摘要:針對(dui)電磁流量(liàng)計 測量氣(qi)液兩相流(liú)時測量精(jīng)度和穩定(dìng)性易受流(liú)型影響的(de)問題,提出(chū)了一種管(guan)内相分隔(gé)狀态下基(ji)于電磁流(liú)量計的氣(qì)液兩相🏃🏻‍♂️流(liú)測量方法(fǎ)。利用旋流(liú)器将不規(guī)則的兩📧相(xiang)流入口流(liú)型整形成(cheng)🈚氣芯-水環(huán)的對稱型(xing)環狀流,保(bǎo)證了權函(hán)數的有序(xù)分布,并引(yin)入空隙率(lü)修正了電(diàn)磁流量📧計(jì)測量模型(xing),提高了電(dian)磁❄️流量計(ji)的測🤞量精(jing)度。利用空(kong)氣-水兩相(xiàng)流爲介質(zhi),通過室内(nèi)實驗對該(gāi)測量方法(fa)進行了驗(yan)證,結果表(biao)明,在管内(nèi)相分隔狀(zhuàng)态下,電磁(ci)流量計的(de)🈲液🥵相測量(liàng)相對誤差(cha)在👄±5%以内。研(yán)究結果爲(wèi)工業生産(chan)中的氣💰液(yè)兩🌈相測量(liang)提供了一(yī)種很好🏃‍♀️的(de)思路和方(fāng)法,具有良(liáng)好的應用(yòng)價值。
　　在工(gōng)業應用中(zhōng),兩相流流(liú)量測量對(dui)于實際工(gōng)程應👨‍❤️‍👨用🧡具(jù)💞有🚶‍♀️重要作(zuò)用，如石油(you)鑽采工程(chéng)、石油化工(gong)、熱電🌈聯供(gòng)等輸送及(jí)分配💰過程(chéng)👨‍❤️‍👨中都存在(zai)氣液兩相(xiàng)流測量問(wèn)題。早期曾(céng)對氣液兩(liǎng)相流的測(cè)量🈲進行了(le)廣泛📧研究(jiu),但由💜于氣(qì)液兩相流(liu)型的複雜(za)性及多變(biàn)性,至今仍(réng)無廣泛認(ren)可的氣液(ye)兩相流在(zài)線測量技(ji)術中。
　　多相(xiang)流動體系(xi)通常是由(yóu)兩種或兩(liang)種以上互(hù)不相溶.的(de)🌈介☀️質🧑🏾‍🤝‍🧑🏼組成(cheng)的,具有明(ming)顯相界面(miàn)的混合物(wù)流動。本研(yán)究的氣液(ye)兩相流研(yan)🔞究對象分(fen)别是空氣(qì)和水，在流(liú)動過程中(zhong),由于存在(zai)不同流型(xíng)及💃流态的(de)複雜🔴變化(hua),兩相流各(gè)種參數的(de)測量都變(bian)得極☎️爲困(kùn)難。因此，準(zhun)确描述并(bing).識别流型(xing)對于兩相(xiang)流量測量(liang)具有✔️重要(yào)的意義。由(yóu)于主要研(yan)究的是水(shuǐ)平管内的(de)❄️氣液兩相(xiàng)流流型,在(zai)前人的研(yan)究基礎之(zhi)上,對水平(píng)管内🥵流型(xíng)進行了總(zǒng)結和⛷️分析(xi),得到水平(ping)管💞内的氣(qi)液兩相流(liú)流型主要(yao)爲細泡🐇狀(zhuang)流動、彈狀(zhuang)流動、分層(ceng)流動、波狀(zhuàng)分層流、塞(sāi)狀流以及(ji)環狀流等(deng)[3-]。
　　自20世紀以(yǐ)來,氣液兩(liǎng)相在線測(ce)量一直是(shi)工業生産(chǎn)過程中迫(pò)切需要解(jiě)決的難題(ti)，同時研發(fā)了大量适(shi)用于工業(yè)🚩環境中的(de)兩相測量(liàng)技術。根據(ju)在測量過(guò)程中兩相(xiang)流是📞否進(jìn)行分離而(er)⭐分爲分離(li)法和非分(fen)離法。分離(li)法是将流(liu)♌動的混合(hé)🥵物分爲以(yi)氣體爲主(zhǔ)🔱和以液體(ti)爲主的流(liú)動，然後進(jìn)行單相測(cè)量.包括重(zhong)力分離器(qì)和🥵導流器(qi)等,其優點(dian)爲把兩相(xiàng)流體💁流量(liàng)測量轉化(huà)成了單相(xiang)流體的流(liú)量測量,測(cè)量精度高(gao)、範圍寬、不(bú)受氣液兩(liǎng)💛相流型變(biàn)化影響,缺(quē)點則爲分(fèn)離設備體(ti)積大、價格(ge)貴、需要建(jian)站,增加了(le)測量💰成本(ben)。非分離法(fǎ)的典型是(shi)基于相同(tóng)原理的測(ce)量系統進(jin)行組合測(ce)量🏃,以及中(zhong)子射線📞和(he)文丘裏管(guan)的組合方(fang)💃式，優點爲(wei)能夠實時(shí)測量兩相(xiang)流體的流(liú)量及相持(chi)率等參數(shù),體積小、測(cè)量速度快(kuai)，缺✨點爲測(ce)量的流量(liang)👉及各相持(chí)率精度偏(piān)低,适用工(gong)況受限,需(xū)重複标定(ding)🚶‍♀️[5-6]。
　　電磁流量(liàng)計廣泛應(yīng)用于單相(xiàng)流體的流(liu)量測量。電(diàn)磁流量🈚計(ji)是利用法(fa)拉第電磁(ci)感應定律(lü)原理測量(liang)導電液體(tǐ)的體積流(liú)量的儀表(biǎo)。其優點是(shi)可測流量(liang)範圍大,流(liú)量範✔️圍比(bi)值🙇‍♀️一般爲(wèi)⭐20:1以上。适用(yòng)工業管徑(jing)範圍.寬,最(zuì)大可達3m,精(jing)度較高,可(ke)測量水、污(wū)水、腐蝕性(xing)液體等流(liu)體流量,不(bu)受壓力、密(mi)度、溫度和(he)其他物理(lǐ)參數的影(yǐng)響。因此,采(cǎi)用電磁流(liú)量計測量(liang)連續相爲(wèi)導電性的(de)兩相流的(de)特性成爲(wei)研究的熱(rè)門。
　　國際及(ji)國内雖然(ran)對電磁流(liú)量計在兩(liǎng)相流中的(de)應用進行(hang)了♉大👈量的(de)理論分析(xī)和數值模(mó)拟，但是針(zhēn)對水平😍管(guan)内非導電(dian)相在空間(jiān)位置分布(bu)對電磁流(liú)量計的測(cè)量精度等(děng)還未進行(hang)詳細地研(yán)究。水平管(guan)内非導電(diàn)性的空間(jian)分布受重(zhòng)力、流體物(wu)性等影響(xiang)嚴重,進而(ér)影響🥵了流(liú)量計的正(zhèng)确測量。近(jìn)年來,相關(guān)學者提出(chū)的相💋分隔(ge)方法12-15]通過(guò)對兩相混(hun)合物施加(jia)側向力,将(jiāng)兩相隔離(lí)到管内的(de)相應空間(jiān),流動過程(cheng)中兩❌相之(zhī)間維持非(fēi)常🐪清晰界(jie)面,這将有(you)🌍利于電磁(ci)流量測量(liang)兩相流參(can)數。因🏃‍♂️此，如(ru)果非導電(diàn)相能在兩(liang)相流中均(jun1)勻對稱分(fèn)布,電磁流(liu)量計測量(liàng)将爲兩相(xiàng)流量測量(liang)提供🎯--種有(yǒu)前途的解(jie)決方案。同(tong)時，在将兩(liang)相💃🏻隔離到(dao)管内的相(xiang)應空間,流(liú)動🛀🏻過程中(zhong)兩相之間(jian)維持非常(chang)清晰界面(mian)的過程中(zhong),采用拍攝(shè)及圖像處(chu)理技術可(ke)以實現空(kong)隙率的測(ce)量。目前,基(jī)于圖像處(chu)理🏃🏻技術已(yǐ)進行了大(dà)量的研究(jiu)[16-18]，尤⚽其适用(yong)于檢測氣(qì)液界面。
　　本(běn)研究采用(yong)相分隔法(fǎ)組合電磁(cí)流量計測(ce)量氣液兩(liang)相流量及(jí)相持率。在(zai)相分隔方(fāng)法中,采用(yong)了旋流🧑🏽‍🤝‍🧑🏻器(qì)産生離心(xīn)力,将氣液(yè)兩📐相不同(tong)的人口流(liú)型轉變爲(wei)旋流核心(xin)環空流,由(yóu)于其界面(mian)清晰光滑(huá),非常有利(li)于圖像處(chu)理法來測(ce)量空隙率(lǜ)。采用實驗(yàn)分析的方(fāng)式研究并(bìng)驗證了電(dian)磁流量計(jì)的兩相流(liu)工作特✉️性(xìng)。
1測量原理(li)
1.1管内相分(fèn)隔技術.
　　利(li)用管道中(zhōng)的相分隔(ge)技術進行(háng)整流,可以(yi)極大地🌈方(fāng)便電⛱️磁流(liú)量及空隙(xi)率測量的(de)開展，創造(zao)了理想的(de)測.量條件(jiàn),有利于提(tí)高👈測量的(de)正确性。通(tōng)過管内相(xiang)分隔，使兩(liang)相流體在(zai)各種流型(xíng)下統--轉變(biàn)成兩束在(zài)管内并行(háng)流動的單(dān)相流體🌈,兩(liǎng)相之間具(ju)有相對清(qīng)晰的分界(jie)面,并能維(wéi)持足夠長(zhǎng)的距離，如(rú)圖1所示。與(yu)分離不同(tóng),相分隔技(jì)術并非✂️将(jiāng)兩相分“離(lí)”後各自單(dan)獨流動,而(er)是通過--系(xì)列技術僅(jin)将兩相分(fèn)“隔”并未分(fen)“離”,兩相依(yi)然同時✏️在(zài)一個管内(nei)流動✂️,但是(shì)徹底改變(bian)了兩相🌏流(liu)原有相分(fèn)✂️布和速度(dù)分布的多(duo)樣🔆性和随(sui)機性,使兩(liǎng)相流在管(guan)内即可保(bao)持有“秩😍序(xù)"的流動🧡,極(ji)大地方便(biàn)了兩相流(liú)各個參.數(shu)的測量。

1.2氣(qi)液兩相流(liu)相分隔狀(zhuang)态下電磁(cí)流量計測(cè)量原理
　　電(dian)磁流量通(tong)常用于測(cè)量單相導(dao)電流體,計(jì)算公式見(jian)式(1)

　　式中:U爲(wei)兩電極間(jiān)的電位差(cha)(與液體的(de)導電性、黏(nian)度和壓🔆，力(lì)👄無☎️關),V;B爲磁(cí)通強度,T;b爲(wei)導電相半(bàn)徑,m;Qr爲導電(diàn)液體的體(ti)積🧑🏾‍🤝‍🧑🏼流量,m3/s。
　　對(dui)于含有少(shǎo)量非導電(dian)介質(如氣(qì)體或油等(děng))構成的導(dǎo)電流體,電(dian)磁流量計(jì)仍能繼續(xu)工作。
　　考慮(lü)了導電相(xiàng)沿管壁在(zài)環形區域(yu)流動,絕緣(yuán)相在同✉️軸(zhóu)芯區流動(dòng)時,采用電(dian)磁流量測(cè)量原理,計(jì)算公💰式見(jiàn)式(2)

式中:a爲(wèi)不導電相(xiàng)半徑,m;α爲絕(jue)緣相的空(kōng)隙率,%。
　　在電(diàn)磁流量計(jì)的上遊,通(tōng)過圖2所示(shi)的旋流器(qì)實現相🧑🏽‍🤝‍🧑🏻分(fen)隔。旋流器(qi)由4片沿周(zhou)向均布的(de)導流片構(gòu)成，每個導(dǎo)流片平面(miàn)🌈與管道橫(heng)截面呈現(xian)一定夾角(jiǎo)
　　通過研究(jiu)發現,這種(zhong)結構的旋(xuán)流器更有(yǒu)利于相分(fen)✌️隔的形成(cheng)，它⭕使流體(ti)通過改變(biàn)流動方向(xiàng)産生切向(xiang)速度,從而(ér)産生👨‍❤️‍👨離心(xīn)🐇力。在離心(xīn)力的作用(yong)下,氣體一(yī)般以連續(xu)氣柱的形(xíng)式集中在(zai)管中心，周(zhōu)圍爲連續(xu)液相,液相(xiang)呈環形流(liú)動,形成旋(xuán)流核心環(huan)狀流管内(nei)🈲相分隔後(hou)電磁流量(liàng)測量原理(lǐ)如圖3所示(shì)。

　　理論，上(shàng)，如果切向(xiang)速度軸對(duì)稱且不衰(shuai)減,切向速(su)度♍不🚶‍♀️影☎️響(xiang)電👄極.上的(de)電勢，則切(qiē)向速度不(bu)會影響電(dian)磁流量計(jì)的輸出,式(shi)(2)也📐适用于(yú)旋轉核心(xin)環形。因此(cǐ)，環狀流中(zhong)使用電磁(cí)流量計測(ce)量流量的(de)計算式見(jiàn)式(3)

式中:Q爲(wei)流體總的(de)體積流量(liàng),m2/s。
2實驗裝置(zhì)和方法
　　實(shi)驗在空氣(qì)-水兩相流(liú)實驗回路(lu)中進行,以(yǐ)驗證所提(ti)出的測量(liang)🌏方法的可(ke)行性。實驗(yan)環路及實(shí)驗段布🌈置(zhì)如圖4所🔴示(shì)，在實驗段(duan)安✂️裝了旋(xuán)流器和電(dian)磁流量計(ji) 。

利用圖像(xiang)處理技術(shù)，提取環狀(zhuang)流的相界(jiè)面，進而計(ji)算空✌️隙率(lü),圖像采集(ji)原理如圖(tú)5所示。圖像(xiàng)采集過程(chéng)中,采用背(bei)光光源照(zhao)射法,使用(yong)高速攝像(xiang)儀采集照(zhào)片，高速攝(shè)像儀型号(hào)爲NACMEMRECAMfxK3,像素爲(wei)480×640。在每種🌈工(gong)況下,以500Hz的(de)頻率采集(ji)2s,共1000張照片(piàn)取氣柱直(zhi)徑平均值(zhí)作爲計算(suan)‼️截面相含(han)率的值。本(běn)研究采用(yong)相分離♉法(fa)實現的旋(xuán)☁️流核心環(huán)空流動中(zhong)氣液界面(mian)清晰光滑(huá)(結構見圖(tu)6),從而降低(dī)了圖像處(chu)理的難度(du)并減小了(le)空隙率的(de)測量誤差(chà)。

3實驗結果(guo)與分析
3.1實(shi)驗流型觀(guan)察
針對氣(qì)液兩相來(lai)流分别爲(wei)細泡狀流(liu)、塞狀流和(he)彈狀☂️流🈲時(shí)，實驗過程(chéng)中觀察了(le)旋流器上(shàng)下遊流型(xíng)的演變，旋(xuan)流🌈器前後(hou)的流型變(biàn)化如圖7所(suǒ)示。從圖7可(ke)以看出,在(zai)各人口流(liu)型下,都可(ke)以形成旋(xuán)流核心環(huan)空流動結(jie)構♋。當入口(kǒu)流型爲細(xì)泡♻️狀流時(shi),旋流器下(xia)遊的氣柱(zhù)直徑保持(chi)相對穩定(ding)值;當人口(kǒu)流型爲塞(sāi)狀🈲流時,旋(xuán)流器下遊(yóu)的氣柱直(zhi)徑保持相(xiàng)對穩定,與(yu)細泡狀流(liú)區别不大(dà);當人口流(liú)型爲彈狀(zhuàng)流時,由于(yu)截面内氣(qi)量的劇烈(lie)變化導緻(zhi)旋流後氣(qì)🔞柱直徑随(suí)氣體體積(ji)的增大而(ér)增大，但界(jie)面仍然清(qing)晰。

3.2旋流核(he)心環空流(liú)動的空隙(xì)率
螺旋流(liu)狀态下,截(jie)面相含率(lü)與直線流(liu)相比會發(fa)生🧑🏾‍🤝‍🧑🏼變⁉️化,進(jìn)而使得兩(liǎng)者之間的(de)液流速度(du)也會不同(tong)。圖💃🏻8示出了(le)在相同的(de)氣液進口(kou)流量下,直(zhí)流環狀流(liú)和🏃旋流環(huán)🌈狀流之間(jian)空隙🏃率的(de)變💘化。從圖(tú)✌️8可以看出(chū)，在🌈旋流作(zuò)用下,會使(shǐ)得空隙率(lǜ)的變化範(fan)圍減小。在(zai)彈狀流來(lai)流時,旋流(liú)使得空隙(xi)率減小，而(ér)對于塞狀(zhuang)流✊和細泡(pao)狀流,旋流(liu)會使得空(kōng)隙📧率變大(da)。
3.3液體流量(liang)測量
爲了(le)研究旋轉(zhuǎn)環狀流下(xia)電磁流量(liàng)計測量精(jing)度,引人了(le)相對誤差(cha),定義爲:

式(shi)中:ε爲相對(dui)誤差,%;Dmea爲液(ye)體體積流(liu)量測量值(zhí),m3/h;Dref爲液體體(ti)積流量✔️參(cān)比值,m3/h。

爲了(le)正确多次(cì)測量下電(dian)磁流量計(jì)測量精度(du),引入😍了🈲平(píng)均全局相(xiàng)對誤差,定(dìng)義爲:

式中(zhōng):εave爲平均全(quan)局相對誤(wu)差,%;N爲取樣(yàng)個數。
圖9顯(xian)示了不同(tóng)空隙率流(liú)量測量的(de)相對誤差(cha)。由圖👉9可以(yi)👣看📧出,測量(liang)誤差随着(zhe)空隙率增(zēng)加而增加(jiā),且具有很(hěn)強的規律(lǜ)性。導緻這(zhè)種現象的(de)原因可能(neng)是因爲與(yǔ)單相流相(xiang)比，旋轉環(huán)狀流🔴中存(cun)在不導電(diàn)氣芯,使導(dǎo)電相流通(tōng)截面發生(shēng)改變,由單(dan)相流中的(de)圓形變爲(wei)兩相流中(zhōng)的環形，造(zao)成儀表常(chang)數發生改(gai)變。由✌️圖9還(hái)可看出,通(tōng)過關于截(jié)面相含率(lü)的校正，可(ke)得到更精(jing)确的🏃‍♂️測量(liàng)值計算式(shì)✏️如下:

圖10爲(wèi)按照圖9的(de)拟合曲線(xiàn)校正後的(de)測量結果(guo)圖。由⭐圖10可(ke)♉以看出,測(ce)量值與參(cān)比值吻合(he)良好。相對(dui)誤差🤞最大(da)不超過士(shi)😄5%，平均誤差(chà)爲1.1%。綜上所(suo)述，可以利(lì)用電✨磁流(liu)量計測量(liang)旋轉環狀(zhuang)流中🚶的液(yè)體流量。

4結(jié)論與認識(shí)
本研究以(yǐ)氣液兩相(xiang)流爲研究(jiū)對象，提出(chū)了一種管(guǎn)内⛱️相🈲分隔(ge)技🔱術與電(dian)磁流量計(ji)相結合的(de)水平管内(nèi)流量測.量(liang)👄新方法,該(gai)方法對于(yu)指導生産(chǎn)實踐具有(you)重大的意(yi)義。
(1)從理論(lùn)上分析了(le)管内相分(fèn)隔與電磁(cí)流量計組(zu)合❄️測🐕量兩(liang)相流中連(lián)續導電相(xiang)流量的方(fāng)法,采用空(kong)氣-水兩相(xiàng)流實驗🥵驗(yàn)證了該方(fang)法在一-定(ding)範圍内可(kě)正确測量(liàng)🌏出.連續導(dǎo)電相的流(liú)量,具有實(shi)🏃‍♀️用價值。
(2)針(zhēn)對兩相流(liu)不穩定流(liu)的特點,采(cai)用旋流片(pian)作爲管☎️内(nèi)相分隔裝(zhuāng)置,實驗觀(guān)察了旋流(liú)器前後的(de)流型變化(hua)，即将管内(nèi)細泡狀⭐流(liú)、塞狀流和(hé)彈狀流整(zheng)流成單--穩(wěn)定的環狀(zhuang)流🔞:密度較(jiao)小的氣相(xiàng)集中于管(guan)道中心，而(er)密度較📞大(dà)的液相🔞則(zé)圍繞氣相(xiang)和管壁㊙️形(xíng)成環狀體(ti),氣液相之(zhī)間界面清(qīng)晰,形成管(guǎn)内相分隔(gé)狀态，爲後(hou)續圖像處(chù)理測量空(kong)隙率提供(gong)條件。
(3)針對(duì)含有少量(liàng)氣體的連(lián)續水相導(dao)電流體，引(yǐn)入空☔隙率(lü)修正了電(diàn)磁流量計(jì)公式,建立(lì)了液相流(liú)量測量模(mó)🌈型爲了驗(yàn)證該方法(fǎ)的可行性(xìng),在不同的(de)氣液流量(liang)範圍内進(jìn)行了一系(xì)列實驗,在(zài)管内相分(fèn)隔狀态下(xia),利用電磁(ci)流量計的(de)液相測量(liang)相對✂️誤差(cha)在士5%以内(nèi).

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