摘要(yao):在氣液兩(liang)相流實驗(yan)裝置上,對(dui)3台具有不(bu)同導程葉(ye)輪的渦輪(lun)流量傳感(gan)器 測水平(ping)氣液兩相(xiang)泡狀流的(de)特性進行(hang)了實驗研(yan)究。發現随(sui)着♉體積含(han)氣率的變(bian)化,3台傳感(gan)器的流量(liang)特性曲線(xian)、儀表系數(shu)遷移量、重(zhong)複性誤差(cha)均會發生(sheng)明顯變化(hua)。具有較小(xiao)導程葉輪(lun)的傳感器(qi),其性能優(you)于其它兩(liang)台傳感器(qi)。對㊙️造成渦(wo)輪流量傳(chuan)感器測量(liang)特性改變(bian)與誤差的(de)原因進💃行(hang)了分析讨(tao)論,并對體(ti)積含氣率(lü)變化影響(xiang)渦輪流量(liang)傳感器特(te)性的物💜理(li)機理進行(hang)了👌分析。
1引(yin)言
　　以往人(ren)們對渦輪(lun)流量傳感(gan)器的研究(jiu)多集中于(yu)單相流動(dong)條✨件下的(de)實驗及理(li)論研究。但(dan)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(za)多變等原(yuan)因,人‼️們應(ying)用渦輪流(liu)量傳感器(qi)測量氣液(ye)兩相流的(de)研究還不(bu)多。
　　本文對(dui)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(ce)量體積含(han)氣率低于(yu)10%的水平氣(qi)液兩相泡(pao)狀💋流的特(te)性進行了(le)實✏️驗研究(jiu)。提出儀表(biao)系數遷移(yi)量㊙️;得出不(bu)🌏同含氣率(lü)下傳感器(qi)的兩相流(liu)量特性曲(qu)線與儀表(biao)系數遷移(yi)量🔱曲線;得(de)出葉輪導(dao)程值大小(xiao)影🤩響着傳(chuan)感器測量(liang)誤差值🚶的(de)結論。最後(hou)🈚對體積含(han)氣率變化(hua)影響渦輪(lun)流量傳感(gan)器特性的(de)物理機理(li)以及造成(cheng)傳感器測(ce)量特性改(gai)變與誤差(cha)的原因進(jin)行了🔞分析(xi)讨論。
2實驗(yan)研究
　　氣液(ye)兩相流實(shi)驗裝置上(shang)進行，裝置(zhi)見圖1。本實(shi)驗渦輪🏃🏻‍♂️流(liu)量傳感器(qi)安裝位置(zhi)距離引射(she)器出口1.225m。
 
　　描(miao)述葉輪設(she)計結構的(de)幾何參數(shu)有多個,就(jiu)螺旋形葉(ye)片葉💯輪✔️而(er)言,主要有(you):葉片數目(mu)Z、葉片頂端(duan)半徑Rt輪毂(gu)半徑Rh、葉片(pian)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(hao)分别爲1#、2#、3#的(de)三台50mm口徑(jing)渦輪流量(liang)傳感器🎯進(jin)行了水平(ping)氣液兩相(xiang)流特性實(shi)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(shu)見表1。
 
　　實驗(yan)時，測量渦(wo)輪流量傳(chuan)感器入口(kou)處壓力穩(wen)定後的流(liu)量、溫度和(he)壓力值,通(tong)過理想氣(qi)體狀态方(fang)程計算得(de)到人口處(chu)工況🏃🏻空氣(qi)密度與氣(qi)相體積流(liu)量。體積含(han)氣率由渦(wo)輪流量傳(chuan)感器人口(kou)處📐空氣體(ti)積流量與(yu)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(jiang)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(kai)度。采用精(jing)度高數據(ju)采集闆卡(ka)對每個流(liu)量點的過(guo)程參數與(yu)傳感器脈(mo)沖輸出采(cai)樣10次,然後(hou)取平均值(zhi)。
3實驗結果(guo)
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(tai)渦輪流量(liang)傳感器測(ce)量水平氣(qi)液兩相流(liu)的特性曲(qu)線見圖2~4,由(you)圖中曲線(xian)可見:
 
(1)在相(xiang)同含氣率(lü)下，每台渦(wo)輪流量傳(chuan)感器儀表(biao)系數曲線(xian)☔均基🥰本保(bao)持水平,平(ping)均儀表系(xi)數K.和線性(xing)度誤差δ見(jian)表2。
(2)随體積(ji)含氣率β的(de)增加,3台渦(wo)輪的儀表(biao)系數K均有(you)減小的趨(qu)🌈勢👄。

 
3.2體積含(han)氣率與儀(yi)表系數遷(qian)移量曲線(xian)
　　通常渦輪(lun)流量傳感(gan)器出廠用(yong)水标定,測(ce)量氣液兩(liang)相㊙️流時,如(ru)果實際儀(yi)表系數與(yu)出廠标定(ding)值偏差越(yue)👈小,則測量(liang)精度會越(yue)高。爲此引(yin)入儀表系(xi)數遷移量(liang)K、來評價渦(wo)輪流🥵量傳(chuan)感器測量(liang)氣液兩相(xiang)流的性能(neng)，其計算公(gong)式爲:
 
　　式中(zhong):K0爲渦輪流(liu)量傳感器(qi)用單相水(shui)流量标定(ding)得出的㊙️儀(yi)表系數。Kv随(sui)β變化曲線(xian)見圖5。由圖(tu)5可見:随着(zhe)β的增加,3台(tai)傳感器的(de)💘Kv值均增加(jia);在相同含(han)氣率下,2#傳(chuan)感器的K,值(zhi)最💚小，1#傳感(gan)器的K,值最(zui)大,3#傳感器(qi)的🏃K,值介于(yu)1#與2#之間。
 
3.3儀(yi)表系數随(sui)混合密度(du)變化的曲(qu)線
　　混合密(mi)度采用流(liu)動密度計(ji)算方法,即(ji)ρm=pvβ+ρ1(1-β)。Pg爲氣體密(mi)度,ρt爲水密(mi)度。Kv随pm變化(hua)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(an)照渦輪流(liu)量傳感器(qi)檢定規程(cheng)(81計算不同(tong)體積含氣(qi)率下3台🔴傳(chuan)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼感器的重(zhong)複性誤差(cha),見表3。由表(biao)中數據可(ke)知:在兩相(xiang)體積流量(liang)近🏃🏻‍♂️似相等(deng)的情況下(xia)，重複性誤(wu)差的大小(xiao)明顯受含(han)氣率多少(shao)的影響,随(sui)着含氣率(lü)的增加🌈,重(zhong)複性誤差(cha)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(ji)流量Qm越大(da),重複性🤞誤(wu)差越小。
 
3.5實(shi)驗結論
　　由(you)圖5和圖6曲(qu)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(biao)3數據可得(de)到初步結(jie)論:在含氣(qi)率相同時(shi),随📱着氣液(ye)兩相流量(liang)的👨‍❤️‍👨降低，傳(chuan)感器重複(fu)性誤差增(zeng)大;在相同(tong)流體條件(jian)下,2#傳感器(qi)測量重複(fu)性誤差優(you)于1#與3#傳感(gan)器的重複(fu)性誤差。
4誤(wu)差原因的(de)機理分析(xi)
　　葉輪受力(li)分析見圖(tu)7,u爲來流速(su)度,Ɩ爲葉片(pian)長度,ω爲葉(ye)輪旋轉角(jiao)🈲速度。Fa、F1分别(bie)爲流體對(dui)葉輪的軸(zhou)向力和圓(yuan)周力,FR爲二(er)者的合力(li);Fg、Fy分别爲FR在(zai)與葉片平(ping)行方向上(shang)的分量和(he)與葉片垂(chui)直方向上(shang)的分量,稱(cheng)Fs爲葉輪阻(zu)力,Fy爲葉輪(lun)升力。
　　由于(yu)渦輪流量(liang)傳感器的(de)葉輪在穩(wen)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(du)的影🐆響。混(hun)合流體密(mi)度随着含(han)氣率的增(zeng)加而減小(xiao)，使流體産(chan)生🏃‍♀️驅動葉(ye)🌂輪旋轉的(de)升力(Fy)矩減(jian)小,葉輪轉(zhuan)速降🙇‍♀️低,儀(yi)表系🌂數降(jiang)低。這是導(dao)緻傳🚩感器(qi)儀表系數(shu)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(ji)🏒在葉片的(de)吸力面側(ce)[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(xi),相當于增(zeng)加了🔴流體(ti)對葉片在(zai)平行葉片(pian)方向上的(de)作用力,F。相(xiang)比沒有氣(qi)泡時有所(suo)增加,即變(bian)爲Fs',葉輪升(sheng)力Fy與Fs'的合(he)力爲FR',其圓(yuan)周方向分(fen)量爲Ft',Ft'與Ft相(xiang)比有所減(jian)小。所以,葉(ye)輪轉速有(you)所降低,即(ji)葉輪的旋(xuan)轉效應被(bei)減弱。當含(han)氣率增加(jia)時，氣🛀泡聚(ju)集區内的(de)氣泡增加(jia),對葉輪的(de)阻力增大(da)💋,對葉輪旋(xuan)轉效應減(jian)弱的效果(guo)增強，使葉(ye)輪轉速降(jiang)低,傳💚感器(qi)儀表系數(shu)降低。這是(shi)導緻傳感(gan)器儀表系(xi)數遷移量(liang)增大的另(ling)-一個原因(yin)⭐。
 
　　根據速度(du)剖面理論(lun),氣液兩相(xiang)流水平流(liu)經管道時(shi)，氣液兩♊相(xiang)速度剖面(mian)已不再象(xiang)單相時速(su)度剖面那(na)樣對稱分(fen)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(shang)方，管道上(shang)部由于氣(qi)泡的存在(zai)🈲增強了脈(mo)動速度與(yu)瑞流強度(du)10)。在含氣率(lü)近似相同(tong)時,這種由(you)于氣泡的(de)存在引起(qi)的脈動速(su)度與湍流(liu)強度增強(qiang)的程度,受(shou)兩相流體(ti)速度的影(ying)✔️響,即在含(han)氣率相同(tong)時,兩相流(liu)體速度越(yue)小，氣泡的(de)♍存💞在引起(qi)的脈動速(su)度與湍流(liu)強度越強(qiang)，這也最終(zhong)加劇了氣(qi)液兩相速(su)度🌈剖面不(bu)🏒對稱的程(cheng)度。由于渦(wo)🌈輪流量傳(chuan)感器對來(lai)流的速度(du)剖面比較(jiao)敏感,氣泡(pao)😘的存在引(yin)起的脈動(dong)速度以及(ji)來流速度(du)剖面的不(bu)對稱導緻(zhi)葉輪的每(mei)個葉片所(suo)㊙️受到的升(sheng)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(dong),最終導緻(zhi)傳感器重(zhong)複性誤差(cha)的增大。這(zhe)就是同--傳(chuan)感器在相(xiang)同含氣率(lü)下,其重複(fu)性誤差随(sui)來流的體(ti)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(lun)升力F,矩大(da)于大導程(cheng)葉輪升力(li)㊙️矩,其葉輪(lun)旋轉速度(du)更快,其葉(ye)輪的陀螺(luo)效應相對(dui)更強,抵抗(kang)由于氣泡(pao)存在引起(qi)🏃的脈動速(su)度和來流(liu)速度剖面(mian)的不對稱(cheng)🐅導緻葉輪(lun)的轉動速(su)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(biao)系數遷移(yi)💞量以及重(zhong)複性誤差(cha)優于1#與3#傳(chuan)感器的原(yuan)因。
5結論
　　對(dui)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(shui)平氣液兩(liang)相流實驗(yan),由傳感器(qi)特🚶‍♀️性曲線(xian)分析及💰誤(wu)差分析可(ke)以得到以(yi)下結論:
(1)渦(wo)輪流量傳(chuan)感器測量(liang)氣液兩相(xiang)流時,與測(ce)量單相水(shui)流量相比(bi)其儀表系(xi)數遷移量(liang)随體積含(han)氣率的增(zeng)加💔而逐漸(jian)增加。其原(yuan)因是:随含(han)氣率的增(zeng)加,混合流(liu)體密度減(jian)小,流體驅(qu)動葉輪旋(xuan)轉的力矩(ju)減小;同時(shi),随含氣率(lü)增加,氣泡(pao)聚集區内(nei)的氣泡增(zeng)加,對葉輪(lun)的阻力增(zeng)大,葉輪旋(xuan)轉效應減(jian)弱。從而葉(ye)輪轉速和(he)傳感器儀(yi)表系數降(jiang)低。
(2)在相同(tong)含氣率下(xia),兩相體積(ji)流量越小(xiao)，渦輪流量(liang)傳🙇‍♀️感✊器的(de)重複性誤(wu)差越大。其(qi)原因是:由(you)于渦輪流(liu)量傳感器(qi)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(du)以及來流(liu)速度剖面(mian)的不對稱(cheng)導緻葉輪(lun)的每個葉(ye)片所受到(dao)的升力與(yu)阻力存在(zai)差異，這種(zhong)差異使旋(xuan)轉的葉⛱️輪(lun)在某轉速(su)附近産生(sheng)波動。
(3)具有(you)小導程、大(da)安裝角葉(ye)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(tong)條件流體(ti)的沖擊下(xia),測量精度(du)受氣液兩(liang)相流中的(de)氣相影響(xiang)的程度✍️相(xiang)對小一些(xie)。

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