摘要:設計(ji)了等效内(nei)徑比分别(bie)爲0.424、0.586的雙錐(zhui)流量計,并(bing)采用該🈲流(liu)量計在多(duo)相流實驗(yan)裝置上開(kai)展了氣水(shui)兩相流參(can)數測量實(shi)驗研究。通(tong)過對雙錐(zhui)流量計 上(shang)的差壓波(bo)動信号時(shi)間序列進(jin)行分析,采(cai)用其特征(zheng)👅值建立氣(qi)水兩相流(liu)分相含率(lü)測量模型(xing);在分相流(liu)模型的基(ji)礎❄️上,通過(guo)分析準氣(qi)相流量比(bi)和Lockhart-Martinelli常數👈的(de)關系建立(li)氣🧑🏽‍🤝‍🧑🏻水兩相(xiang)🈲流流量測(ce)量模型。在(zai)多相流🈚實(shi)驗裝置上(shang)進行了氣(qi)水兩相流(liu)參數測量(liang)系列實驗(yan),結果表明(ming)在實驗範(fan)圍⭐内,所建(jian)立的🔴體積(ji)含氣率測(ce)量模型測(ce)🍓量相對誤(wu)差在5%以内(nei);氣液兩相(xiang)流總流量(liang)和液相流(liu)量測量誤(wu)差在6%以内(nei)。氣相流量(liang)的測量結(jie)果表明,在(zai)以空氣和(he)水爲介質(zhi)、幹度很🌈小(xiao)的工況🏒下(xia),氣相流量(liang)的測量相(xiang)㊙️對誤差明(ming)顯大于總(zong)流😘量和🔆液(ye)相流量的(de)相對誤差(cha)。
0引言
　　氣液(ye)兩相流常(chang)見于冶金(jin)、石油、動力(li)、化工、能源(yuan)、管道運輸(shu)🈚及制冷制(zhi)藥等領域(yu),在工業生(sheng)産與科學(xue)研究中具(ju)有重㊙️要作(zuo)用,在工業(ye)🌍過程中也(ye)伴随着許(xu)多經濟與(yu)安全問題(ti)⛷️，因此對兩(liang)相流活動(dong)過程機理(li)狀态的描(miao)述、解釋以(yi)及流動過(guo)程中相關(guan)參數的正(zheng)确測🐇量具(ju)有重要意(yi)義,也是現(xian)代工業系(xi)統中亟待(dai)解決的一(yi)道難題。随(sui)❤️.着工業水(shui)平的不斷(duan)提高，兩相(xiang)流涉🆚及的(de)領域❌越來(lai)越廣泛,對(dui)工業過程(cheng)控制精度(du)的要求也(ye)在不斷提(ti)高。在目前(qian)工業生産(chan)中,由于一(yi)些傳🌈統的(de)流量測量(liang)方式及模(mo)型無法适(shi)用于兩相(xiang)♍流特有的(de)波動性和(he)複⛱️雜的流(liu)動形态，使(shi)得其相關(guan)參數💃的測(ce)量方法多(duo)處于研究(jiu)🆚階段,離實(shi)際應用尚(shang)有一定距(ju)離。
　　氣液兩(liang)相流過程(cheng)參數的檢(jian)測策略随(sui)工況與對(dui)象屬性的(de)變化而變(bian)化,可以利(li)用的物理(li)現象與關(guan)系有很多(duo),因此檢測(ce)方法也多(duo)種多樣。從(cong)測量形式(shi)上講，目前(qian)常見的檢(jian)測方法大(da)緻可分爲(wei)直接法和(he)間接法2類(lei)，前㊙️者可以(yi)通過采用(yong)傳統單相(xiang)流儀表等(deng)方法直接(jie)測得待測(ce)對象的💁相(xiang)關參數,後(hou)者則多采(cai)用一定的(de)輔助測量(liang)值建立待(dai)測參數與(yu)特征值的(de)關⭐系式,通(tong)過📱模型計(ji)算得到🚶[2。利(li)用傳統單(dan)相流量計(ji)測量氣液(ye)兩相流參(can)數是多相(xiang)流測量研(yan)究🧡與應用(yong)的一個重(zhong)要方向,雖(sui)然這類儀(yi)表在檢測(ce)混合流量(liang)時的性能(neng)良好,但由(you)⁉️于工況和(he)模型的差(cha)異📞，在檢測(ce)相💃🏻含率時(shi)誤差較大(da)531J。從測量㊙️原(yuan)理上講,氣(qi)液兩相流(liu)相關參數(shu)的測量方(fang)法可以分(fen)爲分離法(fa)和非分離(li)法,前者是(shi)将兩相流(liu)流體分離(li),利用🈲單相(xiang)流的測量(liang)方法分别(bie)獲得相關(guan)參🐪數,但此(ci)類方法受(shou)測量設備(bei)龐大、系統(tong)複雜等因(yin)素⭐的限制(zhi),需要對取(qu)樣設備進(jin)行更進一(yi)步的研究(jiu),後者直接(jie)利用傳統(tong)差壓式流(liu)量計對混(hun)合的兩相(xiang)流流體進(jin)行測量,傳(chuan)統差壓式(shi)流🚶‍♀️量計由(you)于結構簡(jian)單、性能可(ke)靠等特點(dian),一直以來(lai)在多相流(liu)參數測量(liang)中倍受關(guan)注。
　　傳統差(cha)壓式流量(liang)計是将流(liu)向管道中(zhong)心收縮,通(tong)過測量節(jie)流件(如孔(kong)闆和文丘(qiu)裏管)前後(hou)的壓力降(jiang)來得到流(liu)量數據。近(jin)20年出現了(le)一種新型(xing) V型内錐流(liu)量計 ,它将(jiang)原本利用(yong)流體進行(hang)節流而後(hou)收縮到管(guan)道中心軸(zhou)線附近的(de)概念從根(gen)本.上改變(bian)爲利用同(tong)軸安裝在(zai)管道中的(de)V形錐體将(jiang)流體慢慢(man)地進行節(jie)流而後收(shou)縮🏃🏻‍♂️到管道(dao)的内邊☔壁(bi)。與其他傳(chuan)統差壓式(shi)流量計相(xiang)比,V錐✍️流量(liang)計在壓損(sun)、重複性、量(liang)程比和長(zhang)期工作穩(wen)定性等方(fang)面表現出(chu)一定的優(you)勢🈲,實驗分(fen)析表明其(qi)可用于兩(liang)相流的流(liu)型識别和(he)參數測量(liang)🔞[15-18],但由于V錐(zhui)流量計的(de)内錐形狀(zhuang)💞較爲複雜(za)且節流件(jian)尾部鈍體(ti)會使流體(ti)産生流動(dong)分離,産生(sheng)旋🏃🏻‍♂️渦并造(zao)成較大壓(ya)力損📐失等(deng)問題使其(qi)應用受到(dao)一定的限(xian)制。本文作(zuo)者在 V錐流(liu)量計 的基(ji)礎上設計(ji)了一種具(ju)有對稱結(jie)構的雙錐(zhui)流量計([9,利(li)用理論模(mo)型較成熟(shu)的差壓原(yuan)理開展氣(qi)液兩相流(liu)參數的測(ce)量,并根據(ju)氣液兩相(xiang)流固有的(de)波動特性(xing)提取相關(guan)特征值,分(fen)析其與分(fen)相含率等(deng)參數的關(guan)系(20-22,探尋氣(qi)液兩相流(liu)的參數測(ce)量新型測(ce)量方🛀法并(bing)開展實驗(yan)分析和研(yan)究,爲氣液(ye)兩相流在(zai)工業過程(cheng)參數正确(que)檢測及新(xin)型流❗量計(ji)商業化奠(dian)定基礎。
1測(ce)量原理
1.1流(liu)量計結構(gou)
　　雙錐流量(liang)計爲--新型(xing)内錐流量(liang)計,節流單(dan)元基本結(jie)構如圖1所(suo)💋示,包括測(ce)量管段、取(qu)壓口和節(jie)流錐體。.圖(tu)1(b)爲雙錐流(liu)量計剖面(mian)圖，P1、P2、P3分别爲(wei)3個取壓口(kou),P1爲上遊流(liu)⚽體收縮前(qian)取壓口,P2爲(wei)節流件喉(hou)部最小流(liu)通面積處(chu)取壓口,P3爲(wei)🍉下遊流束(shu)穩定時的(de)取壓口。本(ben)實驗研究(jiu)所需的雙(shuang)錐流量計(ji)差壓信号(hao)是從P1與P2口(kou)獲得的前(qian)差壓。利用(yong)P2與🌂P3可獲得(de)雙錐流量(liang)計的後差(cha)壓。節流錐(zhui)體是雙錐(zhui)流量計🈲的(de)核心部件(jian),主要包括(kuo)錐體和錐(zhui)☂️體支架結(jie)構2部分，如(ru)圖2所示。雙(shuang)錐流量計(ji)的錐體由(you)前後2個錐(zhui)角相等的(de)對稱錐體(ti)構成,3個片(pian)狀支架和(he)1個管環構(gou)成錐體支(zhi)架結構，節(jie)流錐體可(ke)通過支架(jia)結構固定(ding)在管道中(zhong)心并與管(guan)道同軸,将(jiang)與管道内(nei)♌徑相同的(de)管環安裝(zhuang)在實驗管(guan)道中。
 
　　本次(ci)研究所設(she)計的雙錐(zhui)流量計錐(zhui)體前後錐(zhui)角均爲45°,中(zhong)部圓柱體(ti)長度20mm。D爲管(guan)道内徑,d爲(wei)節流錐體(ti)在喉🤩部處(chu)直徑，ɑ爲對(dui)稱錐體的(de)㊙️錐角。
　　圖1(a)爲(wei)管道最小(xiao)流通面積(ji)處的截面(mian)圖，雙錐體(ti)采用三角(jiao)結構🏃固💛定(ding)于管道内(nei)，既能使雙(shuang)錐承受較(jiao)大的沖擊(ji)又可以保(bao)證雙💰錐與(yu)管道内圓(yuan)的同軸度(du),同時🧡足夠(gou)薄度的支(zhi)撐葉片也(ye)可以最大(da)程度減小(xiao)對流體的(de)擾動🈲。
1.2基本(ben)測量模型(xing)
　　雙錐流量(liang)計的工作(zuo)原理是基(ji)于流體在(zai)一密封管(guan)道中的能(neng)量守恒原(yuan)理(伯努利(li)方程)和流(liu)動連續性(xing)原理。根據(ju)流體力學(xue)😘的相⛷️關理(li)論可以推(tui)出單相流(liu)流量的基(ji)本測量模(mo)型🌈:
 
2實驗裝(zhuang)置
　　圖3和4分(fen)别爲雙錐(zhui)流量計氣(qi)液兩相流(liu)實驗系統(tong)實物圖和(he)結構簡圖(tu),實驗對象(xiang)爲水平管(guan)道内的氣(qi)/水🌈混合流(liu)體。實驗設(she)備主要包(bao)括數據采(cai)集系統和(he)實驗管路(lu)2大部分:數(shu)據采集系(xi)統包括數(shu)據采集器(qi)及采集控(kong)制🏃界面;實(shi)驗管路包(bao)括雙錐流(liu)量計、 壓力(li)變送器 、 差(cha)壓變送器(qi) 、 溫度計 、标(biao)準表以及(ji)管道和閥(fa)門等設備(bei)。
 
　　裝置的工(gong)作流程爲(wei):水經過穩(wen)壓罐後,通(tong)過标準水(shui)🌈表讀取其(qi)體積流量(liang),進入混相(xiang)器;空氣壓(ya)縮機将空(kong)氣壓縮到(dao)穩壓罐,通(tong)💃過标準氣(qi)表讀取其(qi)體積流量(liang),并用溫度(du)計和壓力(li)表測量此(ci)時的氣相(xiang)溫度(T)和壓(ya)力(p加:),最後(hou)💔進人混相(xiang)器與液相(xiang)🙇🏻混合;氣液(ye)♈兩相流經(jing)過8m長的直(zhi)管段,充分(fen)混合後進(jin)入氣液⭐兩(liang)相實驗管(guan)⁉️段,在此處(chu)安裝雙錐(zhui)流量計并(bing)測量氣液(ye)兩相⚽的混(hun)合差壓,同(tong)時測量雙(shuang)錐流量計(ji)前的㊙️壓力(li)(p2)和溫度(T2),采(cai)用🐕數據采(cai)集系統記(ji)錄各測量(liang)值。
　　實驗中(zhong),液體穩壓(ya)罐和氣體(ti)穩壓罐的(de)穩壓範圍(wei)分别爲0.2~0.21MPa和(he)0.39~0.41MPa,标準水表(biao)和标準氣(qi)表參數如(ru)表1,直管段(duan)以🤞及實🥵驗(yan)管段管💋徑(jing)爲50mm。.
 
　　考慮到(dao)不同等效(xiao)直徑比的(de)雙錐流量(liang)計具有不(bu)同⛱️的測量(liang)特性🐅，選擇(ze)不同的直(zhi)徑比可分(fen)析雙錐流(liu)量計各自(zi)不同特性(xing),從🈲而獲得(de)與直徑比(bi)相關的關(guan)鍵參數，因(yin)此選用2個(ge)不同等效(xiao)直徑比(0.424、0.586)的(de)雙錐流量(liang)計📐進行實(shi)驗,其流出(chu)系數分别(bie)爲❗0.9672和0.9685。雙錐(zhui)流🌈量計的(de)差壓信号(hao)由應變式(shi)差壓變送(song)器進行測(ce)量,其量程(cheng)爲0~64kPa,輸出電(dian)流信号4~20mA,精(jing)度等級爲(wei)0.25%FS.
3分相含率(lü)測量模型(xing)
　　在氣液兩(liang)相流的測(ce)量中,分相(xiang)含率是一(yi)個重要的(de)參數,重點(dian)🈲測量對象(xiang)爲氣相的(de)相含率,包(bao)括體積含(han)🍉氣率、截面(mian)含氣率(空(kong)隙率❗)和質(zhi)量流量含(han)氣率(幹度(du))。其中體積(ji)含氣率和(he)幹度的關(guan)系如下式(shi):
 
　　式中:μ爲體(ti)積含氣率(lü);pz爲氣相密(mi)度;ρn爲液相(xiang)密度。
　　氣液(ye)兩相流在(zai)流動過程(cheng)中存在波(bo)動性,根據(ju)前人的實(shi)💛驗研究結(jie)果,此波動(dong)信号與氣(qi)液兩相流(liu)的流型、分(fen)相含率等(deng)重要⛹🏻‍♀️測量(liang)參數具有(you)一定的相(xiang)關性,因此(ci)可以通過(guo)分析從差(cha)壓波⛹🏻‍♀️動信(xin)号中提取(qu)的特☁️征值(zhi)建立氣液(ye)兩相流分(fen)相含率的(de)測量模型(xing)，從而實現(xian)對氣相含(han)率等參數(shu)的在線測(ce)量。
　　氣液兩(liang)相流通過(guo)差壓式流(liu)量計時的(de)瞬時差壓(ya)和瞬時流(liu)量🌈之間也(ye)符合時間(jian)平均值的(de)關系式,因(yin)此:
 
　　式中:i爲(wei)某個瞬時(shi)時刻;△ppo爲瞬(shun)時差壓;μi;爲(wei)瞬時體積(ji)含氣率;qi爲(wei)瞬時流量(liang);k、b是與節流(liu)元.件結構(gou)和兩相流(liu)流體物性(xing)有關的系(xi)數。
　　定義脈(mo)動振幅爲(wei)差壓瞬時(shi)值和時均(jun)值之差,其(qi)均方根💋爲(wei):
 
　　理論上R是(shi)μ的單值函(han)數,可通過(guo)實驗差壓(ya)時均值和(he)差壓♊脈動(dong)🌈幅🏒值計算(suan)出氣相體(ti)積含率μo.
　　實(shi)驗所用水(shui)平管道管(guan)徑爲50mm,進行(hang)氣液兩相(xiang)流實驗并(bing)采😘集差壓(ya)波動信号(hao),圖5和6爲等(deng)效直徑比(bi)爲0.424和0.586的雙(shuang)錐💯流量💋計(ji)無量綱參(can)數R與體積(ji)含氣率μ的(de)數值點分(fen)布
 
　　由圖5和(he)6可知,對于(yu)雙錐流量(liang)計,波動幅(fu)度參數R随(sui)着㊙️體積含(han)🔴氣🔴率呈現(xian)先增大後(hou)減小的趨(qu)勢。當體積(ji)含氣率💋小(xiao)于0.3時,差壓(ya)的波動♻️幅(fu)度參數很(hen)小;然後随(sui)着體積含(han)氣率的增(zeng)大,差壓的(de)波動幅度(du)值增!大,并(bing)在0.85左右達(da)到💔最大值(zhi)。根據流體(ti)在管道中(zhong)流動的實(shi)際情況,當(dang)流體爲單(dan)相(即全爲(wei)液相μ=0,全爲(wei)氣相μ=1)時，流(liu)動💚是較爲(wei)平穩🐕的🆚,應(ying)有R≈0,因此可(ke)假設R與μ符(fu)合如下關(guan)系:
 
4流量測(ce)量模型
　　雙(shuang)錐流量計(ji)作爲-種新(xin)型差壓式(shi)流量計,在(zai)結構上與(yu)傳統标準(zhun)差壓流量(liang)計具有一(yi)-定的差異(yi),現有模型(xing)，的一些關(guan)鍵參數無(wu)法适用,需(xu)尋求新的(de)模型參數(shu)。
　　用汽水、氣(qi)水和天然(ran)氣水混合(he)物經過大(da)量實驗并(bing)對理想分(fen)相流模型(xing)進行修正(zheng)後得到孔(kong)闆氣液兩(liang)相流流量(liang)計算📧模型(xing)⛹🏻‍♀️:
 
 
5實驗與結(jie)果分析
5.1氣(qi)相含率測(ce)量
　　實驗在(zai)體積含氣(qi)率爲0.32~0.96範圍(wei)内進行，對(dui)流體流經(jing)雙錐💋流🔱量(liang)計時所産(chan)生的前差(cha)壓進行了(le)采集,提取(qu)差🐪壓波動(dong)信号中的(de)特征值R',通(tong)過模型式(shi)(7)計算得出(chu)體積含氣(qi)率值,模型(xing)測量🆚誤差(cha)如圖8和9所(suo)示,體積含(han)氣率的相(xiang)對誤差基(ji)本在±5%以内(nei)。
 
5.2流量測量(liang)
　　氣液兩相(xiang)流流量實(shi)驗測量以(yi)水和空氣(qi)爲介質,其(qi)中水和空(kong)氣的質量(liang)流量範圍(wei)分别爲1.233~6.581kg/s和(he)0.006~0.04kg/s.水穩壓爲(wei)0.2MPa,氣源穩壓(ya)✉️0.4MPa,幹度範圍(wei)0.001~0.03,環境♌溫度(du)20.5℃.。NI數據采集(ji)卡采集差(cha)壓波動信(xin)号,提取其(qi)特征值并(bing)通過公式(shi)(7)和(2)計算得(de)到質量流(liu)量含氣率(lü)x,流量值可(ke)通過公式(shi)(12)計算得到(dao)。
 
　　實驗測量(liang)了氣液兩(liang)相流的總(zong)流量及液(ye)相、氣相的(de)分相流量(liang),在‼️圖10和11中(zhong)給出了總(zong)流量的測(ce)量誤差,總(zong)質量🐕流量(liang)的參考值(zhi)👨‍❤️‍👨爲氣相和(he)液相混合(he)前的流量(liang)值之和。測(ce)量誤差結(jie)果㊙️顯示,在(zai)實驗範圍(wei)内所采用(yong)的體積含(han)🏃‍♂️氣率測量(liang)模型和改(gai)進的流量(liang)測量模型(xing)對氣液兩(liang)相流總流(liu)量測量具(ju)有較好的(de)适用效果(guo)🏃‍♂️,測量結果(guo)相對誤差(cha)基本可以(yi)控制在±6%以(yi)内。值得提(ti)出的是，當(dang)氣相體積(ji)含率大于(yu)0.8時,兩相流(liu)處于塞狀(zhuang)流向環狀(zhuang)流的過渡(du)🌂段,流型變(bian)化較爲📧複(fu)雜，使得測(ce)量精度有(you)所下降。
 
　　總(zong)流量測量(liang)相對誤差(cha)圖中可看(kan)出,對于氣(qi)液兩相流(liu),其分相流(liu)的參數測(ce)量具有重(zhong)要的工程(cheng)意義。可以(yi)根據公🌈式(shi)(7)和測量⭐出(chu)的體積含(han)氣率值由(you)公式(2)得🌈到(dao)幹度值,從(cong)而實現對(dui)💜氣液兩相(xiang)流的分相(xiang)流測量。液(ye)相流量測(ce)量誤差如(ru)圖12和13所示(shi),在實驗範(fan)圍内的相(xiang)對誤差基(ji)本在±6%以内(nei)，說明該測(ce)量模型在(zai)該工況下(xia)具有較好(hao)🔱的測量效(xiao)果。因爲在(zai)實驗所用(yong)氣液兩相(xiang)流中，氣體(ti)在總👉流量(liang)中所占的(de)比例較小(xiao)，所以液相(xiang)🤩流量測量(liang)誤差分🐉布(bu)結果與總(zong)流量相⭕似(si)。
 
　　實驗對氣(qi)相流量進(jin)行了測量(liang),其測量結(jie)果如圖14和(he)15所示。測量(liang)誤差結果(guo)顯示,忽略(lue)粗大誤差(cha)後的氣相(xiang)流量測量(liang)誤差在±20%以(yi)内，該誤差(cha)遠大于液(ye)相和總流(liu)量的測量(liang)誤差,分析(xi)認爲在本(ben)🌈實驗中的(de)兩相流幹(gan)度僅在0.001~0.03範(fan)圍内,不同(tong)于濕蒸氣(qi)☁️和高幹度(du)🥰的實驗工(gong)🥵況,對體積(ji)含氣率或(huo)幹度的微(wei)小測量🛀誤(wu)差會導緻(zhi)對氣相流(liu)量測量結(jie)果的較大(da)偏差。
 
6結論(lun)
　　本文将一(yi)種新型的(de)雙錐流量(liang)計用于氣(qi)水兩相流(liu)的測💞量🐅,研(yan)究了2個不(bu)同等效直(zhi)徑比的雙(shuang)錐流量計(ji)對氣💋相體(ti)積含率、總(zong)🤩流量及分(fen)相流量的(de)測量性能(neng)。對雙錐☔流(liu)量計上的(de)差壓波動(dong)信号時間(jian)序列進行(hang)了分析,利(li)🐪用其特征(zheng)值建立了(le)氣水兩相(xiang)流氣相含(han)率的關系(xi)模型。應用(yong)該模型對(dui)氣相體積(ji)含率進行(hang)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻測量,在實(shi)驗範圍内(nei),氣相體積(ji)❓含率測量(liang)相對誤差(cha)在±5%以内。利(li)用常數建(jian)立了雙錐(zhui)流量計氣(qi)液兩相流(liu)☁️總流量測(ce)量模型,可(ke)對總流量(liang)和液相流(liu)量進行有(you)🚶‍♀️效的測量(liang)☁️,測量結果(guo)的相對誤(wu)差在±6%以内(nei)。在幹度很(hen)小的情況(kuang)下,氣相⛱️流(liu)量的測量(liang)相對誤差(cha)❓較大。與V錐(zhui)流量計在(zai)氣🚶‍♀️液兩相(xiang)流相關參(can)數的測量(liang)結果(氣相(xiang)體積含率(lü)已确定的(de)條件下,兩(liang)相流總質(zhi)量流量的(de)相對誤差(cha)💔基本在土(tu)5%内)相對比(bi)表明[1]，雙錐(zhui)流量計可(ke)獲得與V錐(zhui)流量計相(xiang)當的精度(du),且在減小(xiao)流體擾動(dong)🈲、降低壓力(li)損失和抗(kang)壓力沖擊(ji)等方面💚更(geng)具有優勢(shi)。

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