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两相流可视化概述-

电容层析成像系统三维数据场

可视化及计算机仿真

摘要

电容层析成像技术是一种多相流参数检测新技术，三维数据场可视化

是运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程及计算结果转换为

图形及图像在屏幕上显示出来并进行交互处理的理论、方法和技术。本文

针对石油工业广泛应用的油水液液两相流系统，利用电容传感器检测到的

时间离散的一维投影数据，以电容传感器空间内不同点(某,y)处的灵敏度

分布函数为先验数据，采用MarchingCube算法，将液液两相流系统的流

动、变化过程再现在屏幕上。

本文首先分析了电容层析成像系统传感器原理、系统工作原理及以有

限元模型为基础的场域剖分、敏感场分析与计算。在此基础上，利用三维

数据场可视化原理，采用三维空间数据场构造等值面方法，将MC算法中

的体元用灰度值矩阵中的一个元素替代；各体元之间等值面图像用一系列

相互连接的三角面片替代，运用最大体积法，将相邻两横断面的轮廓线连

接起来；利用人眼视网膜停留时间原理，实现电容层析成像系统三维数据

场的可视化。

本文将以上方法用于圆形管道内油水两相流的实例分析。完成了油水

两相流系统的灰度图显示、三维空间数据显示以及三维空间动态显示设计。

通过仿真试验，达到了满意效果。通过对工业现场的油水两相流的可视化

仿真，将测量数据通过可视化变成图像，从而将工业现场的“黑箱”系统

变成透明系统。从海量数据中，找到其中隐藏的规律，为工业测量和控制

决策提供有效、直观的数据。

关键词电容层析成像；两相流；仿真；三维数据场可视化；

MarchingCube

算法

–I–

ytemAbtract

–II–

第1章绪论

1.1引言

“相”是指具有相同成分和相同物理、化学性质的均匀物质部分，或

者说相是物质的单一状态，如固态、液态和气态等[1]，在两相流动的研

究中往往将其称为固相、液相和气相。一般来说，各相需有明显可分的界

面。单相物质的流动称之为单相流，两相流指的是两种相同时存在的流动，

多相流是指同时存在多种不同的物质流动[2]。

在多相流的研究中，常常将物质分为连续介质和离散（非连续）介质。

气体和液体属于连续介质，因此又被称为连续相或流体相；固相颗粒、液

滴、气泡等属于离散介质，常被称为离散相或颗粒相。连续相和离散相组

成的流动叫做两相流动或两相流。由于离散相可以是不同物态、不同化学

组成、不同形状的颗粒，如气泡、液滴等，因此可以将复杂的流动概括为

两相流动，大大简化了数学模型[3]。

工业中常见的多相流动系统大体上可分为以下五类，其中以两相流最

为普遍，尤其是气固两相流、气液两相流和液液两相流[4]。

（1）气液两相流。热力设备（如锅炉）与制冷设备的工作过程，石

油、天然气的传送过程等，都存在气液两相流。

（2）气固两相流。炼油中的催化裂化、冶金工业的粉粒体的风力输

送，固体火箭发动机的燃气流动等，都属于气固两相流。

（3）液固两相流。采矿、冶金中的矿石选矿，水利工程中的泥沙运

动和治理，化工中的液固硫化床等，都包含液固两相流。

（4）液液两相流。冶金、化工中的萃取过程，石油工业中油水系统

的油水

–１–

分离、洗涤和排放等，都与液液两相流密切相关。

（5）气液液和气液固多相流。在原油开采过程中，油品加氢和精制

中的滴流床、淤浆反应器以及化学合成和生化反应的悬浮床工作过程中，

气液液和气液固多相流的例子大量存在。

从这五大类可以看出多相流系统具有广泛的应用，本文所研究的对象

是液液两相流，即石油工业中油水系统的液液两相流。但是多相流检测技

术发展现状和水平与飞速发展的现代工业应用之间的矛盾也日益突出，因

此，发展多相流检测技术是现代工业发展的迫切要求，研究多相流技术对

国民经济的发展具有重要意义。

1.2多相流检测技术现状与发展趋势

多相流检测是指采用合适的方法和手段检测多相流的各项参数，其主

要参数有：流型（又称流态，即流体流动的形式和结构）、分相含率、总

流量、分相流量、密度、速度等，典型的流型有层流、环流、多滴流、核

心流等，如图1-1所示。其中，流型、分相含率（对两相流而言为离散像

浓度）和流量是三个最重要同时也是最难以测量的参数，因此，这三个参

数的