淤浆鼓泡床中声波信号的多尺度多分形分解

淤浆鼓泡床中声波信号的多尺度多分形分解 研究论文 淤浆鼓泡床中声波信号的多尺度多分形分解 姜晓静～张晓欢～虞贤波～王靖岱～阳永荣 (浙江大学化学 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 与生物工程学系，浙江省 杭州市 310027) 摘要:淤浆鼓泡床是一种在合成气转化、重油分解及煤液化等工业领域有广泛应用的多相反应器。应用二阶小波将气速范 围0.03到0.17 m/s、颗粒质量分率为0~40%内的淤浆鼓泡床壁面声发射信号分解为九个细节尺度及一个概观尺度，对每一 尺度应用R/S分。并根据不同尺度Hurst指数变化规律，将声发射信号分解为S1、S2、S3、S4四个尺度，分别与不同动 力学尺度相对应。通过对每一尺度能量分率随气速及质量密度的变化规律可知声发射 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 方法主要反映微尺度中液相及液 相中的颗粒行为。 关键词:声发射信号;R/S 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ;多尺度;多分形 中图分类号:TQ 028.8 文献标识码:A 文章编号:0438-1157(2006)00-0000-00 Multiscale and multifractal analysis of acoustic emission in a slurry bubble column JIANG Xiaojing，ZHANG Xiaohuan，YU Xianbo，WANG Jingdai，YANGYongrong (Department of Chemical Engineering and Biochemical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027) Abstract: Slurry bubble column reactors (SBCR) are used in a wide range of industrial processes, including syngas conversion to fules and chemicals, heavy oil upgrading, and cold liquefactions. The Daubechies second order wavelet was applied to decompose acoustic shot noise signals to 1~9 scale detail signals and 9th scale approximation signals. The gas flux of the experiments varied between 0.03 and 0.17 m/s, and the solid mass fraction investigated varied between 0 and 40% . The acoustic shot noise signals in different scales were studied by using R/S analysis method. According to the characteristics of the Hurst exponent of different scales, the measured acoustic signals were decomposed to 4 scales: S1, S2, S3, S4, corresponding to different dynamic scales. By analyzing energy distribution of different scale signals,we found that acoustic shot noise signals mainly reflected micro-scale interaction between the liquid and particles in the liquid phase. Keywords: acoustic shot noise signals; R/S analysis; multi-scale; multi-fractal 将其分解为颗粒相、气泡相及整床相等三个不同尺1 前言 度，并分别进行研究。动力学的多尺度也会导致相 淤浆鼓泡床(Slurry Bubble column reactors ,关测量信号的多尺度。通过对淤浆鼓泡床测量信号 SBCR)是一种在合成气转化、重油分解及煤液化等的多尺度分解，即可将信号的不同尺度与动力学的 [1-3]工业领域有广泛应用的多相反应器。由于其具不同尺度相对应，提取相对应的信号，研究某一尺 有浆液浓度高、传质效果好、单程转化率及选择性度的动力学现象。 高等优点、易于控温及在线检测、控制等优点，已 R/S分析为分形学的一支，用于研究信号的长 [4, 5] [6, 7]被广泛应用于工业生产的各个方面。 期相关性，在已有文献报道中，已被用于股市 [8] 但由于淤浆反应器各相之间传递过程的复杂预测、声源识别、流型检测等方面。赵贵兵将 性，其不同结构不同区域均具有复杂的多态性。相R/S分析与小波分析相结合，对流化床中压力脉动 关文献指出，在此反应器中，可用多尺度分解方法信号进行多尺度分解，得出流化床中信号的多尺度 划分依据并对流化床行为进行研究。 2006-08-30收到初稿，2006-00-00收到修改稿 Received date: 2006-00-00 联系人:阳永荣. 第一作者:姜晓静(1986—)，女，硕士生 Corresponding author: Yang Yongrong. E-mail: Yangyr@zju.edu.cn 基金项目:20490200 Foundation item: 20490200 本文将对淤浆鼓泡床壁面测得的声发射信号间序列未来的变化趋势作出预测，在股式预测等方 [7]采用类似的方法进行多尺度多分形分解，从而对淤面有广泛应用。R/S分析的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达式，由Hurst提出，浆鼓泡床动力学的多尺度行为进行研究。 Mandelbrot和Wallis进一步推广，得到时间序列的 极差R(t,τ)和 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 偏差S(t,τ)之间存在关系:2 实验装置及方法 HR(t,,)/S(t,,),, (1) 其中H就是Hurst指数。对于实测序列，如果 H=1/2，则表明该序列是完全随机的，系统运动规 律为普通的布朗运动;如果H>1/2，表明序列具有 持久性，即过去的增加(减少)趋势意味着未来的 增加(减少)趋势;反之，如果H<1/2，表明序列 具有反持久性，即过去的增加(减少)趋势意味着 未来的减少(增加)趋势。 动力学机理不同的信号，其分形关系必然存在 差异，通过对Hurst指数变化的研究，即可对不同 声源进行识别。在多相流检测中，根据R/S分析特 征的差异，即可对动力学机理不同的各尺度信号进 Fig. 1 Schematic diagram of experimental setup 行识别，与其动力学尺度相对应，从而得到信号的 实验装置如图1所示:整套实验装置由淤浆鼓多尺度多分形关系。 泡床、供气系统、声发射信号采集系统组成。其中 淤浆鼓泡床直径200mm，高1700mm，壁面为透明3.2 淤浆鼓泡床壁面声发射信号的多分形多尺度有机玻璃，可观察内部流体流动。气体由底部鼓入。特征 10声波信号测量与数据分析系统包括压电陶瓷加速8 度计(AE传感器)、放大器、A/D转换卡和计算机。 6 实验体系为空气—水—石英砂体系。其中石英4 32砂的平均密度为2700kg/m，平均粒径为0.24mm。 0 实验中保持水静床高为86cm，测量质量分率V/mv-2范围为0~40%、气速范围为0.3~ 0.17 m/s时，距分-4布板上方0.38 m处壁面声发射信号。采样频率为-6 100kHz，每个数据点采样时间为3s。 -8 -100 0.511.522.533 实验数据处理 t/s Fig 2 Acoustic emission time series 3.1 小波分析及R/S分析 小波分析是一种变时窗信号分析技术，可以将淤浆鼓泡床壁面声发射信号产生原因主要有: 液体及颗粒撞击壁面、颗粒摩擦壁面、颗粒之间的一定时域信号分解为不同时窗的分信号，在非平稳 磨擦碰撞及床体整体振动。由于声信号在水中衰随机信号分析中有重要应用。其基本原理是通过寻 减，所以忽略颗粒之间磨擦碰撞产生的声发射信找一组小波基函数，对信号进行一定形式的转换后 再对信号进行分析处理。不同小波基函数有不同分号。原始信号如图2所示: 解形式。本文采用基于Mallat算法的二阶采用二阶Daubechies 9尺度小波分解之后，得Daubechies小波分析，将壁面采集的声波信号分解到d1-d9 九个细节尺度(detail)信号及一个概观为9个细节尺度及一个概观尺度。 尺度(approximation)信号d10。各小波尺度信号 R/S分析又名Hurst分析，是以分形布朗运动模如图3所示: [6]型为基础，研究非周期行为的长期相关性，对时 d1d21010 00V/mvV/mv-10-1000.511.522.5300.511.522.53 t/st/s d3d41010 00V/mvV/mv-10-1000.511.522.5300.511.522.53 t/st/s d5d61010 00V/mvV/mv-10-1000.511.522.5300.511.522.53 t/st/s d7d81010 00V/mvV/mv-10-1000.510.522.5300.511.522.53 t/st/s d9d101010 00V/mvV/mv-10-1000.511.522.5300.510.522.533.03.5t/st/s Fig.3. Decomposed signals of acoustic emission at z=0.38m using Db2 wavelet for 9 scales at v=0.14 m/s with 40%wt 2.53.0 a)b)2.52.0 2.01.5 1.51.0 1.0log(R/S)log(R/S)0.5 0.5 0.00.0-5.5-5.0-4.5-4.0-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-5.5-5.0-4.5-4.0-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0log(T)log(T) d1 d2 d3 d4 d5 a1 a2 a3 a4 a5 d6 d7 d8 d9 a6 a7 a8 a9 Fig.4. R/S analysis at z=0.35m for 9 scale approximation and detail signals at v,0.14m/s and mass fraction M=40%wt. f 分别对每一细节尺度及概观尺度信号进行R/S声发射信号经多尺度分析后，无论其细节信号还是分析，对不同的延迟时间均取初始点为:1，10，概观信号的log(R/S)~log(T)图均呈现一定多分形关100，200，…，1000，1500，2000，…，10000(,t)系。由于细节信号之间无交叉，能更好反映每一尺样的30个点来计算R/S的平均值。延迟时间τ则取4，度的信号情况，所以以下研究均针对细节信号，并5，…，(,t)(等比间距)40个点来计算，得R/S的将第9尺度概观信号作为d10研究。值。结果如图4所示。由图4可知，淤浆鼓泡床壁面 Table 1. Hurst exponents of decomposed signals for different gas flux and mass fraction at z=0.38m v(m/s) M d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 f (%) 0.05 25 H1 0.387 0.245 0.826 0.864 0.840 0.888 0.898 0.925 0.950 0.951 H2 0.178 0.169 0.363 0.240 0.203 0.192 0.182 0.315 0.211 [—] 0.14 0 H1 0.290 0.293 0.663 0.845 0.846 0.906 0.910 0.928 0.946 0.941 H2 0.535 0.527 0.195 0.282 0.202 0.196 0.296 0.384 0.377 [—] 0.14 40 H1 0.302 0.325 0.735 0.810 0.856 0.882 0.909 0.924 0.923 0.936 H2 0.248 0.199 0.283 0.260 0.420 0.290 0.324 0.209 0.233 [—] 0.17 25 H1 0.440 0.460 0.800 0.782 0.786 0.869 0.904 0.913 0.947 0.940 H2 0.285 0.282 0.256 0.251 0.129 0.168 0.278 0.250 0.322 [—] 应关系外，S2尺度与微尺度相对应，S3、S4尺度3.3 淤浆鼓泡床壁面声发射信号的多尺度分析 则分别对应动力学中的介观尺度与宏观尺度。分别 对不同质量浓度，不同空气流速情况下，对淤计算不同气速、不同质量体积分率时的声波各尺度浆鼓泡床壁面声发射信号进行R/S分析后，分别对能量分率如表所示: Table 2 Energy distribution for multi- scale signals of different 每一尺度log(R/S)~log(T)曲线分段进行直线拟合， mass fraction with V=0.14 m/s 得结果如下表所示: 由表可知，每一信号的d1-d2尺度其Hurst指M/% S1/% S2/% S3/% S4/% f 数均小于或接近0.5，证明此尺度内的信号具有较0 1.39 95.78 2.11 0.72 强无序性，其频率较高，与气固流化床中固体颗粒16 1.36 95.72 2.07 0.85 [9]撞击壁面产生的声波信号频率有一定相近之处，24 1.34 95.49 2.42 0.75 应为气泡中夹带的固体颗粒撞击壁面产生，其产生32 1.19 94.83 2.54 1.44 机率较小，能量分率较小。d3-d7尺度都具有双分40 1.47 95.19 2.30 1.04 形关系，其第一直线关系的斜率(H1)均大于0.5， 且第一直线均出现在较短延迟时间内Table 3 Energy distribution for multi- scale signals of different (50=0.05ms)，证明其在较小时间延迟内有正,tgas flux with M= 20%(wt) f 相关性，而在较大时间延迟内Hurst指数小于0.5，-1v/m.s S1/% S2/% S3/% S4/% 有负相关性。而d8-d9两尺度虽然同样具有双直线20 0.66 96.47 2.14 0.73 关系，但其在延迟时间相对较大时(300=0.3 ms),t12 0.82 95.80 2.44 0.94 仍保持直线关系，证明其正相关性保持时间相对较6 0.60 96.64 1.92 0.84 长。d10(也即a9)尺度则只具有一个直线关系，3 0.58 96.80 2.09 0.54 且Hurst指数大于0.5，证明具有正相关性。 由表2、表3所示的能量分布可知:在不同气 根据不同尺度声发射信号log(R/S)~log(T) 曲速及浓度下，S2尺度能量分率最大，其他三个尺线表现出的直线关系的不同，可将100kHz时的声度能量分率均较小。表示声发射信号主要反映微尺发射信号大体分为4个尺度，其中d1-d2尺度为S1度液相及液相中颗粒的运动，但各尺度能量分率随尺度，表示气泡尾涡及气泡云中所含的固体颗粒撞[10]浓度变化及气速变化均较小，证明正如文献所击壁面的行为;d3—d7尺度为S2尺度，代表液相述，声发射信号比较适合测量淤浆鼓泡床整体参及液体中的颗粒撞击壁面的行为;d8—d9尺度为数，如流型等;而因其随局部参数变化较小，所以S3，代表气泡行为;而d10尺度为S4尺度，代表不适于反应器局部参数的确定。与此相对比，压力淤浆鼓泡床整体流行为。与淤浆鼓泡床动力学多尺脉动信号中则含有更多介尺度信号，能更多反映气度相对比，除S1尺度在动力学多尺度中无具体对泡相的行为。 emissions from chemical engineering processes. Chemical 4 结论 Engineering Science, 2001. 56(7):1749-1767 [3]. Zhang J.P., L.Y.F.L.S., Discrete phase simulation of gas-liquid -solid 对淤浆鼓泡床中测量的声发射信号进行多分 fluidization systems: single bubble rising behavior. Powder 形多尺度分解，根据不同尺度信号R/S分解的Hurst Technology, 2000. 113:310 指数变化规律，将声发射信号分解为S1、S2、S3、 [4]. R., D.S.J.W.A.K., Simulation of the transient and steady state S4四个尺度，分别代表气相中的颗粒、液相、气 behaviour of a bubble column slurry reactor for Fischer–Tropsch 泡及整体流行为。其中S1尺度的两直线关系中 Synthesis. Chemical Engineering and Processing, 2002. 41:35 Hurst指数均小于0.5，而S2尺度在较小时间延迟 [5]. Zhou L.X., Y.M.F.L.S., A second-order moment three-phase 内Hurst指数大于0.5，较大时间延迟时Hurst指数 turbulence model for simulating gas–liquid- solid flows. Chemical 小于0.5，而S3尺度在较大的时间延迟内Hurst指 Engineering Science, 2005. 60:647 数均大于0.5，而在更长时间时Hurst指数小于0.5; [6]. Xu xusong, MaLili, Chen Yanbin, The thoery basis of R\S analysis: 。根S4尺度只有单直线关系，Hurst指数大于0.5 fractional Brown movement. The newspaper of Wuhan University, 据不同尺度能量分率变化可知声发射信号适于测 2004. 50(5):547-550 量淤浆鼓泡床中的整体参数，而不适于局部参数的 [7]. HAO Qingmin, Non-linear Estimate and Its Application on R\S 测量。 Series Analysis, System project, 2005(3):80-85 [8]. Gui-Bing Zhao, Y.-R.Y., Multiscale Resolution of Fluidized-Bed 符号说明: Pressure Fluctuations. AIChE Journal, 2003. 49(4):869-882 V — 气体体积流量 g [9]. HOU Linxi, Acoustic Emission and multi-scales of the fluidized bed M — 固体质量分率 f in polymerization reactions, In the Department of Chemical H — Hurst指数 Engineering, 2005, Zhejiang University References: [1]. Ishibashi, H., Onozaki, M., Kobayashi, M., Hayashi, J. I., Itoh, H., [10]. Christophe Boyer, A.-M.D., Gabriel Wild, Measuring techniques in & Chiba, T, Gas holdup in slurry bubble column reactors of a 150 gas–liquid and gas–liquid–solid reactors. Chemical Engineering t/d coal liquefaction pilot plant process. Fuel, 2001. 80:655 Science, 2002. 57:3185-3215 [2]. Boyd, J.W.R., Varley J, The uses of passive measurement of acoustic