关于鼓泡塔和气升式反应器内流域识别方法的综述

关于鼓泡塔和气升式反应器内流域识别方法的研究综述摘要：本文简要叙述了流域识别的各种方法，报道了国外有关流域识别研究工作的最新进展。其中主要对压力波动信号时间序列的非线性分析法进行了着重论述。并对各种方法在确定鼓泡塔和气升式反应器内流域转换和揭示相应流域下流动特性的能力给予了评论，总结了各种方法存在的优点和局限性。关键词：鼓泡塔反应器；气升式反应器；流型；流域；压力波动ReviewofthemethodsaboutflowregimeidentificationinbubblecolumnandairliftreactorAbstract：Allkindsofmethodsaboutflowregimeidentificationweredescribedbrieflyinthispaper,andthelatestadvancesinthisfieldwerereported.AseveralNon-linearanalyticmethodsforthetimeserialsofpressurefluctuationsignalsweremainlydiscussed.Theirabilitytodetermineregimetransitionandtoextractregimefeaturesinbubblecolumnandairliftreactorsiscomparedandtheadvantagesandlimitationsofthesemethodsweresummarized.Keywords:bubblecolumnreactor,airliftreactor,flowpattern,flowregime,pressurefluctuation.1、前言：近年来，鼓泡塔反应器和气升式反应器由于具有结构简单、能耗小、占地面积少、良好的传质和混合特性等而被广泛用于污水处理领域，作为传统的活性污泥和生物膜法的主要工艺设备。其中尤为值得一提的是：气升式反应器作为一种改进的鼓泡塔反应器，又兼具剪切速率低、剪切力场分布均匀、返混程度低等独特的优点，在生物降解工艺中被优先选用，具有广阔的应用前景。上述两种多相流反应器体系内的流体动力学特性对絮凝体尺寸分布、污泥固－液分离特性[1]、生物膜的厚度、密度等特性[2]均有巨大的影响作用，因而对最终的污水处理效率具有至关重要的决定作用。鉴于此多相流体系内的流体动力学极为复杂，具有非线性混沌特性，难以解析，考虑到体系的流体动力学特性、混合、传质特性主要取决于流域以及各流域所特有的流动结构[3]，因而大量研究工作者一直把反应器内流型的识别和流域的划分作为反应器设计、放大的基础和确定操作范围的依据，将实验室反应器设计放大为工业反应器，首先应保证操作流域的一致。为了探索识别流型和精确确定流域转换的新方法，寻找揭示不同流型下流动结构和流动特性的新技术，力求解析出引发流域转换的内在物理机制，研究者们已开展了大量的研究工作，并且取得了一些突破性进展，一些新技术、新方法应运而生。二十世纪，非线性动力学领域混沌理论、分形理论的诞生更为识别流域和解析体系的动态流动特性提供了重要的方法论，颗粒图象测速仪（PIV）、激光多普勒测速仪（LDA）等先进实验仪器的出现更为获取瞬间动态信号提供可靠的工具。本文详细论述了用于流域识别和确定流域转换的各种方法，并就各种方法在确定流域转换和获取相应流域下流动特性方面的能力进行了比较。2、流域及其特性：确实，具有特定的流域是鼓泡塔反应器和气升式反应器上升管的一大特色。通常根据表观气速和气体分布均匀性把反应器内的流域划分为三种基本流动域[4]，即均匀鼓泡域、过渡域和湍动域也称为非均匀流域。不同的流域具有各自不同的流动特性和流动结构。均匀鼓泡域一般在表观气速很小时存在，在此流域内气泡较小且气泡尺寸均一，在轴向和径向分布均匀，气泡间相互作用很弱，不发生严重聚并，无较大的液体宏观流动结构形成。众所周知，对于处于间歇操作，使用均匀分布器的鼓泡塔而言，均匀鼓泡流一般在表观气速低于5cm/s条件下存在。当表观气速进一步增大，体系内开始出现大的流动宏观结构，即所谓的旋涡－螺旋结构，这表明流域已经发生了转换，发展为过渡流域，在此流域内，气泡开始发生聚并，气泡尺寸分布变宽，流动结构不均匀，不稳定。在更高的表观气速下，体系内的流动开始变得极不稳定，气泡间发生强烈的相互作用，发生严重聚并，大气泡开始出现，湍流域形成。此时，大、小气泡在反应器内同时出现，大气泡在反应器中部以较快的速度向上运动而小气泡则在器壁附近缓慢上升，有时甚至会表现出向下运动趋势，气含率存在显著沿径向分布，引发了液体的宏观循环流动，局部和整体液体循环流动同时存在。气体分布板的构造、反应器的几何尺寸、操作条件均会对流域产生影响作用，气体分布板一直是研究的热点，目前已得出比较一直的结论：使用孔径小于1mm的多孔布气板，在不同的气速下，上述三种流域相继出现。而使用较大孔径的多孔布气板或单口喷嘴，只有非均匀流域出现，基于确定流域转换点是本文的核心内容，因而在下面的论述中，均以孔径小于1mm的多孔布气板体系为核心。3、流域识别和确定流域转换的方法：3.1基于时均参数的古典方法：历史上，通常用目视观测识别流型，但是基于量化表征流域转换是必不可少的，研究们提出了如下三种经验方法：3.1.1平均气含率－表观气速法第一种广为使用的实验法是通过测量与流动结构相关的某一时均流体动力学参数随表观气速增长的变化趋势来识别流型，此参数一般在流域发生转换时会发生突变。在鼓泡塔反应器中，平均气含率经常被选为表征参数。图1显示了鼓泡塔中平均气含率（εg）随表观气速(Ug)增长的变化情况。当体系内的流动处于均匀流域时，气含率随表观气速的增长成线性增长。而在过渡流域，气含率的变化开始偏离此线性关系，首先会出现一个最大值，标志着液体宏观循环流动结构的形成，然后开始趋于下降，当气含率达到最小值时，就标志体系已经从过渡流域过渡到完全发展的非均匀流域。可是如此明显的转换特征并不总是能获得的。使得此法的应用受到很大限制。尤其在气升式反应器中，由于附加的总体液体环流运动的影响，在流域发生转换时，并没有最大值出现，使用这种方法很难确定流域转换对应的气速。3.1.2漂移通量法：第二种方法是根据漂移通量理论演变而来的：（1）、Wallis[5](1962)首先提出了漂移通量理论来求取流域转换气速和进行流域识别。气体漂移通量的定义是：气相相对于两相平均速度运动的表面容积通量，其表达式为：（1）式中Us是气体相对于液体的滑移速度，当气液并流向上时，其表达式为：（2）将Jgl对εg作图，开始时Jgl随εg增大缓慢增大，但当εg增加到某一值时，曲线斜率发生突变，Jgl迅速增大。曲线斜率的改变标志着体系开始从均匀鼓泡流向湍流流域过渡，此气含率εg对应的表观气速ug就是流域开始转变的气速。此法较适合于识别处于半间歇操作鼓泡塔内的流域转换。由于气升式反应器内附加的总体液体循环流动的影响作用，使得发生流域转换时曲线的变化趋势较鼓泡塔而言要不明显得多，不适于作为识别气升式反应器内流域转换的方法。（2）、Zuber和Findlay[5]在1965年在Wallis的漂移通量理论基础上提出了一种改进的漂移通量分析法，这种方法最先是用于预测非均匀流域条件下的气含率值，其用于识别气升式反应器上升管内流域转换要比用于鼓泡塔更为有效，被广为用于识别气升式反应器上升管内的流动情况。他们提出对于并流操作，漂移通量方程可由下式表述：（3）式中，〈〉代表取平均，C0是径向非均匀性的表征参数。如图2所示，ug/εg对（ug+ul）作图，在均匀流域，气含率和速度分布比较均匀，C0一般在1.0左右,而在非均匀流域，C0一般在1.53-1.60左右。Snape等人[6]根据外环流气升式反应器上升管内的实验数据给出：对均匀流域C0＝1.08，而非均匀流域，C0＝1.52；由图2可见，过渡流域对应的C0值比非均匀流域下的相应值要高得多，这说明非均匀流域下的速度分布较之过渡流而言要平坦的多。Vial[7]在其文献中对此提出了解释，他认为这主要是因为在过渡流状态下，体系内一个大的液体局部环流结构致使流动非均匀性增加所至。而且Vial等人在改变降流管阀门开度的实验中获得了与Snape等人相近的结论，在均匀流域C0约为1.0，非均匀流域C0约为1.6几乎不随阀开度变化，而在过渡域，阀门开度对C0值有显著影响作用，进一步支持了上述结论（总体液体循环速度可流动的均匀性产生了调节作用）。虽然此法可很好的确定流域转换气速，但是由于过渡发生时，斜率变化并不十分显著，很难作出精确判断，缺乏准确性。（3）、最近Bendjaballah等人[3]结合上述两种方法，根据漂移通量和滑移速度提出了一种改进的方法，主要通过滑移速度Us对ug+ul作图，由于在均匀流域，Us随ug+ul增加而下降，而在非均匀流域，Us随ug+ul增加而增加，呈现出与均匀流域截然不同的趋势，变化比较明显，从而在一定程度上提高了流域识别的准确度。εgug/εg(3)(3)(1)均匀鼓泡流域(1)均匀鼓泡流域(2)过渡流域(2)过渡流(2)(3)非均匀流域(3)非均匀流域(1)(2)(3)(1)3-5cm/s7-9cm/sUg(cm/s)ug+ul(m/s)图1.鼓泡塔反应器内的流域划分图图2.Zuber和Findlay漂移通量分析图3.1.3动态气体逸出法（DGD）第三种方法称之为动态气体逸出法（DGD），此种方法是国外近年来广泛采用的一种比较简单、测量精度较高的用于测量气含率和或知有关气泡尺寸分布特性（大小气泡所占比例）的方法。在鼓泡塔处于稳定操作条件下，突然关闭气源，同时使用压力传感器连续测量切断气源后反应器内压力梯度的变化。用此法进行流域识别、判断流域转换主要是基于如下认定：均匀流域内气泡尺寸分布均匀，关闭气源后，所有气泡几乎均以相同的速度逸出，因而气含率随时间呈单一的线性下降关系。而在非均匀流域，大小气泡群同时存在，大气泡在关闭气源的初始阶段首先快速逸出，造成气含率的显著下降，而当大气泡几乎全部逸出后，小气泡开始逐渐缓慢逸出，气含率下降趋势减缓，逸气过程表现出明显的阶段性。通过观察气含率随时间的变化规律可获悉体系所处的流域。在鼓泡塔内使用该法获得的典型曲线图如图3所示。显而易见，该法不适合用于识别气升式反应器内的流域，因为关掉气源也就意味着停止了总体液体的循环运动，而且这种方法并不能确定出发生流域转换所对应的表观气速。但是不可否认的是，该法确实不失为一种同时分析流域和气相流动结构的好方法。综上所述，上述提及的基于体系平均流体动力学参数变化特性识别流域的各种方法的主要缺陷在于缺乏普适性，要视反应器而定而且准确度低。这正是大量研究者致力于开发具有普适性、高精度识别技术的主要原因，也正是在这种推动力的作用下，才有了第二类方法的蓬勃发展。εg非均匀流域（1）气源关断前(1)（2a）大气泡逸出（2a）(2b)小气泡逸出(2b)（3）液位(3)均匀流域T(s)时间图3.动态气体逸出法示意图3.2基于动态信号时间序列的非线性分析法：新近出现的这类方法主要是通过解析与流型相关的各种信号的动态波动情况，获取体系的瞬态流动信息，更为准确的识别流域转换，以便达到从物理本质上揭开有关引发流域发生转换的内在机制这一最终目的。目前，这类方法已被广泛应用于两相和三相管流[8]、填充床反应器[9]、喷淋床反应器[10]、流化床反应器[11]、鼓泡塔反应器和气升式反应器[12-13]内流域的识别。为了获悉有关流域动态特性的相关信息，科技人员对壁面压力波动信号[14]、局部气含率波动信号[15]（使用光学探针测得）、轴向径向脉动速度波动信号[16]（使用激光多普勒测速仪（LDA）测得）、局部瞬间传热速率波动信号[17]（使用热丝探针作为测量工具）等各种信号的分析方法作了深入的探讨。目前最为突出且广为使用的非线性分析方法主要包括：频谱分析法[14，18]、分形分析法[16,19]、混沌分析法[16,20,21]以及新近提出的一种基于自相关函数的时域分析法[12-13]本文仅就上述四种方法给予详细叙述。尚须阐明的是在上述提及的测量信号中，由于压力是能量参数，壁面压力信号的波动可能源于下列各种物理现象的发生：气泡通过、气泡形成、气泡聚并和气泡破碎、液相的湍动、循环流动等，因而很难从中直接获取有关流动结构的相关信息。但是由于获得壁面压力信号的测量技术非常简单而且费用低、加之测量仪器（一般为压力传感器）并未直接插入流场对流场不构成干扰，又不受体系透明度的限制，备受青睐，具有实际工业应用价值。鉴于上述原因，本文仅以壁面压力波动信号解析为例对各种方法加以阐述。3.2.1频谱分析法(PSDF)：频谱分析主要是把压力时间序列的自相关函数（Cxx）通过快速傅里叶变换获得相应的功率谱密度函数（PSDF）。某一时间序列x(t)的傅里叶变换由（4）式定义：（4）时间序列x(t)的自相关函数Cxx定义式为：（5）相应的功率谱密度函数（PSDF）的表达式为：（6）功率谱的计算可是我们获知在宏观和微观尺度范围内是否有周期或者准周期运动的存在，以及这些运动所产生的特征频率。Drahoš等人[14]最早在鼓泡塔的研究中使用了这种方法，他们经过调查研究得出了各种物理现象产生的特征频率范围，详见表1。而且得出如下结论：对鼓泡塔而言，我们感兴趣的频率范围是0－20Hz。这为后续研究工作奠定基础。一般对鼓泡塔和气升式反应器内压力信号作频谱分析时通常采用25Hz作为低通滤波的截断频率。在处理信号时，一般采用Welch提出的平均周期图法估算，即把数据序列分为长度为L（经常选512个点）的K个有一定重叠或者无任何重叠的数据段，每一段数据采用数据窗函数处理，通常使用Hanning（汉明）窗函数来处理以避免混淆现象的发生。Vial等人[12,13]获得的频谱图具有典型的代表意义，如图4所示，他们的研究表明：对于使用多孔板作为气体分布器的鼓泡塔反应器而言，在均匀流域时，只在低频带出现一个特征峰，对应的特征频率大约为0.1Hz，经过分析他们认为此表1压力信号的特征频率来源特征频率的数量级气泡的形成>101气泡通过100－101气泡聚并100大尺度旋涡10－1中等尺度旋涡100液位波动10－2－10－1峰是液位缓慢振动产生的。而在非均匀流域，只在3－5Hz出现一个较宽的特征峰，他们认为这是由于在此流域下，气液两相均已形成宏观流动结构，近壁处气泡交替地向上、向下运动，这种准周期现象导致近壁处压力波动较高，产生了新的特征峰。虽然在非均匀流域，气泡发生聚并和破碎，但是是随机发生的，导致这些现象的强度与而近壁处气泡的准周期运动相比要弱得多。在过渡流域，上述提及的两个峰均同时存在，只是强度有所变化。这就意味着气泡的准周期运动有一个逐渐发展的过程，随着气速的增加，其强度会逐渐增加，当其强度超越了均匀流域下液位波动时，就标志着已经过渡到非均匀流流域。外环流气升式反应器的PSDF变化趋势与鼓泡塔内的大致相同，只是由于此体系内总体液体循环流动的寸在，起到了稳定体系的作用，使得对气升式反应器而言，第二个特征峰峰的特征频率在4或5Hz左右，较鼓泡塔的要高（一般在3HZ）。非均匀流域频率(Hz)频率(Hz)气升式反应器Ug＝20cm/s气升式反应器Ug=12cm/s气升式反应器Ug=7cm/s鼓泡塔非均匀流域频率(Hz)频率(Hz)气升式反应器Ug＝20cm/s气升式反应器Ug=12cm/s气升式反应器Ug=7cm/s鼓泡塔Ug=2.7cm/s鼓泡塔Ug=11cm/s鼓泡塔Ug=7.2cm/s频率(Hz)频率(Hz)频率(Hz)均匀流域过渡流域非均匀流域过渡流域均匀流域虽然频谱分析可以揭示出一些物理现象，具有重要意义，但是却有其内在的局限性，是完全基于随机函数的处理方法演变来的，Chen等人[22]研究结果表明：在鼓泡塔中即使通过解析压力波动信号以外的与流动结构紧密相关的局部传热速率波动信号，仅通过功率谱分析很难及时洞悉有关反应器内流动结构变化的信息。3.2.2分形分析：Fan，Neogi等人[23]在1990年首次使用这种方法分析了流化床反应器内的压力波动信号，Drahoš等人[19]在1992年把这种方法成功地用于鼓泡塔反应器内流域的识别。鼓泡塔反应器内的流动具有高度的随机性，这主要是由于体系内存在着液体循环流动、气泡形成、气泡聚并与破碎、气泡通过等各种物理现象，这些现象具有非周期运动的特性，忽快忽慢。而在时间序列中包含两种主要的过程信息：一些过程具有长期依存性，换句话说，时间序列的将来，这些过程称为持久性过程或正相关过程；另外一些过程只有短期记忆，时间序列的将来演变趋势同它的过去正相反，这类过程称为反持久性过程或负相关过程。分形分析法是Hurst[24]在1951年提出的对时间序列采用所谓的R/S（rescalerangeanalysis）方法进行分析（其全名为“改变尺寸范围的分析），来求取Hurst指数和时间序列的分数维。其基本思想是：改变所研究的时间尺度的大小，研究其统计特征的变化规律，从而可将小尺度范围的规律用于大的时间尺度范围内或将大时间尺度得到的规律应用到小尺度，这种整体和部分之间规律的相似性正是分形几何的核心思想。上述两种过程的Hurst指数各自具有相应的范围：于正相关过程，Hurst指数一般在0.5-1的范围内，而对于负相关过程，Hurst在0－0.5范围内变动，Hurst指数等于0.5时说明此过程是随机过程。Hurst指数H和分数维的计算过程如下所述：首先把测得的时间序列分为L个时间间隔长度为τ的子段，每个子段中包括n个数据，对于每一个子段i：1、累积离差；（7）2改变尺度范围R(i,n)以及时间序列的均方根偏差S(i,n)由下两式计算：（8）（9）（10）（R/S）τ等于L个（R/S）i的平均值由于，因而通过（R/S）τ－τ双对数坐标图的斜率就可求得相应的Hurst的指数值。对于自仿射曲线，Feder[25]指出H与局部分形维数dFL有如下关系存在：（11）Vial等人[12,13]的研究表明，对于使用多孔板作为气体分布器的鼓泡塔反应器而言，过渡流域的主要特点是Hurst指数发生突变，由均匀流域的0.9急剧下降到0.5左右。在均匀流域则表现出显著的正相关特性，而在非均匀流域则表现出显著的负相关特性。在气升式反应器内流域之间存在的差异不如鼓泡塔的明显，而且不能识别出均匀流域与过渡流域之间的转换点。但是通过这种方法，他们却发现了这样一个事实：与鼓泡塔相比而言，气升式反应器内的行为的持久性差。总之，分形分析法提供了有关流型方面的定性信息，但是却很难精确识别流域转换点。3.1.3混沌分析：90年代非线性动力学中混沌理论的诞生使非线性科学有了可靠的理论保证，也为多相流领域的研究工作注入了新的生机与活力，迄今为止，混沌理论在流型转变、表征流动结构[及反应器放大等方面得到了初步的应用。所谓的混沌体系是指一个非线性的确定性体系，其具有敏感依赖于初始条件的特性，换句话说，初始条件的微小差别将最终导致截然不同的现象出现，这皆是源于初始时存在的差异在演化过程中会呈指数性增长所致。这种差异增长的快慢一般用Komogorov熵来衡量，此参数的大小描述了体系的运动特性：对于规则运动而言，K=0；对于随机运动，K→，若系统表现出确定性混沌特性，则K值是大于0的常数。此参数表示了系统在随时间变化的过程中信息的损失速度，反映了系统的可预测程度或者说系统的混乱度。考察一个动态体系可通过在相空间中观察其轨迹的方法实现。为了构造相空间，需要同步测出体系所有状态变量的时间序列。这是很难作到的。往往可通过解析一等时时间间隔的单变量的时间序列来分析系统的特性，这是因为单变量时间序列是许多物理因子相互作用的综合反映，它蕴藏着参予运动的全部变量的痕迹，一个变量随时间的变化隐含着整个系统的动力学规律。为此，法国数学家Rulle于1981年提出了重构相空间的概念，即由任意一个单变量的时间序列重构一个等价的相空间来再现系统的动态特性。Takens[26]则从数学上为其奠定了可靠的基础，提出了如何用延迟坐标法将时间序列x(t)重构为m维相空间，其中m称为嵌入维数，是重构的相空间的维数。由系统中某一可观测的时间序列，重构m维相空间，得到一组相空间矢量：（12）τ为延滞时间，是需要确定的参数。τ的确定一般是采用vandenBleek和Choutenτ[27]等人1993年提出的方法－把自相关函数与x坐标的第一个交点作为延迟时间。此重构相空间中吸引子的分形结构可由Grassberger和Procaccia[28]提出的关联维数来表征。关联维数定量刻画了系统的自由度，可通过关联积分函数CD(r)求得，具体入下：（13）式中He是Heaviside阶跃函数，，对于确定性混沌体系，有如下关系存在：（14）通过关联积分曲线lnCD(r)—lnr上直线段的斜率可求得Dc，而后连续增大嵌入维数m,重复上述步骤，便可得到一系列的Dc值。当Dc不再随嵌入维数的增大发生变化而达到饱和时，对应的值就是体系的关联维数D。关联维数和Komogorov熵是识别流域和确定流域转换的两个重要参数。Letzel等人[20]在1997年通过对间歇鼓泡塔反应器内的压力时间序列的分析得出了相应的关联维数D和Komogorov熵值，他们发现K－Ug和D－Ug曲线具有相似的形状，在流域发生转换时，K值和D值均反生突变。Vial等人[12,13]计算了各气速条件下外环流气升式反应器和鼓泡塔反应器内压力波动的关联维数。他们发现在均匀流域，D值总是保持近乎于常数，这是因为在此条件下，气泡各自独立地作线性运动，气泡间不发生强烈的相互作用。随表观气速的提高，流域开始发生转变时，D值急剧下降，这是因为在过渡流域，液体开始作循环运动使得体系内的流动具有一定的结构性，致使体系的自由度下降，而当完全发展的非均匀流形成时，由于体系内气泡发生强烈的聚并，体系的自由度又有所会升，D值开始上升，最终达到与均匀流条件下的D值接近。关联维数的具体变化情况如图5所示。通过混沌分析可使我们深刻洞悉气液分散体系内流动的动态特性，可清晰地识别出流域的转换，但计算量特别大。3.1.4基于自相关函数分析建立的一种新方法：ACF法此方法是2001年Vial等人[12,13]在Drahoš等人[14]研究工作的基础上提出的一种新方法，主要是求取自相关函数的特征时间，通过特征时间的变化趋势，识别流域的转换，而且通过与互相关函数进行联合分析，尚可得出有关液体循环速度以及相应宏观流动结构的特征尺度。自相关函数（ACF）的表达式为：（15）由上式可见，自相关含数把X(t)与X(t-τ)相关联，体现了X(t)是如何受它的过去影响的，因而可识别出一些隐藏在背后的周期性，但一般ACF不常被用于识别流型，相比之下，ACF的傅里叶变换—PSDF，由于具有如前文所述的易于解析的特点，在流域的识别中被广为使用。但是值得注意的是PSDF法不能很好的确定流域转换点，而这种新方法却能够较精确的确定出流域转换点，并获得有关流动特性和流动结构的定量信息，具有其他方法无法比拟的独特优点。图5给出在均匀流和非均匀流条件下，一气升式反应器内获得的典型的ACF曲线。如图所示，体系处于均匀流状态时，ACF曲线的形状反映出一种典型随机过程的特性—呈现出指数衰减趋势。此流域下的特征时间可由方程（16）求得：（16）在非均匀流条件下，ACF曲线的变化特点则显示出有某种准周期运动叠加在随机运动过程中。在此条件下的特征时间可由（17）式得出：（17）时间(s)时间(s)气升式反应器Ug=16.4cm/s气升式反应器Ug时间(s)时间(s)气升式反应器Ug=16.4cm/s气升式反应器Ug=3.7cm/s非均匀流域均匀流域图5.均匀流域和非均匀流域下的典型ACF曲线使用此方法确定流越的转换点时，首先由实验获得ACF曲线，根据曲线的形状特点，使用相应的（7）式或（8）式进行计算，获取相应的特征时间和近壁处流动结构的主频f0。均匀流域的特征时间与气泡在传感器附近的停留时间相关，一般很小。随着气速的提高，过渡流域，液体宏观循环运动的形成引发了一系列时间尺度较长的过程，特征时间急剧增大。而当非均匀流域已完全建立，流动变得更为混乱，特征时间几乎不变，甚至会有下降的趋势。图6显示了鼓泡塔和外环流气升式反应器内特征时间变化的实际趋势。多孔喷嘴鼓泡塔气升式反应器x单孔喷嘴°多孔喷嘴鼓泡塔气升式反应器x单孔喷嘴°多孔喷嘴图6.两种反应器内特征时间随表观气速的变化情况4、结论：本文对各种识别流域和确定流域转换的方法作了简要的介绍。在这些方法中，PSDF不失为一种识别流域的好方法，但这种方法不能精确的确定流域转换点。分析分析法和混沌分析法则能较精确的确定流域转换点，而且Hurst指数和关联维数的大小可在一定程度上反映出相应流域下流动的动态特性。不过这两种方法计算量比较大；ACF法相对而言比较简单，计算量小，而且还可以给出有关流动结构尺度和液体循环速度等方面的定量信息，具有其独特的优点。考虑到多相流体系内气泡的随机运动和两相之间存在的强烈的湍流剪切作用，以及体系内流动结构所具有的极为复杂的时空变化模式，为了达到精确识别流域、确定流域转换点，获得有关流动结构的动态信息的目的，应进一步深入发展解析动态信号时间序列的非线性分析法。参考文献：1.BoJin,PaulLant,Flowregime,hydrodynamics,flocsizedistributionandsludgepropertiesinactivatedsludgebubblecolumn,air-liftandaeratedstirredreators.ChemicalEngineeringScience,59(2004)2379-2388;2.vanLoosdrecht,M.C.M.,Eikelboom,D.,Gjaltema,A.,Mulder,A.,Tijhuis,L.andHeijnen,J.J.,Biofimstructures.Wat.Sci.Tech.,32,(1996)35-433.Bendjaballah,N.,Dhaouadi,H.,Poncin,S.,Midoux,N.,Hydrodynamicsandflowregimesinexternalloopairliftreactors.ChemicalEngineeringScience,54(1999),5211-5221;4.Chen,R.C.,Reese,J.,&Fan,L.-S.,Flowstructureinathree-dimensionalbubblecolumnandthreephasefluidizedbed.AIChEJournal,40(1994),1094-1104;5.Wallis,G.B.,InteractionbetweenFluidandParticle.Instn.Chem.Engrs.,London,(1962)96.Snape,J.B.,Zahradnik,J.,Flalova,M.,Thomas,N.H.,Liquid-phasepropertiesandspargerdesigneffectsinanexternal-loopairliftreactor.ChemicalEngineeringScience,50(1995),3175-3186;7.Vial,Ch.,Poncin,S.,Wild,G.,Midoux,N.,Experimentalandtheoreticalanalysisofthehydrodynamicsintheriserofanexternalloopairliftreactor.ChemicalEngineeringScience,57(2002),4745-4762;8.Drahoš,J.,Cermák,J.,Diagnosticsofgas-liquidpatternsinchemicalengineeringsystems,Chem.Eng.Process.,26(1989),147-164;9.Latifi,M.A.,Midous,N.,Storck,A.,Gence,J.N.,Theuseofmicro-electrodesinthestudyofflowregimesinapackedbedreactorwithasinglephaseliquidflow.ChemicalEngineeringScience,44(1989),2501-2508;10.Latifi,M.A.,Rode,S.,Midous,N.,Storck,A.,Theuseofmicro-electrodesinthestudyofflowregimesinatrickled-bedreactor.ChemicalEngineeringScience,47(1992),1955-1961;11.Briens,L.A.,Briens,C.L.,Margartis,A.,Hay,J.,Minimumliquidfluidizationvelocityingas-liquid-solidfluidizedbedoflow-densityparticles.ChemicalEngineeringScience,52(1997),4231-4238;12.Vial,Ch.,Poncin,S.,Wild,G.,Midoux,N.,Asimplemethodforregimeidentificationandflowcharacterizationinbubblecolumnsandairliftreactors.ChemicalEngineeringandProcessing,40(2001),135-151;13.Vial,Ch.,Camarasa,E.,Poncin,S.,Wild,G.,Midoux,N.,Bouillard,J.,StudyofHydrodynamicbehaviorinbubblecolumnsandexternalloopairliftreactorsthroughanalysisofpressurefluctuations.ChemicalEngineeringScience,55(2000),2957-2973;14.Drahoš,J.,Zahradnik,J.,Puncochár,M.,Flalová,M.,Bradka,F.,Effectofoperatingconditionsonthecharacteristicsofpressurefluctuationsinbubblecolumn.Chem.Eng.Process.,29(1991),107-115;15.Bakshi,B.R.,Zhong,H.,Jiang,P.,Fan,L.-S.,Analysisofflowingas-liquidbubblecolumnsusingmulti-resolutionmethods.Trans.Inst.Chem.Eng.,73(1995),608-61416.Olmos,E.,Gentric,C.,Poncin,S.,Wild,G.,Midoux,N.,DescriptionofflowregimetransitionsinbubblecolumnsvialaserDoppleranemometrysignalsprocessing.ChemicalEngineeringScience,58(2003),1731-1742;17.Chen,W.,Hasegawa,T.,Tsutsumi,A.,Otawara,K.,Scale-upeffectsonthetime-averagedanddynamicbehaviorinbubblecolumnreactors.ChemicalEngineeringScience,56