摘要:針對(duì)電磁流量計
測(cè)量氣液兩相流(liu)時測量精度和(he)穩定性易受流(liu)型影響的問🏒題(tí),提出了一種管(guan)内相分隔狀态(tài)下基于電磁♉流(liu)量計的氣液兩(liang)相流測量方法(fǎ)。利用旋流器将(jiāng)不規則的兩♈相(xiàng)流入口流型整(zhěng)形成氣芯-水環(huan)的對稱型環🆚狀(zhuàng)流,保證了權函(hán)數的有序分布(bu),并引入空隙率(lü)修正了電磁流(liú)量計測量模型(xíng),提高了電磁🛀流(liú)量計的測量✌️精(jing)度。利用空氣-水(shuǐ)兩相流爲介質(zhì),通過室内實驗(yan)對該測量方法(fǎ)進行了驗證,結(jie)果表明,在管内(nèi)相分隔狀态下(xià),電磁流量計的(de)液💁相測量相🐉對(duì)誤差在±5%以内。研(yán)究結♈果爲工業(ye)生産中的氣液(yè)兩相測量提供(gong)了一種很好的(de)思路和方法🔞,具(ju)有良好的應用(yong)價值。
在工業應(yīng)用中,兩相流流(liu)量測量對于實(shí)際工程應用具(jù)有重要作用，如(rú)石油鑽采工程(chéng)、石油化工、熱電(dian)聯供等輸送及(ji)分配🐕過程中都(dou)存在氣液兩相(xiang)流測量問題。早(zǎo)期曾對氣液兩(liang)相流的測量進(jin)行了廣泛研究(jiū),但由于氣液兩(liǎng)💋相流型的複雜(za)性及多變性,至(zhì)今仍無廣泛認(ren)可的氣液兩相(xiàng)流在線測量技(ji)術中。
多相流動(dòng)體系通常是由(yóu)兩種或兩種以(yi)上互不相溶🤩.的(de)介質組成的,具(ju)有明顯相界面(mian)的混合物流動(dong)。本研究的氣液(ye)兩相流研究對(dui)象分别是空氣(qi)和水，在流動過(guò)程中,由于存在(zài)不同流型及流(liú)态的複雜變化(huà),兩相流各種參(can)數的測量都變(biàn)得極爲困難。因(yīn)此，準确描述🈲并(bing).識别流型對于(yú)兩相流量測量(liàng)具有重要的意(yi)義。由于主要研(yan)究的是水平管(guǎn)内的氣液🐕兩相(xiàng)流流✔️型,在前人(ren)的研究基礎之(zhi)㊙️上,對水平管内(nèi)流型進行了總(zǒng)結和♌分析,得到(dao)水平管内的氣(qì)液兩相流流型(xíng)主要爲細泡狀(zhuàng)流動、彈狀流動(dòng)、分層流動、波狀(zhuang)分層流、塞狀流(liú)以及🤩環狀流等(děng)[3-]。
自20世紀以來,氣(qi)液兩相在線測(ce)量一直是工業(ye)生産🤟過程中迫(po)切💘需要解決的(de)難題，同時研發(fa)了大量适用于(yu)工業環境中的(de)兩相測量技術(shù)。根據在測量過(guò)程中兩💋相流是(shì)✊否進行分離而(er)分爲分離法和(hé)非分離法。分離(lí)法是将流動的(de)混合物分爲以(yi)氣體爲主🔆和以(yi)液體爲✨主的流(liu)動，然後進行單(dan)相測量.包括重(zhòng)⚽力分離器和導(dǎo)流器等,其優點(dian)爲把兩相流體(ti)‼️流量測量轉化(huà)💔成了單相流體(ti)✉️的流量測量,測(ce)量精度高、範圍(wéi)寬、不受氣液兩(liang)相流型變化影(ying)響,缺點則爲分(fen)⭕離設備體積大(da)、價格貴、需要建(jiàn)站,增加了測量(liang)成本♈。非分離法(fǎ)的典型是基于(yú)相同原理的測(cè)量系統進行組(zu)合測量,以及中(zhong)子射⛹🏻♀️線和文丘(qiū)裏管的組合方(fang)式，優點爲能夠(gòu)實時測量兩相(xiàng)流體的流量及(ji)相持率等參數(shù),體積小、測量速(sù)度快，缺點爲測(ce)量的流量及各(ge)相持率精度偏(piān)低,适用工況受(shòu)限,需重複标☔定(dìng)[5-6]。
電磁流量計廣(guǎng)泛應用于單相(xiàng)流體的流量測(cè)量。電磁流量計(ji)是⛱️利用法拉第(di)電磁感應定律(lǜ)原理測量導電(diàn)液體的體積流(liu)量的儀表。其優(yōu)點是可測流量(liang)範圍大,流量範(fan)圍比值一般爲(wei)20:1以上。适用工業(ye)管徑範圍.寬,最(zuì)大可達3m,精度較(jiào)高,可測量水、污(wu)水、腐蝕性🐅液體(tǐ)等流體流量,不(bu)受壓力、密度、溫(wen)度和其他物理(li)❓參數的影響。因(yin)👉此,采用電磁流(liú)🚶♀️量計測量連續(xu)相爲導電性的(de)兩相流的特性(xìng)成爲研究的熱(re)門。
國際及國内(nèi)雖然對電磁流(liú)量計在兩相流(liu)中的應用進行(hang)了😄大量的理論(lun)分析和數值模(mo)拟，但是針對❌水(shuǐ)平💚管内非導電(dian)相在空間位置(zhì)分布對電磁流(liu)量計的測🌈量精(jing)度等還未🚩進行(háng)詳細地研❓究。水(shuǐ)平管内非導電(dian)性的空間分布(bu)受重力、流體物(wu)性等影響嚴㊙️重(zhong),進而影響了流(liu)量計的正确測(ce)量。近年來,相關(guān)學者提出的相(xiàng)分隔方法12-16]通過(guò)對兩相混合物(wu)施加側向力,将(jiāng)兩相隔離到管(guǎn)内的相應空間(jiān),流動過程中兩(liǎng)相之間維持非(fēi)常清晰界面,這(zhe)将有利💚于電磁(cí)流量測量兩相(xiang)流參數。因此，如(rú)果非導電相能(neng)在♻️兩相💰流中均(jun1)勻對稱分布,電(diàn)磁流量計測量(liàng)将爲兩相流📞量(liàng)測量提供🌈--種有(yǒu)前途的解決方(fāng)案。同時，在将兩(liǎng)相隔離到管内(nei)的相應空間,流(liu)動🐆過程中兩相(xiang)之間維持非常(chang)清🔱晰界面的過(guo)程中,采用拍攝(shè)及🔆圖像處理技(jì)術可以實現空(kong)隙率的測量。目(mù)前,基于圖像處(chu)💔理㊙️技術已進行(háng)了大量的研究(jiū)[16-18]，尤其适用于檢(jiǎn)測氣液界面。
本(běn)研究采用相分(fèn)隔法組合電磁(cí)流量計測量氣(qi)液🐅兩相🚶流量及(ji)相持率。在相分(fèn)隔方法中,采用(yòng)了旋流器産㊙️生(sheng)離心力,将氣液(ye)兩相不同的人(rén)口流型轉變爲(wèi)旋流核心環空(kong)流,由于其界🧡面(miàn)清晰光滑,非常(cháng)有利于圖像處(chù)理法來測量空(kong)隙率。采用實驗(yan)分析的方式研(yan)究并驗證了電(dian)磁流量計的兩(liang)相流工作特性(xìng)。
1測量原理
1.1管内(nèi)相分隔技術.
利(lì)用管道中的相(xiàng)分隔技術進行(háng)整流,可以極大(dà)地方便電磁流(liú)量及空隙率測(ce)量的開展，創造(zào)了理想的測.量(liàng)條📐件,有利于提(tí)高測量的正确(què)性。通過管内相(xiang)分隔，使兩相流(liu)體在❌各種流型(xíng)下統📧--轉變成兩(liǎng)束在管内并行(hang)流動的單相流(liu)體,兩相之間具(jù)有相對清晰的(de)分界面,并能維(wei)持💞足夠長的距(ju)離，如圖1所示。與(yu)分離不同,相分(fèn)隔技術并非🏃🏻将(jiāng)兩相分“離”後各(ge)自😄單獨流動,而(ér)是通㊙️過--系列技(jì)術僅将兩相分(fèn)“隔”并未分“離”,兩(liang)相依然同時在(zài)一個管内流動(dòng),但是徹底改變(biàn)了兩相流原有(you)相分布和速🙇♀️度(dù)分布的多樣性(xing)和㊙️随機性,使兩(liang)相流在管内即(ji)可保持有“秩📱序(xù)"的流動,極大地(di)方便🈲了兩相流(liú)各個參.數的測(cè)量。
1.2氣液兩相流(liu)相分隔狀态下(xià)電磁流量計測(cè)量原理
電磁流(liú)量通常用于測(cè)量單相導電流(liu)體,計算公式見(jiàn)式(1)
式中:U爲兩電(diàn)極間的電位差(cha)(與液體的導電(diàn)性、黏度和壓🛀，力(li)無關),V;B爲磁通強(qiáng)度,T;b爲導電相半(bàn)徑,m;Qr爲導電液體(ti)的體積流量,m3/s。
對(dui)于含有少量非(fei)導電介質(如氣(qi)體或油等)構成(chéng)的導電流體,電(dian)磁流量計仍能(neng)繼續工作。
考慮(lǜ)了導電相沿管(guǎn)壁在環形區域(yu)流動,絕緣相在(zài)同📱軸🈲芯區流動(dòng)時,采用電磁流(liú)量測量原理,計(ji)算公式見式(2)
式(shi)中:a爲不導電相(xiàng)半徑,m;α爲絕緣相(xiàng)的空隙率,%。
在電(dian)磁流量計的上(shàng)遊,通過圖2所示(shì)的旋流器實現(xian)㊙️相分隔。旋流器(qì)由4片沿周向均(jun1)布的導流片構(gòu)成，每個導流片(pian)平面📧與管道橫(héng)截面呈現一定(dìng)夾角
通過研究(jiu)發現,這種結構(gòu)的旋流器更有(yǒu)利于相分隔的(de)❄️形成，它使流體(tǐ)通過改變流動(dòng)方向産生切向(xiàng)😍速度,從而産生(sheng)離心力。在🙇🏻離心(xin)力的作用下,氣(qi)體一般以連續(xù)氣柱的形式集(jí)中在管中心，周(zhōu)圍爲連續液相(xiang),液相呈環形流(liu)動,形成旋流核(hé)心環🌐狀流管内(nèi)相分隔後電磁(ci)流量測量㊙️原理(li)如圖3所示。
理論，上(shang)，如果切向速度(dù)軸對稱且不衰(shuai)減,切向速度不(bu)影響🈲電極🍉.上的(de)電勢，則切向速(su)度不會影響電(dian)磁流量計的輸(shu)出,式(2)也适用于(yu)旋轉核心環形(xing)。因此，環狀流中(zhōng)使用電磁流量(liàng)計測量🌈流量的(de)計算式見式☎️(3)
式(shì)中:Q爲流體總的(de)體積流量,m2/s。
2實驗(yàn)裝置和方法
實(shi)驗在空氣-水兩(liǎng)相流實驗回路(lu)中進行,以驗證(zheng)所提出的測量(liang)方法的可行性(xing)。實驗環路及實(shi)驗段布置如圖(tu)4所示，在✨實驗段(duàn)安裝了旋流器(qì)和電磁流量計(jì)
。
利用圖像處理(li)技術，提取環狀(zhuàng)流的相界面，進(jìn)而計算空隙率(lǜ),圖像采集原理(li)如圖5所示。圖像(xiàng)采集過程中,采(cǎi)用背光光源照(zhào)射法👄,使用高速(su)攝像儀采集照(zhao)📧片，高速攝像儀(yi)型号爲❄️NACMEMRECAMfxK3,像素爲(wèi)480×640。在每種工況下(xià),以500Hz的🌈頻率采集(jí)2s,共1000張照片取氣(qì)柱直徑平均值(zhi)作爲計算截面(mian)相含率💘的值。本(ben)研究采用相分(fen)離🛀法實現的旋(xuán)🧑🏾🤝🧑🏼流核心環空流(liu)🤩動中氣液界面(miàn)清晰光滑(結構(gòu)見圖6),從而降低(di)了圖像處理的(de)難度并減👌小了(le)空隙率的測量(liang)誤差。
3實驗結果(guo)與分析
3.1實驗流(liu)型觀察
針對氣(qi)液兩相來流分(fèn)别爲細泡狀流(liu)、塞狀流和彈狀(zhuàng)流時，實驗過程(chéng)中觀察了旋流(liu)器上下遊流型(xíng)的演變，旋流器(qì)前後的流型變(bian)化如圖7所示。從(cóng)圖7可以看出,在(zai)各人口流型下(xià),都可以形成旋(xuan)流核心環空流(liu)動結構🔆。當入口(kǒu)流型爲細泡狀(zhuàng)流時,旋流器下(xia)遊的氣柱直徑(jìng)⭐保持相對穩定(dìng)值;當人口流型(xíng)爲塞狀🥵流時,旋(xuán)流器🥵下遊的氣(qì)柱直徑保持相(xiàng)對穩定,與細泡(pao)狀流區😍别不大(da);當人口流型爲(wèi)彈狀流時,由于(yu)截面内氣量的(de)劇烈變化導緻(zhì)旋流後氣🚶♀️柱直(zhi)徑随氣🌈體體積(jī)的🏃增大而增大(da)🔞，但界面仍然清(qīng)晰。
3.2旋流核心環(huán)空流動的空隙(xì)率
螺旋流狀态(tài)下,截面相含率(lǜ)與直線流相比(bi)會發生變化,進(jin)而✍️使得兩者之(zhī)間的液流速度(du)也會不同。圖📞8示(shì)出了在相同的(de)氣液進口流量(liàng)下,直流環狀流(liu)和旋流環狀流(liu)之♊間空隙率的(de)變☀️化。從圖8可以(yi)看出，在旋流作(zuo)用下,會使得空(kōng)隙率的變化範(fàn)圍減小。在彈狀(zhuang)流來流時,旋流(liú)使得空隙率減(jiǎn)小，而對于塞狀(zhuàng)流和細泡狀流(liu),旋流會使得空(kong)隙率變大。
3.3液體(tǐ)流量測量
爲了(le)研究旋轉環狀(zhuàng)流下電磁流量(liang)計測量精度,引(yin)人了相對誤差(cha),定義爲:
式中:ε爲(wei)相對誤差,%;Dmea爲液(ye)體體積流量測(cè)量值,m3/h;Dref爲液體💋體(ti)積流量參比值(zhi),m3/h。
爲了正确多次(cì)測量下電磁流(liú)量計測量精度(dù),引入🌈了平均全(quan)局相對誤差,定(ding)義爲:
式中:εave爲平(ping)均全局相對誤(wu)差,%;N爲取樣個數(shu)。
圖9顯示了不同(tong)空隙率流量測(cè)量的相對誤差(chà)。由圖9可以看出(chu)📱,測量誤差随着(zhe)空隙率增加而(er)增加,且具有很(hěn)強的規律性。導(dǎo)緻這種現象的(de)原因可能是因(yīn)爲與單相流相(xiàng)比，旋轉♋環狀流(liú)中存在不導電(diàn)氣芯,使導電相(xiang)流通截面發生(shēng)改變,由單相流(liu)中的圓形變爲(wei)兩相流中的環(huán)形，造成儀表常(cháng)數發生改變。由(you)㊙️圖9還可看出,通(tong)過關于截面相(xiàng)含率的校正，可(kě)得到🈲更精确的(de)測量值計算式(shì)‼️如下:
圖10爲按照(zhào)圖9的拟合曲線(xian)校正後的測量(liang)結果圖。由圖10可(ke)以看出,測量值(zhí)與參比值吻合(hé)良好。相對誤差(chà)最大不超過士(shi)5%，平均誤差爲1.1%。綜(zōng)上所述，可以利(lì)用電磁流量🔴計(ji)測量旋轉環⭕狀(zhuàng)流中💋的液體流(liú)量。
4結論與認識(shí)
本研究以氣液(ye)兩相流爲研究(jiu)對象，提出了一(yi)種管内♊相分隔(ge)技術與電磁流(liu)量計相結合的(de)水平管内流量(liang)測.量新方法,該(gāi)方法對于指導(dao)生産實踐具有(yǒu)重大的意義。
(1)從(cóng)理論上分析了(le)管内相分隔與(yǔ)電磁流量計組(zǔ)合測量兩相流(liú)中連續導電相(xiang)流量的方法,采(cǎi)用空氣-水兩相(xiàng)流實驗驗證了(le)該方法在一-定(dìng)範圍内可正确(que)測量出.連續導(dǎo)電相的流量,具(jù)有實用價值。
(2)針(zhēn)對兩相流不穩(wěn)定流的特點,采(cai)用旋流片作爲(wèi)管内相🈲分隔裝(zhuang)🏃置,實驗觀察了(le)旋流器前後的(de)流型變化，即将(jiang)管内細泡狀流(liu)、塞狀流和彈狀(zhuang)流整流成單--穩(wěn)定的🚩環狀流:密(mì)度較小的氣相(xiang)集中于管道中(zhōng)心，而密度較大(da)的液相則圍繞(rao)氣相和管壁形(xíng)成環狀體,氣液(yè)相之間界面清(qing)晰🆚,形成管内相(xiàng)分隔狀态，爲🧑🏽🤝🧑🏻後(hòu)續圖像處理測(ce)量空隙率提供(gong)條件。
(3)針對含有(you)少量氣體的連(lián)續水相導電流(liú)體，引入空隙率(lǜ)修🈲正了電磁流(liu)量計公式,建立(lì)了液相流量測(ce)量模型爲了驗(yan)證該方法的可(ke)行性,在不同的(de)氣液㊙️流量範圍(wei)内進❓行了一🔴系(xì)列實驗,在管♋内(nèi)相分隔狀态下(xia),利用電磁流量(liang)計的液相測量(liàng)相對誤差在士(shi)♊5%以内.
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