多相流非线性动力学复杂网络与研究新进展.pdfVIP

多相流非线性动力学复杂网络研究新进展1 * 高忠科，金宁德 （天津大学，电气与自动化工程学院， 天津 300072 ） 摘要：在Watts 和Strogatz 关于小世界网络以及Barabási 和Albert 关于无标度网络的开创性工作之后，复杂网络 已成功地应用于许多复杂系统研究之中，并在相应领域取得了突破性进展。本课题组首次开展了基于复杂网络理 论的多相流非线性动力学特性研究，基于前期已发表的相关研究成果，本文总结了多相流 （气液两相流、倾斜油 水两相流、垂直油气水三相流）流型复杂网络、流体动力学复杂网络和流体结构复杂网络的构建方法及其应用， 研究表明：复杂网络作为一个全新而又有效的工具，不仅可以挖掘包含在多相流非线性时间序列信号中的重要流 体动力学信息，同时也可用于研究理论模型难以精确描述的复杂非线性动力学系统。 关键词：复杂网络；多相流；非线性动力学；社团结构；无标度特性 引 言 在石油、化工及核反应堆等工业领域存在着大量的多相流动现象，例如动力工程中锅炉蒸发管中的蒸 汽-水两相流动，发电和冶金工业中煤粉和矿粉输送管道中的气固或液固两相流，化工工业中物料输送管道 [1-3] 和反应釜搅拌器中的气液两相流以及油田开采油井中的油水两相流和油气水三相流等 。 多相流流动属非线性耗散动力学系统，它呈现出一类混沌行为。非线性动力学理论为研究多相流自组 [4-6] 织模式演化机制提供了一种新的学术视角与认识。C. S. Daw等 在国际上较早地开展了两相流混沌时间序 [7] 列分析方法，并从实验数据中重构了相空间混沌吸引子；袁竹林等 应用混沌理论对流化床内壁传热特性 [8] 进行了研究，通过瞬态传热系数时间序列相空间吸引子特征揭示了流化床传热动力学特性；白博峰等 对 采用气液两相流压力波动信号分形维数对不同流型进行了表征，分析了表观液速对统计特征和分形特征的 [9] 影响规律；赵贵兵等 对气固两相流流化床不同测量位置的压力波动信号用多尺度分析方法，对分解信号 [10] 进行了分形维数分析，得出压力波动主要体现了乳化相和气泡相之间的中尺度作用结论；刘明言等 对气 液固流化床壁面温度波动信号进行了非线性时间序列分析与预测，指出了对流化床混沌特性理解有助于系 [11] 统设计、操作与控制；孙斌等 采用多重分形去趋势波动分析法研究了水平气液两相流差压波动信号，量 [12] 化了不同流型差压波动信号的局部及不同层次的波动奇异性；金宁德课题组利用分形维数 、复杂性测度 [13] [14-15] [16] [17] 、吸引子形态 、多尺度递归定量 及多尺度熵 对多相流非线性动力学特性进行了多角度分析。 由于两相流受到诸如流体湍动、相间界面相互作用及相间局部相对运动等许多复杂因素的影响，其流 动行为呈现出高度无规则性、随机性和结构不稳定性。多相流系统是具有混沌、耗散、有序与无序等复杂 国家自然科学基金资助项目 批准号：座机电话号码, 座机电话号码, 座机电话号码 *通讯作者，E-mail: ndjin@tju.edu.cn 特征的非线性动力学系统，尽管多相流非线性动力学特性研究已取得了较大进展，但是，大多围绕在对其 测量信号的时频域特征提取、多源信息融合与识别及非线性宏观特性表征层面上，对其局部微观相界面非 线性特性、传递性能和流动机制研究仍有局限性，有必要从非线性动力学新理论新方法角度完善对多相流 流动现象的认识，为深层次理解多相流测量信号背后的物理机制提供新理论工具。 复杂网络理论兴起于20 世纪90 年代，它是对复杂系统的一种抽象和描述方式，任何包含大量组成单 元 （或子系统）的复杂系统，当把构成单元抽象成节点、单元之间的相互关系抽象为边时，就可以通过复 [18] [19] 杂网络理论对其进行研究。在Watts 和Strogatz 关于小世界网络 以及Barabási 和Albert 关于无标度网络 的开创性工作之后，复杂网络理论已成功应用于许多复杂系统研究中[20-23] 。近年来，基于时间序列的复杂 网络动力学研究得到了广泛关注，时间序列的不同建网方法相继被提出[24-28] ，并已成功应用于多个研究领 域[29-37] 。 [38] 本课题组在提出基于多组时间序列的社团复杂网络构建方法 和基于单组时间序列的相空间复杂网 [39] [40-45] 络构建方法 基础上，开展了基于复杂网络理论的多相流流型及其非线性动力学特性研究 。 [46] 基于多相流流动模拟装置上测得的电导传感器波动信号 ，分别构建了流型复杂网络、流体动力学复 [42] 杂网络和流体结构复杂网络。采用我们提出的基于K-means 聚类的社团探寻算法 对流型网络社团结构进 行了分析，找出不同流型对应的社团结构，从而实