摘(zhāi)要:針對(dui)電磁流(liú)量計 測(cè)量氣液(yè)兩相流(liú)時測量(liang)精度和(he)穩定性(xing)易受流(liú)型影響(xiang)的問題(tí),提出了(le)一種管(guan)内相分(fen)隔狀态(tai)下基于(yu)🥵電磁流(liú)量🙇🏻計的(de)氣液兩(liang)相🐪流測(cè)量方法(fǎ)。利用旋(xuan)流器☔将(jiang)不規則(ze)的兩相(xiàng)流入口(kǒu)流型整(zhěng)形成氣(qì)芯-水環(huán)的對稱(chēng)型環狀(zhuàng)流,保證(zhèng)了權函(han)數的有(you)序分布(bù),并引入(ru)空隙率(lǜ)修正了(le)電磁流(liu)量計測(cè)量模型(xíng),提高了(le)電磁📐流(liu)量計的(de)測量精(jīng)度。利用(yòng)空氣-水(shuǐ)兩相流(liu)爲介質(zhi),通過室(shì)内實驗(yan)對該❓測(cè)量方法(fǎ)進行了(le)💃🏻驗證,結(jié)果表明(ming),在管内(nèi)相分隔(gé)狀态🌈下(xià),電磁流(liú)量計的(de)液相測(ce)量相對(duì)誤差在(zài)±5%以内。研(yan)究結果(guo)爲工❤️業(ye)生産中(zhōng)的氣液(yè)兩⚽相測(cè)量提供(gong)了一種(zhǒng)很好的(de)思路和(hé)方法,具(jù)有良好(hao)的應用(yong)價值。
　　在(zài)工業應(yīng)用中,兩(liang)相流流(liú)量測量(liàng)對于實(shí)際工程(cheng)應用具(ju)有重要(yao)作用，如(ru)石油鑽(zuan)采工程(chéng)、石油化(huà)工、熱電(dian)聯供等(deng)輸㊙️送及(jí)分配過(guo)程中都(dōu)存在氣(qì)液兩相(xiàng)流測量(liang)問題。早(zǎo)期曾對(dui)氣液兩(liǎng)相流🐅的(de)測量進(jìn)行了廣(guǎng)泛研究(jiū),但由于(yu)氣液兩(liǎng)相流型(xing)的🔞複雜(zá)性及多(duo)變性,至(zhì)今仍無(wu)廣泛認(rèn)可的氣(qì)液兩相(xiang)流在線(xian)🔞測量技(ji)術中。
　　多(duo)相流動(dong)體系通(tong)常是由(you)兩種或(huo)兩種以(yi)上互不(bu)相溶.的(de)🔞介質組(zǔ)成的,具(ju)有明顯(xiǎn)相界面(miàn)的混合(he)物流動(dòng)。本研究(jiu)的⁉️氣液(ye)兩相流(liú)研究對(duì)象分别(bié)是空氣(qi)和水，在(zài)流動過(guo)程中,由(yóu)于存在(zai)不同🆚流(liú)型及流(liu)态的複(fú)雜變化(huà),兩相✌️流(liu)各種參(can)數的測(cè)量都變(bian)得極🐅爲(wèi)困難。因(yīn)🔆此，準确(que)描述并(bìng).識别流(liu)型對于(yú)兩相流(liú)♊量測量(liàng)具有重(zhong)要的意(yi)義。由于(yu)主要研(yán)究的是(shi)水平管(guan)内的氣(qì)液⛱️兩相(xiàng)流流型(xing),在前人(rén)的研究(jiu)基礎之(zhi)上,對水(shuǐ)平管内(nei)流型進(jin)行了總(zong)結和分(fèn)析,得到(dào)水平管(guan)内的氣(qì)液兩相(xiàng)流流型(xing)主要爲(wèi)細泡📐狀(zhuang)流動、彈(dan)狀流動(dong)、分層流(liú)動、波狀(zhuàng)分層流(liu)、塞狀流(liú)以及環(huan)狀流等(děng)[3-]。
　　自20世紀(jì)以來,氣(qì)液兩相(xiàng)在線測(cè)量一直(zhí)是工業(ye)生産💚過(guò)程中迫(pò)切需要(yào)解決的(de)難題，同(tóng)時研發(fa)了大量(liang)适用于(yú)工業☀️環(huan)境中的(de)兩相測(ce)量技術(shù)。根據在(zài)測量過(guo)程中兩(liǎng)相流是(shi)否進行(háng)🛀🏻分離而(er)❌分爲分(fen)離法和(hé)非分離(lí)法。分離(lí)法是将(jiang)流動的(de)混合物(wù)分爲以(yǐ)👣氣體爲(wei)主和以(yǐ)液體爲(wèi)主的流(liu)動，然後(hou)進行單(dān)相測量(liàng).包括重(zhòng)力分離(lí)器和導(dǎo)流器等(deng),其優點(dian)爲把兩(liǎng)相流體(ti)流量測(cè)量轉化(hua)成了單(dan)🚶‍♀️相流體(tǐ)的流量(liàng)測量,測(ce)量精度(du)高、範🧑🏽‍🤝‍🧑🏻圍(wei)寬、不受(shou)氣液兩(liang)相流型(xing)變化影(yǐng)響,缺點(dian)則爲分(fen)離設備(bei)體積大(da)、價格貴(gui)、需要建(jiàn)站,增加(jia)了測量(liàng)成本。非(fēi)分離法(fǎ)的典型(xíng)是基于(yú)相同原(yuán)理的測(cè)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻量系統(tong)進🔞行組(zu)合測量(liang),以及中(zhong)子射💔線(xiàn)和文丘(qiū)裏管的(de)組合方(fāng)式，優點(diǎn)爲能夠(gòu)實時測(cè)量兩相(xiang)流體的(de)流量及(ji)相持率(lü)等參數(shu)🚶,體積小(xiao)、測量速(sù)度快，缺(que)點爲測(ce)✔️量的流(liú)量及各(ge)相持率(lǜ)精度偏(pian)低,适用(yòng)工況受(shou)限,需重(zhòng)複标定(dìng)[5-6]。
　　電磁流(liú)量計廣(guǎng)泛應用(yong)于單相(xiàng)流體的(de)流量測(ce)量。電磁(ci)流量🌏計(ji)是🚶‍♀️利用(yong)法拉第(dì)電磁感(gǎn)應定律(lǜ)原理測(ce)量導電(diàn)💃🏻液體的(de)體積流(liú)量的儀(yí)表。其優(yōu)點是可(ke)測流量(liàng)🤞範圍大(dà)♋,流量範(fàn)💔圍比值(zhi)一般爲(wei)20:1以上。适(shì)用工業(ye)管徑範(fàn)圍.寬,最(zuì)大可達(da)3m,精度較(jiao)高,可測(cè)量水、污(wu)❓水、腐蝕(shí)性液體(tǐ)等流體(tǐ)流量,不(bu)受壓力(lì)、密度、溫(wen)度和其(qi)他物理(lǐ)參數的(de)影響。因(yīn)此,采用(yong)電磁流(liu)🆚量計測(ce)量連續(xu)相爲導(dao)電性的(de)兩相流(liu)的特性(xìng)成爲研(yán)究的熱(re)門。
　　國際(jì)及國内(nèi)雖然對(duì)電磁流(liú)量計在(zài)兩相流(liú)中的應(yīng)用進行(hang)了😄大量(liang)的理論(lun)分析和(he)數值模(mó)拟，但是(shi)針對水(shuǐ)平管内(nei)非導㊙️電(diàn)相⚽在空(kong)間位置(zhì)分布對(duì)電磁流(liu)量計的(de)測☁️量精(jīng)度🛀等還(hái)未進行(hang)詳細地(dì)研究。水(shuǐ)平管内(nèi)非導電(diàn)性的空(kong)間分布(bù)受重力(lì)、流體物(wù)性🤩等影(yǐng)響嚴重(zhòng),進而影(yǐng)響了流(liú)量計的(de)正确測(ce)量。近年(nian)來,相關(guān)學者提(ti)出的相(xiang)分㊙️隔方(fāng)法12-15]通過(guò)對兩相(xiàng)混合物(wu)施加側(cè)❓向力,将(jiāng)兩相隔(gé)離到管(guan)内的相(xiang)應空間(jian),流動過(guo)程中兩(liǎng)💋相之間(jian)維持非(fēi)常清晰(xī)界面,這(zhe)将有利(li)于電磁(ci)流量測(cè)量兩相(xiàng)流參數(shù)。因此，如(rú)果非導(dao)電相能(neng)在兩相(xiang)☂️流中均(jun)勻對稱(cheng)分布,電(diàn)磁流量(liang)計測量(liang)将爲兩(liang)相流量(liang)測量提(ti)供--種有(yǒu)前途的(de)解決方(fang)案。同時(shí)，在将兩(liǎng)相隔離(lí)🥰到管内(nei)的相應(yīng)空間㊙️,流(liú)動過程(chéng)中兩相(xiàng)之間維(wéi)持非常(chang)清晰界(jiè)面的過(guo)程中,采(cai)用拍攝(shè)♌及圖像(xiang)處理技(ji)術可以(yi)實現空(kong)隙率的(de)測量。目(mù)前,基于(yu)圖像處(chù)理技術(shù)已進行(háng)了大量(liàng)的研究(jiū)[16-18]，尤其适(shi)用于檢(jian)測氣液(ye)界面。
　　本(ben)研究采(cǎi)用相分(fèn)隔法組(zu)合電磁(cí)流量計(jì)測量氣(qì)液兩相(xiang)流量及(ji)相持率(lǜ)。在相分(fen)隔方法(fǎ)中,采用(yòng)了旋流(liu)器産生(shēng)離心力(li),将氣液(yè)兩相不(bu)同的人(rén)口流型(xing)轉變爲(wèi)旋流核(hé)心環空(kōng)流,由于(yú)其界面(mian)清晰光(guāng)滑,非常(cháng)有利于(yú)圖像處(chù)理法來(lái)✏️測量空(kong)隙率。采(cai)用實驗(yan)分析的(de)🧡方式研(yán)究并驗(yan)證了電(diàn)磁流量(liang)計的兩(liang)相流工(gong)作特🚩性(xing)。
1測量原(yuán)理
1.1管内(nei)相分隔(gé)技術.
　　利(li)用管道(dao)中的相(xiàng)分隔技(jì)術進行(háng)整流,可(kě)以極大(da)地方🛀🏻便(biàn)電👄磁流(liú)量及空(kōng)隙率測(cè)量的開(kai)展，創造(zao)了理想(xiǎng)的測💋.量(liang)條件,有(yǒu)利于提(tí)高測量(liang)的正确(que)性。通過(guò)管内相(xiang)分隔，使(shi)兩相流(liú)體在🤩各(ge)種流型(xing)下統--轉(zhuan)變成兩(liǎng)束在管(guǎn)内并行(háng)流動的(de)單相流(liú)體,兩相(xiang)之間👈具(ju)有相對(duì)清晰的(de)分界面(miàn),并能維(wei)持足夠(gou)長的距(jù)離，如圖(tú)1所示🔞。與(yu)分離不(bu)同,相分(fen)隔技術(shù)并非将(jiāng)兩相分(fèn)“離”後💁各(ge)自單獨(dú)流動,而(er)是通過(guò)--系列技(jì)術僅将(jiāng)兩相分(fen)“隔”并未(wei)分“離”,兩(liang)相依然(rán)同時🏃🏻在(zài)一個管(guǎn)内流動(dong),但是徹(che)底改變(biàn)了兩相(xiang)流原有(you)相分布(bù)和速度(du)分布的(de)多樣性(xìng)和随機(ji)性,使兩(liang)相流在(zai)管内即(jí)可保持(chi)有“秩序(xu)"的流動(dong),極大地(di)方便了(le)兩相流(liu)各個參(cān).數的測(cè)量。

1.2氣液(yè)兩相流(liú)相分隔(ge)狀态下(xia)電磁流(liu)量計測(cè)量原理(li)
　　電磁流(liú)量通常(chang)用于測(cè)量單相(xiàng)導電流(liú)體,計算(suan)公式見(jian)式(1)

　　式中(zhōng):U爲兩電(diàn)極間的(de)電位差(cha)(與液體(tǐ)的導電(diàn)性、黏度(du)和壓，力(li)無關👅),V;B爲(wei)磁通強(qiáng)度,T;b爲導(dǎo)電相半(ban)徑,m;Qr爲導(dao)電液體(tǐ)的體積(jī)流量,m3/s。
　　對(dui)于含有(yǒu)少量非(fēi)導電介(jie)質(如氣(qì)體或油(you)等)構成(cheng)的💯導電(diàn)流體,電(diàn)磁流量(liàng)計仍能(néng)繼續工(gong)作。
　　考慮(lü)了導電(dian)相沿管(guǎn)壁在環(huán)形區域(yu)流動,絕(jué)緣相在(zài)同🤩軸🙇‍♀️芯(xīn)🐅區❤️流🏃🏻‍♂️動(dong)時,采用(yòng)電磁流(liú)量測量(liang)原理,計(ji)算公式(shi)見式(2)

式(shi)中:a爲不(bú)導電相(xiang)半徑,m;α爲(wei)絕緣相(xiàng)的空隙(xi)率,%。
　　在電(diàn)磁流量(liang)計的上(shang)遊,通過(guo)圖2所示(shì)的旋流(liu)器實現(xiàn)相分隔(ge)。旋🙇🏻流器(qì)由4片沿(yán)周向均(jun)布的導(dao)流片構(gòu)成，每個(gè)導流片(piàn)㊙️平面與(yǔ)管道橫(héng)截面呈(cheng)現一定(ding)夾角
　　通(tong)過研究(jiū)發現,這(zhe)種結構(gou)的旋流(liú)器更有(you)利于相(xiàng)分隔的(de)形成，它(tā)使流體(ti)通過改(gai)變流動(dong)方向産(chǎn)生切向(xiang)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻速度,從(cong)而産生(sheng)離心力(lì)。在離心(xin)力的作(zuò)用下,氣(qi)體一般(bān)以連續(xu)氣柱⚽的(de)形式集(ji)中在管(guan)中心，周(zhōu)圍爲連(lián)續液相(xiang),液相📐呈(cheng)環形流(liu)動,形成(cheng)旋流核(hé)心環狀(zhuang)流管内(nèi)✌️相分隔(ge)後電磁(cí)流量測(ce)量🌈原理(li)如圖3所(suo)示。

　　理論，上(shàng)，如果切(qiē)向速度(dù)軸對稱(chēng)且不衰(shuai)減,切向(xiang)速度🍓不(bú)影響電(dian)極.上的(de)電勢，則(ze)切向速(su)度不會(huì)影響電(dian)磁流量(liang)計的輸(shu)出👣,式(2)也(ye)适用于(yú)旋轉核(hé)心環形(xing)。因此，環(huan)🆚狀流中(zhōng)使用電(dian)磁流量(liang)♉計測量(liàng)🏃流量的(de)⭐計算式(shì)見式(3)

式(shi)中:Q爲流(liú)體總的(de)體積流(liu)量,m2/s。
2實驗(yan)裝置和(hé)方法
　　實(shí)驗在空(kōng)氣-水兩(liǎng)相流實(shi)驗回路(lu)中進行(háng),以驗證(zhèng)所✊提㊙️出(chū)🐪的測量(liàng)方法的(de)可行性(xing)。實驗環(huan)路及實(shí)驗段布(bù)🤟置如圖(tu)4所示，在(zai)實驗段(duàn)安裝了(le)旋流器(qì)和電磁(ci)流量計(jì) 。

利用圖(tu)像處理(lǐ)技術，提(tí)取環狀(zhuàng)流的相(xiàng)界面，進(jìn)而計算(suan)㊙️空隙🈲率(lǜ),圖🤟像采(cai)集原理(lǐ)如圖5所(suo)示。圖像(xiàng)采集過(guo)程中,采(cai)🌂用背✏️光(guang)光源照(zhào)射法,使(shi)用高速(sù)攝像儀(yi)采集照(zhao)片，高速(su)攝像儀(yi)型号爲(wei)NACMEMRECAMfxK3,像素爲(wèi)480×640。在每種(zhǒng)工況下(xia),以500Hz的頻(pín)率采集(jí)2s,共1000張照(zhao)片取氣(qì)柱直徑(jìng)平均值(zhí)作爲計(ji)算截面(miàn)相含率(lü)的值。本(běn)研究采(cǎi)用相分(fèn)離法實(shi)現的旋(xuán)流核心(xin)環空流(liu)動中氣(qi)液界面(mian)清晰光(guāng)滑(結構(gòu)見圖☂️6),從(cóng)而降低(dī)了圖像(xiàng)處理的(de)👉難度并(bìng)減✉️小了(le)空隙率(lǜ)的測㊙️量(liàng)誤差。

3實(shí)驗結果(guo)與分析(xī)
3.1實驗流(liu)型觀察(cha)
針對氣(qi)液兩相(xiang)來流分(fèn)别爲細(xì)泡狀流(liu)、塞狀流(liu)和彈狀(zhuàng)流💚時，實(shi)驗過程(chéng)中觀察(cha)了旋流(liú)器上下(xià)遊流型(xing)的🔴演變(biàn)✏️，旋流器(qi)前🐆後的(de)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼流型變(biàn)化如圖(tu)7所示。從(cong)圖7可以(yǐ)看出,在(zài)各人口(kǒu)流型下(xià),都可以(yi)形成旋(xuan)流核心(xīn)環空流(liú)動結構(gou)。當入口(kǒu)流型爲(wei)細泡🍉狀(zhuàng)流時,旋(xuán)流器下(xià)遊的氣(qì)柱直徑(jing)保持相(xiàng)對穩♉定(ding)值;當人(ren)口流型(xing)爲塞狀(zhuang)流時,旋(xuan)流器下(xià)遊的氣(qi)柱直徑(jing)保持相(xiàng)對穩定(dìng),與細泡(pao)狀流區(qu)别不大(da);當人口(kǒu)流型爲(wei)彈🌐狀流(liu)時,由于(yu)截面内(nèi)氣量的(de)劇烈變(biàn)化導緻(zhi)旋流後(hòu)氣🍉柱直(zhí)徑随氣(qi)體體積(jī)的增大(dà)而增大(dà)🏃，但界面(miàn)☎️仍然清(qing)晰。

3.2旋流(liú)核心環(huan)空流動(dòng)的空隙(xi)率
螺旋(xuan)流狀态(tai)下,截面(miàn)相含率(lü)與直線(xiàn)流相比(bǐ)會發生(sheng)變♋化,進(jìn)❄️而使得(de)兩者之(zhi)間的液(ye)流速度(du)也會不(bú)同。圖8示(shi)出了在(zai)相同的(de)氣液進(jìn)口流量(liàng)下,直流(liu)環狀流(liú)和旋流(liu)環狀流(liu)之間空(kōng)隙率的(de)變化。從(cong)圖8可以(yǐ)看出，在(zai)旋流作(zuo)用下,會(hui)使得空(kōng)隙率的(de)變化範(fan)圍減小(xiǎo)。在彈✔️狀(zhuàng)流來流(liú)時,旋流(liú)使得空(kong)📐隙率減(jian)小，而🥵對(dui)于塞狀(zhuang)流⭐和細(xì)泡狀流(liu),旋流會(hui)使得空(kong)隙🔞率變(bian)大。
3.3液體(ti)流量測(ce)量
爲了(le)研究旋(xuan)轉環狀(zhuang)流下電(diàn)磁流量(liang)計測量(liang)精度,引(yin)人🌈了🏃🏻‍♂️相(xiang)對誤㊙️差(cha),定義爲(wei):

式中:ε爲(wèi)相對誤(wu)差,%;Dmea爲液(yè)體體積(ji)流量測(ce)量值,m3/h;Dref爲(wei)液體體(tǐ)積⭕流量(liàng)參比值(zhí),m3/h。

爲了正(zhèng)确多次(cì)測量下(xià)電磁流(liú)量計測(ce)量精度(dù),引入🔆了(le)平均全(quán)局相對(duì)誤差,定(dìng)義爲:

式(shì)中:εave爲平(ping)均全局(jú)相對誤(wù)差,%;N爲取(qu)樣個數(shù)。
圖9顯示(shì)了不同(tong)空隙率(lǜ)流量測(cè)量的相(xiang)對誤差(chà)。由圖9可(kě)☁️以看出(chu),測量誤(wù)差随着(zhe)空隙率(lü)增加而(er)增加,且(qie)具🔞有很(hen)強的規(guī)律性。導(dǎo)緻這❗種(zhǒng)現象的(de)原因可(ke)能是因(yīn)爲與單(dān)相流相(xiàng)🈚比，旋轉(zhuǎn)環狀流(liú)中存在(zài)不導電(dian)氣芯,使(shi)導電相(xiàng)流通截(jie)面發生(sheng)改變♉,由(you)單相流(liú)中的圓(yuán)形❌變爲(wèi)兩相流(liu)中的環(huán)形，造成(cheng)儀表常(cháng)數發生(shēng)改變。由(you)圖9還可(ke)看出🤟,通(tong)過關于(yú)截面相(xiàng)含率的(de)校正，可(kě)🌈得到更(gèng)精确的(de)測量值(zhí)計算式(shì)如下:

圖(tu)10爲按照(zhao)圖9的拟(nǐ)合曲線(xian)校正後(hòu)的測量(liang)結果圖(tú)。由圖🈚10可(ke)以看出(chū),測量值(zhí)與參比(bi)值吻合(hé)良好。相(xiang)對誤差(chà)🤩最大🤟不(bu)超過士(shì)5%，平均誤(wù)差✨爲1.1%。綜(zong)上所述(shu)，可以利(li)用電磁(ci)流量♊計(ji)測量旋(xuan)轉環狀(zhuang)流中的(de)液體流(liu)量。

4結論(lùn)與認識(shí)
本研究(jiū)以氣液(ye)兩相流(liú)爲研究(jiu)對象，提(tí)出了一(yī)種管内(nei)相分隔(ge)技術與(yǔ)電磁流(liú)量計相(xiàng)結合的(de)水平管(guǎn)内流量(liàng)測.量新(xīn)方法,該(gai)方法對(duì)于指導(dǎo)生産實(shí)踐具有(yǒu)重大的(de)意義。
(1)從(cóng)理論上(shang)分析了(le)管内相(xiàng)分隔與(yu)電磁流(liú)量計組(zǔ)合測量(liang)🔱兩相流(liu)中連續(xu)導電相(xiàng)流量的(de)方法,采(cǎi)用空氣(qì)-水兩相(xiàng)流實驗(yan)驗證了(le)該方法(fǎ)在一-定(ding)範圍内(nèi)可正确(què)測量出(chū).連續導(dǎo)電相的(de)流量,具(ju)有實用(yòng)價值。
(2)針(zhen)對兩相(xiàng)流不穩(wen)定流的(de)特點,采(cai)用旋流(liú)片作爲(wèi)管内相(xiàng)分隔🧡裝(zhuang)置,實驗(yàn)觀察了(le)旋流器(qi)前後的(de)流型變(biàn)化，即将(jiang)管内細(xì)泡狀流(liú)、塞💰狀流(liú)和彈狀(zhuàng)流整流(liu)成單--穩(wen)定的環(huán)狀流:密(mi)度較小(xiao)的氣相(xiang)集中于(yu)管道中(zhōng)心，而密(mi)度較大(da)的液相(xiang)則圍繞(rao)氣相和(he)管壁形(xing)成環狀(zhuang)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻體,氣液(yè)相之間(jiān)界面清(qīng)晰,形成(cheng)管内相(xiàng)分隔狀(zhuang)态，爲後(hòu)續圖像(xiàng)處理測(cè)量空隙(xì)率提供(gòng)條件。
(3)針(zhen)對含有(you)少量氣(qi)體的連(lián)續水相(xiang)導電流(liú)體，引入(ru)空隙率(lǜ)🈲修正了(le)電磁流(liú)量計公(gong)式,建立(lì)了液相(xiàng)流量測(ce)量模✍️型(xing)爲💋了驗(yàn)證該方(fāng)法的可(kě)行性,在(zài)不同的(de)氣液流(liu)量範圍(wei)内進❓行(háng)了一系(xi)列實驗(yan),在管🔞内(nèi)相分隔(gé)狀态下(xià),利用電(dian)磁流量(liàng)計的液(yè)相測量(liàng)相對♌誤(wù)差在士(shì)5%以内.

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