摘要(yao):在氣液兩相流(liu)實驗裝置上,對(duì)3台具有不同導(dǎo)程🔆葉⭐輪的渦輪(lun)流量傳感器 測(cè)水平氣液兩相(xiang)泡狀流的特性(xìng)進行了實驗研(yan)究。發現随着體(tǐ)積含氣率的變(biàn)化,3台傳感器的(de)流量特性曲線(xiàn)、儀♻️表系數遷移(yí)量、重複性誤差(cha)均會發生明顯(xian)變化。具有較小(xiao)導程葉輪的傳(chuan)感器🚶‍♀️,其性能優(yōu)于其它兩台傳(chuan)感器。對✨造成渦(wō)輪流量傳感器(qi)測量特性改變(biàn)與誤差的原因(yīn)進行了分析讨(tǎo)論,并對體積🐇含(hán)氣率變化🛀🏻影響(xiang)渦輪流量傳感(gan)器特性的物理(lǐ)機理進行了分(fen)析。
1引言
　　以往人(rén)們對渦輪流量(liang)傳感器的研究(jiu)多集中于單相(xiang)流動☔條件下的(de)實驗及理論研(yán)究。但在氣液兩(liǎng)相流動條件下(xià),由于氣液兩相(xiang)間相互作用和(hé)兩相界面複雜(za)多變等原因,人(rén)們應用渦輪流(liú)量傳感器測量(liàng)氣液兩相流的(de)研究還不多。
　　本(běn)文對3台具有不(bú)同導程葉輪的(de)渦輪流量傳感(gan)器♈,用來測量🐉體(ti)積含氣率低于(yu)10%的水平氣液兩(liang)相泡狀流的特(te)性進行了實驗(yàn)研究。提出儀表(biao)系數遷移量;得(dé)出不🐆同含氣率(lǜ)下傳感器的兩(liǎng)相流量特性曲(qu)線與儀表系數(shu)遷移量曲線;得(dé)出葉輪導程值(zhi)大小影🧑🏾‍🤝‍🧑🏼響着傳(chuan)感器測量誤差(cha)值的結論。最後(hòu)♻️對體積含氣率(lü)變化影響渦輪(lun)流量傳感器🙇🏻特(tè)性的物理機✨理(lǐ)以及造成傳感(gǎn)器測量特性改(gai)變與誤差的原(yuán)因進行了分析(xī)讨論。
2實驗研究(jiū)
　　氣液兩相流實(shi)驗裝置上進行(hang)，裝置見圖1。本實(shi)驗渦輪流量傳(chuan)💯感器安裝位置(zhì)距離引射器出(chū)口1.225m。
 
　　描述葉輪設(shè)計結構的幾何(hé)參數有多個,就(jiù)螺旋形♻️葉片📱葉(ye)輪而言,主要有(yǒu):葉片數目Z、葉片(pian)頂端半徑Rt輪毂(gū)半徑Rh、葉片導程(chéng)L、葉片厚㊙️度tb、葉片(pian)的倒角γ、葉片軸(zhóu)向💚寬度Lb。對編号(hào)分别爲1#、2#、3#的♻️三台(tai)50mm口🌈徑渦輪流量(liang)傳感器進行了(le)水平氣液兩相(xiàng)流特性實驗,傳(chuán)感👈器葉輪幾何(he)結構參數,除葉(yè)片數目Z=6倒角γ=90°外(wài),其餘參數見表(biao)1。
 
　　實驗時，測量渦(wō)輪流量傳感器(qì)入口處壓力穩(wen)定後的流量、溫(wen)度和壓力值,通(tong)過理想氣體狀(zhuàng)态方程計算得(de)到人🧑🏽‍🤝‍🧑🏻口處工況(kuàng)空氣密度與氣(qì)相體積流量。體(tǐ)積含氣率由渦(wō)輪流量傳感器(qi)人口處空氣體(tǐ)積流量與入口(kou)處總體積⭐流量(liàng)Qm計算⛹🏻‍♀️得到。調節(jie)液相調節閥,将(jiang)液相流量分别(bie)穩定在12、10.8、6m³/h。然後逐(zhu)漸增大氣相閥(fa)門開度。采用精(jing)度高數據采集(jí)闆卡對每個流(liú)量點🤟的過程參(can)數與傳感器脈(mo)沖輸出采樣10次(ci),然後取平均值(zhí)。
3實驗結果
3.1不同(tóng)體積含氣率下(xia)的流特性曲線(xiàn)
　　在不同體積含(han)氣率下,3台渦輪(lun)流量傳感器測(cè)量水平氣液兩(liǎng)💁相流的特性曲(qu)線見圖2~4,由圖中(zhong)曲線可見:
 
(1)在相(xiàng)同含氣率下，每(mei)台渦輪流量傳(chuan)感器儀表系數(shù)曲線均基🚶本保(bao)持水平,平均儀(yi)表系數K.和線性(xìng)度誤差δ見表2。
(2)随(sui)體積含氣率β的(de)增加,3台渦輪的(de)儀表系數K均有(you)減小的🐕趨勢🐆。

 
3.2體(ti)積含氣率與儀(yi)表系數遷移量(liang)曲線
　　通常渦輪(lún)流量傳感器出(chū)廠用水标定,測(ce)量氣液兩相流(liu)時,如果實際儀(yí)表系數與出廠(chǎng)标定值偏差越(yue)小,則測量精度(dù)會越高。爲此引(yin)入儀表系數遷(qiān)移量K、來評價👄渦(wō)輪流量傳感器(qì)測量氣液兩✨相(xiang)流的性能，其計(ji)算公式爲:
 
　　式中(zhong):K0爲渦輪流量傳(chuan)感器用單相水(shui)流量标定得出(chu)的♈儀表系數✉️。Kv随(suí)β變化曲線見圖(tu)5。由圖5可見:随着(zhe)β的增加,3台傳感(gan)器的Kv值均增加(jiā);在相同含氣率(lü)下,2#傳感器的K,值(zhi)最小，1#傳感器的(de)K,值最大,3#傳感器(qì)的K,值介于1#與2#之(zhi)間。
 
3.3儀表系數随(sui)混合密度變化(huà)的曲線
　　混合密(mì)度采用流動密(mì)度計算方法,即(ji)ρm=pvβ+ρ1(1-β)。Pg爲氣體密度🧡,ρt爲(wei)水密度。Kv随pm變化(hua)曲線見圖6。
3.4不同(tóng)含氣率下傳感(gan)器的重複性誤(wu)差
　　按照渦輪流(liú)量傳感器檢定(ding)規程(81計算不同(tóng)體積含🍓氣率下(xià)3台傳感器的重(zhong)複性誤差,見表(biǎo)3。由表中數據可(ke)知:在兩相體積(ji)流💃量近👈似相等(děng)的情況下，重複(fu)性🏃🏻誤差的㊙️大小(xiǎo)明顯受含氣率(lü)多少的影響,随(sui)着含氣率的增(zeng)加🌈,重複性誤差(chà)明顯增大;對于(yu)每台傳感器👣,在(zai)相同含氣率下(xia),兩相混合體積(jī)流量Qm越大,重複(fu)性誤差越小。
 
3.5實(shí)驗結論
　　由圖5和(hé)圖6曲線可得出(chu)初步結論:2#傳感(gan)器K,值小于1#與3#傳(chuán)感⛷️器💜;由表3數據(ju)可得到初步結(jié)論:在含氣率相(xiàng)同㊙️時,随着氣液(yè)兩相流量的降(jiàng)低，傳感器重複(fu)性誤差增大;在(zai)相同流體條件(jiàn)下,2#傳感❗器測量(liang)重複性誤差優(yōu)于1#與3#傳感器的(de)重複性誤差。
4誤(wù)差原因的機理(lǐ)分析
　　葉輪受力(li)分析見圖7,u爲來(lai)流速度,Ɩ爲葉片(piàn)長度,ω爲葉輪旋(xuán)轉角速度。Fa、F1分别(bié)爲流體對葉輪(lun)的軸向力和圓(yuan)周力,FR爲二者的(de)合力;Fg、Fy分别爲FR在(zài)與葉片平行方(fang)向上🤞的分量和(he)與葉片垂直方(fang)向上的分量,稱(chēng)Fs爲葉輪阻力,Fy爲(wei)葉輪升力。
　　由于(yú)渦輪流量傳感(gan)器的葉輪在穩(wen)定工作條件下(xia)滿足力矩❗平衡(heng)方程,其特性曲(qu)線受流體密度(du)的影響。混合流(liu)體密度随着含(hán)氣率的增加而(er)減小，使流體産(chǎn)生驅動葉⛹🏻‍♀️輪旋(xuán)轉的升力(Fy)矩減(jiǎn)小😘,葉輪轉速降(jiang)低,儀表系數降(jiang)低。這是導緻傳(chuán)感器儀表😘系數(shù)遷移❌量增大的(de)一個原因。
 
　　當氣(qi)液兩相泡狀流(liu)經過葉輪時，氣(qi)泡被葉片剪切(qie)成☁️微小氣泡,在(zai)旋轉離心力的(de)作用下,這些小(xiǎo)氣泡聚集📧在葉(ye)👅片的吸力面側(cè)[9]，形成一個氣泡(pào)聚集區。聚集區(qu)中🏃的氣泡對流(liu)體的流動🐅起阻(zu)礙作用,根據作(zuo)用力與反作用(yong)力的關系,相當(dang)于增加了流體(ti)對葉片在平行(háng)葉片方向上的(de)㊙️作用力,F。相比沒(méi)有氣泡時有所(suǒ)增加,即🏒變爲Fs',葉(ye)輪升力Fy與Fs'的合(hé)力爲FR',其圓周方(fang)向分量爲Ft',Ft'與Ft相(xiàng)比有所減小。所(suo)以,葉輪轉速有(you)所降🍓低,即葉輪(lun)的旋轉效♉應被(bèi)減弱。當含氣率(lü)🌈增加時，氣泡聚(ju)集區♻️内的氣泡(pào)增加,對葉輪的(de)阻力增大🏃‍♂️,對葉(yè)‼️輪旋轉效應減(jian)弱的效果增強(qiang)，使葉輪轉速降(jiang)低,傳感器儀表(biao)系數降低。這是(shi)導緻傳感器儀(yí)表系數遷移量(liang)🏃‍♀️增大的另-一個(gè)原因。
 
　　根據速度(dù)剖面理論,氣液(yè)兩相流水平流(liú)經管道時㊙️，氣液(ye)💃兩相速度剖面(miàn)已不再象單相(xiang)時速度剖面那(nà)樣對稱分布于(yú)管道🥵内部，兩相(xiàng)流中的部分氣(qì)泡在浮力的🐇作(zuò)用下運動到🌏管(guan)道上📐方，管道上(shang)部由于氣泡的(de)存在☎️增強了脈(mò)動速度與瑞流(liú)強度10)。在含氣率(lü)🏃🏻‍♂️近似相同時,這(zhè)種由于氣🏒泡的(de)存在引✔️起的脈(mo)動速度與湍流(liú)強度增強的程(chéng)度,受兩相流體(tǐ)速度的影響,即(jí)在含💋氣率相同(tóng)時,兩相流體速(sù)度越小，氣泡的(de)存在引起的脈(mò)動速度與湍流(liú)強度越強，這也(yě)最終加劇了氣(qì)液兩相速度剖(pōu)面不🚶‍♀️對稱的程(cheng)度。由于渦☂️輪流(liu)量傳感器對來(lai)流的速度剖面(mian)比較🧑🏽‍🤝‍🧑🏻敏感,氣泡(pao)㊙️的存在引起❤️的(de)脈動速度🏒以及(ji)來流速度剖面(mian)的不對稱導緻(zhì)葉輪的每個葉(yè)片所受到的升(shēng)力Fy與阻力Fs存在(zài)差異,這種差異(yì)使旋轉的葉輪(lún)在某轉速附近(jìn)産生波動,最終(zhōng)導緻傳感器重(zhong)複性誤差的增(zēng)大。這就是同--傳(chuán)感器在相同含(han)氣率下,其重🍉複(fu)性誤差随來流(liú)的體積流量的(de)減小而增大的(de)原因☁️。
　　對于導程(cheng)小、安裝角大的(de)葉片來說,在相(xiàng)同條件流體的(de)沖擊下🥰,其葉輪(lún)升力F,矩大于大(da)導程葉輪升力(lì)矩,其‼️葉輪旋轉(zhuǎn)速度更快,其葉(yè)輪的陀螺效應(yīng)相對更強,抵抗(kàng)由于氣泡存在(zài)引起的脈動速(su)度和來流速度(dù)剖面的不對稱(cheng)👈導緻葉輪的轉(zhuǎn)動速👉度産生波(bō)動的能力更強(qiang)一些。這就是2#傳(chuán)感器儀表系數(shu)遷移量以及重(zhòng)複性🚶誤差優于(yú)1#與3#傳感器的原(yuán)因。
5結論
　　對3台具(ju)有不同導程葉(yè)輪的50mm口徑渦輪(lun)流量傳感器進(jin)行了含氣率爲(wei)0%~9.8%的水平氣液兩(liǎng)相流實驗,由傳(chuán)感器特㊙️性曲線(xian)分析及誤差分(fèn)析可以得到以(yǐ)下結論:
(1)渦輪流(liú)量傳感器測量(liang)氣液兩相流時(shí),與測量單相水(shui)🚩流量相比其儀(yi)表系數遷移量(liang)随體積含氣率(lü)的增加而逐漸(jiàn)增加。其原因是(shi):随含氣率的增(zēng)加,混合🔅流體密(mì)度減小🐉,流體驅(qu)動葉輪旋轉的(de)力矩減小;同😘時(shi),随含氣率增加(jiā),氣泡聚集區内(nei)的氣泡增加,對(dui)葉👌輪的阻力增(zēng)大,葉輪旋轉效(xiao)應減弱。從而葉(yè)輪轉速和傳感(gan)器儀表系數降(jiàng)低。
(2)在相同含氣(qi)率下,兩相體積(ji)流量越小，渦輪(lun)流量傳💛感🐇器的(de)重複性誤差越(yuè)大。其原因是:由(you)于渦輪流量傳(chuan)感器對來流🌈的(de)速度剖面比較(jiào)敏感,氣泡的存(cún)在引起的⭐脈動(dong)速度以及💔來流(liú)速🈲度剖面的不(bú)對稱導💜緻葉輪(lun)的每個葉片所(suǒ)受到的升力與(yu)阻力存在差異(yì)，這種差異使旋(xuán)轉的葉輪在某(mou)轉速附近産生(shēng)波動。
(3)具有小導(dǎo)程、大安裝角葉(yè)輪的2#渦輪流量(liang)傳感器的儀表(biao)系數遷移量與(yu)重複性誤差優(you)于1#與3#傳感器.在(zài)相同條件流體(tǐ)的沖擊下,測量(liàng)精度受氣液兩(liang)相流💘中的氣相(xiàng)影響的程度相(xiàng)對小一些。

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