摘要(yào):在氣液兩(liang)相流實驗(yàn)裝置上,對(dui)3台具有不(bu)同導程葉(yè)📐輪的渦輪(lún)流量傳感(gan)器 測水平(ping)氣液兩相(xiang)泡狀流的(de)特性進行(háng)了實驗研(yan)究。發現随(suí)着體積含(han)氣率的變(bian)化,3台傳感(gǎn)器的流量(liang)特性曲線(xiàn)、儀♻️表系數(shù)遷移量、重(zhong)複性誤差(chà)均會發生(shēng)明顯變化(hua)。具有較小(xiǎo)導程葉輪(lún)的傳感器(qi),其性能優(you)于其它兩(liang)台傳感器(qì)。對造成渦(wō)輪流量傳(chuán)感器測量(liàng)特性改變(bian)與誤差的(de)原因進行(háng)了分析讨(tǎo)💞論,并對體(tǐ)積含氣率(lǜ)變化影👅響(xiǎng)渦輪流量(liang)傳感器特(te)性的物理(lǐ)機理進行(hang)了分析。
1引(yǐn)言
　　以往人(rén)們對渦輪(lún)流量傳感(gan)器的研究(jiū)多集中于(yú)單相流動(dòng)條件下的(de)實驗及理(lǐ)論研究。但(dàn)在氣液兩(liang)相流動條(tiao)件下,由🔞于(yu)氣液兩相(xiang)間相互作(zuo)用和兩相(xiang)界面複雜(zá)🐅多變等原(yuan)因,人們應(ying)用渦輪流(liú)量傳感器(qì)測量氣液(yè)兩💰相流的(de)研究還不(bú)多。
　　本文對(duì)3台具有不(bu)同導程葉(ye)輪的渦輪(lun)流量傳感(gan)器,用來測(cè)量體積含(hán)氣率低于(yu)10%的水平氣(qi)液兩相泡(pào)狀🏒流的特(tè)性進行了(le)實驗研究(jiū)。提出儀表(biǎo)系數遷移(yí)量;得出不(bu)同含氣率(lǜ)下傳感器(qi)的兩相流(liú)量特性曲(qu)線🔴與儀表(biǎo)系數遷移(yí)量曲線;得(de)出🤟葉輪導(dǎo)程值大小(xiǎo)影響着傳(chuan)感器測量(liang)誤差值的(de)結論。最後(hòu)對體積含(hán)氣率變化(huà)影響渦輪(lun)流量傳感(gǎn)器🔴特性的(de)物理機理(li)以👉及造成(cheng)傳感器測(cè)⁉️量特性改(gai)變與誤差(chà)的原因進(jìn)行了分析(xī)讨論。
2實驗(yàn)研究
　　氣液(yè)兩相流實(shí)驗裝置上(shàng)進行，裝置(zhì)見圖1。本實(shí)驗渦輪流(liú)量傳🎯感器(qi)安裝位置(zhì)距離引射(shè)器出口1.225m。
 
　　描(miao)述葉輪設(shè)計結構的(de)幾何參數(shù)有多個,就(jiu)螺旋形葉(yè)片葉輪而(ér)📞言,主要有(you):葉片數目(mù)Z、葉片頂端(duān)半徑Rt輪❓毂(gū)半徑Rh、葉片(piàn)導程L、葉片(pian)厚度tb、葉片(pian)的倒角γ、葉(ye)片軸向寬(kuan)度Lb。對編号(hào)分别爲1#、2#、3#的(de)🙇🏻三台50mm口徑(jing)渦輪流量(liàng)傳感器🛀🏻進(jìn)行了水平(ping)氣液兩相(xiàng)流特性實(shí)驗,傳感💋器(qi)葉輪幾🤟何(he)結構參數(shu),除葉片數(shu)目Z=6倒角γ=90°外(wai),其餘🏃🏻‍♂️參數(shù)見表1。
 
　　實驗(yàn)時，測量渦(wō)輪流量傳(chuán)感器入口(kǒu)處壓力穩(wen)定後的流(liu)量、溫度和(he)壓力值,通(tōng)過理想氣(qì)體狀态方(fāng)程計算得(dé)到人口處(chù)工況空氣(qi)密度與氣(qì)相體積流(liú)量。體😘積含(hán)氣♉率由渦(wō)輪流量傳(chuán)感器人口(kou)處空氣體(tǐ)積流😍量與(yǔ)入口處總(zong)體積流量(liang)Qm計算得到(dao)。調節液相(xiang)調節閥,将(jiāng)液相流💋量(liang)分别穩定(ding)在12、10.8、6m³/h。然後逐(zhu)漸增大氣(qi)相閥門開(kāi)度。采用精(jīng)度高數據(jù)采集闆卡(kǎ)對每個流(liú)量點☎️的過(guò)程參數與(yǔ)傳感器脈(mo)沖輸出采(cǎi)樣10次,然後(hou)取平均值(zhi)。
3實驗結果(guǒ)
3.1不同體積(ji)含氣率下(xia)的流特性(xing)曲線
　　在不(bu)同體積含(han)氣率下,3台(tái)渦輪流量(liang)傳感器測(ce)量水平氣(qi)液兩相流(liú)的特性曲(qǔ)線見圖2~4,由(yóu)圖中曲線(xian)可見✍️:
 
(1)在相(xiàng)同含氣率(lü)下，每台渦(wō)輪流量傳(chuan)感器儀表(biǎo)系數曲🧑🏽‍🤝‍🧑🏻線(xiàn)均基🐉本保(bao)持水平,平(píng)均儀表系(xì)數K.和線性(xing)度誤🔆差δ見(jiàn)表2。
(2)随體積(jī)含氣率β的(de)增加,3台渦(wo)輪的儀表(biǎo)系數K均有(yǒu)減小的✔️趨(qu)勢。

 
3.2體積含(hán)氣率與儀(yí)表系數遷(qiān)移量曲線(xian)
　　通常渦輪(lún)流量傳感(gǎn)器出廠用(yong)水标定,測(cè)量氣液兩(liang)🐆相流時,如(rú)果實際儀(yi)表系數與(yu)出廠标定(ding)值偏差越(yuè)小,則測量(liàng)精度會越(yuè)高。爲此引(yin)入儀表系(xì)數遷移量(liang)K、來評價渦(wō)輪流量傳(chuan)感器測量(liàng)氣液兩相(xiang)流的性能(neng)，其計算公(gōng)⭐式爲:
 
　　式中(zhong):K0爲渦輪流(liu)量傳感器(qi)用單相水(shuǐ)流量标定(ding)得出🏃🏻‍♂️的儀(yí)🐉表系數。Kv随(suí)β變化曲線(xiàn)見圖5。由圖(tú)5可見:随着(zhe)β的增加,3台(tai)傳感器的(de)💋Kv值均增加(jiā);在相同含(hán)氣率下,2#傳(chuan)感器♈的K,值(zhi)最小，1#傳感(gǎn)器的K,值♋最(zui)大,3#傳感器(qi)的K,值介于(yú)1#與2#之間。
 
3.3儀(yí)表系數随(suí)混合密度(dù)變化的曲(qu)線
　　混合密(mì)度采用流(liú)動密度計(ji)算方法,即(jí)ρm=pvβ+ρ1(1-β)。Pg爲氣體密(mì)度🌈,ρt爲水密(mì)度。Kv随⭐pm變化(huà)曲線見圖(tu)6。
3.4不同含氣(qi)率下傳感(gan)器的重複(fu)性誤差
　　按(àn)照渦輪流(liú)量傳感器(qì)檢定規程(cheng)(81計算不同(tóng)體積含氣(qi)率下3台傳(chuan)感器的重(zhòng)複性誤差(cha),見表3。由表(biao)中數據🌂可(kě)知:在兩相(xiang)體積流量(liang)近☎️似相等(deng)的情況下(xia)，重複性誤(wù)差的大小(xiao)明顯受含(hán)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼氣率多少(shǎo)的影響,随(suí)着含氣率(lü)的增加🚶,重(zhong)複性誤差(chà)明顯增大(da);對于每台(tai)傳感器,在(zai)相同含氣(qi)率下,兩相(xiang)混合體積(jī)流量Qm越大(dà),重複性💔誤(wu)差越小。
 
3.5實(shí)驗結論
　　由(you)圖5和圖6曲(qǔ)線可得出(chu)初步結論(lun):2#傳感器K,值(zhi)小于1#與3#傳(chuan)感器;由表(biǎo)3數據可得(dé)到初步結(jie)論:在含氣(qì)率相同時(shi),随着氣液(yè)兩相流量(liàng)的降低，傳(chuán)感器重複(fu)性誤差增(zēng)大;在相同(tóng)流體條件(jian)下,2#傳感器(qi)測量重複(fú)性誤差優(you)于1#與3#傳感(gan)器的重複(fu)性誤差。
4誤(wù)差原因的(de)機理分析(xī)
　　葉輪受力(li)分析見圖(tú)7,u爲來流速(sù)度,Ɩ爲葉片(pian)長度,ω爲葉(yè)輪旋轉角(jiao)速度。Fa、F1分别(bie)爲流體對(dui)葉輪的軸(zhóu)向力和圓(yuán)周力🔴,FR爲二(èr)🈲者的合力(li);Fg、Fy分别✏️爲FR在(zài)與葉片平(píng)行方向上(shàng)的分量和(he)與葉💜片垂(chui)直方向上(shang)的分量,稱(chēng)Fs爲葉輪阻(zǔ)力,Fy爲葉輪(lun)升力。
　　由于(yú)渦輪流量(liàng)傳感器的(de)葉輪在穩(wěn)定工作條(tiao)件下滿足(zu)力矩🔞平衡(heng)方程,其特(te)性曲線受(shou)流體密度(dù)的影響。混(hun)合流體密(mì)度随🚶‍♀️着含(hán)🐕氣率的增(zeng)加而減小(xiǎo)，使流❤️體産(chan)生驅動葉(yè)輪旋轉的(de)升力(Fy)矩減(jiǎn)小,葉輪轉(zhuan)速降🈲低,儀(yí)表系數降(jiang)低。這🈲是導(dǎo)緻傳💘感器(qi)儀表系數(shù)遷移♈量增(zeng)大的一個(ge)原因。
 
　　當氣(qi)液兩相泡(pao)狀流經過(guo)葉輪時，氣(qi)泡被葉片(pian)剪切成微(wei)小氣泡,在(zai)旋轉離心(xin)力的作用(yong)下,這些小(xiao)氣泡聚集(jí)☁️在葉片的(de)吸力面側(cè)[9]，形成一個(ge)氣泡聚集(ji)區。聚集區(qu)中的氣泡(pao)對流體的(de)流動起阻(zu)礙☎️作用,根(gen)據作用力(li)與反作用(yong)力的關系(xì),相當☔于增(zeng)加了流體(tǐ)對葉片在(zai)平行葉片(pian)方向上的(de)作用力,F。相(xiàng)比🌏沒有氣(qi)泡時⭐有所(suǒ)增加,即變(biàn)爲Fs',葉輪升(shēng)力Fy與Fs'的合(he)力爲FR',其圓(yuán)周方向分(fen)量爲🌂Ft',Ft'與Ft相(xiang)比有所減(jiǎn)小。所以,葉(ye)輪轉速有(you)所降低,即(ji)葉輪的旋(xuán)轉效應被(bèi)減弱。當含(han)氣率㊙️增加(jiā)時，氣泡聚(ju)集區✉️内的(de)氣泡增加(jia),對葉輪的(de)阻力增大(dà),對葉輪旋(xuán)轉效應減(jian)弱🥵的效果(guo)增強，使葉(yè)輪轉速降(jiang)低,傳感器(qì)儀表系數(shu)降低。這是(shì)導緻傳感(gǎn)器儀表系(xì)數遷移量(liàng)增大的另(ling)-一個原因(yin)😄。
 
　　根據速度(dù)剖面理論(lùn),氣液兩相(xiang)流水平流(liu)經管道時(shí)，氣液兩⛷️相(xiang)速度剖面(mian)已不再象(xiang)單相時速(sù)度剖面那(na)樣對稱分(fèn)布于🌏管道(dao)内部，兩相(xiang)流中的部(bu)分氣泡在(zai)浮力的☁️作(zuo)用下運動(dong)到管道上(shàng)方，管道上(shàng)部由于氣(qi)泡的存在(zai)增強了脈(mò)動速度與(yu)瑞流強度(dù)10)。在含氣率(lǜ)🆚近似相同(tong)時,這種由(yóu)于氣泡的(de)存在引起(qǐ)的脈動速(su)度與湍流(liú)強度增強(qiáng)的程度,受(shòu)🙇🏻兩相流體(tǐ)速度的影(ying)響,即在含(han)氣率相同(tóng)時,兩✂️相流(liú)體速🌐度越(yuè)小，氣泡的(de)存在引起(qi)的脈動速(sù)🐅度與湍流(liu)強度越強(qiang)，這也最終(zhōng)加劇了氣(qì)液兩相速(sù)度剖面不(bú)✊對稱的程(cheng)度。由㊙️于渦(wō)輪流量傳(chuan)感器對來(lai)流的速度(dù)剖面比較(jiào)敏感,氣泡(pào)🌈的存在引(yin)起的脈動(dong)速度㊙️以及(ji)來流速度(dù)剖面的不(bú)對稱導緻(zhì)葉輪的每(mei)個葉片所(suǒ)受👉到的升(shēng)力Fy與阻力(li)Fs存在差異(yi)⛷️,這種差異(yi)使旋轉的(de)葉輪在某(mou)轉速附近(jin)産生波動(dòng),最終👅導緻(zhì)傳感器重(zhòng)複性誤差(cha)的增大🚶‍♀️。這(zhè)就是同--傳(chuán)感器在相(xiang)同含氣率(lü)下,其重複(fú)性誤差随(suí)來流💔的體(tǐ)積流量的(de)減小而增(zeng)大的原因(yin)。
　　對于導程(cheng)小、安裝角(jiao)大的葉片(pian)來說,在相(xiang)同條件流(liu)體的沖擊(ji)下,其葉輪(lún)升力F,矩大(da)于大導程(chéng)葉輪升力(li)矩,其🏃葉輪(lun)旋轉🎯速度(dù)更快,其葉(ye)輪的陀螺(luó)效應相對(duì)更強,抵抗(kang)由于氣泡(pao)存☂️在引起(qǐ)的脈動速(su)度和來流(liu)速度剖面(mian)的不對稱(cheng)導緻葉輪(lún)的轉動速(sù)度産生波(bo)🙇🏻動的能力(li)更強一些(xie)。這就是2#傳(chuan)感器儀✔️表(biǎo)系數遷移(yí)量以及重(zhong)複性👅誤差(cha)優于1#與3#傳(chuan)感器的原(yuán)因。
5結論
　　對(duì)3台具有不(bu)同導程葉(ye)輪的50mm口徑(jing)渦輪流量(liang)傳感器進(jin)行了含氣(qi)率爲0%~9.8%的水(shuǐ)平氣液兩(liang)相流實驗(yàn),由傳感器(qi)特🏃🏻‍♂️性曲線(xian)分析及誤(wu)差分析可(kě)以得到以(yǐ)下結論:
(1)渦(wo)輪流量傳(chuán)感器測量(liàng)氣液兩相(xiang)流時,與測(cè)量單相水(shuǐ)流量相比(bǐ)其儀表系(xi)數遷移量(liàng)随體積含(hán)氣率的增(zeng)加而逐☀️漸(jiàn)增加。其💛原(yuan)因🔆是:随含(hán)氣率的增(zeng)加,混合流(liu)體密🈲度減(jiǎn)小,流體驅(qū)動葉輪旋(xuan)轉的力矩(ju)減小;同時(shi),随含氣率(lǜ)增加,氣泡(pao)聚集區内(nèi)的氣泡❗增(zeng)加,對葉輪(lún)的阻力增(zēng)大,葉輪旋(xuan)轉💁效應減(jian)弱。從而葉(yè)輪轉速和(he)傳感器儀(yí)表系數降(jiàng)低。
(2)在相同(tong)含氣率下(xia),兩相體積(jī)流量越小(xiǎo)，渦輪流量(liàng)傳🥵感器的(de)重複性誤(wu)差越大。其(qi)原因是:由(you)于渦輪流(liú)量傳感器(qì)對來流的(de)速度剖面(mian)比較敏感(gan),氣泡的存(cun)在引起的(de)脈動速度(dù)以及來流(liú)速🤟度剖面(mian)的不對稱(cheng)導💃緻葉輪(lún)的🐅每個葉(yè)片所受到(dao)的升力與(yǔ)阻力存在(zài)差🧡異，這種(zhǒng)差異😘使旋(xuan)轉的葉輪(lún)在某轉速(su)附近産生(shēng)波動。
(3)具有(yǒu)小導程、大(dà)安裝角葉(yè)輪的2#渦輪(lun)流量傳感(gan)器的☎️儀表(biao)系🚶數遷移(yi)量與重複(fu)性誤差優(you)于1#與3#傳感(gan)器.在相同(tóng)條件流體(ti)的沖擊下(xià)🔞,測量精度(dù)受氣液兩(liǎng)相流中的(de)氣相影響(xiǎng)的程度相(xiàng)對小一些(xie)。

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