摘要(yào):針對電磁(cí)流量計 測量氣液兩(liǎng)相流時測(cè)量精(jīng)度和穩定性易(yì)受流(liú)型影(yǐng)響的問題(tí),提(tí)出(chū)了一(yī)種管内(nèi)相分隔狀态下基于電(diàn)磁流量(liàng)計的氣液兩(liǎng)相流測量(liàng)方法。利用旋流(liú)器将不規則的(de)兩相(xiàng)流入(rù)口流(liú)型整形(xíng)成氣芯(xīn)-水環的對稱型環狀(zhuàng)流,保證了(le)權函(hán)數的有序(xù)分布,并引(yǐn)入空(kōng)隙率修正(zhèng)了電磁流量計測量模(mó)型(xíng),提高了電(diàn)磁流(liú)量計的測(cè)量精度。利用空氣-水兩相(xiàng)流爲介質,通過(guò)室内實驗對該測量(liàng)方法進行了驗(yàn)證,結果(guǒ)表明,在(zài)管内相分(fèn)隔狀(zhuàng)态下(xià),電磁(cí)流量(liàng)計(jì)的液相測量(liàng)相對(duì)誤差在±5%以(yǐ)内。研究結(jié)果爲工業生(shēng)産中的(de)氣液兩相測量(liàng)提(tí)供了一種很(hěn)好的思路和方(fāng)法,具(jù)有(yǒu)良好的(de)應用價值(zhí)。
　　在工業應(yīng)用中,兩相(xiàng)流流量(liàng)測(cè)量對(duì)于實際工程應(yīng)用具有(yǒu)重(zhòng)要作用，如(rú)石(shí)油鑽采(cǎi)工程(chéng)、石油(yóu)化工(gōng)、熱(rè)電聯供等輸(shū)送及分配過程(chéng)中都存在氣液(yè)兩相(xiàng)流(liú)測量問題。早(zǎo)期(qī)曾對氣(qì)液兩相流的測(cè)量進(jìn)行(háng)了廣泛(fàn)研究,但由(yóu)于氣液兩相(xiàng)流(liú)型的複雜性(xìng)及(jí)多變(biàn)性,至今仍無廣(guǎng)泛認可的氣液(yè)兩相(xiàng)流在(zài)線測(cè)量技術中(zhōng)。
　　多相流動(dòng)體系通常(cháng)是由兩(liǎng)種(zhǒng)或兩(liǎng)種以上互不相(xiàng)溶.的介質組成(chéng)的,具(jù)有明顯相界面的混(hùn)合物流動(dòng)。本研究的(de)氣液兩相(xiàng)流研究對(duì)象(xiàng)分别是(shì)空氣和水，在流動過程中,由于(yú)存在不同流型(xíng)及流态的複雜(zá)變化(huà),兩相(xiàng)流各種參數(shù)的測量(liàng)都變(biàn)得極爲困(kùn)難(nán)。因此，準确描(miáo)述并.識别(bié)流型(xíng)對于(yú)兩(liǎng)相流量(liàng)測量具有重要(yào)的意(yì)義(yì)。由于主(zhǔ)要研究的是水平管内的氣液兩相(xiàng)流(liú)流型,在前人的研究基礎之上,對(duì)水平管内(nèi)流型(xíng)進行(háng)了總結和分析(xī),得到水(shuǐ)平管内的氣(qì)液兩(liǎng)相流流型(xíng)主(zhǔ)要爲細(xì)泡(pào)狀流動(dòng)、彈狀(zhuàng)流動、分層流(liú)動(dòng)、波狀分層(céng)流、塞狀流(liú)以(yǐ)及環狀(zhuàng)流等[3-]。
　　自20世(shì)紀以來,氣(qì)液(yè)兩相在(zài)線測量一直是(shì)工業生産(chǎn)過程(chéng)中迫切需要解(jiě)決的(de)難題，同時研發了大(dà)量适用于(yú)工業(yè)環境(jìng)中的兩相(xiàng)測量技術。根(gēn)據在測(cè)量過(guò)程中兩相流(liú)是否(fǒu)進行分(fèn)離而分爲分離(lí)法和(hé)非(fēi)分離法(fǎ)。分離法是将流動的混合物分(fèn)爲以氣體爲主(zhǔ)和以液體(tǐ)爲主(zhǔ)的流(liú)動，然(rán)後進行單相(xiàng)測量.包(bāo)括重力分離器(qì)和(hé)導流器等,其(qí)優點爲把兩相(xiàng)流體(tǐ)流量(liàng)測量(liàng)轉化成(chéng)了單相流體(tǐ)的流量測(cè)量,測量精(jīng)度高(gāo)、範圍寬(kuān)、不受氣液兩相(xiàng)流(liú)型變化影響(xiǎng),缺(quē)點則(zé)爲分離(lí)設備體(tǐ)積大(dà)、價(jià)格(gé)貴、需(xū)要建站,增(zēng)加(jiā)了測量成(chéng)本。非分(fèn)離法的(de)典型是基于相同原理(lǐ)的測量系統進(jìn)行組(zǔ)合(hé)測量,以(yǐ)及中子(zǐ)射線和文丘裏(lǐ)管的組(zǔ)合方(fāng)式，優點爲能(néng)夠(gòu)實(shí)時(shí)測量(liàng)兩相流體(tǐ)的流(liú)量及(jí)相持(chí)率等(děng)參數,體積(jī)小、測(cè)量速(sù)度快，缺點(diǎn)爲測量的(de)流量(liàng)及各相(xiàng)持率精度偏低,适用工(gōng)況受(shòu)限(xiàn),需重複标定[5-6]。
　　電磁(cí)流量計廣(guǎng)泛應用于(yú)單相流體的(de)流(liú)量測量。電磁流(liú)量計是(shì)利用法(fǎ)拉第(dì)電磁感應定律原理(lǐ)測量(liàng)導電液體的(de)體(tǐ)積流量(liàng)的儀表(biǎo)。其優點(diǎn)是可測流量範圍大,流(liú)量範(fàn)圍比值一(yī)般爲20:1以上。适(shì)用工業管徑(jìng)範圍(wéi).寬,最大(dà)可(kě)達3m,精(jīng)度較(jiào)高,可測量水、污水、腐蝕性(xìng)液體(tǐ)等流體流(liú)量,不受壓力、密(mì)度、溫度和其他(tā)物理參數的影(yǐng)響。因此,采用電(diàn)磁流量計(jì)測量(liàng)連續相爲(wèi)導電(diàn)性的兩相(xiàng)流的(de)特性成爲研究的(de)熱門。
　　國際及(jí)國内雖然對電(diàn)磁流量(liàng)計(jì)在兩相流(liú)中的應用(yòng)進行(háng)了大量的理論分(fèn)析和數(shù)值模拟，但(dàn)是針(zhēn)對水平管(guǎn)内非(fēi)導電(diàn)相在空間位置(zhì)分(fèn)布對電(diàn)磁流量(liàng)計的測(cè)量精度等還(hái)未(wèi)進行詳(xiáng)細(xì)地研(yán)究。水(shuǐ)平管内非導電性的空間(jiān)分(fèn)布(bù)受(shòu)重力、流(liú)體物性(xìng)等影響(xiǎng)嚴重(zhòng),進而(ér)影響(xiǎng)了流量計的正(zhèng)确測量。近年來(lái),相關(guān)學者(zhě)提出(chū)的相分隔方法12-15]通過對(duì)兩相混合物施(shī)加側向(xiàng)力,将兩(liǎng)相隔離到管(guǎn)内的相應(yīng)空間,流(liú)動過程中兩(liǎng)相之間維(wéi)持非常(cháng)清(qīng)晰界(jiè)面,這将有(yǒu)利于(yú)電(diàn)磁流量(liàng)測量(liàng)兩相流參數(shù)。因(yīn)此，如果非導電(diàn)相能(néng)在兩相流(liú)中均勻對稱分(fèn)布,電磁流量計(jì)測量将(jiāng)爲(wèi)兩相(xiàng)流量測(cè)量提供(gòng)--種有前途的解(jiě)決方案。同(tóng)時，在将兩相(xiàng)隔(gé)離到管内(nèi)的相應(yīng)空(kōng)間,流(liú)動過(guò)程中(zhōng)兩相之間(jiān)維持(chí)非常清晰(xī)界面(miàn)的過程中,采用(yòng)拍攝及圖像處理技術可以實(shí)現空隙(xì)率(lǜ)的測(cè)量。目前,基于圖(tú)像處(chù)理技(jì)術已(yǐ)進行了(le)大量的(de)研究[16-18]，尤其(qí)适用于檢測氣液界(jiè)面。
　　本(běn)研究(jiū)采用(yòng)相分(fèn)隔法組合(hé)電磁流量計(jì)測(cè)量氣液(yè)兩相流(liú)量及相(xiàng)持率。在(zài)相分(fèn)隔(gé)方法中(zhōng),采用了旋(xuán)流器(qì)産生(shēng)離(lí)心力,将(jiāng)氣液兩相(xiàng)不同(tóng)的人(rén)口(kǒu)流型轉(zhuǎn)變爲(wèi)旋流(liú)核心(xīn)環空(kōng)流,由(yóu)于其(qí)界面清晰(xī)光(guāng)滑(huá),非常有利(lì)于圖像處(chù)理法(fǎ)來測(cè)量空隙率。采用(yòng)實驗分析(xī)的方式研究并驗證(zhèng)了電磁流量計(jì)的兩(liǎng)相(xiàng)流工作(zuò)特性。
1測(cè)量原理
1.1管内相分隔技(jì)術.
　　利用(yòng)管(guǎn)道中的相分隔技術(shù)進行整流(liú),可以(yǐ)極大(dà)地方便電(diàn)磁流量及空隙率測量的(de)開展(zhǎn)，創造了理想的(de)測.量(liàng)條件,有利于提(tí)高測量的(de)正确(què)性。通過管(guǎn)内相分隔，使兩(liǎng)相流體在各種(zhǒng)流型下統--轉變成兩束在管内(nèi)并行流動的單(dān)相流(liú)體(tǐ),兩相(xiàng)之間具有相對清晰的(de)分(fèn)界面,并(bìng)能維持足夠長的距離，如圖1所(suǒ)示。與分(fèn)離不(bú)同(tóng),相分隔技(jì)術并(bìng)非将兩相分“離”後各(gè)自(zì)單獨流(liú)動,而是通過--系(xì)列技術(shù)僅将兩(liǎng)相分“隔”并未分“離”,兩相依然同(tóng)時在一個管内(nèi)流動(dòng),但是徹底(dǐ)改變了兩相(xiàng)流(liú)原有相分布和(hé)速度分(fèn)布(bù)的多(duō)樣性和随機性,使(shǐ)兩(liǎng)相流在管(guǎn)内即(jí)可保持有“秩序"的流(liú)動,極(jí)大地方便了兩(liǎng)相流各個參.數的測量。

1.2氣(qì)液兩(liǎng)相流相分隔狀(zhuàng)态下電磁流量(liàng)計測量(liàng)原(yuán)理
　　電(diàn)磁流量通常用(yòng)于測量單相導(dǎo)電流(liú)體,計算公(gōng)式見式(1)

　　式(shì)中:u爲(wèi)兩電極間的電(diàn)位差(chà)(與液體的(de)導(dǎo)電(diàn)性、黏度和(hé)壓，力(lì)無關),v;b爲磁(cí)通強度,t;b爲(wèi)導電相半(bàn)徑(jìng),m;qr爲導電液體的體積流量,m3/s。
　　對于含有少(shǎo)量非導電介質(zhì)(如氣體或(huò)油等)構成的(de)導(dǎo)電流(liú)體,電(diàn)磁流量計(jì)仍能(néng)繼續工作(zuò)。
　　考慮了導電相(xiàng)沿管(guǎn)壁在環形(xíng)區域流動(dòng),絕緣相在同軸芯區(qū)流(liú)動(dòng)時,采用電(diàn)磁流量測(cè)量原(yuán)理,計(jì)算(suàn)公式見式(2)

式(shì)中:a爲不導(dǎo)電相半(bàn)徑,m;α爲絕緣相的空隙率(lǜ),%。
　　在電磁流(liú)量計的上遊,通(tōng)過圖(tú)2所示(shì)的旋(xuán)流器實現(xiàn)相分隔。旋(xuán)流器由4片沿周向均布的導流(liú)片構成(chéng)，每個導(dǎo)流片(piàn)平面(miàn)與管道橫截(jié)面呈現一定夾角
　　通過(guò)研究(jiū)發現,這種結構(gòu)的(de)旋(xuán)流器(qì)更有利于(yú)相分隔的(de)形成，它使(shǐ)流體(tǐ)通過(guò)改變(biàn)流動(dòng)方向産生(shēng)切向速度(dù),從而(ér)産生離心力。在(zài)離心力的作用下(xià),氣(qì)體一般以(yǐ)連續氣柱(zhù)的形(xíng)式集中在管中(zhōng)心，周圍(wéi)爲連續(xù)液相,液(yè)相呈環(huán)形流動(dòng),形成旋(xuán)流核心環狀(zhuàng)流(liú)管内相(xiàng)分(fèn)隔後(hòu)電磁流(liú)量測量(liàng)原理如圖(tú)3所示(shì)。

　　理(lǐ)論，上(shàng)，如(rú)果切向(xiàng)速度(dù)軸對稱且不(bú)衰(shuāi)減,切(qiē)向速(sù)度不影(yǐng)響電極(jí).上的電勢(shì)，則切(qiē)向速度(dù)不會影響電(diàn)磁流(liú)量計(jì)的(de)輸出,式(2)也适(shì)用于(yú)旋轉核(hé)心環形。因此，環狀(zhuàng)流中使用電磁(cí)流量計測量流量的(de)計算(suàn)式見(jiàn)式(3)

式(shì)中(zhōng):q爲(wèi)流體(tǐ)總的體積流量,m2/s。
2實驗(yàn)裝置和方(fāng)法
　　實(shí)驗(yàn)在(zài)空氣-水兩相流實驗(yàn)回路中進行(háng),以(yǐ)驗證(zhèng)所提(tí)出的(de)測量方法(fǎ)的可(kě)行性。實驗環路(lù)及實驗段布置(zhì)如圖(tú)4所示，在實驗段安(ān)裝(zhuāng)了旋(xuán)流器和(hé)電磁流(liú)量計(jì) 。

利用圖像處理技(jì)術，提取(qǔ)環狀流的相界(jiè)面，進而計算空(kōng)隙率,圖像(xiàng)采集(jí)原理如圖(tú)5所示。圖(tú)像采集(jí)過程(chéng)中,采(cǎi)用背光光(guāng)源照射法(fǎ),使用高速(sù)攝像(xiàng)儀采(cǎi)集照片，高速攝像儀(yí)型号爲nacmemrecamfxk3,像(xiàng)素爲(wèi)480×640。在每種(zhǒng)工(gōng)況下,以500hz的頻率采集2s,共(gòng)1000張(zhāng)照片(piàn)取氣(qì)柱直徑平(píng)均值作(zuò)爲計算截面相含率(lǜ)的(de)值。本(běn)研究(jiū)采用(yòng)相分離法實現(xiàn)的旋(xuán)流核心環空流動中(zhōng)氣液(yè)界面(miàn)清晰(xī)光滑(huá)(結構見(jiàn)圖(tú)6),從而降低(dī)了圖像處理的難度并減(jiǎn)小了空(kōng)隙率的(de)測量誤差。

3實驗(yàn)結果(guǒ)與分(fèn)析
3.1實驗流型觀察
針(zhēn)對氣液兩相來(lái)流分(fèn)别爲細泡(pào)狀流(liú)、塞狀(zhuàng)流和(hé)彈狀流(liú)時(shí)，實驗(yàn)過程中觀(guān)察了(le)旋流器上下遊(yóu)流型(xíng)的演變，旋(xuán)流器前後的流(liú)型變(biàn)化如(rú)圖7所示。從圖(tú)7可(kě)以看(kàn)出,在(zài)各人(rén)口流(liú)型下,都可(kě)以形(xíng)成旋流(liú)核(hé)心(xīn)環空流動結構。當(dāng)入口(kǒu)流(liú)型爲細泡狀(zhuàng)流時,旋流(liú)器下(xià)遊的(de)氣柱(zhù)直徑(jìng)保持相對(duì)穩定值;當(dāng)人口(kǒu)流型(xíng)爲塞狀流(liú)時,旋流器(qì)下遊(yóu)的氣(qì)柱(zhù)直徑保(bǎo)持相對穩定,與細泡狀流(liú)區别(bié)不大(dà);當人(rén)口流型爲(wèi)彈(dàn)狀(zhuàng)流時,由于截面内氣量的劇(jù)烈變化(huà)導緻旋流(liú)後氣(qì)柱直(zhí)徑随(suí)氣體(tǐ)體積(jī)的增大而(ér)增(zēng)大(dà)，但界面仍(réng)然清晰。

3.2旋流(liú)核(hé)心環空流動的(de)空隙率
螺旋流狀态下,截面相(xiàng)含(hán)率與直線流相比會(huì)發生變(biàn)化,進而使(shǐ)得兩(liǎng)者之(zhī)間(jiān)的液流(liú)速度也會不同。圖8示出了在相(xiàng)同的氣液(yè)進口(kǒu)流量(liàng)下,直(zhí)流環(huán)狀流和旋(xuán)流環(huán)狀流(liú)之間(jiān)空隙(xì)率(lǜ)的變化。從圖(tú)8可以看出，在(zài)旋(xuán)流作(zuò)用下(xià),會使得空(kōng)隙率(lǜ)的變(biàn)化範(fàn)圍減小。在(zài)彈(dàn)狀流來流時(shí),旋流使(shǐ)得空隙(xì)率減(jiǎn)小，而(ér)對于(yú)塞狀流(liú)和(hé)細泡(pào)狀流(liú),旋流會使(shǐ)得(dé)空隙率變大(dà)。
3.3液體(tǐ)流量測(cè)量(liàng)
爲了研究旋轉環狀流下(xià)電磁流量(liàng)計測量精(jīng)度(dù),引(yǐn)人(rén)了相對(duì)誤差(chà),定(dìng)義爲:

式(shì)中:ε爲相對誤差(chà),%;dmea爲液體體積流量測(cè)量值,m3/h;dref爲液(yè)體(tǐ)體積流量參(cān)比值,m3/h。

爲了(le)正确(què)多次測(cè)量(liàng)下電磁流(liú)量(liàng)計(jì)測量(liàng)精度,引入(rù)了平(píng)均全(quán)局相(xiàng)對誤(wù)差,定(dìng)義爲:

式中:εave爲平均全局相(xiàng)對誤差(chà),%;n爲取樣(yàng)個數(shù)。
圖9顯示了(le)不同(tóng)空(kōng)隙率流(liú)量測量的相(xiàng)對(duì)誤差。由(yóu)圖9可以看出(chū),測量誤差(chà)随着空隙(xì)率增加而增加,且具(jù)有很強的規律性。導緻這種現象的原因(yīn)可能(néng)是因(yīn)爲(wèi)與單相流相比，旋轉環狀流(liú)中存在不(bú)導電(diàn)氣芯,使導(dǎo)電相流通截面(miàn)發生改變(biàn),由單(dān)相流中的圓形(xíng)變爲兩相流中的環形，造成儀(yí)表常數發(fā)生改變。由(yóu)圖9還可看出,通過(guò)關于截(jié)面相含(hán)率的(de)校(xiào)正，可(kě)得到(dào)更精确的(de)測量值計(jì)算式(shì)如下:

圖10爲按照(zhào)圖(tú)9的拟合(hé)曲線校正後的測量結果(guǒ)圖。由(yóu)圖10可以看出,測量值(zhí)與參比值(zhí)吻合良好。相對誤差最大不超(chāo)過士5%，平均誤差(chà)爲1.1%。綜(zōng)上所述，可以利用電(diàn)磁流(liú)量(liàng)計測量旋轉(zhuǎn)環狀流中的液體流量。

4結論與(yǔ)認識
本研究以氣液兩相流爲(wèi)研究對(duì)象，提出(chū)了一(yī)種(zhǒng)管(guǎn)内相分隔技術(shù)與電磁流(liú)量計相結(jié)合的(de)水平管内流量(liàng)測.量新方(fāng)法,該方法對于(yú)指導生産(chǎn)實踐(jiàn)具有重大(dà)的意(yì)義。
(1)從理論上分析了管(guǎn)内相分隔與(yǔ)電磁(cí)流量(liàng)計組合測(cè)量兩相流中(zhōng)連(lián)續導電相(xiàng)流量的方(fāng)法,采用空氣-水(shuǐ)兩相(xiàng)流實驗驗(yàn)證了(le)該方(fāng)法在(zài)一-定(dìng)範(fàn)圍(wéi)内可正确測量出.連(lián)續導電(diàn)相(xiàng)的流(liú)量,具(jù)有實用價(jià)值。
(2)針(zhēn)對兩(liǎng)相流(liú)不穩定流的特(tè)點,采(cǎi)用旋(xuán)流片(piàn)作爲(wèi)管内(nèi)相分(fèn)隔裝(zhuāng)置(zhì),實驗觀(guān)察了旋(xuán)流器前(qián)後的流(liú)型變化(huà)，即将(jiāng)管内細泡(pào)狀流、塞狀(zhuàng)流和(hé)彈狀流整流(liú)成(chéng)單--穩定的環狀流:密度(dù)較小的(de)氣相集中于管道中(zhōng)心，而(ér)密度(dù)較大的液(yè)相則圍繞氣相和管(guǎn)壁形成(chéng)環(huán)狀體(tǐ),氣液(yè)相之間界面清晰,形成管(guǎn)内相(xiàng)分(fèn)隔狀态(tài)，爲後續圖像處理測量(liàng)空隙率提供條(tiáo)件。
(3)針對(duì)含有(yǒu)少量氣體(tǐ)的連續水相導電流體，引(yǐn)入空(kōng)隙率修正了電磁流量計公式(shì),建立(lì)了液(yè)相流(liú)量測量模型爲(wèi)了驗證該(gāi)方法的可行性,在不(bú)同的氣液(yè)流量(liàng)範(fàn)圍内進行了(le)一系列實驗,在(zài)管内(nèi)相(xiàng)分隔狀(zhuàng)态下,利用電磁(cí)流量(liàng)計的液相(xiàng)測量相對誤差在士(shì)5%以内.

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