摘要(yào):設計了等效(xiào)内徑比分别(bié)爲0.424、0.586的雙錐流(liu)量計,并采用(yong)該流量🤩計在(zài)多相流實驗(yan)裝置上開展(zhǎn)了氣水兩相(xiàng)☀️流參數測量(liang)實驗研究。通(tōng)過對雙錐流(liu)量計 上的差(chà)壓波動信号(hao)時間序列進(jìn)行分析,采用(yòng)其特征👅值建(jiàn)立氣水兩相(xiang)流分相含率(lǜ)測量模型;在(zai)分相流模型(xing)的✍️基礎上,通(tong)過分析準氣(qì)相流量比和(he)Lockhart-Martinelli常數的關系(xì)⛹🏻‍♀️建立氣水兩(liǎng)相流流量測(ce)量模型。在多(duo)相流實驗裝(zhuang)置上進行了(le)氣水兩相流(liú)參數測量系(xì)列實驗,結果(guǒ)表明在實驗(yàn)範圍㊙️内,所建(jian)立的體積含(han)氣率測量模(mo)型測量相對(duì)誤差在5%以内(nèi);氣液兩相流(liu)總流量和液(ye)相流量測量(liang)誤差🎯在6%以内(nèi)。氣相流量的(de)測量結果表(biao)明,在以空氣(qi)和水爲介質(zhi)、幹度很小的(de)工況下,氣相(xiàng)流量的測量(liang)相對誤差明(míng)顯大于總流(liú)㊙️量和🔴液相流(liu)量的相對⭕誤(wu)差。
0引言
　　氣液(ye)兩相流常見(jian)于冶金、石油(you)、動力、化工、能(néng)源、管道運輸(shu)及制冷制藥(yào)等領域,在工(gōng)業生産與科(ke)學研究中具(ju)有重要作用(yong),在工業過程(chéng)中也伴随着(zhe)許多經濟與(yu)安全問題，因(yīn)此對㊙️兩相流(liú)活動過程機(jī)理狀态的描(miáo)述、解釋以及(ji)流動過程中(zhong)相關參數的(de)正确測量具(jù)有重要意義(yì),也是現代工(gōng)業系統中亟(jí)待解決🏃🏻‍♂️的一(yī)道難題。随.着(zhe)工業水平的(de)不斷提高，兩(liǎng)相流涉及的(de)領域越來越(yue)廣泛,對🐅工業(ye)過程控制精(jīng)度的要求也(yě)在不斷提高(gāo)。在🧑🏽‍🤝‍🧑🏻目前工業(yè)生産中,由🤞于(yu)一些傳統的(de)流量測量方(fang)式及🔱模型無(wu)法适用于兩(liang)相流特有的(de)波動性和複(fú)雜的流動形(xíng)态，使得其相(xiàng)關參數的測(cè)量方法多處(chu)于研究階段(duan),離實際應用(yong)尚有一⚽定距(jù)離。
　　氣液兩相(xiang)流過程參數(shù)的檢測策略(lue)随工況與對(duì)象屬性🈚的變(biàn)🚩化而變化,可(ke)以利用的物(wù)理現象與關(guān)系🙇🏻有很多,因(yīn)此檢測方法(fǎ)也多種多樣(yang)。從測量形式(shi)上講，目前常(chang)見的檢測方(fāng)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼法大緻可分(fen)爲直接法和(he)間✨接法2類，前(qián)💞者可以通過(guò)采用傳統單(dān)相流🤟儀表等(děng)方法直接測(ce)得待測對象(xiàng)的相關參數(shù),後者則多采(cai)用🌈一定的輔(fu)助測量值建(jiàn)立待測參數(shù)與特征值的(de)關系式,通過(guo)模型計算得(de)到[2。利用傳統(tong)單相流量計(ji)測❓量氣液兩(liang)相流參數是(shi)多相流測量(liang)研🚩究與應用(yòng)的💔一個重要(yao)方向,雖然這(zhe)類儀表在檢(jian)測混合流量(liàng)時🔴的性能良(liáng)好,但由于工(gōng)況和模型的(de)差異，在檢測(ce)相含率時誤(wu)差較大531J。從測(ce)量原理上講(jiǎng),氣液兩相流(liú)相🈲關參數的(de)測量方法可(kě)以分爲分離(lí)法和非分離(lí)法,前者是将(jiāng)兩相流流體(tǐ)分離,利用單(dān)相流的測量(liang)方法分别獲(huo)得相關參數(shù),但此類方法(fa)受測量設備(bèi)☀️龐大、系統複(fú)雜等因素的(de)限制,需✔️要對(dui)取樣設備進(jìn)行更進一步(bù)的研究,後者(zhe)直接利用傳(chuán)統差壓式流(liú)量🧑🏽‍🤝‍🧑🏻計對混合(he)的兩相流流(liú)體進行測量(liàng),傳統差壓式(shi)流💃量計由于(yu)結構簡單、性(xìng)能可靠等特(tè)點,一直以來(lai)在多相流參(cān)數測量中倍(bei)受關🔆注。
　　傳統(tǒng)差壓式流量(liàng)計是将流向(xiàng)管道中心收(shōu)縮,通過測量(liàng)節流件(如孔(kong)闆和文丘裏(li)管)前後的壓(ya)力降來得到(dao)流量數據。近(jìn)20年出現了一(yī)種新型 V型内(nèi)錐流量計 ,它(ta)将原本利用(yòng)流體進行節(jie)流而後收縮(suō)到管道中心(xīn)軸線附近的(de)概念從根本(běn).上改變爲利(lì)用同軸安裝(zhuang)在管道中的(de)V形錐體将流(liú)體慢慢地進(jìn)行節流而後(hòu)收縮🏃‍♀️到管道(dao)的内邊🏃‍♀️壁。與(yǔ)其他傳統差(chà)壓式流量計(ji)相比,V錐流量(liang)計在壓損、重(zhong)複性、量程比(bǐ)和長期工㊙️作(zuo)穩定性等方(fang)面表現出一(yi)定的優勢,實(shí)驗分析表明(míng)其可用于兩(liǎng)相流的流型(xíng)識别和參數(shù)測量[15-18],但由于(yu)V錐流量計的(de)内錐形狀較(jiao)爲複雜且節(jie)流件尾部鈍(dun)💁體會使流體(tǐ)産生流動分(fen)離,産生旋渦(wo)并造成較大(da)壓力損😍失等(děng)問題使其應(ying)用受到一定(ding)的限制。本🧑🏽‍🤝‍🧑🏻文(wén)作者在 V錐流(liu)量計 的基礎(chǔ)上設計了一(yi)種具有對稱(cheng)結構的雙錐(zhuī)流量計([9,利用(yòng)😍理論模型較(jiao)成熟的差壓(ya)原理開展氣(qi)液兩相流參(can)數的測量,并(bing)根據氣液兩(liǎng)相流固有的(de)波動🏃特性提(tí)取相關特征(zhēng)值✨,分析其與(yu)分相含率等(děng)參數💃🏻的關系(xì)(20-22,探尋氣液兩(liang)☔相流的參🔴數(shu)測量新🏒型測(cè)量方法并開(kai)展實🛀🏻驗分析(xī)和研究,爲氣(qì)液兩相流在(zai)工業過程參(can)數正确♈檢測(ce)及新型流量(liàng)計商業化奠(dian)定基礎。
1測量(liàng)原理
1.1流量計(ji)結構
　　雙錐流(liu)量計爲--新型(xíng)内錐流量計(jì),節流單元基(jī)本結構如圖(tú)🎯1所示,包括測(ce)量管段、取壓(yā)口和節流錐(zhuī)體。.圖🤩1(b)爲雙錐(zhui)流量計剖面(miàn)圖，P1、P2、P3分💛别爲3個(ge)取壓口,P1爲上(shàng)遊流👅體收縮(suo)♌前取壓口,P2爲(wèi)節‼️流件喉部(bu)最小流通面(miàn)積處取壓口(kǒu),P3爲下遊流束(shu)穩定時的取(qǔ)壓口。本實驗(yan)研究所需的(de)雙錐流量計(jì)差壓信号是(shì)從P1與P2口獲得(de)的前差壓。利(lì)用P2與P3可獲得(de)雙錐流量計(jì)的後差壓。節(jie)流錐👈體是雙(shuāng)錐流量計的(de)核心部件,主(zhǔ)要包括錐體(ti)和錐體支架(jià)結構2部分，如(rú)🐅圖2所示。雙錐(zhui)流量計的錐(zhuī)體由📱前後2個(gè)錐🔴角相等的(de)對✨稱錐體構(gou)成,3個片狀支(zhi)架和1個管環(huán)構成錐體支(zhī)架結構，節流(liu)錐體可通過(guò)支架🏃結構固(gu)定在管道中(zhong)心并✊與❗管道(dao)同軸,将與管(guan)道内徑相同(tong)的管環安裝(zhuang)在實驗管道(dao)中。
 
　　本(běn)次研究所設(shè)計的雙錐流(liu)量計錐體前(qian)後錐角均爲(wèi)45°,中部圓柱體(ti)長度20mm。D爲管道(dào)内徑,d爲節流(liú)錐體在喉部(bu)處直徑，ɑ爲對(dui)⭐稱錐體的錐(zhuī)角。
　　圖1(a)爲管道(dào)最小流通面(miàn)積處的截面(mian)圖，雙錐體采(cai)用三角結構(gòu)🏃‍♂️固定于管道(dào)内，既能使雙(shuāng)錐承受較大(dà)的♍沖擊又可(ke)以保證雙錐(zhui)與管道内圓(yuan)的同軸度,同(tóng)時足夠薄度(du)的支撐葉片(pian)也可以最大(dà)程度減小對(duì)流體的擾動(dòng)。
1.2基本測量模(mo)型
　　雙錐流量(liang)計的工作原(yuan)理是基于流(liú)體在一密封(fēng)管道中的能(néng)量守恒原理(lǐ)(伯努利方程(cheng))和流動連續(xù)性原理。根據(jù)流體力學✌️的(de)相關理論可(ke)以推出單相(xiàng)流流量的基(ji)本測量模型(xing)🏃‍♂️:
 
2實驗裝置
　　圖(tu)3和4分别爲雙(shuang)錐流量計氣(qi)液兩相流實(shi)驗系統實物(wu)🔞圖和🏃結構簡(jiǎn)圖,實驗對象(xiang)爲水平管道(dào)内的氣/水混(hun)合流體。實驗(yàn)設備主要包(bao)括數據采集(jí)系統和實📱驗(yan)管路🔞2大部分(fèn):數據采集系(xì)統包括數據(jù)采集器及采(cai)集控制界面(mian);實驗管路包(bao)括雙錐流量(liàng)計、 壓力變送(song)器 、 差壓變送(song)器 、 溫度計 、标(biāo)準表以及管(guan)道和閥門等(deng)設備。
 
　　裝置的(de)工作流程爲(wèi):水經過穩壓(ya)罐後,通過标(biao)準水表💜讀取(qu)✉️其體積流量(liang),進入混相器(qi);空氣壓縮機(jī)将空✏️氣壓縮(suo)到💰穩壓罐,通(tong)過标準氣表(biao)讀取其體積(jī)流量,并用溫(wen)🥰度計和壓力(li)表測量此時(shí)的氣🔞相溫度(du)(T)和壓力(p加:),最(zuì)後進人混相(xiàng)器與液相混(hun)合;氣液兩相(xiàng)流經🌂過8m長的(de)直管段,充分(fèn)混合後進入(ru)氣液兩相實(shí)驗管段,在此(ci)處安裝雙錐(zhuī)流量計并測(cè)量氣液兩相(xiang)🔞的混合差壓(yā),同時測量雙(shuāng)錐流☂️量計前(qian)的🌈壓力(p2)和溫(wen)度(T2),采用數據(jù)采集系統記(ji)🌏錄各測量值(zhi)。
　　實驗中,液體(tǐ)穩壓罐和氣(qi)體穩壓罐的(de)穩壓範圍分(fen)♋别爲⛹🏻‍♀️0.2~0.21MPa和0.39~0.41MPa,标準(zhun)水表和标準(zhǔn)氣表參數如(ru)表1,直管段以(yǐ)及實驗管段(duan)管徑爲50mm。.
 
　　考慮(lǜ)到不同等效(xiào)直徑比的雙(shuāng)錐流量計具(ju)有不同的測(cè)量特性🐅，選擇(ze)不同的直徑(jing)比可分析雙(shuang)錐流量計各(gè)💔自不同特性(xing),從而獲🈲得與(yu)直徑比相關(guan)的關鍵🔞參數(shu)，因💁此選用2個(ge)不同等效直(zhi)徑比(0.424、0.586)的雙錐(zhuī)流量計🌏進行(hang)實驗,其流出(chū)系數分别爲(wei)0.9672和0.9685。雙錐流量(liang)計的差壓信(xin)号由應變式(shì)差壓變送器(qi)進行測量,其(qi)量程爲0~64kPa,輸出(chu)電流信号4~20mA,精(jīng)度等級爲0.25%FS.
3分(fen)相含率測量(liàng)模型
　　在氣液(yè)兩相流的測(cè)量中,分相含(han)率是一個重(zhòng)要的參數,重(zhòng)☁️點測量對象(xiang)爲氣相的相(xiang)含率,包括體(ti)積含氣率、截(jie)面含氣率(空(kong)隙率)和質量(liang)流量含氣率(lǜ)(幹度)。其中體(ti)♻️積含氣率和(hé)幹度的關系(xì)如下⛱️式:
 
　　式中(zhōng):μ爲體積含氣(qì)率;pz爲氣相密(mi)度;ρn爲液相密(mi)度。
　　氣液兩相(xiang)流在流動過(guò)程中存在波(bō)動性,根據前(qián)人的實驗研(yán)究結果,此波(bo)動信号與氣(qi)液兩相流的(de)流型、分相含(hán)率等重要測(cè)量參數具有(you)一定的相關(guan)性,因此可以(yi)通過🔱分析從(cong)差壓波💚動信(xin)号中提取的(de)特征值建立(lì)📧氣液兩相流(liú)分相含🥵率的(de)測量模型，從(cong)而實現對氣(qì)相🏒含率等參(cān)數的在線測(ce)量。
　　氣液兩相(xiang)流通過差壓(yā)式流量計時(shí)的瞬時差壓(yā)和瞬時流⛷️量(liang)之間也符合(hé)時間平均值(zhí)的關系式,因(yin)此:
 
　　式中:i爲某(mǒu)個瞬時時刻(ke);△ppo爲瞬時差壓(ya);μi;爲瞬時體積(ji)含氣率;qi爲瞬(shun)時流量;k、b是與(yǔ)節流元.件結(jié)構和兩相流(liú)流體物性有(yǒu)關的系數。
　　定(dìng)義脈動振幅(fú)爲差壓瞬時(shí)值和時均值(zhi)之差,其均✊方(fang)♉根爲:
 
　　理論上(shang)R是μ的單值函(hán)數,可通過實(shi)驗差壓時均(jun)值和差壓脈(mò)動幅值計算(suan)出氣相體積(ji)含率μo.
　　實驗所(suo)用水平管道(dao)管徑爲50mm,進行(hang)氣液兩相流(liu)實驗并采集(ji)差壓波動信(xin)号,圖5和6爲等(deng)效直徑比爲(wèi)0.424和0.586的💯雙錐❌流(liú)量💁計無量綱(gang)參數R與體積(ji)含氣率μ的數(shù)值點分布
 
　　由(you)圖5和6可知,對(duì)于雙錐流量(liàng)計,波動幅度(du)參數R随着🎯體(tǐ)積含👨‍❤️‍👨氣率呈(chéng)現先增大後(hou)減小的趨勢(shi)。當體積含氣(qi)率小于💯0.3時,差(chà)壓的波動幅(fu)度參數很小(xiǎo);然後随着體(tǐ)積含氣率的(de)🏒增大,差㊙️壓的(de)波🐅動幅度值(zhi)增!大,并在0.85左(zuǒ)右達到最大(da)值。根據流體(ti)在管道中流(liú)動的實際🔴情(qíng)況,當流體爲(wèi)單相(即全爲(wèi)液相μ=0,全爲氣(qi)相μ=1)時，流動是(shi)較爲平穩👣的(de),應有R≈0,因此可(kě)假♌設R與μ符合(hé)如下關系:
 
4流(liú)量測量模型(xíng)
　　雙錐流量計(jì)作爲-種新型(xíng)差壓式流量(liang)計,在結構上(shang)與傳統标準(zhun)差壓流量計(ji)具有一-定的(de)差異,現有模(mó)型，的一些🛀關(guan)鍵參數無法(fa)适用,需尋求(qiu)新的模型參(can)數。
　　用汽水、氣(qì)水和天然氣(qì)水混合物經(jing)過大量實驗(yan)并對理想🛀分(fen)相流模型進(jìn)行修正後得(de)到孔闆氣液(ye)兩相流流量(liang)😍計算模型🔞:
 
 
5實(shí)驗與結果分(fen)析
5.1氣相含率(lü)測量
　　實驗在(zai)體積含氣率(lü)爲0.32~0.96範圍内進(jìn)行，對流體流(liú)經雙錐流量(liang)計時所産生(shēng)的前差壓進(jìn)行了采集,提(ti)取差壓波動(dong)信号中🚶的特(te)征值R',通過模(mo)型式(7)計算得(de)出體😄積含氣(qi)率值,模型測(ce)量誤差如圖(tú)8和9所示,體積(ji)含氣率的相(xiàng)對⛹🏻‍♀️誤差基本(běn)👨‍❤️‍👨在±5%以内。
 
5.2流量(liang)測量
　　氣液兩(liang)相流流量實(shi)驗測量以水(shuǐ)和空氣爲介(jie)質,其🚶‍♀️中水和(hé)空氣的質量(liàng)流量範圍分(fèn)别爲1.233~6.581kg/s和0.006~0.04kg/s.水穩(wěn)壓爲0.2MPa,氣源❗穩(wen)壓📧0.4MPa,幹度範圍(wei)0.001~0.03,環境✨溫度20.5℃.。NI數(shù)據采集卡采(cai)集差壓波動(dong)信号,提🛀取其(qí)特征值并通(tōng)過公式(7)和(2)計(ji)算得到質量(liàng)流量含氣率(lü)x,流量值可❤️通(tōng)過公式🍓(12)計算(suàn)得到😍。
 
　　實驗測(ce)量了氣液兩(liang)相流的總流(liu)量及液相、氣(qi)相的分相流(liú)量,在圖10和11中(zhong)給出了總流(liu)量的測量誤(wù)差,總質量🏃流(liu)量的參考值(zhí)🔴爲氣相和液(ye)相混合前的(de)流量值之和(he)。測量誤🏃差結(jie)果顯示,在實(shí)驗範圍内所(suo)采用的體積(ji)含💯氣率測量(liàng)模型和改進(jìn)的流量測量(liang)模型對氣液(ye)兩相流總流(liú)量測量具有(you)較好的适用(yong)效果,測量結(jie)果相對誤差(chà)基本可以控(kòng)制在±6%以内。值(zhi)得提🏃‍♀️出的是(shi)，當氣相體積(jī)含率大于0.8時(shi),兩💰相流處于(yu)塞狀流向環(huán)狀流的過渡(du)段,流型變化(huà)較爲複雜，使(shi)得測量精度(dù)有所下降。
 
　　總(zong)流量測量相(xiang)對誤差圖中(zhōng)可看出,對于(yú)氣液兩相㊙️流(liú),其💋分相流的(de)參數測量具(ju)有重要的工(gong)程意義。可✉️以(yǐ)根據公式(7)和(he)⛷️測量出的體(tǐ)積含氣率值(zhí)由公式(2)得到(dào)幹度值,從而(ér)實現對氣液(yè)兩相流的分(fen)相流測量👌。液(yè)相流量測量(liàng)誤差如圖12和(he)13所示,在實驗(yàn)範圍内的💰相(xiang)對誤差基本(běn)在±6%以内，說明(míng)該測量模型(xíng)在該工況下(xià)具有較好的(de)測量效果。因(yīn)爲在實驗所(suǒ)用氣😄液兩相(xiàng)流中，氣體在(zai)總流量中所(suǒ)占的比例較(jiào)小，所以液相(xiàng)🌈流量測量誤(wù)差分✂️布結果(guo)與總流量相(xiàng)似。
 
　　實驗對氣(qì)相流量進行(hang)了測量,其測(ce)量結果如圖(tu)14和15所示。測量(liàng)誤差結果顯(xiǎn)示,忽略粗大(dà)誤差後的氣(qi)相流量測量(liang)誤差在±20%以内(nèi)，該誤差遠大(da)于液相和總(zong)流量的測🐪量(liàng)誤差,分析認(rèn)👅爲在本實驗(yan)中🙇‍♀️的兩相流(liú)幹度僅在0.001~0.03範(fan)✂️圍内,不同于(yú)濕蒸氣和高(gao)幹度的實驗(yan)工況,對體積(jī)含氣率或幹(gàn)度的微小測(ce)量誤差會導(dao)緻對氣相流(liú)量測♍量結果(guǒ)的較大偏差(chà)。
 
6結論
　　本文将(jiang)一種新型的(de)雙錐流量計(ji)用于氣水兩(liǎng)相流的測🥵量(liang),研究了2個不(bú)同等效直徑(jing)比的雙錐流(liú)量計對氣相(xiang)體積含♌率、總(zǒng)流量及分相(xiàng)流量的測量(liang)性能。對雙錐(zhui)流量計上的(de)差壓波動♈信(xìn)号時間序列(lie)進行🌍了分析(xī),利用其特征(zheng)值建立了氣(qi)水兩相流氣(qi)相含率的關(guān)系模型。應用(yòng)該模型對氣(qì)相體☂️積含率(lü)進行👅測量,在(zài)實驗範圍内(nei),氣相體積含(han)率測量相對(dui)誤差在±5%以内(nèi)。利用常數建(jian)立了🐕雙錐流(liu)量計氣液兩(liǎng)相流總流量(liàng)測量模型,可(kě)㊙️對總流量和(he)液相流量進(jìn)行有效的測(ce)量,測量結果(guǒ)的相對誤差(chà)在±6%以内。在幹(gàn)❌度很小的情(qíng)況下,氣相🧑🏾‍🤝‍🧑🏼流(liú)量的測量相(xiang)對誤差較大(dà)。與V錐流量計(jì)在氣液兩相(xiàng)流相♉關參數(shù)的測量結果(guo)(氣相體積含(hán)率已确定的(de)條件下,兩♋相(xiang)⭕流總質量流(liu)量的相對誤(wu)差基本在土(tu)5%内)相對比表(biǎo)明[1]，雙錐流量(liang)計可獲得與(yu)V錐流量計相(xiang)當的精度,且(qiě)在減小流體(tǐ)擾🍉動🌏、降低壓(ya)力損失和抗(kàng)壓力沖擊等(děng)方面更具有(yǒu)優勢。

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