稼－棕U押g慰和發D寺－朗U群g辮曲線具有相似泰的形狀，在流萄域發生轉換時摸，辱K窗值暢和難D皮值均反生突變刺。核Vial芽等人邪[12,13是]蛙計算了各氣速蹄條件下外環流憶氣升式反應器拘和鼓泡塔反應滿器內壓力波動橫的關聯維數。噸他們發現在均附勻流域棋，壽D嶺值總是保持近蘭乎于常數，這返是因為在此條尼件下，氣泡各疤自獨立地作線彈性運動，氣泡襖間不發生強烈叼的相互作用。魚隨表觀氣速的焦提高，流域開玻始發生轉變時云，飄D它值急劇下降，錫這是因為在過躍渡流域，液體鑒開始作循環運肆動使得體系內她的流動具有一藥定的結構性，館致使體系的自叉由度下降，而元當完全發展的花非均勻流形成數時，由于體系割內氣泡發生強領烈的聚并，體家系的自由度又馳有所會升方，得D弦值開始上升，栗最終達到與均旁勻流條件下蝴的豎D誦值接近。關聯花維數的具體變前化情況如青圖喇5表所示。鹽通過混沌分析搶可使我們深刻獄洞悉氣液分散之體系內流動的浮動態特性，可另清晰地識別出戒流域的轉換，董但計算量特別沙大。犁3.1.喂4互基于自相關函牙數分析建立的幫一種新方法可：搶AC誰F予法店此方法擔是攪200弦1洲年項Vial顧等人咸[12,13胡]壇在勢Draho摩?軟等人互[14]衰研究工作的基位礎上提出的一恭種新方法，主相要是求取自相個關函數的特征當時間，通過特泊征時間的變化染趨勢，識別流車域的轉換，而畏且通過與互相坡關函數進行聯截合分析，尚可倍得出有關液體俘循環速度以及劫相應宏觀流動天結構的特征尺喪度。對自相關函數補（嗓AC喉F圈）的表達式為罵：鞠齊頸（詞1乒5廚）潮由上式可見，遇自相關含數柔把普X(t踐)怠與臣X(t-漁τ迅)著相關聯，體現絲了欠X(t最)粘是如何受它的對過去影響的，仙因而可識別出濱一些隱藏在背圍后的周期性，胳但一留般鞏AC瞞F容不常被用于識國別流型，相比留之下謠，攀AC稠F溉的傅里葉變猶換趴—攤PSD蠅F贊，由于具有如鑼前文所述的易肯于解析的特點脖，在流域的識惕別中被廣為波使用。但是值跪得注意的景是府PSD度F膛法不能很好的棚確定流域轉換攔點，而這種新股方法卻能夠較全精確的確定出濤流域轉換點，蝦并獲得有關流芹動特性和流動吐結構的定量信巡息，具有其他鳳方法無法比擬跳的獨特優點。緞圖同5判給出在均勻流恭和非均勻流條戒件下，一氣升終式反應器內獲魄得的典型畢的鏟AC匙F譽曲線。如圖所僑示，體系處于妄均勻流狀態時嫌，塔AC捕F朽曲線的形狀反兔映出一種典型滋隨機過程的特授性灌—喉呈現出指數衰智減趨勢。此流唐域下的特征時壇間可由方程烏（限1程6邀）求得：旨趁部踢談（叔1權6溪）望在非均勻流條率件下愚，充AC貞F更曲線的變化特座點則顯示出有緩某種準周期運后動疊加在隨機噸運動過程中。向在此條件下的角特征時間泰可由際（駕1營7扁）式得出：黑從毒（謀1儀7業）時間(s)時間(s)氣升式反應器Ug=16.4cm/s氣升式反應器Ug時間(s)時間(s)氣升式反應器Ug=16.4cm/s氣升式反應器Ug=3.7cm/s非均勻流域均勻流域萌明聽蠶到圖挪5.播恐均勻流域和非應均勻流域下的俊典扭型霞AC碑F遺曲線析使用此方法確煤定流越的轉換甘點時，首先由拳實驗獲誰得呀AC須F優曲線，根據曲阻線的形狀特點蛾，使用相應的脾（憐7共）式或殖（倡8按）式進行計算張，獲取相應的月特征時間將和近壁處流動膏結構的主換頻舅f興0慎。均勻流域的翅特征時間與氣遵泡在傳感器附宰近的停留時間勿相關，一般很蓮小。隨著氣速毒的提高，過渡膠流域，液體宏腰觀循環運動的侮形成引發了一竟系列時間尺度亡較長的過程，孩特征時間急劇蜂增大。而當非豪均勻流域已完租全建立，流動每變得更為混亂偶，特征時間幾就乎不變，甚至駱會有下降的趨蜻勢。燃圖逢6紛顯示了鼓泡塔熟和外環流氣升眨式反應器內特腦征時間變化的幫實際趨勢。多孔噴嘴鼓泡塔氣升式反應器x單孔噴嘴°多孔噴嘴鼓泡塔氣升式反應器x單孔噴嘴°多孔噴嘴仍奔際屆圖烏6.蠢隊兩種反應器內皆特征時間隨表慘觀氣速的變化道情況4、結論：章中坡本文對各種識逝別流域和確定夢流域轉換的方錢法作了簡要的食介紹。在這些耳方法中趙，園PSD冬F介不失為一種識鼠別流域的好方嗓法，但這種方狼法不能精確的碰確定流域轉換努點。分析分析鄭法和混沌分析袍法則能較精確墳的確定流域轉出換點，而熟且疼Hurs己t頭指數和關聯維很數的大小可在悠一定程度上反縫映出相應流域脂下流動的動態當特性。不過這漁兩種方法計算侍量比較大椅；骨AC孫F府法相對而言比陸較簡單，計算糠量小，而且還公可以給出有關決流動結構尺度液和液體循環速晝度等方面的定宏量信息，具有滑其獨特的優點慧。考慮到多相層流體系內氣泡房的隨機運動和襖兩相之間存在詳的強烈的湍流有剪切作用，以密及體系內流動撲結構所具有的叼極為復雜的時犧空變化模式，把為了達到精確遮識別流域、確練定流域轉換點臟，獲得有關流耗動結構的動態清信息的目的，硬應進一步深入吼發展解析動態預信號時間序列痕的非線性分析帥法。參考文獻：歸1.BoJ震in,Pa飽ulLan版t,Flo蘆wregi啊me,hy勒drodyn爛amics,程floc遼sized券istrib追ution堂andsl信udge角proper望t鴨iesin揀activ款ateds玻ludge推bubble烤colum將n,air叛-lift封andae招rated導stir膜redre盡ators.摔Chemi痛calEn急gineer很ingSc特ience拆,59(2犁004)2童379-23蓋88;笛2.van出Loosdr工echt,縫M.C.M.釋,Eike赴lboom,代D.,G邪jaltem襯a,A.,肚Mulde腹r,A.,解Tijhu分is,L.儀andH激eijnen基,J.J.圣,Biof氏imstr創ucture緣s.Wat器.Sci.勻Tech.,式32,(巖1996)3副5-43每3.Ben獄djabal陸lah,N李.,Dha筐ouadi,茄H.,P蛙oncin,病S.,M琴idoux,王N.,H詳ydrody筋namics索andf茶lowre立gimes躲inext途ernal坐loopa料irlift滅react蹈ors.C捕hemica統lEngi在neerin擊gScie冊nce,5逐4(199殲9),52袍11-522閃1;區4.Chen喪,R.C.梅,Rees菜e,J.,興&Fan,拍L.-S.委,Flow或struc羽turei蝕nath回ree-di艙mensio傅nalbu嫌bblec思olumn煉andth緩reeph息ase飛fluidi相zed膏bed.關AIChE睬Journa柜l,40巾(1994)呼,1094暫-1104;捕5.Wall瓣is,G.爺B.,In瞇teract謊ionbe膏tween疲Fluid笛andPa孫rticle紋.Inst鳳n.Che尊m.Eng湖rs.,L沙ondon,但(1962城)9宿6.Snap佩e,J.B爺.,Zah促radnik績,J.,均Flalov瞧a,M.,包Thoma崖s,N.H全.,Liq貴uid-ph習ase紫proper麻t收iesan適dspar喬gerde測sign涼effect規sina朵nexte臨rnal-l催oopai朵rlift主reacto停r.Che賓mical唱Engine擦ering減Scienc燦e,50(香1995),埋3175-許3186;陽7.Vial爭,Ch.,敏Ponci狠n,S.,士Wild,喚G.,M箱idoux,擋N.,E盒xperim稠ental井and母theore已tic娃alana鬧lysis憤ofthe踐hydro球dynami退csin坊the宋riser擁ofan冠exter象nallo孟opair錫liftr獵eactor出.Chem般icalE費nginee相ringS診cience為,57(2觀002),刑4745-4躁762;痛8.Drah損o系?漂,J.,污Cerm頑á桌k,J.,榨Diagn恥ostics適ofga橫s-liqu恰idpat膊terns請in勇chem繳icale淋nginee桌rings快ystems描,Chem禮.Eng.烘Proce岡ss.,2幕6(1989蟻),147持-164;偽9.Lati爛fi,M.穩A.,Mi艇dous,研N.,St桐orck,憲A.,Ge崗nce,J貍.N.,T恭heuse喝ofmi竭cro-el獨ectrod涂esin屆thest餃udyof以flow招regime氣sina佩packe該dbed位reacto偏rwith豬asin歲gleph畜aseli萌quidf淹low.C填hemica場lEngi刮neerin凡gScie蔽nce,4置4(1989耳),250回1-2508闖;苦10.La妄tifi,讓M.A.,媽Rode,晃S.,Mi復dous,雅N.,St壇orck,糖A.,Th乖euse顯ofmic象ro-ele談ctrode趨sint足hestu醫dyof絕flowr趁egimes阿ina跪trickl忙ed-bed姓react緞or.Ch作emical晶Engin卡eering恒Scien興ce,47融(1992)糞,1955-悠1961;貪11.Bri處ens,L祥.A.,B朱riens,較C.L.,胃Marga仍rtis,盲A.,Ha繩y,J.,緣Minim到umliq菌uidfl幅uidiza禿tion火veloci抄ty妻inga糕s-liqu骨id-sol披idflu匙idized秧bedo劍flow-宰densit飼ypart頌icles.掛Chemi閥calEn軌gineer扒ingSc神ience,堂52(19冬97),4軍231-42鑄38;膝12.Vi錄al,Ch執.,Pon飛cin,S蘆.,Wil油d,G.,爆Midou步x,N.,切Asim篇pleme雖thodf斷orreg努ime梯identi腎f泡icatio昏nand墾flow言charac遵teriza續tion坑in皮bubble會colum四nsand黨airli冒ftrea啄ctors.目Chemi饑calEn杠gineer呆ingan必dProc眾essing已,40(2末001),級135-15掠1;參13.Vi劣al,Ch拖.,Cam唯arasa,踐E.,P基oncin,差S.,W鴉ild,G蒸.,Mid橋oux,N每.,Bou菠illard介,J.,甘Study稈ofHyd正rodyna崇m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