摘要(yào):針對電磁流(liu)量計 測量氣(qi)液兩相流時(shí)測量精度和(he)穩定性易受(shòu)流型影響的(de)問題,提出了(le)一種管内相(xiàng)分隔狀态下(xià)基于電磁📱流(liu)量計的氣液(ye)兩相🌈流測量(liàng)方法。利用旋(xuan)流器将不規(gui)🔞則的兩相流(liu)入口流型整(zheng)形成氣芯-水(shuǐ)環的對稱型(xíng)環狀流,保證(zhèng)了權函數的(de)有序分布,并(bing)引入空隙率(lü)修正了電磁(ci)流量計測量(liàng)模型,提高了(le)電磁流量計(ji)的測量🌐精度(dù)。利用空氣-水(shui)兩相流爲介(jie)質,通過室内(nei)實驗對該☁️測(ce)量方法進行(hang)了驗證,結果(guo)表明,在管内(nei)相分隔狀态(tai)🥵下,電磁流量(liàng)計的液相測(cè)量相對誤差(chà)在🈚±5%以内。研究(jiu)結果爲工業(ye)生産中的氣(qì)液兩相測量(liàng)提供了一🙇‍♀️種(zhong)很好的思路(lù)和方法,具有(yǒu)良好🏃🏻的應用(yong)價值。
　　在工業(ye)應用中,兩相(xiàng)流流量測量(liàng)對于實際工(gong)程應用具有(yǒu)重要作用，如(rú)石油鑽采工(gōng)程、石油化工(gong)、熱電聯供等(deng)輸送及分配(pèi)過程中都存(cún)在氣液兩相(xiang)流測量問題(ti)。早期曾對氣(qì)液兩相流的(de)測量進行了(le)廣泛研究,但(dàn)由于氣液兩(liǎng)相流型的複(fu)雜性及⛷️多變(biàn)性,至📞今仍無(wú)廣泛認可的(de)氣液兩相流(liú)在線測量技(jì)術中。
　　多相流(liu)動體系通常(cháng)是由兩種或(huo)兩種以上互(hu)不相溶.的介(jiè)質組㊙️成的,具(jù)有明顯相界(jiè)面的混合物(wu)流動。本研🌈究(jiu)的氣液⚽兩相(xiàng)流研究對象(xiang)分别是空氣(qì)和水，在流動(dong)過程中🌈,由于(yu)存在不同流(liú)型及流态的(de)複雜變化,兩(liǎng)相流各種參(can)數的測量都(dou)變得極爲困(kùn)難。因此，準确(que)描述并.識别(bie)流型對于兩(liang)相流量測量(liang)具有💜重要的(de)意義。由于主(zhu)要研究的🚩是(shi)水平管内的(de)氣液兩相流(liu)流型,在前人(ren)的研究基礎(chǔ)之上,對水平(píng)管内流型進(jin)行了總結和(hé)分析,得到水(shui)平管内的氣(qì)液兩相流流(liú)型📧主要爲細(xi)泡狀流動、彈(dàn)狀流動、分層(céng)流動、波狀分(fen)層流、塞狀💰流(liú)以及環狀流(liu)等[3-]。
　　自20世紀以(yǐ)來,氣液兩相(xiàng)在線測量一(yi)直是工業生(sheng)産過程中迫(pò)切需要解決(jue)的難題，同時(shí)研發了大量(liàng)适用于🈚工業(yè)環境中的兩(liang)相🔞測量技術(shù)。根據在測量(liàng)過程中兩相(xiàng)流是🐆否進行(hang)分離而分爲(wei)分離法和非(fei)分離法。分離(li)法是将流動(dòng)的混合物分(fen)爲以氣體爲(wèi)主和以液體(tǐ)爲🏃🏻主的流動(dòng)，然後進行單(dan)相測量.包括(kuò)重✉️力分離器(qì)和導🔴流器等(děng),其優點爲把(ba)兩相流體流(liu)量測量轉化(hua)🔅成了單相流(liú)體的流量測(cè)☁️量,測量精度(du)高、範圍寬、不(bu)受氣液兩相(xiàng)流型變化影(ying)響,缺點則爲(wei)分離設備體(ti)積大、價格貴(gui)、需要建📧站,增(zeng)加了測量成(chéng)本。非分離法(fǎ)的典型是基(jī)于相同原理(lǐ)的測量系統(tǒng)進行組合測(ce)量,以及中子(zǐ)射🏃‍♂️線和文丘(qiū)裏管的組合(he)方式，優點爲(wèi)能夠實時測(cè)量☎️兩相流體(tǐ)的流量及相(xiang)持率等參數(shù),體積小、測量(liang)速度快，缺🌍點(dian)爲測✉️量的流(liu)量及各相持(chí)率精度偏低(dī),适用工況受(shou)👣限,需重複标(biao)定[5-6]。
　　電磁流量(liang)計廣泛應用(yòng)于單相流體(tǐ)的流量測量(liàng)。電磁流量計(jì)💋是利用法拉(lā)第電磁感應(ying)定律原理測(cè)量🌈導電液體(tǐ)的體積流量(liàng)的儀表。其優(yōu)點是可測流(liu)量🔞範圍大,流(liú)量範圍比值(zhi)一般爲🔞20:1以上(shang)。适用工業管(guǎn)徑✍️範圍.寬,最(zui)大可達3m,精度(dù)較高,可👅測量(liàng)水、污水、腐蝕(shi)性🏒液體等流(liu)體流量,不受(shou)壓🔞力、密度、溫(wēn)度和其他物(wu)理參數的影(ying)響👨‍❤️‍👨。因此,采用(yong)電磁流量計(ji)測量連續相(xiàng)爲導電性的(de)兩相流的特(tè)性成爲研究(jiu)的熱門。
　　國際(jì)及國内雖然(ran)對電磁流量(liàng)計在兩相流(liu)中的應用進(jin)行了大🐕量的(de)理論分析和(hé)數值模拟，但(dàn)是針對水平(píng)管内非導電(diàn)相🏃‍♀️在空間位(wèi)置分布對電(diàn)磁流量計的(de)測💯量精度🈚等(deng)還未進行詳(xiáng)細地研究。水(shuǐ)平管内非導(dao)電性的空間(jiān)分布受重力(li)、流體物性🛀🏻等(deng)影響嚴重,進(jin)而影響了流(liú)量計的正确(què)測量。近年來(lai),相關學者提(ti)出的相分🔅隔(gé)方法12-13]通過對(dui)兩相混合物(wu)施❄️加側向力(lì),将兩👄相隔離(lí)到管内的相(xiang)應空間,流動(dòng)過程中兩相(xiang)之間維持非(fei)常清晰界面(miàn),這将有利于(yu)電磁流量測(cè)量兩相流參(can)數。因💜此，如果(guǒ)非導電相能(néng)在兩相流中(zhong)均勻對稱分(fèn)🔅布,電磁流量(liang)計測量将爲(wei)兩相流量測(cè)量提供--種有(you)前途的解決(jué)方案。同時，在(zài)将兩相隔離(lí)到管内的相(xiàng)應空間,流動(dòng)過🌈程中兩相(xiang)之間維持非(fei)常清晰界面(miàn)的過程中,采(cai)用🈚拍攝及圖(tu)像處理技術(shu)可以實現空(kong)隙率的測量(liàng)。目前,基于圖(tú)像處💰理技術(shu)已進行了大(da)量的研究[16-18]，尤(yóu)🥰其适用于檢(jian)測氣液界面(miàn)。
　　本研究采用(yong)相分隔法組(zu)合電磁流量(liang)計測量氣液(ye)兩相流量及(ji)相持率。在相(xiàng)分隔方法中(zhong),采用了旋流(liu)器産生離心(xin)力,将氣液兩(liang)相不同的人(rén)口流型轉變(biàn)爲旋流核心(xin)環空流,由于(yu)其界面清晰(xī)光滑,非常有(you)利于圖像處(chu)理法來測量(liang)空隙率。采用(yong)實驗分析的(de)🏃方式研究并(bìng)驗證了電磁(cí)流量計的兩(liang)🍉相流工作特(te)性。
1測量原理(li)
1.1管内相分隔(ge)技術.
　　利用管(guan)道中的相分(fèn)隔技術進行(hang)整流,可以極(ji)大地方便電(diàn)磁流量及空(kōng)隙率測量的(de)開展，創造了(le)理想的測.量(liang)條件,有利于(yú)提高⁉️測量的(de)正确性。通過(guo)管内相分隔(gé)，使兩相✨流體(ti)在🐕各種流型(xing)下統--轉變成(chéng)兩束在管内(nei)并行流動的(de)單相流體,兩(liang)相之間具有(yǒu)相對清晰的(de)分界面,并能(néng)維持🏃🏻足夠長(zhang)的距離，如圖(tú)1所示😄。與分離(lí)不同,相分隔(ge)技術并非将(jiang)兩相分“離”後(hòu)☁️各自單獨流(liú)動,而是通🐆過(guò)--系列技術僅(jin)将兩相分“隔(gé)”并未分“離”,兩(liǎng)相依然同時(shi)在一個管内(nèi)流動,但💋是徹(che)底改🛀變了兩(liǎng)相☎️流原有相(xiàng)分布和速度(dù)分布的多樣(yàng)性和🐪随機性(xìng),使兩相流在(zai)管内即可保(bǎo)持有“秩✔️序"的(de)流動🏃‍♀️,極大地(di)方便了兩相(xiàng)流各個⛷️參.數(shu)的測量。

1.2氣液(yè)兩相流相分(fèn)隔狀态下電(dian)磁流量計測(cè)量原理
　　電磁(cí)流量通常用(yong)于測量單相(xiàng)導電流體,計(ji)算公式見式(shì)(1)

　　式中:U爲兩電(diàn)極間的電位(wei)差(與液體的(de)導電性、黏度(du)和壓，力無關(guan)♊),V;B爲磁通強度(du),T;b爲導電相半(ban)徑,m;Qr爲導電液(ye)體的體積流(liu)量,m3/s。
　　對于含有(yǒu)少量非導電(diàn)介質(如氣體(tǐ)或油等)構成(cheng)的導電流體(ti),電磁流量計(ji)仍能繼續工(gong)作。
　　考慮了導(dǎo)電相沿管壁(bì)在環形區域(yù)流動,絕緣相(xiang)在🈲同軸⛹🏻‍♀️芯區(qū)❌流動時,采用(yong)電磁流量測(cè)量原理,計算(suàn)公✔️式見式(2)

式(shi)中:a爲不導電(dian)相半徑,m;α爲絕(jue)緣相的空隙(xi)率,%。
　　在電磁流(liú)量計的上遊(you),通過圖2所示(shì)的旋流器實(shi)現相✔️分隔🌏。旋(xuán)流器由4片沿(yán)周向均布的(de)導流片構成(chéng)，每個導流片(piàn)平面與管道(dào)橫截面呈現(xian)一定夾角
　　通(tōng)過研究發現(xian),這種結構的(de)旋流器更有(you)利于相分😍隔(ge)的形成🐅，它🍓使(shi)流體通過改(gai)變流動方向(xiang)産生切向速(sù)度,從而産生(sheng)離心💔力。在離(li)心力的作用(yong)下,氣體一般(bān)以連續氣柱(zhu)的形式集中(zhong)在管中心，周(zhōu)圍爲連續液(yè)相,液相呈環(huán)形流動,形成(cheng)旋流核心環(huán)狀流管内相(xiàng)分隔後電磁(ci)流量測量原(yuán)理如圖3所示(shì)。

　　理論，上(shàng)，如果切向速(sù)度軸對稱且(qie)不衰減,切向(xiang)速度不影響(xiang)電極♈.上的電(dian)勢，則切向速(su)度不會影響(xiang)電磁流量計(jì)的輸出,式(2)也(ye)适用于旋轉(zhuan)核心環形。因(yīn)此，環💋狀流中(zhong)使用電磁流(liú)量計測量流(liú)量的計算式(shì)見式(3)

式中:Q爲(wei)流體總的體(ti)積流量,m2/s。
2實驗(yan)裝置和方法(fa)
　　實驗在空氣(qì)-水兩相流實(shí)驗回路中進(jin)行,以驗證所(suo)🥵提出的測量(liàng)方法的可行(háng)性。實驗環路(lù)及實驗段布(bù)置如🌈圖4所示(shì)，在實驗💜段安(ān)裝了旋流器(qì)和電磁流量(liang)計 。

利用圖像(xiang)處理技術，提(ti)取環狀流的(de)相界面，進而(ér)計算🐉空隙率(lǜ),圖像采集原(yuán)理如圖5所示(shi)。圖像采集過(guò)程中,采用背(bei)光光源照射(shè)法,使用高速(su)攝像儀采集(jí)照片，高速攝(she)像儀型号爲(wèi)📧NACMEMRECAMfxK3,像素爲480×640。在每(mei)種工況下,以(yi)500Hz的🔴頻率采集(jí)2s,共1000張照片取(qu)氣柱直徑平(píng)均值⛱️作爲計(jì)算🔞截面相含(hán)率的值。本研(yan)究采用相分(fen)離法實現的(de)旋✊流核心環(huan)空流動中氣(qi)液界面清晰(xi)光滑(結構見(jian)圖6),從而降低(di)了圖像處理(lǐ)的難度并減(jiǎn)小了空隙率(lü)的測🥰量誤差(cha)。

3實驗結果與(yǔ)分析
3.1實驗流(liu)型觀察
針對(duì)氣液兩相來(lai)流分别爲細(xi)泡狀流、塞狀(zhuang)流和彈🚩狀🥵流(liu)時，實💰驗過程(chéng)中觀察了旋(xuan)流器上下遊(you)流型的演變(biàn)，旋流器前🛀🏻後(hòu)的流型變化(hua)如圖7所示。從(cong)圖7可以看出(chu),在各人口流(liu)型下,都可以(yǐ)形成旋流核(hé)心環空流動(dòng)結構。當入口(kou)流型爲細泡(pào)狀流時,旋流(liu)器下遊的氣(qi)柱直徑保持(chí)相對穩💋定值(zhí);當人口流型(xing)爲塞狀流時(shi),旋流器下遊(you)的氣柱直徑(jing)✔️保持相對穩(wen)定,與細💯泡狀(zhuang)流區别不大(da)🙇‍♀️;當人口流型(xing)爲彈🎯狀流時(shi),由于截☀️面内(nèi)氣量的劇烈(lie)變☁️化導緻旋(xuan)流後氣柱直(zhí)徑随氣體體(tǐ)積的增大而(ér)增大，但界面(mian)仍然清晰。

3.2旋(xuán)流核心環空(kong)流動的空隙(xi)率
螺旋流狀(zhuang)态下,截面相(xiang)含率與直線(xiàn)流相比會發(fa)生♈變化,進而(er)使🌂得兩者之(zhī)間的液流速(sù)度也會不同(tóng)。圖8示出了在(zai)相同的氣液(ye)進口流量下(xia),直流環狀流(liu)和旋流環狀(zhuang)流之間空隙(xi)率的變化。從(cong)圖8可以看出(chū)，在旋流作用(yong)下,會使得🏒空(kōng)隙率的🐉變化(hua)範圍減小。在(zai)彈🎯狀流來流(liu)時,旋流使得(de)空隙率減小(xiao)，而對于塞狀(zhuàng)流和細泡狀(zhuang)流,旋流會使(shi)得空隙率變(biàn)大。
3.3液體流量(liàng)測量
爲了研(yan)究旋轉環狀(zhuàng)流下電磁流(liu)量計測量精(jing)度,引人了相(xiàng)對誤差,定義(yì)爲:

式中:ε爲相(xiàng)對誤差,%;Dmea爲液(yè)體體積流量(liang)測量值,m3/h;Dref爲液(ye)體體積流量(liang)💔參比值,m3/h。

爲了(le)正确多次測(cè)量下電磁流(liu)量計測量精(jing)度,引入了平(píng)均全局相對(duì)誤差,定義爲(wèi):

式中:εave爲平均(jun1)全局相對誤(wu)差,%;N爲取樣個(ge)數。
圖9顯示了(le)不同空隙率(lǜ)流量測量的(de)相對誤差。由(you)圖🚶9可❓以看😘出(chu),測量誤差随(suí)着空隙率增(zeng)加而增加,且(qiě)具❤️有很強的(de)規律性。導緻(zhì)這種現象的(de)原因可能是(shi)因爲與單相(xiang)流相比，旋轉(zhuan)環狀流中存(cún)在不導電氣(qì)芯,使導電相(xiàng)流通截面發(fā)生改變,由單(dan)相流中的圓(yuan)形🐕變爲兩相(xiang)流中的環形(xing)，造成儀表常(cháng)數發生改變(biàn)。由圖9還可看(kàn)出,通過關于(yu)截面相含率(lü)的校正，可得(de)到更精确的(de)測量值計算(suàn)式如下:

圖10爲(wei)按照圖9的拟(nǐ)合曲線校正(zhèng)後的測量結(jie)果圖。由圖10可(ke)以看出,測量(liàng)值與參比值(zhí)吻合良好。相(xiang)對誤差🏃‍♂️最大(da)☁️不超過士5%，平(píng)均誤差爲1.1%。綜(zōng)上所述，可以(yi)利用電磁流(liú)量計測量旋(xuán)轉環狀流中(zhong)的液體流量(liàng)。

4結論與認識(shi)
本研究以氣(qì)液兩相流爲(wei)研究對象，提(ti)出了一種管(guǎn)内相♈分隔技(ji)術與電磁流(liu)量計相結合(he)的水平管内(nei)流量測.量新(xīn)方法,該方法(fǎ)對于指導生(shēng)産實踐具有(yǒu)重大的意義(yì)。
(1)從理論上分(fèn)析了管内相(xiang)分隔與電磁(cí)流量計組合(hé)測🌈量兩相🚶‍♀️流(liu)中連續導電(dian)相流量的方(fang)法,采用空氣(qi)-水兩相流實(shí)驗驗證📱了該(gai)方法在一-定(dìng)範圍内可正(zheng)确測量出.連(lian)續導電相的(de)流量,具有實(shi)用價值。
(2)針對(duì)兩相流不穩(wen)定流的特點(dian),采用旋流片(piàn)作爲管🏒内相(xiang)分隔裝置,實(shí)驗觀察了旋(xuán)流器前後的(de)流型變化，即(jí)将管内細泡(pao)狀流、塞🚶狀流(liú)和彈狀流整(zhěng)流成單--穩定(ding)的環狀流✊:密(mi)度較小的氣(qì)🛀相集中于管(guan)道中心，而密(mi)度較💃大的液(yè)相則圍繞氣(qi)相和管壁形(xíng)成環狀體,氣(qi)液相之間界(jiè)面清晰,形成(cheng)管内相❤️分隔(gé)狀态，爲後續(xù)圖像處㊙️理測(ce)量空隙率提(ti)供條件。
(3)針對(duì)含有少量氣(qì)體的連續水(shui)相導電流體(ti)，引入空隙率(lü)修♌正了電磁(ci)流量計公式(shì),建立了液相(xiang)流量測量模(mo)型爲⭐了驗證(zheng)該方法的可(kě)行性,在不同(tóng)的氣液流量(liang)範⛷️圍内進行(hang)了一系列實(shi)驗,在管👣内相(xiàng)分隔狀态下(xia),利用電磁流(liu)量計的液相(xiang)測量相對誤(wu)差在士5%以内(nei).

以上内容源(yuán)于網絡，如有(yǒu)侵權聯系即(ji)删除!