天津大学谭超教授团队：多相流超声检测技术

流体过程参数的在线检测是实现过程工业监控的关键之一，也是实现过程工业数字化、智能化的基础。以多相流为代表的复杂流动过程是石油、化工、核能、冶金等过程工业中常见的生产加工对象，具有流场参数多且分布复杂、流体间动态耦合性强、流动状态时变等特点，因此多相流过程参数的在线检测对过程的建模、优化与控制具有十分重要的价值。目前，对多相流流动特性尚未完全掌握，这导致工程设计经验性强、过程安全隐患监测能力弱等问题，其瓶颈是多相流组分、流量与流态等参数的准确在线检测技术尚未完全掌握。

▲ 垂直管道气液两相流典型流型示意图（上图）；

垂直管道油水两相流流型示意图（下图）

无扰动在线检测技术是工业多相流测量的迫切需求，采用电、磁、声、光等原理的检测技术正在快速发展。其中，超声检测技术具有不干扰流动过程、安全性高、测量信息丰富等优势。但受到多相流结构复杂、流速与相含率耦合且流动状态时变等挑战，目前尚缺乏针对多相流特点的超声检测理论与方法体系。随着过程工业对控制精度要求逐渐提高，对复杂流体过程参数的准确获取和建模、流动过程状态的监测与预测的要求也日趋增长，因此对复杂流体过程智能仪器仪表的研发具有重大的经济价值和社会价值。

▲ 超声衰减测量法检测两相流相含率原理图

天津大学谭超教授所在课题组从20世纪80年代开始致力于多相流测试方法的研究，先后在国家自然科学基金、863 计划等多项国家和省部级科研项目以及企事业合作科研项目的支持下，对多相流超声检测与成像方法进行了深入研究，研制多套基于多种敏感原理的测试系统样机和面向工业应用的检测系统。在多传感器信息融合、新型流动参数检测、多相流分布参数反演及其在多相流测试应用方面开展了大量研究工作，在基于超声多敏感效应信息融合的两相流流场检测方法研究方面积累了一定的经验与成果。

▲ 基于图像融合的超声透射/反射融合层析成像示意图

▲ 超声透射/反射融合层析成像图像重建结果

《 》是作者及其团队在该领域成果的汇总，围绕基于超声技术的多相流过程参数检测方法，总结在复杂流体中超声透射、反射与多普勒等传播效应的研究成果，以及多相流相含率、流速、流型等检测与成像方法研究中取得的阶段性成果，从理论建模、数值仿真、系统研制、实验验证等多个维度对多相流超声检测技术进行阐述。

多相流超声检测技术

谭 超 史雪薇 鲍 勇 董 峰 著

北京 : 科学出版社, 2025. 6

(信息科学技术学术著作丛书)

ISBN 978-7-03-081976-5

具体章节内容如下：

• 第1 章 绪论。

• 第2 章为超声传播基本模型，主要介绍超声在液体中的基本传播规律，总结与多相流检测相关的超声传播机理与模型，用于构建多相流测量模型。

• 第3 章为超声衰减测量法，主要介绍超声在多相流中传播时产生的衰减效应及其与相含率之间的基本关系，进而介绍相含率测量模型的建立。

• 第4 章为超声反射测量法，主要介绍利用超声在多相介质界面处的反射效应进行相含率测量的基本方法。

• 第5 章为连续波超声多普勒测量法，主要介绍连续波超声多普勒技术的流速测量基本原理、测量特性，以及信号处理方法，介绍利用连续波超声多普勒效应实现不同多相流流速测量的基本方法。

• 第6 章为脉冲波超声多普勒测量法，主要介绍利用脉冲式超声在不同深度位置处的多普勒效应，实现多相流流速剖面、总流量以及流型的测量方法。

• 第7 章为超声过程层析成像，主要介绍超声过程层析成像基本的物理与数学原理及其相关的正问题与逆问题。

• 第8 章为多相流超声测试系统设计，主要介绍超声透射、反射、多普勒以及层析成像测试系统设计与实现方案。

目前，多相流超声检测技术还在快速发展，本书仅汇集了部分已通过实验验证的理论模型与方法，希望能抛砖引玉，推动相关领域的发展。

本文摘编自《 多相流超声检测技术》（谭超等著. 北京 : 科学出版社, 2025. 6）一书“前言”“ 第1 章 绪 论”，有删减修改，标题为编者所加。

(信息科学技术学术著作丛书)

ISBN 978-7-03-081976-5

责任编辑：孙伯元 郭 媛

本书从工业中常见的复杂多相流流动过程参数的在线检测需求出发，针对气液两相流、油水两相流与油气水三相流的相含率、流速、粒径、流型以及流体分布等参数，详细介绍基于超声多种传播特性的多相流测量方法，内容涵盖超声在流体中传播的基本模型、超声衰减测量法、超声反射测量法、超声多普勒测量法、超声过程层析成像，以及超声测试系统设计等相关内容。

本书可供多相流与检测技术相关专业的本科生和研究生使用，也可供相关领域科研人员和工程技术人员参考。

（本文编辑：刘四旦）

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