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(x,y)处的灵敏度分布函数为先验数据，采用Marching Cubes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；Marching Cubes

算法

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The 3-D data field visualization and computer simulation of electrical capacitance tomography

system Abstract

Electrical Capacitance Tomography(ECT) is a kind of new technology of measuring parameters of multi-component flow. Three-dimensional data field visualization is the theory, method and technology about how to convert scientific computation processes and results into graph and image using computer graphics and image processing technology,and then display them on screen so as to support the interactively processing. In this paper, we aimed at the widely used oil water liquid-liquid 2-phase flow system in the oil industry. Marching Cubes algorithm is used to display the process of flowing and variation on screen using 1-dimensional projection data detected by electrical capacitance sensors in discrete time and the sensitivity distribution of different point (x,y) in the sensor is used as prior data.

In the paper, we first analyzed the principle of the sensors in ECT system, the working principle of the system and the field meshing based on finite element model as well as the calculation of sensitivity filed. On the basis of the analysis, we replace every solid element of the MC algorithm by one element of gray level matrix; the iso-value surface image of the solid elements can be constructed by a series of connected triangular facets; The contour lines of the adjacent two cross section image are connected by using the Maximum Volume Method, and then We use the principle of retina time delay to implement the visualization of three-dimensional data field for ECT system.

We use the methods mentioned above in the analysis of oil-water two-phase flow in circular pip-line. Satisfying result is obtained in computer simulation experiment. By the visualization of the oil-water 2-phase flow in the industrial site, we can convert the measured data into image, and change the black-box system into transparent system. We can find the underlying regularity from magnitude data so as to provide effective and visual data for industrial measure and decision of control.

Key words electrical capacitance tomography, two-phase Flow, computer simulation,3-d data field visualization, marching cubes algorithm

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第1章 绪 论

在现代工业中，多相流检测系统得到广泛的应用，发展多相流检测技术是现代工业发展的迫切要求,该技术在解决多相流检测问题上有巨大的发展潜力和广阔的工业应用前景；而科学计算可视化（Visualization in Scientific Computing）是发达国家在20世纪80年代后期提出并发展起来的一个新的研究领域，它利用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中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。将多相流检测系统与科学计算可视化结合在一起，可大大提高检测与科学计算的质量，使科学研究的面貌发生根本的变化。

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

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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，这三个参数的测量也是目前多项流检测技术研究的重点[5]。

环 流 层 流 核心流 多滴流

图1-1 四种典型的流型 Fig 1-1 4 Typical flow patterns

由于多相流系统各相之间存在着界面效应和相对速度，多相流体流动特性复杂多变，因此，其参数的检测存在很大的难度。虽然国内外诸多的研究人员为此做了大量工作，研究工作不仅涉及各种新技术，如放射线技术、激光多普勒技术、核磁共振技术、超声波技术、光纤技术、流动层析成像技术等，而且也有很多是采用传统的单相流仪表和多相流检测模型进行多参数组合辨识来测

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量的，但这些测量方法和手段基本处于实验室探索阶段，实用化的工业型测量仪表和方法尚未见有关报导。

目前，关于多相流检测技术的研究发展趋势主要有以下几个方面[6]：

（1）针对多相流动过程是一多变量的随机过程，随着随机过程理论和信号处理技术的不断完善和发展，应用数理统计、参数估计和系统辩识的理论和技术，进行多相流参数的估计将成为重要的发展趋势。

（2）随着计算机技术和图像处理技术的发展，获取关于多相流体的多个信息，应用流动层析成像技术，对多相流体局部空间区域进行微观和瞬态的测量将是一个重要的发展方向。

（3）借助电子技术、半导体技术的发展，研制高灵敏度、准确度和可靠性的多相流参数检测仪表是一项重要的基础工作。

（4）在速度测量方面，相关法、空间滤波法和激光多普勒法等测量技术和方法将受到广泛的应用。

（5）如何将成熟的传统单相流参数检测技术和测量仪表用于多相流参数检测当中，这将是一个重要的研究方面。

在多相流检测技术发展的几个主要趋势中，流动层析成像技术的研究是一个引人注目的发展方向。本论文就是利用电容流动层析成像技术，通过对两相流体局部空间区域进行瞬态的数据测量，经科学计算，利用计算机图形学和图像处理技术，再现流动的两相流体的流型及离散相浓度。

1.3 流动层析成像技术

1.3.1 简述

层析成像（Tomography）技术也称计算机断面（层析）成像（Computerised Tomography），简称CT技术或计算机辅助层析成像（Computer Assisted Tomography，简记为CAT），是指在不损伤研究对象内部结构的条件下，利用某种探测源，根据从被探测对象的外部获得的投影数据，运用一定的数学模型和重建技术，使用计算机生成对象内部的二维图像，重现对象内部特征。层析成像在图像处理学上称为图像重建，它不同于图像处理学中由图像到图像的处理方法，而是一种由投影数据（在医学工程中投影数据由计算机断层扫描装置提供）获得图像的特殊图像处理方法，即根据物理对象某一截面的一组投影数据，采用图像重建算法经过计算机处理获得该物体截面的图像，从而直观地反映截面区域的有关信息[7]。

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80年代以来，CT技术工业应用的发展引人注目。工业CT不但成为工业设备或部件的无损检测新军，而且它们正在迈入工业生产过程的在线实时质量监控和工业设备在役安全检查等领域。鉴于工业CT具有其它检测手段无法比拟的优点，科研人员将CT技术“移植”到多相流检测领域，称为过程层析成像，或称为流动层析成像，简称流动成像，以区别于医学工程中的层析成像技术。

流动层析成像技术同其他多相流参数检测技术相比，比较明显的特点和优势主要表现在以下几方面[8]：

（1）能提供多相流混合体流动过程中局部区域瞬态微观的信息，即管道某一截面处的多相流断层图像，基于这些信息可对多相流系统的流型进行辨别；

（2）与其它测量技术相配合可应用于多相流流量及流速等的实时检测； （3）通过对图像的处理和分析，可以获得多相流混合体各分相局部浓度的分布,进一步处理可得各分相的总浓度即离散相浓度；

（4）流动层析成像技术具有适用范围广的优点，各种工业生产过程中常见的多相流均能应用该技术。

1.3.2 国内外相关领域研究状况

流动层析成像技术的研究开始于20世纪70年代后期，在医学CT技术所获巨大成功的激励下，研究人员开始尝试将CT技术应用于多相流参数检测领域，以获得更加直观和更加准确的测量结果。从20世纪80年代中期开始，以英国的曼彻斯特大学理工学院（University of Manchester Institute of Science and Technology）M.S.Beck教授为首的研究小组开始了基于电容、超声波等适合于工业应用传感机理的层析成像技术研究，并正式提出了流动层析成像这一概念，以区别于医学的CT。由于先期的研究成果极大地鼓舞了科技工作者，不同学科领域的研究人员开始联合起来，积极探讨基于不同传感机理的层析成像系统，并将这一多学科交叉的高新技术概括地称为“流动层析成像”技术[9]。进入20世纪90年代，随着流动层析成像技术的研究和发展，令人鼓舞的研究成果不断涌现，该技术在工业应用中的巨大潜力逐步为人们所认识，这方面的研究也得到了有关政府的重视和资助，同时，流动层析成像技术也得到了工业界的关注，一些工业企业也开始资助和积极参与该技术方面的研究。

在我国，清华大学和天津大学于20世纪80年代率先进行了流动层析成像技术的研究，而后浙江大学、东北大学、武汉大学、浙江工业大学、中国科学院和哈尔滨理工大学等高等院校和科研单位也相继开展研究，已经开发出几种基于不同传感机理的流动层析成像样机系统。这些科研成果得到国家自然科学

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基金委员会及有关工业部门给予的大力的资金资助，以支持流动层析成像技术的研究和开发。

由于多相流的复杂性，难以完全用理论解决问题，欲将理论计算结果应用于工程实践，必须依靠试验来验证或修正，而多相流参数检测技术又是实验研究的重点之一。国内外众多的研究人员为此做了大量的研究工作，已经取得了较大的进展。通常，可将多相流参数检测技术分为以下几类：

（1）将传统的单相流仪表，采用实验校正方法应用于多相流参数测量。 （2）以现有检测手段为项目，采用新的信号处理技术进行多相流的参数测试。将模糊数学、神经网络、小波变换、过程辨识、近代谱估计等理论引入多相流参数测试领域中，来解决复杂的、不确定的，且难以用数学模型精确描述的多相流系统参数测量。例如，应用参数估计测量多相流流速，可克服用传统渡越时间相关法测速存在的随机误差大、分辨率低、动态响应慢等不足，并已研制成仪表雏形。采用电容传感器阵列交流抗杂散微小电容测量电路，基于8051单片机及嵌入式等相关装置，在测量气固两相流浓度和质量流率已取得初步的研究结果。

（3）采用近代新技术应用于两相流参数测量。将辐射线技术，激光技术、核磁共振技术、微波技术、光谱技术、新型示踪技术、相关技术、过程层析成像技术等应用于两相流参数测量。本世纪80年代中期兴起的过程层析成像技术（PROCESS TOMOGRAPHY，简称PT），主要包括核子层析成像、光学层析成像、电学（电阻、电容、电磁）层析成像、微波层析成像、超声层析成像等，能在线连续提供多相流体截面状况的二维可视化信息。过程层析成像技术在多相流测试中存在巨大的潜力，将发挥越来越大的作用。

尽管上述这些方法在解决多相流参数检测方面取得很大进展，但是面对飞速发展的现代工业应用的需求，多相参数检测技术还远未满足工业应用和发展的要求，在国内外都属于探索研究的领领域，世界各工业发达国家除形成许多多相流研究中心外，美国中西部20所大学与阿贡国家实验室及工矿企业联合成立了多相流研究所，开展多相流方面的研究工作，涉及多相流问题的国际学术会议平均每年十多次，刊登有关多相流学术论文的国际杂志已超过300种。我国从1986年起已连续四次召开了全国多相流测试学术会议，并于1992年正式成立了中国计量测试学会多相流测试专业委员会。国家在八五、九五科研规划中对两相流的研究给予了高度重视，并在西交大建立了动力工程多相流国家重点实验室，我国多相流测试技术研究从分散到集中并逐步缩小与世界各发达国家的差距。

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1.4 三维数据场可视化概述

1.4.1 引言

科学计算可视化（Visualization in Scientific Computing）是运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中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。它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等多个领域。

数据可视化首先来自科学计算可视化（Visualization in Scientific Computing），科学家们不仅需要通过图形图像来分析由计算机计算出的数据，而且需要了解在计算过程中数据的变化。随着计算机技术的发展，数据可视化的概念大大扩展，它不仅包括科学计算数据的可视化，而且包括工程数据和测量数据的可视化。学术界通常将这种分布在三维空间内的空间数据的可视化称为体视化，也叫做三维数据场可视化[10]。

CT技术正是数据可视化技术的一个应用，它是物理学和计算机科学发展的产物。电容层析成像虽与CT技术在传感器检测方法上不同，但其后在层析成像、运用特定的重建算法原理上是相同的，都是将传感器检测的一组离散的一维投影数据经计算机处理后，再现被测对象真实写真。

尽管计算机断层扫描已广泛应用于疾病的诊断，但这些医疗仪器只能提供人体内部的二维图像。医生们只能凭经验由多幅二维图像去估计病灶的大小及形状，“构思”病灶与周围组织的三维几何关系[11]。与之相对应，目前，在工业上，电容层析成像系统的研究也局限于离散相分布的二维图像重建上，将电容传感器测量的电容量经计算机处理后，利用计算机图形学和图像处理技术，变成二维图像的灰度值，再现流动的两相流体的流型及离散相浓度。一组测量数据对应一幅二维图像，多幅二维图像间没有相关性，无法展现被测对象内在运行的动态过程[12]。

科学计算可视化技术的核心是三维空间数据的可视化[13]，它可以由一系列二维图像重构出三维形体，并在计算机上显示出来。在医学上，可实现矫形手术、放射治疗等的计算机模拟及手术规划；在多相流检测系统，可实现将测量数据变成图形数据、将工业现场的“黑箱”系统变成透明系统，将不稳定流场的迹线直观的表现出来，激发人的形象思维，为科学发现、工程开发、工程诊断和业务决策提供依据；供控制者对被测对象内在运行情况、变化规律进行深入的了解和掌握。

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1.4.2 三维数据场可视化技术的特点

计算机用于科学计算和数据处理已有近50年的历史。但是，由于计算机技术的限制，数据只能以批处理而不能进行交互处理；不能对计算过程进行干预和引导，只能被动地等待计算结果的输出；而大量的输出数据也只能采用人工方式进行处理。不仅不能及时地得到有关数据的直观、形象的整体概念，而且还有可能丢失大量信息。三维数据可视化技术与传统的计算机数据处理相比，具有三大明显特点：[14]

1.4.2.1 交互性 一组基础数据来源于基层或一次仪表的测量数据，它可供系统完成各种管理、控制及输出、打印等功能，这是将数据转化为信息的过程。知识可分成两大类，一类是不可以用语言和文字来描述的，称之为隐知识；另一类是可以用语言和文字来描述的，称之为显知识。显然，信息就是显知识。而数据可视化系统怎样来分析和处理大量复杂的数据呢？答案是要提供象人眼一样的直觉的、交互的、反应灵敏的可视化环境，将数据和信息用图形和图像表示出来，为用户提供获得隐知识的创造条件，使用户可以方便地以交互的方式管理和开发数据。

1.4.2.2 多维性 用户可以看到表示对象或时间的多个属性或变量，而数据可以按其每一维的值，将其分类、排序、组合和显示。

1.4.2.3 可视性 数据可以用图像、曲线、二维图形、三维体和动画等形式来显示，并可对其模式和相互关系进行可视化分析。人的创造性不仅取决于人的逻辑思维，而且取决于人的形象思维。海量的数据只有通过可视化变成形象，才能激发人的形象思维。从在表面上看视杂乱无章的海量数据中，找出其中的规律，为科学发现、工程开发、医疗诊断和业务决策提供依据。

1.4.3 三维数据场可视化现状与发展趋势

科学计算可视化（Visualization in Scientific Computing）是发达国家在20世纪80年代后期提出并发展起来的一个新的研究领域。1987年2月，美国国家科学基金会在华盛顿召开了有关科学计算可视化的首次会议。会议指出：科学家们不仅需要分析计算机得出的计算数据，而且需要了解在计算过程中数据的变化，并要将这种变化显示出来，激发人们的潜在意识，为科学发现提供感性认识。这些都要借助计算机图形学及图像处理技术，因而“将图形与图像处理技术应用于科学计算是一个全新的领域”。会议将这一领域定名为“Visualization in Scientific Computing”；自1990年起，每年举行多次“信息可视化”国际学术

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会议；自1995年起，每年举行一次国际学术会议。近年来，科学计算可视化又扩展到工程计算可视化及测量数据可视化 ；随着网络技术和电子商务的发展，信息可视化又被作为新的课题提出。通过数据可视化技术，发现大量测量数据中的隐知识、发现金融、通信和商业数据中隐含的规律，从而为决策提供依据，已成为数据可视化技术中新的热点。目前，科学计算可视化的应用领域已涉及医学、地质勘探、气象学、分子模型构造、计算流体力学、有限元计算等各个领域[15]。

我国科学计算可视化（Visualization in Scientific Computing）研究自20世纪90年代，最早清华大学、北京中科院计算所、软件所和浙江大学分别开展了科学计算可视化研究，在医学、石油、地质勘探、地震预报等领域取得了可喜的成绩。在这两校及中国科学院的推动下，天津大学、第三军医大学、国家气象中心和哈尔滨理工大学等高等院校和科研单位也相继开展研究。迄今，已有较成熟、针对不同应用领域的三维数据场可视化算法、应用实例及丰硕研究成果。最为代表的有2003年7月第三军医大学报发表的“中国数字化可视人体” [16]，文中介绍了计算机三维数据重构方法及心脏各部位可视化结果，图像形象、逼真、立体效果好，这无疑为科学计算可视化技术的进一步发展打下了坚实的基础。

信息可视化应用依赖于人的视觉和感知系统天生就能迅速反映、理解、判断的基本特征。信息系统的设计人员利用这些特征来提高显示信息的数据密度，通过人天生的感知系统，发现数据间的内在规律、变化趋势、数据的异常值或错误，准确找到最小值和最大值以及识别聚类（Cluster）。再通过人的认知系统的分析、判断，更好地理解复杂系统，提高决策能力，挖掘原本可能不知道的信息[17]。

随着信息化社会的到来，信息处理量越来越大，未来信息可视化向以下五个方面发展[18]：

（1）三维数据的可视化。科学可视化的许多应用是三维可视化，因为科学可视化的用途主要就是表示实际的三维物体,这种计算机模型为科学家提供了进行操纵及实验以及预测真实物体实际行为的方法。近年来，三维可视化应用于众多方面，特别是在地质、建筑和医学领域、虚拟现实建模语言（VRML）和数字成像等技术用来构建能够逼真显示三维数据的系统。有了这些系统，人们就能分析及研究三维物体和空间，这种方式比使用实际物体来得更实用、更有效。

（2）多维数据的可视化。在信息可视化环境中，多维数据是描述有三种以

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