摘要(yao):設計了等效内(nei)徑比分别爲0.424、0.586的(de)雙錐流量計,并(bìng)✉️采用該流量計(ji)在多相流實驗(yan)裝置上開展了(le)氣水兩相流參(can)數測量實驗研(yan)究。通過對雙錐(zhui)流量計 上的差(chà)壓波動信号時(shí)間序列進行分(fen)析,采用其特征(zheng)值建立氣水兩(liǎng)相流分相含率(lü)測量模型;在分(fen)相流模型的基(jī)礎🔴上,通過分析(xī)準氣相流量比(bi)和Lockhart-Martinelli常數的關系(xi)建立氣水兩相(xiàng)流流量測量模(mo)型。在多相流實(shi)驗裝置上進行(háng)了氣水兩相流(liú)參數測📞量系列(lie)實⛹🏻‍♀️驗,結果表明(míng)在實驗範圍内(nèi),所建立的體積(jī)含氣率🤩測量模(mó)型測量相對誤(wu)差在5%以🐅内;氣液(ye)兩相流總流量(liàng)和液相流量測(ce)量誤差在6%以内(nèi)。氣相流量的測(ce)量結果表明,在(zài)以空氣🐕和水爲(wei)介質、幹度👈很小(xiao)的工況下,氣相(xiang)流量的測量相(xiang)對誤差明顯大(dà)于總流量和液(ye)相流量的相對(dui)誤差。
0引言
　　氣液(ye)兩相流常見于(yú)冶金、石油、動力(lì)、化工、能源、管道(dào)運輸及制冷制(zhì)藥等領域,在工(gōng)業生産與科學(xue)研究中具有重(zhòng)要作👌用,在🐕工業(yè)過程中也伴随(sui)着許多經濟與(yu)安全問題，因此(cǐ)對兩相流活動(dòng)過程機理狀态(tai)的描述、解釋以(yi)及流動過程中(zhong)相關參數的正(zheng)确測量具有重(zhong)要意義,也是現(xiàn)代工業系統中(zhōng)亟待解決✨的一(yī)道難題。随❤️.着工(gōng)業水平的不斷(duàn)提高，兩相👈流涉(she)及的領域⭐越來(lái)越♍廣泛,對工業(ye)過程控制精度(du)的要求也在不(bu)斷提高。在目前(qian)工業生産中,由(yóu)于一些傳統的(de)流量測量方式(shì)及🛀🏻模型無法适(shì)用于兩相流特(te)有的波動性和(he)複雜的流動形(xing)态，使得其相關(guan)參數🙇🏻的測量方(fang)法多處于研究(jiu)階段,離實際應(yīng)用尚有一定距(ju)離。
　　氣液兩相流(liú)過程參數的檢(jiǎn)測策略随工況(kuang)與對象屬🍓性的(de)變化而變化,可(kě)以利用的物理(li)現象與關系有(you)很多,因🙇🏻此檢測(cè)方法也多種多(duō)樣。從測量形式(shi)上講，目前🈲常見(jian)的檢測方法大(da)緻可分爲直接(jie)法和間🥵接法2類(lèi)，前者可以通過(guo)采用傳統單相(xiàng)流儀表等方法(fa)直接測得待測(cè)對象的相關參(can)數,後者則多采(cai)用一定的輔助(zhu)測量值建立待(dai)測參數與特征(zheng)值的關🏃‍♀️系式,通(tōng)過模型計算得(de)到[2。利用傳統🧑🏽‍🤝‍🧑🏻單(dān)相流量計測量(liang)氣液兩相流參(cān)數是多相流測(cè)量研究與應用(yòng)的一個重要🌈方(fāng)向,雖然這類儀(yí)表在檢測混合(he)流量時🔞的性能(néng)良好,但由于工(gong)況🌈和模型的差(cha)異，在檢測相含(hán)率時誤差較大(da)531J。從測量原理上(shang)講,氣液兩相流(liú)相關參數的測(cè)量方法可以分(fen)爲分離法和非(fēi)分離法,前者是(shì)将兩相流流體(tǐ)分離,利用單相(xiàng)💜流🐉的測量方法(fǎ)分别獲得相關(guan)參數,但此類方(fāng)法受測量設備(bèi)龐大、系統複雜(zá)等因素的限制(zhi),需要對取樣設(shè)備進行更進一(yi)步的研究,後者(zhě)直接利用傳統(tong)差壓式流量計(jì)對混合的👉兩相(xiang)流流體進行測(ce)量,傳統差壓式(shi)流量計由于結(jie)構簡單、性能可(kě)靠等特☁️點,一直(zhi)以來在❓多相流(liu)參🌈數測量中倍(bei)受關注。
　　傳統差(chà)壓式流量計是(shì)将流向管道中(zhong)心收縮,通過測(ce)量🔅節流🔴件📱(如孔(kong)闆和文丘裏管(guǎn))前後的壓力降(jiang)來得到♋流量數(shu)據。近20年出現了(le)一種新型 V型内(nèi)錐流量計 ,它将(jiāng)原本利用流體(ti)進行節流而後(hòu)收縮到管道中(zhong)心軸線附近的(de)概念從根本.上(shang)改變爲利用同(tong)軸安裝在管道(dao)🔞中的V形錐🍉體将(jiāng)流體慢慢地進(jìn)行節流而後收(shou)縮到管道的内(nèi)邊壁。與其他傳(chuan)統🐪差壓式流量(liàng)計相比,V錐流量(liàng)計在🌈壓損、重複(fú)性、量程比和長(zhang)期工作穩定性(xing)等方面表現出(chu)👌一定的優勢,實(shí)驗分析表💰明其(qí)可用于兩相流(liú)的流型識别和(hé)參數測量[15-18],但由(yóu)于V錐流量計的(de)内錐形狀較爲(wèi)複雜且節流件(jiàn)尾部鈍體會使(shǐ)流體産生流動(dòng)分離,産生旋渦(wo)并造成較大壓(ya)力損失等問題(tí)使其應用受到(dào)一定的限制。本(ben)文作者在 V錐流(liú)量計 的基礎上(shàng)設計了一種具(jù)有對稱結構的(de)雙錐流量計🈲([9,利(lì)用理論模型較(jiao)成熟的差壓原(yuan)理開展氣液兩(liǎng)相流參數🌍的測(cè)量,并⛱️根據氣液(yè)兩相流固有的(de)波動特性提取(qǔ)相關特征值,分(fèn)析其與分相含(hán)率等參數的關(guān)系(20-22,探😍尋氣液兩(liang)相流的參數測(ce)量新🔞型測量方(fang)🧡法并開展實驗(yan)分析和研♋究,爲(wei)氣液兩相流在(zai)工業過程參數(shù)正⛹🏻‍♀️确🌈檢測及新(xin)型流量計商業(yè)化奠定基礎。
1測(ce)量原理
1.1流量計(ji)結構
　　雙錐流量(liang)計爲--新型内錐(zhuī)流量計,節流單(dān)元基本結構如(rú)☂️圖1所示,包括測(cè)量管段、取壓口(kǒu)和節流錐體。.圖(tú)1(b)爲雙錐流量計(ji)剖面圖，P1、P2、P3分别爲(wei)3個取壓口,P1爲上(shang)遊流💞體收縮前(qián)取壓口,P2爲節流(liú)件喉部最小流(liu)通面積處🔴取壓(yā)口,P3爲下遊流束(shù)穩定時的取壓(ya)口。本實驗研究(jiu)所需的雙錐流(liú)量計差壓信号(hao)是從P1與P2口獲得(de)的前差壓。利用(yong)P2與P3可獲得雙錐(zhui)流量計的後差(cha)壓。節♌流錐體是(shì)雙錐流量計的(de)核心部件,主要(yao)包括錐體和錐(zhuī)體支架結構2部(bu)分，如圖2所示。雙(shuāng)錐流量計的錐(zhui)體由前後2個錐(zhui)角相等的對㊙️稱(chēng)錐體構成,3個片(pian)狀支架和1個管(guǎn)環構成錐體支(zhī)架結📧構，節流錐(zhuī)體可通過支架(jià)結構固定在管(guǎn)道中心并🈲與管(guǎn)道同軸,将與管(guan)道内徑相同的(de)管環安裝在實(shí)驗管道中。
 
　　本次研究所設(shè)計的雙錐流量(liang)計錐體前後錐(zhuī)角均☂️爲45°,中部圓(yuán)柱✂️體長度20mm。D爲管(guan)道内徑,d爲節流(liú)錐體在喉☔部處(chu)直徑，ɑ爲對稱錐(zhuī)體的📧錐角。
　　圖1(a)爲(wei)管道最小流通(tōng)面積處的截面(mian)圖，雙錐體采用(yòng)三角結構固📱定(ding)于管道内，既能(néng)使雙錐承受較(jiao)大的沖擊又可(kě)以保證雙🚩錐與(yǔ)管道内圓的同(tóng)軸度,同時足夠(gòu)薄度的支撐葉(ye)片✔️也可以最大(da)程度減小對流(liu)體的擾動。
1.2基本(ben)測量模型
　　雙錐(zhuī)流量計的工作(zuo)原理是基于流(liu)體在一密封管(guǎn)道🧑🏽‍🤝‍🧑🏻中的💘能量守(shou)恒原理(伯努利(li)方程)和流動連(lian)續性原理。根據(ju)流體🏒力學的相(xiang)關理論可以推(tui)出單相流流量(liàng)的基本測量模(mó)型:
 
2實驗裝置
　　圖(tú)3和4分别爲雙錐(zhui)流量計氣液兩(liǎng)相流實驗系統(tong)實物🛀圖和㊙️結構(gòu)簡圖,實驗對象(xiang)爲水平管道内(nèi)的氣/水混合流(liú)體。實驗☀️設備主(zhǔ)要包括數據采(cai)集系統和實驗(yan)管路2大部分😄:數(shu)據采集系統包(bao)括數據采集器(qì)及✊采集控制界(jie)面;實驗管路包(bao)括❄️雙錐流量計(jì)、 壓力變送器 、 差(cha)壓變送器 、 溫度(du)計 、标準表以及(ji)管道和閥門等(deng)設備。
 
　　裝置的工(gong)作流程爲:水經(jing)過穩壓罐後,通(tōng)過标準水表讀(dú)取其體積流量(liang),進入混相器;空(kōng)氣壓縮機将空(kong)氣壓縮到穩壓(ya)罐,通過标準氣(qi)表讀取其體積(ji)流量,并用溫度(dù)計和壓力表測(ce)量此時的氣相(xiang)溫度(T)和壓🏃🏻力(p加(jiā):),最後進人混相(xiang)器與液相混合(he);氣液兩相流經(jing)過8m長的直管段(duàn),充分混合後進(jìn)入氣液兩相實(shi)驗管段,在此處(chù)安裝雙錐流量(liàng)計并測量氣液(ye)兩相的混㊙️合差(chà)壓,同時測量雙(shuāng)錐流🆚量計前的(de)壓力(p2)和溫度(T2),采(cǎi)用數據采集系(xì)統記錄各測量(liàng)值。
　　實驗中,液體(tǐ)穩壓罐和氣體(tǐ)穩壓罐的穩壓(yā)範圍分别爲0.2~0.21MPa和(he)0.39~0.41MPa,标準水表和标(biāo)準氣表參數如(ru)表1,直管段以及(ji)實驗管段管徑(jìng)爲50mm。.
 
　　考慮到不同(tong)等效直徑比的(de)雙錐流量計具(ju)有不同的測🙇🏻量(liàng)特性，選擇不同(tong)的直徑比可分(fen)析雙錐流量✍️計(ji)各自不同特🚶‍♀️性(xìng),從而獲🧑🏽‍🤝‍🧑🏻得與直(zhí)徑比相關的關(guan)鍵👌參數，因🌈此選(xuǎn)用2個不同等效(xiao)直徑比(0.424、0.586)的雙錐(zhui)流量計進行實(shí)驗👅,其流出系📞數(shu)分别爲0.9672和0.9685。雙錐(zhuī)流量計的差壓(ya)信号由應變式(shi)差壓變送器進(jin)行測♍量,其量程(chéng)爲0~64kPa,輸出電流信(xin)号4~20mA,精度等級爲(wèi)0.25%FS.
3分相含率測量(liang)模型
　　在氣液兩(liang)相流的測量中(zhōng),分相含率是一(yī)個重要的參數(shù),重點測量對象(xiàng)爲氣相的相含(hán)率,包括體積含(han)氣率、截面含氣(qi)率(空隙率㊙️)和質(zhi)量流量含氣率(lǜ)(幹度)。其中體積(ji)含氣率和幹度(dù)的關系如下式(shì):
 
　　式中:μ爲體積含(han)氣率;pz爲氣相密(mi)度;ρn爲液相密度(du)。
　　氣液兩相流在(zai)流動過程中存(cún)在波動性,根據(ju)前人♍的實♉驗研(yán)究結果,此波動(dòng)信号與氣液兩(liǎng)相流的流型、分(fèn)相含率等重要(yào)測量參數具有(you)一定的相關性(xìng)♌,因此可以通過(guo)分析從差壓波(bō)動信号中提取(qu)的特征值建立(li)氣液兩相流分(fèn)相含率的測量(liàng)模型，從而實現(xian)對氣相🥰含率等(děng)參數🌈的在線測(cè)量。
　　氣液兩相流(liú)通過差壓式流(liú)量計時的瞬時(shí)差壓和瞬時流(liu)🐕量之間也符合(he)時間平均值的(de)關系式,因此:
 
　　式(shi)中:i爲某個瞬時(shi)時刻;△ppo爲瞬時差(chà)壓;μi;爲瞬時體積(ji)含氣🌈率;qi爲瞬時(shí)🐅流量;k、b是與節流(liú)元.件結構和兩(liang)相流流體物性(xìng)有關的系數。
　　定(ding)義脈動振幅爲(wèi)差壓瞬時值和(he)時均值之差,其(qí)均方根爲:
 
　　理論(lùn)上R是μ的單值函(han)數,可通過實驗(yàn)差壓時均值和(hé)差壓🌈脈動💯幅值(zhí)計算出氣相體(ti)積含率μo.
　　實驗所(suǒ)用水平管道管(guan)徑爲50mm,進行氣液(yè)兩相流實驗并(bìng)采集差壓波動(dòng)信号,圖5和6爲等(deng)效直徑比爲0.424和(he)0.586的雙錐流量計(ji)無量綱參數R與(yu)體積含氣率μ的(de)數值點分布
 
　　由(you)圖5和6可知,對于(yu)雙錐流量計,波(bō)動幅度參數R随(suí)着體積含🛀氣率(lǜ)呈現先增大後(hòu)減小的趨勢。當(dāng)體積含氣率♉小(xiao)于0.3時,差壓的波(bo)動幅度參數很(hěn)小;然後随着體(ti)積含氣率的❄️增(zēng)大,差🚶壓的波動(dong)幅度值增!大,并(bing)在0.85左右達到最(zuì)大值。根據流體(tǐ)在管道中流動(dong)的實際情況,當(dāng)流體爲單相(即(ji)全☀️爲液相μ=0,全爲(wei)🔆氣相μ=1)時，流動🛀🏻是(shi)較爲平穩的👉,應(ying)有R≈0,因此可假設(she)R與μ符合如下關(guān)系:
 
4流量測量模(mo)型
　　雙錐流量計(ji)作爲-種新型差(chà)壓式流量計,在(zài)結構上與傳統(tong)标👄準差壓流量(liang)計具有一-定的(de)差異,現有模型(xíng)，的一些關鍵參(cān)數無法适用,需(xu)尋求新的模型(xing)參數。
　　用汽水、氣(qi)水和天然氣水(shuǐ)混合物經過大(da)量實驗并對理(li)想分相💋流模型(xing)進行修正後得(de)到孔闆氣液兩(liang)相流流量計算(suan)模型:
 
 
5實驗與結(jie)果分析
5.1氣相含(han)率測量
　　實驗在(zai)體積含氣率爲(wei)0.32~0.96範圍内進行，對(duì)流體流經雙㊙️錐(zhuī)流♍量計時所産(chan)生的前差壓進(jin)行了采集,提取(qu)差壓波動信号(hao)中的特征值R',通(tong)過模型式(7)計算(suan)得出體積含氣(qì)率值,模🌈型測量(liang)誤差如圖8和9所(suo)示,體積含氣率(lǜ)的相對誤差基(jī)本在±5%以内。
 
5.2流量(liàng)測量
　　氣液兩相(xiàng)流流量實驗測(ce)量以水和空氣(qì)爲介質,其中水(shuǐ)😍和♈空氣的質量(liang)流量範圍分别(bie)爲1.233~6.581kg/s和0.006~0.04kg/s.水穩壓爲(wei)0.2MPa,氣源穩壓0.4MPa,幹度(dù)🌈範圍㊙️0.001~0.03,環境溫度(dù)20.5℃.。NI數據采集卡采(cai)集差壓波動信(xin)号,提📱取其特征(zheng)值并通過公🍓式(shi)(7)和(2)計算得到質(zhi)量流量含氣率(lǜ)x,流量值可通過(guo)公式(12)計算得到(dao)。
 
　　實驗測量了氣(qì)液兩相流的總(zong)流量及液相、氣(qi)相的分相㊙️流量(liang),在圖10和11中給出(chū)了總流量的測(cè)量誤差,總質量(liàng)流量的參考值(zhi)爲氣相和液相(xiàng)混合前的流量(liang)值之和。測量誤(wu)差結果顯示,在(zài)實驗範圍内所(suo)采用的體積含(hán)⭐氣率測量模型(xing)和改🏃進的流量(liàng)♊測量模型對氣(qi)液兩相流總流(liu)量測量具有較(jiào)好的适用效果(guǒ),測量結果相對(duì)誤差基本可以(yǐ)📧控制在±6%以内。值(zhí)得提🈲出的是，當(dang)氣相體積含率(lü)大于0.8時,兩🛀🏻相流(liu)處于塞狀流🏃‍♀️向(xiang)環狀流的過渡(du)段,流型變化較(jiao)爲複雜，使得測(cè)量精度有所下(xià)降。
 
　　總流量測量(liàng)相對誤差圖中(zhong)可看出,對于氣(qi)液兩相流,其分(fen)💚相流🌈的參數測(ce)量具有重要的(de)工程意義。可以(yǐ)根❄️據公式(7)和測(cè)量出的👅體積含(han)氣率值由公式(shi)(2)得到幹度值,從(cóng)而實現對氣液(ye)兩相流的分相(xiang)流測量。液相流(liú)量測量誤差如(ru)圖12和13所示,在實(shi)驗範圍内的相(xiang)對誤差基本在(zài)±6%以内，說明該測(ce)量模💞型在該工(gong)況🔅下具有較好(hao)的測量效果。因(yin)爲在實驗所用(yòng)氣液兩相流中(zhōng)，氣體在總流量(liàng)中所占的比💔例(li)較小，所以液相(xiàng)流量測量誤差(chà)分🏃🏻‍♂️布結果與總(zong)流量相🛀似。
 
　　實驗(yàn)對氣相流量進(jìn)行了測量,其測(ce)量結果如圖14和(he)15所示。測量誤差(cha)結果顯示,忽略(lue)粗大誤差後的(de)氣相流量測量(liàng)誤差在±20%以内，該(gāi)誤差遠大于液(yè)相和總流量的(de)測量誤差,分析(xi)認爲在本👄實驗(yan)中㊙️的兩相流幹(gàn)☂️度僅在0.001~0.03範圍内(nèi),不同⁉️于濕蒸氣(qì)和高幹度的實(shi)驗工況,對體積(ji)含氣率或幹度(dù)的微小測量♋誤(wu)差會導緻對氣(qì)相流量🌈測👅量結(jié)果的較大偏差(chà)。
 
6結論
　　本文将一(yi)種新型的雙錐(zhuī)流量計用于氣(qi)水兩相流的測(ce)量,研究❤️了2個不(bú)同等效直徑比(bi)的雙錐流量計(ji)對氣相體積含(hán)率、總流量及分(fen)相流量的測量(liang)性能。對雙錐流(liu)量計上的差壓(ya)波動🍓信号時📐間(jiān)序列進行了分(fen)析,利用其特征(zhēng)值建立了氣水(shuǐ)兩相流氣相含(han)‼️率的關系模型(xíng)。應用該模型對(duì)氣相體☁️積含率(lǜ)進行測量,在實(shí)驗範圍内,氣相(xiang)體積含率測量(liàng)相對誤差🚶在±5%以(yi)内。利用常數建(jian)立了🥰雙錐流量(liang)計氣液兩相流(liu)總⛷️流量測量模(mó)型,可對總流量(liàng)和液相流💔量進(jin)行有效的測量(liang)🌍,測量結果的相(xiàng)對誤差在±6%以内(nèi)。在幹度很🙇‍♀️小的(de)情況下,氣相流(liú)量的測量相對(dui)誤差較大。與V錐(zhuī)流量計在氣液(ye)兩相流相🚩關☁️參(cān)數的測量結果(guǒ)(氣相體積含率(lü)已确定的條件(jiàn)下,兩相流總質(zhì)量流量的相對(dui)誤差基本在土(tǔ)5%内)相對比表明(ming)[1]，雙錐流量計可(ke)獲得與V錐流量(liàng)計相當的精度(du),且在減小流體(ti)擾動、降低壓力(lì)損失和抗壓力(li)沖擊等方面更(geng)具有優勢。

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