一種利用柱狀圖表徵多相混合效果的方法
2024-02-24 02:54:15
專利名稱：一種利用柱狀圖表徵多相混合效果的方法
技術領域：
本發明涉及化學工程技術領域，具體地說是一種適應於化工領域所有多相流的利 用柱狀圖表徵多相混合效果的方法。
背景技術：
混合效果的好壞對於化學工程過程是非常重要的。大約在60到80年代期間流 體混合技術得到了飛速的發展，其研究的重點主要是針對常規攪拌槳在低粘和高粘非牛頓 均相體系、固液懸浮和氣液分散等非均相體系中的攪拌功耗、混合時間等宏觀量進行實驗 研究。雖然有大量的設計經驗和關聯式的可用於分析和預測混合體系，但將攪拌反應器從 實驗室規模直接放大到大規模的工業生產中，仍是沒有把握的，至今仍需要通過逐級放大 來達到攪拌設備所要求的傳質、傳熱和混合。這種方法不但耗費財力和大量的人力和物力， 而且設計周期很長，據相關統計顯示美國的化學工業由於攪拌反應器設計不合理所造成的 損失每年約為10-100億美元。因此採用先進的測試手段和建立合理的數學模型獲取攪拌 槽中的速度場、溫度場和濃度場，以及採取有效的表徵多相混合效果的方法，不僅對混合設 備的優化設計具有十分重要的經濟意義，而且對放大和混合的基礎研究具有現實的理論意 義。近年來，隨著科學技術的不斷發展，出現了雷射都卜勒測速儀LDV和計算流體力 學CFD模擬技術以及電子斷層成像技術PET等的廣泛應用，促進了流體混合技術飛速的發 展，就目前看，表徵多相混合效果的方法眾多，主要有電導率法、熱電偶法、光學法、脫色法 等，其中電導率法在低粘性流體的攪拌混合中應用很廣，但對攪拌介質的要求高，如要求攪 拌介質為去離子水；熱電偶法則對流場會產生破壞；一般的光學法由於裝置複雜，應用也 較少；脫色法用來測高粘流體和粘彈性流體非常有效，但由於採用肉眼判斷，因而帶有較強 的主觀性。
發明內容
本發明的目的是克服了上述方法的不足，提供一種具有較高的應用價值的、簡便 可行的利用柱狀圖表徵化學工業中多相混合效果的方法。計算代數拓撲學中，第0維貝蒂數的含義是區域中連通成分的個數，簡單的說就 是區域中塊的個數；第1維貝蒂數的含義是區域中洞的個數，簡單的說就是區域中大塊的 個數；柱狀圖，也稱條圖、長條圖、條狀圖，是一種以長方形的長度為變量的表達圖形的統計 報告圖，由一系列高度不等的縱向條紋表示數據分布的情況(不同時間或者不同條件)，只 有一個變量，通常利用於較小的數據集分析；本發明用第0維貝蒂數來表徵混合效果的均 勻程度，用第1維貝蒂數來表徵混合效果的非均勻程度，用柱狀圖來比較兩個或以上的價 值，對混合過程中圖像的第0維貝蒂數和第1維貝蒂數進行柱狀圖分析，利用其分布的特點 來判斷混合是否最佳。詳細的步驟如下該方法採用統計學的柱狀圖方法，通過計算多相混 合流體混合圖樣的第0維貝蒂數和第1維貝蒂數，分別獲得多相流混合樣本的第0維貝蒂數和第1維貝蒂數時間序列的柱狀圖，第0維貝蒂數和第1維貝蒂數柱狀圖的橫坐標分別 表示混合效果的均勻程度和非均勻程度，而柱狀圖的縱坐標則表示時間，其中第0維貝蒂 數時間序列柱狀圖的橫坐標中相對較大值所佔的區域面積越大，而第1維貝蒂數時間序列 柱狀圖的橫坐標中相對較小值所佔的區域面積越大，即第0維貝蒂數越大，第1維貝蒂數 越小，混合效果越好。最後，若某工況下的混合樣本的第0維貝蒂數和第1維貝蒂數時間序 列的柱狀圖分布同時能夠很好的符合正態分布，即符合經典的鐘形曲線，則表示該工況下 的混合效果最佳。本發明的有益效果是1、解決了常用表徵混合效果方法等的不足之處；2、該方法簡單可行，直觀；3、可以降低因攪拌反應器的不合理設計造成的經濟損失，進一步指導實驗設計。本發明應用在對所有多相混合效果的判斷，該方法簡單方便，且具有很高的實用 價值，對化工實驗中判斷混合效果及理論上指導攪拌反應器的設計，提供了一種可靠實用 的表徵方法。
圖1為本發明第0維貝蒂數柱狀圖；圖2為本發明第1維貝蒂數柱狀圖。
具體實施例方式實施例1 化學實驗中涉及到氣體液體和固體三相之間的混合反應，需將幾種不同物質放到 磁力攪拌器中進行混合反應，通過粒子測速儀(針對透明或半透明流體)、電子斷層成像技 術 EPT (Electrical Process Tomography)或 CT (Computerized Tomography)(針對不透 明流體)來獲得混合的實時圖樣，然後保存圖像數據，藉助計算機計算貝蒂數的程序CHomP 進行計算，獲得第0維貝蒂數和第1維貝蒂數的時間序列，最後畫出所有工況下(轉速為 0-3000rpm)第0維貝蒂數和第1維貝蒂數的時間序列的柱狀圖，觀測其是否符合正態分布， 結果發現轉速為IOOOrpm的時候，其第0維貝蒂數和第1維貝蒂數的柱狀圖分布同時符合 正態分布，而且發現其第0維貝蒂數較大值分布區域較大，第1維貝蒂數較大值分布區域較 小，換句話說，此工況下的相分布塊數最多，大塊的分布數最少，混合效果最佳。如圖1和圖 2所示。其柱狀圖符合正態分布，即經典的鐘形曲線。
權利要求
1.一種利用柱狀圖表徵多相混合效果的方法，其特徵在於採用統計學的柱狀圖方 法，計算多相混合流體混合圖樣的第0維貝蒂數和第1維貝蒂數，分別獲得多相流混合樣 本的第0維貝蒂數和第1維貝蒂數時間序列的柱狀圖，其中第0維貝蒂數和第1維貝蒂數 柱狀圖的橫坐標分別表示混合效果的均勻程度和非均勻程度，而柱狀圖的縱坐標則表示時 間，根據第0維貝蒂數時間序列柱狀圖的橫坐標中所佔的區域面積的大小來判斷該工況下 的混合效果；當第0維貝蒂數越大，第1維貝蒂數越小，混合效果越好，柱狀圖分布符合正態 分布，則表示混合效果最佳。
2.根據權利要求1所述的利用柱狀圖表徵多相混合效果的方法，其特徵在於計算過 程中的第0維貝蒂數和第1維貝蒂數是通過CHomP國際免費軟體來計算獲得。
3.根據權利要求1所述的利用柱狀圖表徵多相混合效果的方法，其特徵在於針對透 明或半透明流體通過粒子測速儀來獲得混合的實時圖樣；針對不透明流體採用電子斷層成 像方法EPT來獲得混合的實時圖樣。
全文摘要
本發明是一種利用柱狀圖表徵多相混合效果的方法。該方法採用統計學的柱狀圖方法，計算多相混合流體混合圖樣的第0維貝蒂數和第1維貝蒂數，分別獲得多相流混合樣本的第0維貝蒂數和第1維貝蒂數時間序列的柱狀圖。根據第0維貝蒂數時間序列柱狀圖的橫坐標中所佔的區域面積的大小來判斷該工況下的混合效果；當第0維貝蒂數越大，第1維貝蒂數越小，混合效果越好，柱狀圖分布符合正態分布，則表示混合效果最佳。本發明適應所有涉及多相流混合效果的表徵，該方法簡單方便，且具有很高的實用價值，對化工實驗中判斷混合效果及理論上指導攪拌反應器的設計，提供了一種可靠實用的表徵方法。
文檔編號G06F17/50GK102004816SQ201010529968
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月3日 優先權日2010年11月3日
發明者徐建新, 王仕博, 王 華 申請人:昆明理工大學