基于多尺度特征解析和混沌同步理论的气固两相流动结构研究

流动结构的量化和系统集成是制约流态化技术的瓶颈，本课题以气固两相流系统为研究对象，采用多通道声发射技术，提出在两个层面展开研究：其一为各局部子系统的非线性动力学行为，重点研究信号的跨尺度耦合关联，提出一个普适的信号多尺度特征解析框架，获取各局部子系统的动力学信息，阐明颗粒和流体的动力学行为及其相互作用机理；其二为局部子系统间的耦合作用关系，提出引入混沌同步原理，并结合两相流特点，分析同步出现的层次，同步的类型和程度，获得各子系统间的同步信息；基此，整合各子系统的动力学信息和相互间的同步信息，全面、定量地刻画整个两相流系统的非均匀结构，揭示其形成机制和时空演化规律。在此基础上，研究基于多目标信息融合的"健康"诊断系统，实现异常模式的检测和分离，确保生产装置的安、稳运行。本项目的实施将极大丰富信号多尺度理论和方法，并为气固两相流过程的设计、检测和控制等提供理论和技术支持。

本项目以气固两相流系统为研究对象，根据采集的多通道声发射信号，提出采用基于随机相位傅里叶变换方法和振幅调节傅里叶变换方法的替代数据检验方法，实现了声发射信号的非线性检验与混沌识别；开发了一种系统的交叉频率耦合方法，实现了声发射信号的跨尺度耦合关联分析，揭示颗粒与流体间的相互作用机理，并结合前期研究的多尺度解耦和综合方法，系统地构建了声发射信号的多尺度结构解析框架。在此基础上，采用多尺度分析方法提取有用特征信息，发展了一种新型的可能性模糊聚类方法，构建了气固两相流系统的健康诊断系统，已成功应用于卧式搅拌釜反应器的异常模式检测，确保生产装置的安、稳运行。此外，本项目开发了一种通用的多目标蚁群优化算法，同时考虑了最小化成本，最大化检测精度和可靠性三个相互冲突的目标，成功解决了非冗余线性传感器网络的最优设计，它为多通道声发射传感器网络的最优配置提供新的解决方案和技术支持；发展了一种基于随机模拟的多目标优化算法，同时考虑最大化平均输出功率和最小化输出功率方差，结合多准则决策方法，已成功用于微生物燃料电池系统的鲁棒优化；针对碳捕获和储存系统的部署优化问题，构建了源-汇匹配设计的混合整数规划模型，并提出了最坏情况模型和鲁棒两阶段随机规划模型，分别用以解决区间和随机两类不确定性参数问题，案例研究表明所提方法的有效性和优越性。本项目的研究丰富了信号多尺度、多目标优化和随机优化的理论和方法，并为复杂系统的设计，优化和控制等提供理论和技术支持。