摘要(yao):設計了等(děng)效内徑比(bi)分别爲0.424、0.586的(de)雙錐流量(liang)計,并采用(yòng)🤞該流量計(ji)在多相流(liu)實驗裝置(zhì)上開展了(le)氣水兩相(xiang)流參🐅數測(ce)量實驗研(yán)究。通過對(duì)雙錐流量(liang)計
上的差(cha)壓波動信(xìn)号時間序(xù)列進行分(fèn)析,采用其(qí)特征值建(jian)立氣水兩(liǎng)相流分相(xiàng)含率測量(liang)模型;在分(fèn)相🛀流模型(xíng)的基礎上(shang),通♉過分析(xi)準氣相流(liú)量比和Lockhart-Martinelli常(cháng)數的關系(xì)建立氣水(shui)兩相流流(liu)量測量模(mó)🧑🏾🤝🧑🏼型。在多相(xiang)流🌈實驗裝(zhuang)置上進行(háng)了氣水兩(liang)相🤞流參數(shù)測量系列(liè)實😘驗,結果(guo)表明在實(shi)驗範圍内(nei),所建立的(de)體積含氣(qì)率🛀測量模(mó)型測🧑🏾🤝🧑🏼量相(xiàng)對誤差在(zài)5%以内;氣液(yè)兩相流總(zong)流量和液(yè)相流量測(ce)量誤差在(zai)6%以内。氣相(xiàng)流量的測(ce)量🏃🏻結果表(biǎo)明,在以空(kōng)氣🔴和水爲(wèi)介質、幹度(du)很♉小的工(gong)況下,氣相(xiàng)流📱量的測(ce)量相📞對誤(wù)差明顯大(da)于總流量(liang)和🔱液相流(liu)量的相對(duì)⛷️誤差。
0引言(yán)
氣液兩相(xiang)流常見于(yú)冶金、石油(yóu)、動力、化工(gōng)、能源、管道(dao)👈運輸及制(zhi)🔞冷制藥等(deng)領域,在工(gōng)業生産與(yǔ)科學研究(jiu)中具有重(zhong)要作用,在(zài)工業過程(chéng)中也伴随(sui)着許多經(jīng)濟與安全(quan)問題,因此(cǐ)對兩相流(liu)活動過程(cheng)機理狀态(tài)⛷️的描述、解(jiě)釋以及流(liu)動過程中(zhōng)相關參數(shù)的正确測(ce)量具有重(zhong)要意義,也(ye)是現代工(gong)業系統中(zhong)亟待解決(jue)⭕的一道難(nán)題💃。随.着工(gōng)業水平的(de)不斷提高(gāo),兩相🈲流涉(shè)🌈及的領域(yù)越來越廣(guang)泛,對工業(yè)過程控制(zhi)精度的要(yào)求🧡也在不(bú)斷提高。在(zài)目前工業(ye)生産中😘,由(you)于一些傳(chuán)統的流量(liàng)🆚測量方式(shì)及🚶模型無(wú)法适用于(yu)兩相流特(te)💛有的波動(dong)性和複雜(zá)的流動形(xíng)态,使得其(qí)相關參數(shù)的測量方(fang)法多處于(yú)研究階段(duan),離實際應(yīng)用尚有一(yī)定距👨❤️👨離。
氣(qi)液兩相流(liu)過程參數(shù)的檢測策(ce)略随工況(kuàng)與對象屬(shu)性的變化(huà)而變化,可(ke)以利用的(de)物理現象(xiang)與關系有(you)很多,因此(ci)檢測方👨❤️👨法(fǎ)也多種多(duō)樣。從測量(liang)形式上🚶♀️講(jiǎng),目前常見(jiàn)的檢測方(fāng)⚽法大緻可(kě)分爲直接(jie)法和間接(jie)法2類,前者(zhe)可以通⭕過(guò)采用傳統(tǒng)單相流儀(yi)表等方法(fǎ)直接測得(de)待測對象(xiàng)的相關參(cān)數,後🈚者則(ze)多采用一(yī)定的輔助(zhu)測量值建(jian)立待測參(can)數與特征(zhēng)值的關系(xi)式,通過模(mó)型計算得(dé)到💋[2。利用傳(chuán)統單相流(liú)量計測量(liàng)氣液兩相(xiàng)流參數是(shì)多相流測(cè)量研究與(yǔ)應用的一(yī)個重要方(fang)向,雖然這(zhè)類儀表在(zài)檢測混合(hé)流量時的(de)性能良好(hao),但由于工(gong)況和模型(xing)的差異,在(zai)檢測相含(hán)率時誤差(cha)🔆較大531J。從測(ce)量原理上(shàng)講,氣液兩(liǎng)相流相♊關(guān)參⭐數的測(cè)量方法可(kě)以分爲分(fèn)離法和非(fei)分離法,前(qian)者是将兩(liǎng)相流流體(ti)分離,利用(yòng)單相流的(de)測量方法(fa)分别獲得(de)相關參數(shù),但此類方(fang)法受測量(liang)設備龐🏃♂️大(dà)、系統複雜(zá)等因素💋的(de)限制,需要(yao)對取樣設(she)備進行更(gèng)進一步的(de)🔆研究,後者(zhě)直接利用(yong)傳統差壓(ya)式流量計(ji)對混合的(de)兩相流流(liú)體進行測(cè)量,傳統差(chà)🌈壓式流量(liang)計由于結(jie)構簡單、性(xing)能可靠等(děng)特點📱,一直(zhi)以📱來在多(duō)相流參數(shu)測量中倍(bèi)受關注。
傳(chuán)統差壓式(shi)流量計是(shì)将流向管(guan)道中心收(shōu)縮,通過測(ce)量節流件(jiàn)(如孔闆和(he)文丘裏管(guan))前後的壓(yā)力降來㊙️得(dé)到流量數(shù)據🐪。近20年出(chu)現了一種(zhong)新型
V型内(nei)錐流量計(ji)
,它将原本(ben)利用流體(tǐ)進行節流(liú)而後收縮(suō)到管道中(zhōng)心軸線附(fu)近的概念(nian)從根本.上(shang)改變爲利(lì)用同軸安(an)💛裝在管道(dào)中的V形錐(zhuī)🛀🏻體将流體(tǐ)慢慢地進(jìn)行節流而(er)後收縮👅到(dào)管道的内(nèi)邊壁。與其(qí)他傳統差(chà)壓式流量(liàng)計相比,V錐(zhui)流量計在(zài)壓損、重複(fu)性、量程比(bi)和長期工(gōng)✉️作穩定性(xing)等方面表(biǎo)現出🍓一定(ding)的優勢,實(shí)驗分析表(biao)明其可用(yòng)于兩相流(liu)的流型識(shi)别和參數(shù)測量[15-18],但由(you)于V錐流量(liàng)計的内㊙️錐(zhuī)形狀較爲(wei)複雜且節(jiē)流件尾部(bù)鈍體會使(shǐ)流體産生(sheng)流動分離(li),産生旋渦(wo)并造成較(jiao)大壓力損(sǔn)失等問題(ti)使☎️其應用(yòng)受到一定(ding)的限😄制。本(ben)文作者在(zai)
V錐流量計(ji)
的基礎上(shàng)設計了一(yi)種具有對(dui)稱結構的(de)雙錐流量(liàng)計([9,利用理(li)論模型較(jiao)成熟的差(chà)壓原理開(kāi)展氣液兩(liang)相流參數(shù)的測量,并(bing)根據氣液(ye)兩相流固(gù)有的波動(dong)🈲特性提取(qǔ)相關特征(zhēng)值🧑🏾🤝🧑🏼,分析其(qi)與分相含(hán)率等參數(shù)的關系(20-22,探(tàn)尋氣液兩(liǎng)相流的參(cān)數測量新(xīn)型測量方(fang)☔法并開展(zhǎn)實驗分析(xi)和研究,爲(wèi)氣液兩相(xiang)流在工業(yè)🚶♀️過程參數(shu)正确檢測(ce)及新型流(liu)✔️量計商業(ye)化奠定基(ji)🈲礎。
1測量原(yuan)理
1.1流量計(jì)結構
雙錐(zhui)流量計爲(wèi)--新型内錐(zhuī)流量計,節(jie)流單元基(jī)本結構🌐如(ru)🏃♂️圖1所示,包(bao)括測量管(guǎn)段、取壓口(kou)和節流錐(zhui)體。.圖1(b)爲雙(shuāng)錐流量計(jì)剖面圖,P1、P2、P3分(fen)别爲3個取(qǔ)壓口,P1爲上(shang)遊流🌈體收(shōu)縮前取壓(ya)口,P2爲節流(liú)件喉部最(zuì)小流通面(mian)積處取壓(yā)口,P3爲下遊(you)流束穩定(dìng)時的取壓(ya)口。本實驗(yan)研究所需(xu)的雙錐㊙️流(liu)量計差壓(ya)信号是從(cong)P1與P2口獲得(de)的前差壓(ya)。利用P2與P3可(ke)㊙️獲得雙錐(zhui)流量計的(de)後差壓。節(jiē)✂️流錐體是(shì)雙錐流量(liang)計的核心(xīn)部件,主要(yao)包括錐體(ti)和錐體支(zhī)架結構2部(bu)分,如圖2所(suo)示。雙錐流(liú)量計的錐(zhui)體由前後(hou)2個錐角相(xiàng)等的對🌈稱(chēng)錐體構成(chéng),3個片狀支(zhi)架和1個管(guan)環構成錐(zhuī)體支架結(jie)構,節流錐(zhuī)體可♈通過(guo)支架🔴結構(gou)固定在管(guan)道中心并(bing)與🈲管道同(tong)軸,将與管(guǎn)道内🏃🏻♂️徑相(xiàng)同的管環(huán)安裝在實(shi)驗管道✔️中(zhong)。
本次研究(jiu)所設計的(de)雙錐流量(liàng)計錐體前(qian)後錐角均(jun)爲45°,中部圓(yuán)柱體長度(dù)20mm。D爲管道内(nei)徑,d爲節流(liú)錐體在喉(hóu)部處直徑(jìng),ɑ爲對稱錐(zhuī)體的錐角(jiao)。
圖1(a)爲管道(dao)最小流通(tong)面積處的(de)截面圖,雙(shuāng)錐體采用(yòng)🙇♀️三角結構(gòu)固定于管(guan)道内,既能(néng)使雙錐承(cheng)受較大的(de)✊沖擊又可(kě)❓以保證雙(shuāng)錐與管道(dao)内圓的同(tóng)軸度,同時(shí)足夠薄度(du)的支撐葉(ye)片📱也可以(yǐ)最大程度(du)減小對流(liu)體的擾動(dong)。
1.2基本測量(liang)模型
雙錐(zhuī)流量計的(de)工作原理(li)是基于流(liú)體在一密(mì)封管道中(zhōng)的能☂️量守(shǒu)恒原理(伯(bo)努利方程(cheng))和流動連(lian)續性原理(li)。根據流體(ti)力學的相(xiàng)關理論可(kě)以推出單(dān)相流流量(liang)的基本測(cè)量模型:
2實(shí)驗裝置
圖(tu)3和4分别爲(wei)雙錐流量(liàng)計氣液兩(liǎng)相流實驗(yan)系統實物(wu)圖和結構(gòu)💚簡圖,實驗(yan)對象爲水(shui)平管道内(nèi)的氣/水🚩混(hùn)合流體。實(shi)驗設備主(zhǔ)要包括數(shu)據采集系(xi)統和實驗(yàn)管路💋2大部(bù)分:數據采(cǎi)㊙️集系統包(bāo)括數據采(cǎi)集器及采(cai)集控制界(jiè)面;實驗管(guǎn)路包括雙(shuāng)錐流量😘計(jì)、
壓力變送(sòng)器
、
差壓變(biàn)送器
、
溫度(dù)計
、标準表(biao)以及管道(dao)和閥門等(děng)設備。
裝置(zhi)的工作流(liú)程爲:水經(jīng)過穩壓罐(guàn)後,通過标(biāo)準水🏃♀️表讀(dú)取其✨體積(ji)流量,進入(ru)混相器;空(kong)氣壓縮機(jī)将空氣壓(ya)縮到穩壓(ya)罐,通過标(biāo)準氣表讀(du)取其體積(jī)流量👅,并用(yong)溫🌈度計和(he)壓力表測(cè)量此時的(de)氣😘相溫度(du)(T)和壓力(p加(jia):),最後進人(ren)混相器與(yǔ)液相混合(he);氣液兩相(xiang)流經♻️過8m長(zhǎng)的直管段(duan),充分混合(he)後進入氣(qì)液兩相實(shi)驗管🔱段,在(zai)此處安裝(zhuāng)雙錐流量(liàng)計并測量(liàng)氣液兩相(xiàng)的混合差(cha)壓,同時測(cè)量🈚雙錐流(liú)量計前的(de)壓力(p2)和溫(wēn)度(T2),采用數(shù)據采集系(xì)統記☀️錄各(gè)測量值。
實(shi)驗中,液體(tǐ)穩壓罐和(he)氣體穩壓(ya)罐的穩壓(ya)範圍分别(bié)爲‼️0.2~0.21MPa和0.39~0.41MPa,标準(zhǔn)🔴水表和标(biāo)準氣表參(cān)數如表1,直(zhi)管段以及(jí)實驗管段(duan)管徑爲50mm。.
考(kao)慮到不同(tóng)等效直徑(jìng)比的雙錐(zhuī)流量計具(ju)有不同的(de)測量特性(xìng),選擇不同(tóng)的直徑比(bǐ)可分析雙(shuāng)錐流量✏️計(ji)各自不同(tóng)特💜性,從而(er)獲🌐得與直(zhi)徑比相關(guān)的關鍵參(can)數,因此選(xuan)用2個不同(tong)等效直徑(jìng)比(0.424、0.586)的雙錐(zhuī)流量計進(jin)行實驗,其(qi)流出系數(shù)分别爲0.9672和(he)0.9685。雙錐流量(liang)計的差🈲壓(yā)信号由應(ying)變式差壓(ya)變送器進(jìn)行測量,其(qi)量程爲🧑🏽🤝🧑🏻0~64kPa,輸(shu)出電流信(xìn)号㊙️4~20mA,精度等(děng)級爲0.25%FS.
3分相(xiang)含率測量(liàng)模型
在氣(qi)液兩相流(liu)的測量中(zhōng),分相含率(lǜ)是一個重(zhòng)要的參數(shù),重點測量(liàng)對象爲氣(qì)相的相含(han)率,包括體(tǐ)積含氣率(lǜ)、截面含氣(qì)率(空隙率(lǜ))和質量流(liu)量含氣率(lǜ)(幹度)。其中(zhong)體⭐積含氣(qì)率和幹度(dù)的關系如(rú)下式:
式中(zhong):μ爲體積含(hán)氣率;pz爲氣(qì)相密度;ρn爲(wei)液相密度(du)。
氣液兩相(xiàng)流在流動(dòng)過程中存(cun)在波動性(xìng),根據前人(rén)的實💔驗研(yan)究🔆結果,此(cǐ)波動信号(hao)與氣液兩(liang)相流的流(liu)型、分相含(han)率等重要(yào)測量🈲參數(shu)具有一定(dìng)的相關性(xìng),因此可以(yǐ)通過分析(xi)從✏️差壓波(bō)動信号中(zhōng)提取的特(te)征值建立(lì)氣液兩相(xiàng)流分相含(hán)率的測量(liàng)🍓模型,從而(er)實現對氣(qì)相含率等(deng)參數的在(zài)線測量💜。
氣(qi)液兩相流(liu)通過差壓(yā)式流量計(jì)時的瞬時(shí)差壓和瞬(shùn)時流量🌈之(zhi)間也符合(hé)時間平均(jun)值的關系(xi)式,因此:
式(shi)中:i爲某個(ge)瞬時時刻(ke);△ppo爲瞬時差(cha)壓;μi;爲瞬時(shí)體積含氣(qì)😍率;qi爲瞬時(shi)流量;k、b是與(yǔ)節流元.件(jiàn)結構和兩(liǎng)相流流☀️體(tǐ)物性有🚩關(guan)的系數⭐。
定(dìng)義脈動振(zhèn)幅爲差壓(yā)瞬時值和(hé)時均值之(zhi)差,其均方(fang)根💛爲:
理論(lùn)上R是μ的單(dan)值函數,可(ke)通過實驗(yàn)差壓時均(jun1)值和差壓(yā)脈動幅值(zhi)計算出氣(qì)相體積含(han)率μo.
實驗所(suo)用水平管(guǎn)道管徑爲(wei)50mm,進行氣液(yè)兩相流實(shi)驗并❗采集(jí)差壓波動(dòng)信号,圖5和(hé)6爲等效直(zhí)徑比爲0.424和(he)0.586的🍓雙錐流(liú)量🈲計無量(liang)綱參數R與(yu)體積含氣(qi)率μ的數值(zhí)點分布
由(yóu)圖5和6可知(zhi),對于雙錐(zhui)流量計,波(bo)動幅度參(can)數R随着體(tǐ)積含氣率(lü)呈現先增(zēng)大後減小(xiǎo)的趨勢。當(dang)體積含氣(qi)率小于0.3時(shí),差壓的波(bo)動✍️幅度參(cān)數很小;然(ran)後随着體(tǐ)積含🌍氣率(lǜ)的增大,差(chà)壓的波動(dòng)幅度值增(zēng)!大,并在0.85左(zuǒ)右達到最(zui)大值。根據(ju)流體在管(guǎn)道中流動(dòng)的實際情(qing)況,當流體(tǐ)爲單相(即(ji)全🌍爲液相(xiang)μ=0,全爲氣相(xiang)μ=1)時,流動是(shì)較爲平穩(wen)的,應有R≈0,因(yin)此可假設(she)R與μ符合如(rú)下關系:
4流(liu)量測量模(mo)型
雙錐流(liu)量計作爲(wèi)-種新型差(cha)壓式流量(liang)計,在結構(gou)上與傳統(tong)💃标準差壓(ya)流量計具(jù)有一-定的(de)差異,現有(you)模型,的一(yi)些關鍵參(cān)數無法💰适(shì)用,需尋求(qiu)新的模型(xing)參㊙️數。
用汽(qi)水、氣水和(he)天然氣水(shui)混合物經(jing)過大量實(shi)驗并對🔱理(lǐ)想分相流(liu)模型進行(háng)修正後得(de)到孔闆氣(qì)液兩🈲相流(liú)流量計算(suàn)模型:
5實驗(yàn)與結果分(fèn)析
5.1氣相含(hán)率測量
實(shí)驗在體積(jī)含氣率爲(wei)0.32~0.96範圍内進(jìn)行,對流體(ti)流經雙錐(zhui)流量計時(shi)💘所産生的(de)前差壓進(jìn)行了采集(jí),提取差壓(yā)波動信号(hào)中的特征(zheng)值R',通過模(mo)型式(7)計算(suàn)得出體積(ji)含氣率值(zhi),模型測量(liàng)誤差如圖(tú)8和9所示,體(ti)積含氣🏃🏻率(lü)的相對誤(wù)差基本在(zài)±5%以内。
5.2流量(liang)測量
氣液(yè)兩相流流(liu)量實驗測(cè)量以水和(he)空氣爲介(jiè)質,其中水(shui)和空氣的(de)質量流量(liang)範圍分别(bié)爲1.233~6.581kg/s和0.006~0.04kg/s.水穩(wen)壓爲0.2MPa,氣源(yuán)㊙️穩壓0.4MPa,幹度(dù)範圍0.001~0.03,環境(jing)溫度20.5℃.。NI數據(jù)采集卡采(cǎi)集差壓波(bo)動信号,提(tí)取其特征(zheng)值并通過(guo)公式(7)和(2)計(ji)算得到質(zhì)量流量含(han)氣率x,流量(liang)值可通過(guò)公式(12)計算(suàn)得到。
實驗(yan)測量了氣(qì)液兩相流(liu)的總流量(liàng)及液相、氣(qi)相的分相(xiàng)流🌏量,在圖(tu)10和11中給出(chū)了總流量(liàng)的測量誤(wù)差,總質量(liàng)流量的參(can)考值爲氣(qì)相和液相(xiang)混合前的(de)流量🌍值之(zhi)和。測量誤(wù)差結果顯(xiǎn)示,在實驗(yàn)範圍内所(suǒ)采用的體(tǐ)積含🐕氣率(lǜ)測量模型(xíng)和改進的(de)流量測量(liàng)模型對氣(qì)液兩相🍓流(liu)總流量測(ce)量具有較(jiào)好🌈的适用(yong)效果,測量(liàng)結果相❤️對(dui)㊙️誤差基本(ben)可以控制(zhi)在±6%以内。值(zhí)得提出的(de)是,當氣相(xiang)體積含率(lü)㊙️大于0.8時,兩(liang)相流處于(yú)塞狀流向(xiàng)環狀流的(de)過渡段,流(liu)型變化較(jiao)爲複雜,使(shi)得測量精(jing)度有所下(xià)降。
總流量(liang)測量相對(duì)誤差圖中(zhōng)可看出,對(dui)于氣液兩(liang)相♌流❗,其分(fèn)相流🈲的參(can)數測量具(ju)有重要的(de)工程意義(yi)。可以根據(jù)公式(7)和🌈測(cè)量出的🤩體(tǐ)積含氣率(lü)值由公式(shi)(2)得到幹度(du)✂️值,從而實(shi)現對氣液(yè)兩相流的(de)分相流測(cè)量。液相流(liu)量測量誤(wu)差如圖12和(hé)13所示,在實(shi)驗範圍内(nei)的相對誤(wù)差基✍️本在(zài)±6%以内,說明(ming)該測量模(mo)型在該工(gōng)況🔞下具有(yǒu)較好的測(cè)量效果。因(yīn)爲在實驗(yan)所用氣液(yè)兩🔞相流中(zhōng),氣🌂體在總(zong)流量中🥵所(suo)占的比例(li)較小,所以(yǐ)液相流量(liàng)測量誤差(chà)分布結果(guǒ)與總流量(liang)相似。
實驗(yan)對氣相流(liu)量進行了(le)測量,其測(cè)量結果如(rú)圖14和15所示(shì)。測量誤差(cha)結果顯示(shi),忽略粗大(dà)誤差後的(de)氣相流量(liang)測量誤差(chà)☔在±20%以⁉️内,該(gai)🏃🏻♂️誤差遠大(dà)于液相和(he)總流量的(de)測❤️量誤差(cha),分析認爲(wèi)在本實驗(yan)中的兩相(xiàng)流幹度僅(jǐn)在0.001~0.03範圍内(nei),不同于濕(shi)蒸氣和高(gāo)幹度的實(shi)驗工況,對(dui)體積含氣(qì)率或幹度(dù)的微小測(ce)量🈲誤差會(hui)導緻🔴對氣(qi)相流量測(ce)量結果的(de)較大偏差(cha)。
6結論
本文(wén)将一種新(xīn)型的雙錐(zhuī)流量計用(yòng)于氣水兩(liang)相流的測(ce)量,研究了(le)2個不同等(děng)效直徑比(bǐ)的雙錐流(liú)量計對氣(qì)相體積含(hán)率、總流量(liàng)及分相流(liu)量的測量(liàng)性能。對雙(shuang)錐🛀流量計(jì)上的差⁉️壓(ya)波動信号(hao)時間序列(liè)進行了分(fen)析,利用其(qí)特征值建(jiàn)立了氣水(shui)兩相流氣(qi)相含率的(de)關系模型(xing)。應用該模(mo)型對氣相(xiàng)體積含率(lü)進行測量(liàng),在實驗範(fàn)🈚圍内,氣相(xiang)體積含率(lǜ)測量相對(duì)誤差在±5%以(yǐ)内。利用常(chang)數建立了(le)雙錐流量(liang)計氣液兩(liang)相流總流(liu)量測量模(mo)型,可對總(zǒng)流量和液(ye)相流✊量進(jin)行有🌈效的(de)測量👣,測量(liàng)結果的相(xiàng)對誤差在(zài)±6%以内。在幹(gan)度很小的(de)情況下,氣(qi)相流量的(de)測量相對(duì)誤差較大(da)。與V錐流量(liàng)計在氣液(yè)兩相流相(xiàng)關參數的(de)測量結果(guo)(氣相體積(ji)含率已确(que)定的條件(jiàn)下,兩相流(liú)總質量流(liu)量的相對(duì)誤差♊基本(ben)在土5%内)相(xiang)對比表明(míng)[1],雙錐流量(liang)計可💚獲得(dé)與V錐流量(liàng)計相當的(de)精度,且在(zai)減小流體(ti)擾🙇♀️動🐉、降低(dī)壓力損失(shi)和抗壓力(li)沖擊等方(fang)面更具有(yǒu)優勢。
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