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2017年  第43卷  第11期

2017年, 第43卷, 第11期
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先进测量手段
气液两相流中气泡速度的电磁互相关测量
赵倩, 尹武良, 陈广
2017, 43(11): 2181-2186. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0081
摘要:

气液两相流作为一种工业领域中普遍存在的流态,在测量时需考虑气相和液相间的速度差。相较于流动规律平稳的气相而言,研究不稳定的气泡流动状态具有更高的技术难度。本文针对空气-水为工质的两相流中一项重要参数——气泡速度进行测量,引入基于互相关运算的电磁检测方法,通过提高系统激励频率得到较大的检测信号。实验设计了高频(>1 MHz)电磁检测系统,选用垂直上升管道,并在管道的2个平行截面分别安装电磁传感器,每组传感器均包含一个激励线圈及一个接收线圈,对2组接收线圈上的相位信号进行互相关运算,从而求得气泡的速度。实验中,对3种不同速度气泡采集到的信号进行了对比分析,相对误差控制在10%以内,提供了一种完全非接触非侵入的测量气泡速度的方法。此方法可以进行后续补充完善,用于其他工业场合,如金属液中气泡参数的测量等。

基于波长调制谐波信号主峰拟合的气体浓度测量方法
杨阳, 刘畅, 徐立军
2017, 43(11): 2187-2192. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0045
摘要:

为了提高激光波长调制光谱法(WMS)测量气体浓度的速度和准确度,首次提出了一种通过对吸收光谱谐波信号的主峰进行拟合的气体浓度测量方法。在该方法中,只扫描吸收光谱谐波信号的主峰部分来获得谐波信号(WMS-2f/1f)的峰值点。因为缩减了吸收光谱的扫描范围,所以扫描速度得到了提高。通过对吸收光谱谐波信号(WMS-2f/1f)的主峰部分进行多项式拟合,进一步提高了测量精度。详细讨论了多项式阶数的确认方法,以及拟合数据长度对测量结果的影响。通过测量不同情况下的二氧化碳浓度验证了该方法的有效性。

基于时域信息的粒径分布及光学常数重建
任亚涛, 齐宏, 张晓罗, 阮立明
2017, 43(11): 2193-2198. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0054
摘要:

准确地测量颗粒系粒径分布与光学常数对于准确地预测相关介质内的辐射传输过程具有重要意义。采用一种改进的烟花算法同时反演了颗粒系粒径分布与光学常数。通过测量不同波长的激光辐照下,一维颗粒系的不同角度的时域透射信号,并结合改进的烟花算法对其光学常数以及粒径分布进行反演。通过对3种常见的粒径分布函数进行测试发现,使用本文提出的改进的烟花算法结合相应的物性测量方法可以准确得到颗粒系粒径分布与光学常数。

铝基微结构光栅几何参数反演
孙双成, 齐宏, 孙建平, 阮世庭, 吕中原, 阮立明
2017, 43(11): 2199-2206. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0055
摘要:

微结构光栅是一种广泛应用的电子元件。采用随机微粒群优化(SPSO)算法反演了一维铝基衬底矩形光栅的几何结构参数。首先介绍了严格耦合波分析(RCWA)法和微粒群优化算法的基本原理,并采用RCWA法求解了光栅内电磁场问题;然后根据正问题求得的光栅光谱反射率建立目标函数,并采用SPSO算法优化目标函数,反演得到单槽和双槽矩形光栅的周期、凸脊宽度和凹槽深度;最后分析了种群大小和搜索区间对反演结果的影响。结果表明,SPSO算法可以准确地反演光栅几何结构参数,并推荐种群数取30。

火焰辐射光场成像光线采样特性
刘煜东, 许传龙, 孙俊, 张彪, 王式民
2017, 43(11): 2207-2215. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0067
摘要:

为了研究全光相机对火焰等半透明介质的光场采样并优化全光相机的参数,基于近轴光学,建立了全光相机的逆向光线追迹模型。在此基础上,针对弥散介质沿采集方向的半透明特性,提出了像素采样锥形角以及物方采样角度等评价光线角度采样的性能指标,据此分析了全光相机像素和微透镜的位置对光场采样特性的影响,以及全光相机光学参数变化对光线方向采样性能的影响。结果表明:采集火焰辐射光场时,较小的微透镜直径有利于提高光场采样的单方向性,并减小主镜头入瞳直径,而较小的主镜头焦距有利于增大物方采样角度。

基于Lamb波气体传感器的数据采集仪
黄鸯鸯, 王保良, 冀海峰, 黄志尧, 李海青
2017, 43(11): 2216-2223. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0066
摘要:

Lamb波气体传感器因其具有高灵敏度、低损耗、多模式特性,在气体传感领域中展示出十分广阔的工业应用前景。然而,迄今为止,Lamb波气体传感器尚处于实验室基础研究阶段,其测试是基于网络分析仪,需人工读取测试结果并计算,不能实现自动获取被测参数,这在很大程度上限制了传感器的实际应用。针对现有测试技术的不足,研制了一种针对Lamb波气体传感器的数据采集仪。利用直接数字频率合成技术和嵌入式技术获取传感器的幅频特性和相频特性,通过多峰值快速搜索算法提取各个模式的最大峰值信息,并对传感器进行了各个模式下的扫频测试实验和算法验证实验。实验结果表明,采集仪能准确获得传感器的频率特性数据,并能实现一定频率范围内多个峰值信息的获取。再结合气体测量的相关模型,可直接输出参数测量结果,实现气体参数的自动检测。

热线探针对数校准方法研究及改进
杜钰锋, 林俊, 马护生, 熊能
2017, 43(11): 2224-2231. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0145
摘要:

开展了可压缩流体中热线探针校准方法的研究,以满足其在各种速度测量场合的使用需求。研究了对数校准数学模型,发现校准系数求解过程中存在矩阵奇异性过强的问题,导致在速度小扰动条件下方程求解稳定性差。对对数校准数学模型进行了参数无量纲化及添加正向偏置的改进,建立了无量纲化对数校准数学模型。在马赫数为0.3~0.5,引射压力为150~300 kPa范围内进行了校准实验,利用对数校准数学模型对实验数据进行拟合,拟合优度为0.997 61,拟合速度平均偏差为1.378 m/s,校准系数求解过程中系数矩阵条件数为1.595×108,矩阵奇异性过强,加入速度小扰动(1 m/s)后,拟合优度为0.379 74,拟合速度平均偏差为43.81 m/s,方程求解稳定性差。利用无量纲化对数校准数学模型对实验数据进行拟合,拟合优度为0.998 95,拟合速度平均偏差为1.203 m/s,校准系数求解过程中系数矩阵条件数为3.655×102,且无量纲化方法不受速度小扰动影响。对流体速度进行不确定度分析,速度平均不确定度为3.168 m/s,无量纲化拟合速度平均偏差明显小于速度平均不确定度。实验结果证明了无量纲化对数校准数学模型应用于可压缩流体热线探针校准的可行性。

流动特性分析
基于凝结实验平台的音速喷嘴凝结现象研究
王超, 林大烜, 丁红兵, 王刚, 安海骄
2017, 43(11): 2232-2239. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0074
摘要:

音速喷嘴中流动的蒸汽或含湿气体由于自身的温降而发生凝结现象,对音速喷嘴的计量会产生一定的影响。针对音速喷嘴凝结现象和自激振荡的复杂变化情况,利用一套凝结实验平台研究了音速喷嘴内湿空气凝结现象,得到了不同条件的喷嘴沿程压力,并建立了凝结流动Eulerian两相模型,对凝结现象的影响因素进行了数值分析,使实验结果得到了验证和补充。结果表明,载气的压力、温度、湿度会对凝结产生比较大的影响。凝结发生位置伴随载气温度、湿度的提高而前移,强度有所增大。随着载气压力的增大,凝结发生位置前移,但是强度相对减弱。自激振荡的频率与载气湿度、温度呈正相关,与载气压力呈负相关,振幅与载气的压力、温度、湿度均呈正相关。

槽道内涡波流场展向涡的分布特征
陈彬, 刘阁, 金兴, 邓阳琴
2017, 43(11): 2240-2248. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0934
摘要:

通过2DPIV测量了槽道内涡波流场的瞬态速度矢量场,利用雷诺分解和旋转强度的λci准则进行了展向涡的识别;并从识别的逆时针和顺时针展向涡的尺度属性、力学属性和运动属性方面分析了展向涡的分布特征。结果表明,流场中的顺时针展向涡的数量大于逆时针展向涡的数量;在法向位置0.05~0.45范围内,逆时针展向涡的旋转强度呈抛物线形状变化,顺时针展向涡整体呈下降趋势;逆时针展向涡的平均直径和椭圆平均长轴长度随着法向位置的增加而缓慢增加,而顺时针展向涡趋于下降;逆时针展向涡的椭圆长轴倾角最大值为67.28°,顺时针展向涡的等效椭圆的离心率呈下降趋势,似圆性较好;逆时针展向涡对全局平均的〈z〉分量在法向位置0.15处出现最大值61%;展向涡对流场雷诺应力的影响较小;逆时针展向涡的数量密度在0~0.08法向位置范围内呈急剧上升趋势,并达到最大值0.36,顺时针展向涡数量密度整体呈倒U形分布;不同旋向的展向涡占总展向涡数量密度的比值都大于0.3;展向涡的流向对流速度整体上小于流场的平均速度,且在槽道中心区域差值较大;展向涡的法向对流速度随着法向距离增加,从负值上升到正值,在中心主流两侧分别发生喷射和扫掠2种现象。

基于双耦合Duffing振子的气液两相流动特性分析
李洪伟, 苏全, 孙斌, 周云龙
2017, 43(11): 2249-2258. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0058
摘要:

提出了双耦合Duffing振子仿真系统检测小通道气液两相流型信号的方法。搭建了双耦合Duffing振子仿真系统,针对流型信号的特征确定了3个关键参数:阻尼比、耦合系数和频率,并应用典型混沌信号Lorenz和Rössler对该仿真系统进行了性能检测。在两相流型信号检测时,提取了振子振动的瞬时速度和位移2个特征值,并基于特征值对流型动力学特性及流型辨识进行了深入研究。结果表明:通过对典型混沌系统的检测验证,发现本文检测方法具有较好的抗噪能力,能够较好地表征典型信号的混沌特性。提取的2个特征值能够揭示出小通道气液两相流型转变过程中气液两相间的作用机理。系统的振子振动瞬时速度结合位移实现了小通道气液两相流典型流型的准确识别,有助于其他不同介质的多相流动特性分析与流型辨识。

基于飞机客舱空气品质的桥载空调送风优化
林家泉, 李弯弯, 王瑞婷, 马敏, 杨建忠
2017, 43(11): 2259-2265. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0059
摘要:

针对目前桥载空调恒定送风所造成的客舱内舒适性差及节能效果不理想问题,以波音737客舱为研究对象,采用CFD方法建立客舱仿真模型,并通过实验验证了所建立的CFD客舱仿真模型的合理性。在此模型基础上,研究桥载空调不同送风速度对客舱内温度场、风速场及NOx浓度场的影响,并分别拟合出客舱空气分布特性指标(ADPI)、排污效率与桥载空调送风速度的函数关系,再根据ADPI、排污效率构建评价函数,得到桥载空调的优化送风速度,该送风速度能够为桥载空调机组的节能控制提供依据。

颗粒射流冲击材料行为研究
姚军, 曾子华, 周芳, 董士刚, 赵彦琳, 李宁
2017, 43(11): 2266-2272. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0050
摘要:

颗粒冲击材料现象广泛存在于自然界以及工业领域中。应用实验测量与数值计算相结合的方法研究了颗粒射流冲击材料(304不锈钢)的磨损行为。考虑了颗粒粒径、运动轨迹、颗粒-壁面撞击点分布以及所导致材料物相结构变化。实验测试包括材料质量损耗、材料元素X射线衍射(XRD)分析、表面微观结构扫描电镜(SEM)观察。对相应的颗粒射流冲击材料行为进行了数值计算,获得流场,颗粒场以及相应材料磨损。结果表明:颗粒射流冲击下颗粒运动轨迹与撞击点的分布不同,造成了材料样品表面磨损区域明显不同。颗粒-壁面碰撞不仅会导致材料损失而且会造成材料物相结构的变化。

基于新型C4D的小管道气液两相流流型辨识方法
盛碧霞, 冀海峰, 王保良, 黄志尧, 李海青
2017, 43(11): 2273-2279. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0063
摘要:

基于径向结构的电容耦合式非接触电阻抗检测传感器,结合小波包分析技术和K-均值聚类算法,提出一种小管道气液两相流流型辨识方法。首先,利用径向结构的电容耦合式非接触电阻抗检测传感器,获取反映被测流体信息的电阻抗测量信号实部信息和虚部信息。然后,采用小波包分解的信号处理技术将实部信息和虚部信息分别分为4个频率段,提取不同频率范围的能量分布情况,并与各自的均值、方差构成特征向量。最后,利用K-均值聚类算法进行模式分类,建立流型辨识模型。在内径为3.5 mm和5.5 mm的玻璃管道内进行验证实验,实验结果表明,所获得的传感器测量信号能反映流体流动信息,提出的流型辨识技术路线是有效的,流型辨识精度可达88%以上。

K-均值聚类在CCERT系统流型辨识中的应用
李凯锋, 王保良, 黄志尧, 冀海峰, 李海青
2017, 43(11): 2280-2285. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0070
摘要:

流型是气水两相流的重要参数之一,对气水两相流的流动影响很大。基于电容耦合电阻层析成像(CCERT)系统,以水平管道气水两相流流型为研究对象,利用主成分分析(PCA)方法提取不同流型下采集到的电导率信息的主成分,消除不同电极对之间信号的冗余,进而结合K-均值聚类算法实现流型辨识。实验结果表明,该方法具有较高准确度,对于水平管道泡状流、层状流和环状流3种典型的气水两相流流型的静态辨识准确率可以分别达到97%、96%和99%,动态辨识准确率可以分别达到92%、90%和87%。

搅拌流内大振幅界面波特性研究
王科, 叶晶, 白博峰
2017, 43(11): 2286-2292. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0080
摘要:

针对竖直管内不同工况下气液两相搅拌流内的大振幅界面波特征参数(波形、波幅、波长和频率等)及运动特性进行了实验研究,系统分析了流动参数对大振幅界面波特征参数及运动特性的影响规律。结果表明:由于重力和气流剪切力在大振幅界面波不同运动阶段的影响程度不同,大振幅界面波在运动过程中存在与气流先逆向后同向的运动特点,证明了液泛现象普遍存在于搅拌流内,揭示了造成搅拌流液膜振荡剧烈的原因;搅拌流内,大振幅界面波波形符合正态分布函数特征,且波幅较环状流内扰动波波幅大,但是波幅和波长变化趋势与环状流内扰动波变化趋势相似,即波幅和波长随着气速的增大而减小,随液量的增大而增大,且当气速较小时,临界波幅随着液量的增加逐渐趋于定值;而大振幅界面波平均产生频率随气速和液速的增大而增大。

高超声速风洞WDPR支撑尖锥模型应用可行性分析
胡正红, 彭苗娇, 冀洋锋, 柳汀, 林麒, 王晓光
2017, 43(11): 2293-2301. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0855
摘要:

绳牵引并联机构(WDPR)能够有效调整飞行器模型的位姿,为扩展风洞试验能力提供了一种新型支撑手段,具有很大的应用潜力。本文将对其在高超声速风洞中应用所涉及的稳定性与气动干扰问题进行研究。以10°尖锥标椎模型为例,设计了8绳牵引的并联支撑系统,可以通过调整绳长控制模型的位置和姿态。模拟了气动载荷作用下支撑系统的稳定性,优化牵引绳直径。基于构建的三维模型,借助CFD软件进行气动计算,包括马赫数为7.8时,不同迎角下绳牵引并联支撑锥体模型的气动力系数,通过与无绳支撑结果以及文献试验数据进行比较,表明在小迎角情况下,绳系支撑引起的气动干扰相对误差较小,但会随迎角的增大而增加。此外,分别对弯刀支撑和绳牵引并联支撑进行了模态分析,对比了2种支撑的固有频率。结果显示绳系支撑固有频率较高,系统刚度较大。本文的理论研究成果可为绳牵引并联支撑技术在高超声速风洞中的应用提供一定的技术支持。

射流对高超声速进气道起动性能的影响
靳一超, 阎超, 林博希
2017, 43(11): 2302-2309. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0191
摘要:

为探索利用射流技术降低进气道起动马赫数的可行性,对二元高超声速进气道二维流场进行了数值模拟,通过对比不同工况的流场结构、流量系数及总压恢复系数,分析了射流对高超声速进气道的作用效果,并研究了射流速度、压强及倾角对进气道起动性能的影响。分析结果表明:施加射流,激波与进气道边界层原有干扰形式发生改变,是降低进气道起动马赫数的主要原因。研究还表明,增大射流速度利于提高控制效果,但持续增大射流速度,会造成隔离段反压升高,并且这一现象与射流压强相关,降低射流压强能使进气道起动的射流速度区间扩大,同时在不同射流倾角下,上述规律表现一致。该研究揭示了进气道起动能力随射流参数变化的系统性规律,可用于指导工程设计及优化。

侧风对拍动翅气动力的影响
牟晓蕾, 许娜
2017, 43(11): 2310-2315. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0210
摘要:

昆虫在自然界中飞行时多会受到侧风的干扰,因此了解侧风作用下昆虫拍动翅上气动力的变化对昆虫飞行机理的研究工作具有重要意义。应用计算流体力学(CFD)方法模拟了存在侧风时拍动翅上绕流,并与正常悬停情况进行对比,从侧风的方向和强度2个方面考察了其对拍动翅气动特性的影响。结果表明:侧风对拍动翅气动特性的改变包含2个流动机制的贡献,即相对速度效应和前缘涡轴向速度效应,且从翅尖吹向翅根的侧风与从翅根吹向翅尖的侧风对气动力的影响有着显著的不同;而不同强度的同向侧风下,气动力的改变类似,仅存在数值上的差异。

成像测量
压缩感知在电容层析成像中的应用
张立峰
2017, 43(11): 2316-2321. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0052
摘要:

压缩感知(CS)理论是在充分利用信号稀疏性或可压缩性的情况下,对信号进行少量采样即可实现信号的精确重建。本文尝试将CS理论应用于电容层析成像(ECT)图像重建中,首先,使用快速傅里叶变换(FFT)基将原始图像灰度信号进行稀疏化处理;其次,将ECT灵敏度矩阵的各行按随机顺序进行排列,得到ECT系统随机观测矩阵;最后,选取当前普遍使用的基于内点法、梯度投影(GPSR)算法以及贪婪算法的CS图像重建算法进行ECT图像重建,并与线性反投影及Landweber迭代算法进行了对比。仿真实验结果表明:基于CS图像理论的ECT图像重建算法,其重建精度有所提高。本文同时分析了3种CS图像重建算法的优缺点及适用范围。

聚焦光场成像三维粒子场重建方法
曹丽霞, 张彪, 宋祥磊, 许传龙, 王式民
2017, 43(11): 2322-2330. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0068
摘要:

层析重建是层析粒子图像测速(Tomo-PIV)技术实现三维粒子位置和强度信息(三维粒子场)重构的核心步骤。相比于多相机的Tomo-PIV技术,单聚焦光场相机通过一次成像能够同时采集示踪粒子的散射光的方向和位置信息。因此,提出一种单聚焦光场相机的层析重建技术用于重构流场中的三维粒子场信息。为了验证本文方法的可行性及准确性,利用几何光学建立了示踪粒子的光场成像模型,利用光线追迹技术计算了粒子在聚焦光场相机中的成像,对比了被测流场中位于不同深度位置的粒子在聚焦光场相机中的成像差异;建立了基于单聚焦光场相机的层析重建数学模型,利用乘法代数重构技术(MART)对模拟所得的光场图像进行反演计算,实现了三维粒子场的重构,并利用归一化互相关系数来表征粒子的重建质量。结果表明,单个粒子在Z轴方向上的位置精度为±0.35 mm,初步证明了基于聚焦光场成像理论的三维粒子场重建方法的可行性。

多激励频率模式的磁感应层析成像系统
王野, 谭超, 董峰
2017, 43(11): 2331-2337. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0048
摘要:

磁感应层析成像(MIT)技术在生物医学检查与诊断中有很好的应用前景。为了实现MIT对生物组织特性信息的获取,设计了具有多激励频率模式的磁感应层析成像系统。系统采用电压激励与测量的工作模式,可选择100 kHz~4 MHz范围内的单频、扫频和混频3种激励频率模式。系统包括激励源模块、传感器线圈阵列、数据采集和调理模块、数字解调模块,采用现场可编程门阵列(FPGA)控制多路复用器、程控放大器、模拟数字转换器等。经模拟实验测试,多激励频率模式系统所获得的测试数据具有较好的一致性,信噪比在46 dB以上,不同激励频率下采集的电压差数据可用于实现被测介质电导率分布的图像重建。

工业总线标准电容层析成像系统设计
徐康, 谭超, 吴昊, 董峰
2017, 43(11): 2338-2344. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0049
摘要:

为保证电容层析成像(ECT)系统满足航空航天领域多相流参数测试的要求,开发了一套基于CPCI工业总线标准的ECT系统。采用高性能现场可编程门阵列(FPGA)芯片作为主控芯片,实现信号激励模块、多路复用开关模块、数据处理模块、数据解调和传输模块的集成式设计,将采集信号进行预处理,实现信号的滤波、放大和相敏解调,并通过CPCI工业总线接口把解调后的电容数据传送至系统上位机,完成图像重建。实验测试结果表明:系统采用1 MHz激励信号和8电极传感器的工作模式下,采用10周期的测试信号解调时,图像采集速度可达1 785幅/s,信号的信噪比高于60 dB,成像结果具有良好的空间分辨率。

航空发动机中气液两相流的可视化检测
赵愉, 岳士弘, 张洋洋, 王化祥
2017, 43(11): 2345-2351. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0060
摘要:

针对电阻抗断层成像(EIT)技术中FCM聚类算法的灵敏度系数信息缺失以及测量电压的利用率低两方面问题,提出一种新的成像算法。在该算法中引入灵敏度系数矩阵信息修正各个剖分单元的电压。同时提出了将测量电压数据按照其权系数进行处理的方法,该方法可应用于所有EIT经典反演算法之中。理论和数值仿真结果均表明,与已有的FCM聚类算法相比,优化后算法对两相流型的定位准确度更高,得到的重建图像的空间分辨率与之前相比相对误差降低了5%~15%,相关系数提高了5%~20%。

基于CCERT与声发射技术的气液固三相流相含率测量
张凯, 胡东芳, 王保良, 冀海峰, 黄志尧, 李海青
2017, 43(11): 2352-2358. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0065
摘要:

传统的相含率测量方法在测量三相流相含率时只能对某单一相进行检测,针对此问题,基于电容耦合电阻层析成像(CCERT)技术与声发射技术,建立了相含率测量模型,提出了一种三相流各相相含率的非侵入式测量方法。利用偏最小二乘回归法,在静态情况下建立CCERT技术的相含率测量模型,同时在鼓泡床上进行动态实验,采用差压法进行同步测量作为参考值验证模型的有效性,实现了对两相相含率的非接触测量。在此基础上,通过对声发射技术采集到的声音信号进行处理,建立声发射技术的气相相含率预测模型,利用该模型测量出三相体系中的气相相含率,结合CCERT技术测量出三相体系中的不导电相相含率,从而利用非侵入式测量方法得到三相流中的各相相含率。

常见问答