摘要(yào):在氣液兩相流(liú)實驗裝置(zhì)上,對(duì)3台具有不(bú)同導程葉(yè)輪(lún)的渦輪(lún)流量(liàng)傳感器 測(cè)水平(píng)氣液兩相(xiàng)泡狀流的(de)特性(xìng)進行了(le)實驗研(yán)究。發(fā)現随着體積含氣率的變(biàn)化,3台傳感(gǎn)器(qì)的(de)流量特(tè)性(xìng)曲線(xiàn)、儀表系數遷移量、重(zhòng)複性誤差(chà)均會發生明顯(xiǎn)變化(huà)。具(jù)有較小(xiǎo)導程葉輪(lún)的傳(chuán)感器(qì),其性能優(yōu)于其(qí)它兩台傳(chuán)感器。對造成渦(wō)輪流量傳(chuán)感器(qì)測量(liàng)特性(xìng)改變(biàn)與誤差的原因(yīn)進行(háng)了分析讨(tǎo)論,并(bìng)對體積含(hán)氣率(lǜ)變化(huà)影響(xiǎng)渦輪流(liú)量(liàng)傳感器特(tè)性(xìng)的(de)物理(lǐ)機理進行(háng)了分(fèn)析。
1引(yǐn)言
　　以(yǐ)往人(rén)們對渦(wō)輪(lún)流(liú)量(liàng)傳感器的研究(jiū)多集中于(yú)單相(xiàng)流動條件下的(de)實驗及理論研究。但在氣(qì)液兩(liǎng)相流動條(tiáo)件下,由于氣液兩相(xiàng)間相(xiàng)互作(zuò)用和(hé)兩相(xiàng)界面複雜(zá)多變等原因(yīn),人們應用(yòng)渦輪流量傳感(gǎn)器(qì)測量(liàng)氣液兩相流的研究(jiū)還不(bú)多。
　　本文對(duì)3台具有不(bú)同導程葉(yè)輪的渦輪(lún)流量(liàng)傳感(gǎn)器,用來測量體(tǐ)積含氣率低于(yú)10%的水(shuǐ)平氣(qì)液兩(liǎng)相泡狀流(liú)的特(tè)性進行了實驗研究(jiū)。提出儀表(biǎo)系數遷移量;得(dé)出不同含氣率(lǜ)下傳感器的兩(liǎng)相流(liú)量特性曲(qǔ)線與儀表(biǎo)系數(shù)遷移量曲線;得(dé)出葉輪(lún)導程(chéng)值大小(xiǎo)影(yǐng)響(xiǎng)着傳(chuán)感器測量(liàng)誤差(chà)值的結論。最後(hòu)對體(tǐ)積含氣率(lǜ)變化(huà)影響渦輪(lún)流量(liàng)傳(chuán)感器特性的物(wù)理(lǐ)機理(lǐ)以及造(zào)成傳感(gǎn)器測量(liàng)特性改(gǎi)變與誤差的原(yuán)因進(jìn)行了分析(xī)讨論。
2實(shí)驗研究
　　氣液兩相(xiàng)流實(shí)驗裝置上進行(háng)，裝置見圖1。本實(shí)驗渦輪(lún)流量傳感器安裝位置(zhì)距離引射器出(chū)口1.225m。
 
　　描(miáo)述(shù)葉輪設(shè)計結構(gòu)的(de)幾何參數(shù)有多個,就螺旋形葉片葉(yè)輪而(ér)言,主要有(yǒu):葉片數目z、葉片(piàn)頂端(duān)半徑rt輪毂(gū)半徑rh、葉片導程(chéng)l、葉片(piàn)厚(hòu)度tb、葉片(piàn)的倒角γ、葉片軸(zhóu)向(xiàng)寬度(dù)lb。對編号(hào)分别爲1#、2#、3#的(de)三台50mm口徑渦輪流量(liàng)傳感器進行了(le)水平(píng)氣(qì)液(yè)兩相(xiàng)流特性實驗,傳(chuán)感器葉輪幾何(hé)結構參數,除葉片數(shù)目(mù)z=6倒角γ=90°外,其餘(yú)參數(shù)見表1。
 
　　實驗時，測量渦(wō)輪流量傳感器入口(kǒu)處壓力穩(wěn)定後的流量、溫度和壓(yā)力值,通(tōng)過理想氣體狀(zhuàng)态方程計(jì)算(suàn)得(dé)到人口(kǒu)處工況(kuàng)空氣密(mì)度與氣(qì)相體積流量。體(tǐ)積含(hán)氣(qì)率由渦(wō)輪流量傳感器(qì)人口處空氣體(tǐ)積流量(liàng)與入口(kǒu)處總體積流量(liàng)qm計算得到(dào)。調節(jiē)液相調節閥,将(jiāng)液相流量分别(bié)穩定(dìng)在12、10.8、6m³/h。然後逐(zhú)漸增大氣(qì)相閥(fá)門開度。采用精(jīng)度高數據(jù)采集(jí)闆卡(kǎ)對每(měi)個流(liú)量點的(de)過程參數與(yǔ)傳感(gǎn)器脈(mò)沖輸出采樣10次(cì),然後取(qǔ)平均值。
3實驗結果(guǒ)
3.1不同(tóng)體積含(hán)氣率下(xià)的流特性曲線(xiàn)
　　在不(bú)同體積含(hán)氣率下(xià),3台渦輪流量(liàng)傳(chuán)感器測(cè)量水平氣液兩相流(liú)的(de)特(tè)性曲(qǔ)線見圖2~4,由(yóu)圖中(zhōng)曲線(xiàn)可見(jiàn):
 
(1)在相(xiàng)同含氣率下，每(měi)台渦輪流量傳(chuán)感器儀表(biǎo)系數(shù)曲線均基本保(bǎo)持水平,平均(jun1)儀(yí)表系數(shù)k.和(hé)線性(xìng)度誤(wù)差(chà)δ見(jiàn)表2。
(2)随體積(jī)含氣率β的增加(jiā),3台渦輪的(de)儀表系數k均有(yǒu)減小的趨勢。

 
3.2體積含氣(qì)率與儀(yí)表系數(shù)遷(qiān)移量(liàng)曲線
　　通常渦輪(lún)流量傳感器出廠用水标(biāo)定,測(cè)量氣液兩(liǎng)相流(liú)時,如果實際儀表系數與出廠标定值(zhí)偏差越(yuè)小,則測量(liàng)精度(dù)會越(yuè)高(gāo)。爲此引入儀表系數遷移量k、來評價渦(wō)輪流量傳感(gǎn)器測量氣液(yè)兩相(xiàng)流的性(xìng)能(néng)，其計算公式(shì)爲:
 
　　式中(zhōng):k0爲(wèi)渦輪流(liú)量傳感器(qì)用單相水(shuǐ)流量标定(dìng)得出(chū)的儀表系數。kv随β變化曲線(xiàn)見圖(tú)5。由(yóu)圖(tú)5可見:随着(zhe)β的增加(jiā),3台(tái)傳感(gǎn)器的kv值均增加(jiā);在相同含氣率(lǜ)下,2#傳感器的k,值(zhí)最(zuì)小(xiǎo)，1#傳感器的(de)k,值最(zuì)大,3#傳感器(qì)的k,值介于(yú)1#與2#之(zhī)間。
 
3.3儀表(biǎo)系數随(suí)混合(hé)密度(dù)變化(huà)的曲線
　　混合密(mì)度采用(yòng)流動(dòng)密(mì)度計算方(fāng)法,即(jí)ρm=pvβ+ρ1(1-β)。pg爲氣體密(mì)度,ρt爲水密度。kv随pm變化(huà)曲線見圖(tú)6。
3.4不同(tóng)含氣(qì)率下(xià)傳感器的重複(fú)性誤(wù)差
　　按照渦輪流(liú)量傳感(gǎn)器檢定(dìng)規程(81計算不同(tóng)體積含氣(qì)率(lǜ)下(xià)3台傳感(gǎn)器的重複性誤差,見表3。由表中數據可(kě)知:在(zài)兩相(xiàng)體積(jī)流量(liàng)近似(sì)相(xiàng)等(děng)的情況下(xià)，重複(fú)性誤差(chà)的大小明顯(xiǎn)受含(hán)氣率(lǜ)多少(shǎo)的(de)影響,随(suí)着含氣率(lǜ)的增(zēng)加,重複性(xìng)誤差(chà)明顯增(zēng)大(dà);對于每台傳(chuán)感器,在(zài)相(xiàng)同(tóng)含氣率下(xià),兩相混合體積(jī)流量qm越大,重複性誤(wù)差(chà)越小。
 
3.5實(shí)驗結論(lùn)
　　由圖5和(hé)圖6曲線可得出(chū)初步(bù)結論(lùn):2#傳(chuán)感(gǎn)器k,值小于(yú)1#與3#傳(chuán)感器;由(yóu)表(biǎo)3數據(jù)可得到初步結(jié)論:在含氣(qì)率相(xiàng)同時,随(suí)着(zhe)氣(qì)液(yè)兩相流量(liàng)的降低，傳(chuán)感器重複(fú)性誤(wù)差增大;在(zài)相(xiàng)同流體條件(jiàn)下,2#傳感器測量(liàng)重複性(xìng)誤差優(yōu)于1#與3#傳感器的重複(fú)性(xìng)誤差。
4誤差原因的機理(lǐ)分析
　　葉(yè)輪受力(lì)分析見圖7,u爲來(lái)流速度,Ɩ爲(wèi)葉片(piàn)長度,ω爲葉輪旋轉角速度。fa、f1分别(bié)爲流(liú)體對(duì)葉輪(lún)的軸向力和圓(yuán)周力(lì),fr爲二者的合力(lì);fg、fy分别爲fr在(zài)與葉片平行方(fāng)向上(shàng)的分量和(hé)與葉片(piàn)垂直方(fāng)向上(shàng)的(de)分量,稱(chēng)fs爲葉輪阻力,fy爲葉輪(lún)升(shēng)力(lì)。
　　由于(yú)渦輪流(liú)量傳感器的葉輪(lún)在穩(wěn)定工作條(tiáo)件下(xià)滿足力矩平衡(héng)方程,其特性曲(qǔ)線受流體密(mì)度(dù)的影(yǐng)響(xiǎng)。混(hùn)合流(liú)體密度随着含(hán)氣率的增加而(ér)減小(xiǎo)，使流體産(chǎn)生驅動葉輪旋轉的升力(fy)矩減(jiǎn)小,葉(yè)輪轉速降低,儀(yí)表系數降(jiàng)低。這是(shì)導緻傳(chuán)感器儀表系數(shù)遷移量增大的一個原(yuán)因。
 
　　當氣液兩相泡狀流經過(guò)葉輪時，氣(qì)泡被葉(yè)片(piàn)剪切(qiē)成微小氣泡,在(zài)旋轉離心力的作用(yòng)下,這(zhè)些小(xiǎo)氣(qì)泡聚(jù)集在葉(yè)片的(de)吸力面側[9]，形成一個(gè)氣泡(pào)聚集區。聚(jù)集區(qū)中的氣泡對流體的流(liú)動起阻(zǔ)礙作用,根(gēn)據作(zuò)用力與(yǔ)反作用(yòng)力的關(guān)系,相當(dāng)于增加了流體(tǐ)對(duì)葉(yè)片在(zài)平行(háng)葉片方(fāng)向上的(de)作用力,f。相比沒(méi)有氣(qì)泡時(shí)有所增加(jiā),即變爲fs',葉(yè)輪升(shēng)力(lì)fy與(yǔ)fs'的合(hé)力爲fr',其(qí)圓周方向分(fèn)量爲(wèi)ft',ft'與ft相(xiàng)比有所減小。所(suǒ)以,葉輪轉(zhuǎn)速有(yǒu)所降(jiàng)低,即葉輪(lún)的旋(xuán)轉(zhuǎn)效應被(bèi)減弱。當含(hán)氣率(lǜ)增加時，氣泡聚(jù)集區内(nèi)的氣泡(pào)增加,對葉輪的(de)阻力增大,對葉(yè)輪旋轉(zhuǎn)效(xiào)應減(jiǎn)弱的效果增強(qiáng)，使葉(yè)輪轉(zhuǎn)速降(jiàng)低,傳感器(qì)儀表(biǎo)系數(shù)降低。這是(shì)導緻傳感(gǎn)器儀(yí)表系數(shù)遷移量(liàng)增大的另-一個(gè)原因。
 
　　根據速度(dù)剖面理論(lùn),氣液(yè)兩相(xiàng)流水平流(liú)經管(guǎn)道時，氣液(yè)兩相速度剖面(miàn)已不再象單相(xiàng)時速(sù)度剖(pōu)面(miàn)那(nà)樣對稱(chēng)分(fèn)布于管道(dào)内(nèi)部(bù)，兩相(xiàng)流中的(de)部(bù)分氣(qì)泡在浮力的作(zuò)用下運動(dòng)到管道上方(fāng)，管道上(shàng)部由于氣泡的存在增(zēng)強了脈(mò)動速度與瑞流強度10)。在含氣率(lǜ)近似相同(tóng)時,這(zhè)種由于氣泡的(de)存在(zài)引(yǐn)起的脈動速度(dù)與湍流(liú)強度增(zēng)強的程(chéng)度,受兩相流體(tǐ)速度的影響,即(jí)在含(hán)氣率相同(tóng)時,兩相流體速(sù)度越小，氣泡的存在引起的脈動速(sù)度與湍流(liú)強度越(yuè)強，這也(yě)最(zuì)終加劇了氣(qì)液兩相速度(dù)剖(pōu)面不(bú)對稱(chēng)的程度。由于渦(wō)輪流量傳(chuán)感(gǎn)器對來(lái)流的速度剖面比較(jiào)敏感,氣(qì)泡(pào)的存(cún)在引起的脈動速(sù)度以及(jí)來流速(sù)度(dù)剖面(miàn)的(de)不(bú)對稱(chēng)導緻(zhì)葉輪的每個(gè)葉片所受到的升(shēng)力fy與(yǔ)阻力(lì)fs存在(zài)差異(yì),這種差異(yì)使旋轉的(de)葉輪在某(mǒu)轉速附近(jìn)産生(shēng)波動,最終導緻傳(chuán)感(gǎn)器重(zhòng)複性誤差(chà)的增(zēng)大(dà)。這就是同--傳(chuán)感器在(zài)相(xiàng)同含氣率下,其(qí)重複性誤差随來流的體(tǐ)積流(liú)量的減小而(ér)增大的(de)原因(yīn)。
　　對(duì)于導程(chéng)小、安裝角(jiǎo)大的(de)葉片來(lái)說,在相(xiàng)同條件(jiàn)流(liú)體的(de)沖(chòng)擊下,其(qí)葉輪(lún)升力f,矩大(dà)于大(dà)導程葉輪升力(lì)矩,其葉(yè)輪(lún)旋轉(zhuǎn)速度更快,其葉(yè)輪的陀螺(luó)效應(yīng)相對(duì)更(gèng)強,抵抗(kàng)由于氣泡存在引起的脈動速(sù)度和來流(liú)速度(dù)剖面(miàn)的不(bú)對稱(chēng)導緻葉(yè)輪的轉動速(sù)度(dù)産生波(bō)動的能力更強(qiáng)一些。這就(jiù)是2#傳(chuán)感器儀表(biǎo)系數(shù)遷移量(liàng)以及重(zhòng)複性(xìng)誤差優于1#與3#傳(chuán)感器的原(yuán)因。
5結(jié)論
　　對3台具有不同導程葉(yè)輪的50mm口徑(jìng)渦輪(lún)流量傳感(gǎn)器進(jìn)行了含氣率爲(wèi)0%~9.8%的水平(píng)氣液兩(liǎng)相(xiàng)流實驗(yàn),由傳(chuán)感器特性曲線(xiàn)分析及誤(wù)差分(fèn)析可以得到以(yǐ)下結(jié)論:
(1)渦(wō)輪流(liú)量傳感(gǎn)器(qì)測量(liàng)氣液兩相流時,與測(cè)量單相水(shuǐ)流量相(xiàng)比其儀表系數(shù)遷移量(liàng)随體積(jī)含氣率(lǜ)的增(zēng)加而逐漸增加。其(qí)原(yuán)因是(shì):随含氣率的增(zēng)加,混(hùn)合流體密(mì)度減小,流體驅(qū)動葉輪(lún)旋(xuán)轉的(de)力矩(jǔ)減小;同時(shí),随含(hán)氣(qì)率增加,氣泡(pào)聚集區内(nèi)的氣泡增加,對(duì)葉輪(lún)的(de)阻力增(zēng)大,葉(yè)輪旋轉效應減(jiǎn)弱(ruò)。從而葉(yè)輪轉(zhuǎn)速和傳感(gǎn)器儀(yí)表系數降(jiàng)低。
(2)在相同(tóng)含(hán)氣(qì)率下(xià),兩相體積流量(liàng)越小(xiǎo)，渦輪(lún)流量傳感器的(de)重複(fú)性誤(wù)差越(yuè)大。其(qí)原(yuán)因是(shì):由(yóu)于渦輪流(liú)量傳(chuán)感器(qì)對來流的速度剖面比較敏感(gǎn),氣泡的存(cún)在引起的脈動速度以及(jí)來流速度剖面(miàn)的不對稱(chēng)導緻葉輪(lún)的每個葉片所(suǒ)受到的升(shēng)力與(yǔ)阻力存(cún)在差異，這種差(chà)異使旋(xuán)轉的葉輪(lún)在某(mǒu)轉速附近産生(shēng)波動。
(3)具有小導(dǎo)程、大安裝角葉(yè)輪的(de)2#渦(wō)輪流量(liàng)傳感(gǎn)器的儀表(biǎo)系數遷(qiān)移(yí)量與(yǔ)重複性誤差優(yōu)于1#與(yǔ)3#傳(chuán)感器.在相同(tóng)條件流體(tǐ)的沖擊下(xià),測量(liàng)精(jīng)度受氣液兩(liǎng)相流中的(de)氣相影響的程度相(xiàng)對小一些。

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