摘要(yao):針對電磁(ci)流量計
測(ce)量氣液兩(liang)相流時測(ce)量精度和(he)穩定性易(yi)受流型⚽影(ying)🏒響的問💘題(ti),提出了一(yi)種管内相(xiang)分隔狀态(tai)下基于電(dian)磁流量計(ji)的氣液兩(liang)相流測量(liang)方法。利用(yong)旋流器将(jiang)不規則的(de)兩相流入(ru)口流型✉️整(zheng)形成氣芯(xin)-水環的對(dui)稱型環🈲狀(zhuang)流,保證了(le)權函數的(de)有序分布(bu),并引入❌空(kong)隙率修正(zheng)了電磁流(liu)量🌍計測量(liang)模型,提高(gao)了電磁🐪流(liu)量計的測(ce)⭐量精度。利(li)用空氣-水(shui)兩相流爲(wei)介♍質,通☀️過(guo)室内實驗(yan)對該測量(liang)方法進行(hang)了🈲驗證,結(jie)果表明,在(zai)管内相分(fen)隔狀态✂️下(xia),電磁流量(liang)計的液❌相(xiang)測量相對(dui)誤差在±5%以(yi)内。研究結(jie)果爲工業(ye)生産中的(de)氣液兩⁉️相(xiang)測量提供(gong)了一種很(hen)好的思路(lu)和方法,具(ju)有良好的(de)應用價值(zhi)㊙️。
在工業應(ying)用中,兩相(xiang)流流量測(ce)量對于實(shi)際工程應(ying)用具㊙️有🏃🏻♂️重(zhong)要作用，如(ru)石油鑽采(cai)工程、石油(you)化工、熱電(dian)聯供等輸(shu)送及分配(pei)過程🔱中都(dou)存在氣液(ye)兩相流測(ce)🌈量問題。早(zao)期曾❗對氣(qi)液🤩兩相流(liu)的測量進(jin)行了廣泛(fan)研究,但由(you)于氣液兩(liang)相流型的(de)複雜性及(ji)多變性,至(zhi)☀️今仍無廣(guang)泛認可的(de)氣液兩相(xiang)流在線測(ce)量技術中(zhong)。
多相流動(dong)體系通常(chang)是由兩種(zhong)或兩種以(yi)上互不相(xiang)溶👅.的介質(zhi)組成的,具(ju)有明顯相(xiang)界面的混(hun)合物流動(dong)。本研究的(de)氣液兩相(xiang)流研究對(dui)象分别是(shi)空氣和水(shui)，在流動過(guo)程中,由于(yu)存在不同(tong)流型及🎯流(liu)态的複雜(za)變化,兩相(xiang)流各種參(can)❓數的測量(liang)都變得極(ji)爲困難。因(yin)此，準确描(miao)述并.識别(bie)流型對于(yu)兩相流☔量(liang)測量具有(you)重要的意(yi)義。由于主(zhu)要研究的(de)🧑🏽🤝🧑🏻是水平管(guan)内的氣液(ye)✔️兩相流流(liu)型,在前人(ren)的研究基(ji)礎之🌈上,對(dui)水平管内(nei)✏️流💋型進行(hang)了總結和(he)分析,得到(dao)水平管内(nei)的氣液兩(liang)相流流型(xing)主要爲細(xi)泡狀流動(dong)、彈狀流動(dong)、分層流動(dong)♉、波狀分層(ceng)流、塞狀流(liu)以及環狀(zhuang)流等[3-]。
自20世(shi)紀以來,氣(qi)液兩相在(zai)線測量一(yi)直是工業(ye)生産過程(cheng)中迫切需(xu)要解決的(de)難題，同時(shi)研發了大(da)量适用于(yu)工業環境(jing)🔞中的兩相(xiang)測量技術(shu)。根據在測(ce)量過程中(zhong)兩相流是(shi)否進行分(fen)離而🏃🏻♂️分爲(wei)分離法和(he)非分離法(fa)。分離法是(shi)将流動的(de)混合🏃🏻♂️物分(fen)爲以氣體(ti)爲主和以(yi)液體爲主(zhu)的流動，然(ran)後進行單(dan)相🌐測量.包(bao)括重力分(fen)離器和導(dao)流器等,其(qi)優點爲把(ba)兩相流體(ti)流量測量(liang)轉化成了(le)單相流體(ti)的流量測(ce)量,測量精(jing)度高、範圍(wei)寬、不受氣(qi)液兩相流(liu)型變化影(ying)響,缺點則(ze)爲分離設(she)備體積大(da)、價格貴🌈、需(xu)要建站,增(zeng)加了測量(liang)成本。非分(fen)離法的典(dian)型是基于(yu)相同原理(li)的測量系(xi)統進🆚行組(zu)合測量,以(yi)及中子射(she)❤️線和文丘(qiu)裏管的組(zu)合方㊙️式，優(you)點爲能夠(gou)實時測量(liang)兩相流體(ti)的流量及(ji)相持率等(deng)參數,體積(ji)小、測量速(su)度快，缺點(dian)爲測量的(de)流量🏃🏻♂️及各(ge)相持率精(jing)度偏低,适(shi)用工況受(shou)🏃限,需重複(fu)标定[5-6]。
電磁(ci)流量計廣(guang)泛應用于(yu)單相流體(ti)的流量測(ce)量。電🙇🏻磁流(liu)量🈲計是利(li)用法拉第(di)電磁感應(ying)定律原理(li)測量🚶導電(dian)液體✍️的體(ti)👈積流💔量的(de)🙇🏻儀表。其優(you)點是可測(ce)流量♻️範圍(wei)大,流量範(fan)圍比值✊一(yi)般爲20:1以上(shang)。适用工業(ye)管徑範圍(wei).寬,最大可(ke)達3m,精度較(jiao)高,可測量(liang)水、污👣水、腐(fu)蝕性☔液體(ti)等流體流(liu)量,不受壓(ya)🤟力、密度、溫(wen)度和其他(ta)物理參數(shu)的影響。因(yin)此,采用電(dian)磁流量計(ji)測量連續(xu)相爲導電(dian)性的兩相(xiang)流的特性(xing)成爲研究(jiu)的熱門。
國(guo)際及國内(nei)雖然對電(dian)磁流量計(ji)在兩相流(liu)中的應用(yong)進行了大(da)量的理論(lun)分析和數(shu)值模拟，但(dan)是針對水(shui)平管内📧非(fei)導✏️電相🌏在(zai)空👣間位置(zhi)分布對電(dian)磁流量計(ji)的測量精(jing)度等還未(wei)進行詳細(xi)地研究。水(shui)平管内非(fei)導電性的(de)空間分布(bu)受重力、流(liu)體物性等(deng)影響嚴重(zhong),進而影響(xiang)了流量計(ji)的正确測(ce)量。近年來(lai),相關學者(zhe)提出的相(xiang)分隔方法(fa)11-27]通過對🚶兩(liang)相混合物(wu)施加側向(xiang)力,将兩相(xiang)隔離到管(guan)内🔴的相應(ying)空間,流動(dong)過程中兩(liang)相之間維(wei)持非常清(qing)晰界面,這(zhe)将有利✉️于(yu)電磁流♋量(liang)測量兩❤️相(xiang)流參數。因(yin)此，如果非(fei)導電相能(neng)在兩相流(liu)中均勻對(dui)稱分布,電(dian)磁流量計(ji)測量将爲(wei)兩相流♻️量(liang)測量提供(gong)--種有前途(tu)的解決方(fang)案。同時，在(zai)将兩相❤️隔(ge)離到管内(nei)的相應空(kong)間,流動過(guo)程中兩相(xiang)之間維持(chi)非常清晰(xi)界面的過(guo)程中,采用(yong)拍攝及圖(tu)像處理技(ji)術可以實(shi)現空隙🌈率(lü)的測量。目(mu)前,基于圖(tu)像處理技(ji)術已進行(hang)了大量的(de)研究[16-18]，尤其(qi)适用于檢(jian)測氣液界(jie)面。
本研究(jiu)采用相分(fen)隔法組合(he)電磁流量(liang)計測量氣(qi)液兩相流(liu)💞量及相持(chi)率。在相分(fen)隔方法中(zhong),采用了旋(xuan)流器産生(sheng)離心力,将(jiang)氣液兩㊙️相(xiang)不同的人(ren)口流型轉(zhuan)變爲旋流(liu)核心環空(kong)流,由⛱️于其(qi)界面清晰(xi)🔴光滑,非常(chang)有利于圖(tu)像處理法(fa)來測量空(kong)隙🙇🏻率。采用(yong)實驗分析(xi)的方式研(yan)究并驗證(zheng)了電磁流(liu)量計的兩(liang)🌈相流工作(zuo)特性。
1測量(liang)原理
1.1管内(nei)相分隔技(ji)術.
利用管(guan)道中的相(xiang)分隔技術(shu)進行整流(liu),可以極大(da)地方⛹🏻♀️便電(dian)磁流🏃量及(ji)空隙率測(ce)量的開展(zhan)，創造了理(li)想的測.量(liang)條件,有利(li)于提高測(ce)量的正确(que)性。通過管(guan)内相分隔(ge)，使兩相流(liu)體在各種(zhong)流型下統(tong)🍓--轉變成兩(liang)束在管内(nei)并行流動(dong)的單相流(liu)體,兩相之(zhi)間具有相(xiang)對清晰的(de)分界面,并(bing)能維持足(zu)夠長的距(ju)離，如圖1所(suo)示。與分離(li)不同,相分(fen)隔技術并(bing)非🐇将兩相(xiang)分“離”後各(ge)自單獨流(liu)動,而是通(tong)🌏過--系列技(ji)術僅将☁️兩(liang)相分“隔”并(bing)未分🔅“離”,兩(liang)相依然同(tong)時在一個(ge)管内流動(dong),但☀️是徹底(di)改💘變了兩(liang)相流原有(you)相分布和(he)速度分布(bu)的多樣🌂性(xing)和🤩随機性(xing),使兩相流(liu)在管内即(ji)可保持有(you)“秩序"的流(liu)動✂️,極大地(di)方便了兩(liang)相流各個(ge)參.數的測(ce)量。
1.2氣液兩(liang)相流相分(fen)隔狀态下(xia)電磁流量(liang)計測量原(yuan)理🈚
電磁流(liu)量通常用(yong)于測量單(dan)相導電流(liu)體,計算公(gong)式見👌式(1)
式(shi)中:U爲兩電(dian)極間的電(dian)位差(與液(ye)體的導電(dian)性、黏度和(he)壓，力無關(guan)🚶♀️),V;B爲磁通強(qiang)度,T;b爲導電(dian)相半徑,m;Qr爲(wei)導電液體(ti)的體積流(liu)量,m3/s。
對于含(han)有少量非(fei)導電介質(zhi)(如氣體或(huo)油等)構成(cheng)的導電🐕流(liu)體,電♊磁流(liu)量計仍能(neng)繼續工作(zuo)。
考慮了導(dao)電相沿管(guan)壁在環形(xing)區域流動(dong),絕緣相在(zai)同軸芯區(qu)流動時,采(cai)用電磁流(liu)量測量原(yuan)理,計算公(gong)式見式(2)
式(shi)中:a爲不導(dao)電相半徑(jing),m;α爲絕緣相(xiang)的空隙率(lü),%。
在電磁流(liu)量計的上(shang)遊,通過圖(tu)2所示的旋(xuan)流器實現(xian)🤞相分隔。旋(xuan)流器由4片(pian)沿周向均(jun)布的導流(liu)片構成，每(mei)個導流片(pian)平面🍓與管(guan)道橫截面(mian)呈現一定(ding)夾角
通過(guo)研究發現(xian),這種結構(gou)的旋流器(qi)更有利于(yu)相分隔的(de)形成，它🚶♀️使(shi)流體通過(guo)改變流動(dong)方向産生(sheng)切向速度(du),從而産生(sheng)♋離心力。在(zai)離心力的(de)作用下,氣(qi)體一🚶般以(yi)連續氣柱(zhu)的形式集(ji)中在管中(zhong)心，周圍爲(wei)連續♍液相(xiang),液相呈環(huan)形流動,形(xing)成旋🧡流核(he)心環狀流(liu)管内相分(fen)隔後電🚶磁(ci)流量測量(liang)原理如圖(tu)3所示。
理(li)論，上，如果(guo)切向速度(du)軸對稱且(qie)不衰減,切(qie)向速度⭐不(bu)影⭕響🙇♀️電極(ji).上的電勢(shi)，則切向速(su)度不會影(ying)響電磁⭐流(liu)量計的輸(shu)出,式(2)也适(shi)用于旋轉(zhuan)核心環形(xing)。因此，環☂️狀(zhuang)流中使用(yong)電磁流量(liang)計測量流(liu)量的計算(suan)式見式(3)
式(shi)中:Q爲流體(ti)總的體積(ji)流量,m2/s。
2實驗(yan)裝置和方(fang)法
實驗在(zai)空氣-水兩(liang)相流實驗(yan)回路中進(jin)行,以驗證(zheng)所提出的(de)測量方法(fa)的可行性(xing)。實驗環路(lu)及實驗段(duan)布置如圖(tu)4所示，在實(shi)驗段安裝(zhuang)了旋流器(qi)和電磁流(liu)量計
。
利用(yong)圖像處理(li)技術，提取(qu)環狀流的(de)相界面，進(jin)而計算空(kong)隙率,圖像(xiang)采集原理(li)如圖5所示(shi)。圖像采集(ji)過程中,采(cai)用背光光(guang)源照射法(fa),使用高速(su)攝像儀采(cai)集照🈲片，高(gao)速攝像儀(yi)🔴型号爲NACMEMRECAMfxK3,像(xiang)素爲480×640。在每(mei)種工況下(xia),以500Hz的🐉頻率(lü)采集2s,共1000張(zhang)照片🐅取氣(qi)柱直徑平(ping)均值作爲(wei)計算👌截面(mian)相含率的(de)值。本研究(jiu)采用相分(fen)離法實現(xian)的旋👣流核(he)心環空流(liu)動中氣液(ye)界面💋清晰(xi)光滑(結構(gou)見圖6),從而(er)降低了圖(tu)像處理的(de)♍難度并減(jian)📧小了空隙(xi)率的🤞測🌏量(liang)誤差。
3實驗(yan)結果與分(fen)析
3.1實驗流(liu)型觀察
針(zhen)對氣液兩(liang)相來流分(fen)别爲細泡(pao)狀流、塞狀(zhuang)流和彈🔴狀(zhuang)流時，實驗(yan)過程中觀(guan)察了旋流(liu)器上下遊(you)流型的🌈演(yan)變，旋流器(qi)前後的流(liu)型變化如(ru)圖7所示。從(cong)圖7可以看(kan)出,在各人(ren)口流型下(xia)❓,都可以🐉形(xing)成旋流核(he)心環空流(liu)動結構。當(dang)入口流型(xing)爲細泡🔴狀(zhuang)流時,旋流(liu)器下遊的(de)氣柱直徑(jing)🔱保持相對(dui)穩定值;當(dang)人口流型(xing)爲塞狀流(liu)時,旋流器(qi)下遊的氣(qi)柱直徑保(bao)持相對穩(wen)定,與細泡(pao)狀流區别(bie)不大;當人(ren)口流型爲(wei)彈🈲狀流時(shi),由于截面(mian)内氣量的(de)劇烈變🔴化(hua)導緻旋流(liu)後氣柱直(zhi)徑随氣體(ti)體積的增(zeng)大而增大(da)，但界面仍(reng)然清晰。
3.2旋(xuan)流核心環(huan)空流動的(de)空隙率
螺(luo)旋流狀态(tai)下,截面相(xiang)含率與直(zhi)線流相比(bi)會發生變(bian)化,進而使(shi)得兩者之(zhi)間的液流(liu)速度也會(hui)不同。圖✊8示(shi)出了在相(xiang)同的氣液(ye)進⭐口流量(liang)下,直流環(huan)狀流和旋(xuan)流環狀流(liu)之間空隙(xi)率的變化(hua)。從圖8可以(yi)看出，在旋(xuan)流作用下(xia),會使得空(kong)隙率的變(bian)化範圍減(jian)小。在彈👨❤️👨狀(zhuang)流來流時(shi),旋流使得(de)空🎯隙率減(jian)小，而對于(yu)塞狀流和(he)細泡狀流(liu),旋🏃🏻♂️流會使(shi)得空隙🚶率(lü)變大。
3.3液體(ti)流量測量(liang)
爲了研究(jiu)旋轉環狀(zhuang)流下電磁(ci)流量計測(ce)量精度,引(yin)人了相🌈對(dui)誤差,定義(yi)爲:
式中:ε爲(wei)相對誤差(cha),%;Dmea爲液體體(ti)積流量測(ce)量值,m3/h;Dref爲液(ye)體體積流(liu)量參比值(zhi),m3/h。
爲了正确(que)多次測量(liang)下電磁流(liu)量計測量(liang)精度,引入(ru)了平均全(quan)局相對誤(wu)差,定義爲(wei):
式中:εave爲平(ping)均全局相(xiang)對誤差,%;N爲(wei)取樣個數(shu)。
圖9顯示了(le)不同空隙(xi)率流量測(ce)量的相對(dui)誤差。由圖(tu)9可以看出(chu),測量誤差(cha)随着空隙(xi)率增加而(er)增加,且具(ju)有很強的(de)規律性。導(dao)緻這種現(xian)象的原因(yin)可能是因(yin)爲與單相(xiang)流相🐕比，旋(xuan)轉環狀流(liu)中存在不(bu)導電氣芯(xin),使導電相(xiang)流通截面(mian)發生改變(bian),由單相流(liu)📞中的圓形(xing)變爲兩相(xiang)流中的環(huan)形，造成儀(yi)表常數發(fa)生改變。由(you)圖9還可看(kan)出⛹🏻♀️,通🙇♀️過關(guan)于截面相(xiang)含率的校(xiao)正，可得到(dao)更精确的(de)測量值計(ji)算式如下(xia):
圖10爲按照(zhao)圖9的拟合(he)曲線校正(zheng)後的測量(liang)結果圖。由(you)圖10可☀️以💋看(kan)✉️出🐆,測量值(zhi)與參比值(zhi)吻合良好(hao)。相對誤差(cha)最大不超(chao)❌過士5%，平均(jun)誤差爲1.1%。綜(zong)上所述，可(ke)以利用電(dian)磁流量計(ji)測量旋轉(zhuan)環⛹🏻♀️狀流中(zhong)的液體流(liu)量。
4結論與(yu)認識
本研(yan)究以氣液(ye)兩相流爲(wei)研究對象(xiang)，提出了一(yi)種管内相(xiang)分隔技術(shu)與電磁流(liu)量計相結(jie)合的水平(ping)管内流量(liang)測.量新方(fang)法,該方法(fa)對于指導(dao)生産實踐(jian)具有🐆重大(da)的💃意義。
(1)從(cong)理論上分(fen)析了管内(nei)相分隔與(yu)電磁流量(liang)計組合測(ce)量兩相流(liu)中連續導(dao)電相流量(liang)的方法,采(cai)用空氣-水(shui)兩🔱相流實(shi)驗驗證了(le)該方法在(zai)一-定範圍(wei)内可正🌍确(que)測量出.連(lian)續🌈導電相(xiang)的流量,具(ju)有實用價(jia)值。
(2)針對兩(liang)相流不穩(wen)定流的特(te)點,采用旋(xuan)流片作爲(wei)管内相分(fen)隔裝置,實(shi)驗觀察了(le)旋流器前(qian)後的流型(xing)變🌏化，即将(jiang)管内細⭕泡(pao)狀流、塞狀(zhuang)流和彈狀(zhuang)流整流成(cheng)單--穩定的(de)環狀流:密(mi)度較小的(de)氣相集中(zhong)于管道中(zhong)心💘，而密度(du)較大的液(ye)相則圍繞(rao)氣相和管(guan)壁形成環(huan)狀♉體,氣液(ye)相之間界(jie)面清晰,形(xing)成管内相(xiang)分隔狀态(tai)，爲後續圖(tu)像處理♋測(ce)量空隙率(lü)提供條件(jian)。
(3)針對含有(you)少量氣體(ti)的連續水(shui)相導電流(liu)體，引入空(kong)隙率修正(zheng)了🏃♂️電磁流(liu)量計公式(shi),建立了液(ye)相流量測(ce)💯量模✨型爲(wei)了驗證該(gai)方法的可(ke)行性,在不(bu)同的氣液(ye)流量範圍(wei)内進行了(le)一系列實(shi)驗,在管内(nei)相分隔狀(zhuang)态下,利用(yong)電磁流量(liang)計的液相(xiang)測量相對(dui)誤差在士(shi)5%以内.