摘要(yào):在氣液兩(liang)相流實驗(yan)裝置上,對(duì)3台具有不(bu)同導程🌐葉(yè)輪的渦輪(lun)流量傳感(gǎn)器 測水平(píng)氣液兩相(xiang)泡狀流的(de)特性進行(háng)了實驗研(yán)究。發現💰随(suí)着體積含(han)氣率的變(bian)化,3台傳感(gan)器的流量(liàng)特性曲線(xiàn)、儀表系數(shu)遷移量、重(zhòng)複性誤差(cha)均會發生(shēng)明😘顯變化(huà)。具有較小(xiǎo)導程💔葉輪(lún)的傳感器(qì),其性能優(yōu)于其它兩(liǎng)台⁉️傳感器(qì)。對造成渦(wō)輪流量傳(chuán)感器測量(liàng)特性改變(biàn)與誤💃差的(de)原因進行(hang)了分析讨(tao)論,并對體(tǐ)積🔴含氣率(lǜ)變化影響(xiǎng)渦輪流量(liàng)傳感器特(tè)性的物理(li)機⛱️理進行(háng)了分析。
1引(yin)言
　　以往人(rén)們對渦輪(lún)流量傳感(gan)器的研究(jiū)多集中于(yu)單相流動(dòng)🐪條件🔞下的(de)實驗及理(li)論研究。但(dàn)在氣液兩(liang)相流動條(tiao)件下,由于(yú)氣液兩相(xiàng)間相互作(zuò)用和兩相(xiàng)界面複雜(zá)多變等原(yuán)因,人🈲們應(ying)用渦輪流(liu)量傳感器(qì)測🧑🏽‍🤝‍🧑🏻量氣液(yè)兩相流的(de)研究還不(bú)多💜。
　　本文對(duì)3台具有不(bu)同導程葉(yè)輪的渦輪(lun)流量傳感(gǎn)器,用‼️來測(ce)量體積含(hán)氣率低于(yú)10%的水平氣(qi)液兩相泡(pao)狀流的特(te)性進行了(le)實驗研究(jiū)。提出儀表(biao)系數遷移(yí)量;得出不(bu)㊙️同含氣🌍率(lǜ)下傳感器(qì)的兩相流(liu)量特性曲(qu)線與儀表(biǎo)系數遷移(yí)量曲線;得(de)出葉輪導(dao)程值大小(xiǎo)影🔱響着傳(chuan)感器測量(liàng)誤差值的(de)結論。最後(hou)對體積含(han)氣🈲率變化(huà)影響渦輪(lún)流量傳感(gan)器特性的(de)物理機理(lǐ)以及造成(cheng)傳感器測(cè)量特性改(gǎi)變與誤差(cha)的原因進(jin)行🔞了分析(xī)讨論。
2實驗(yan)研究
　　氣液(yè)兩相流實(shí)驗裝置上(shàng)進行，裝置(zhi)見圖1。本實(shi)驗渦輪🌐流(liú)量傳感器(qi)安裝位置(zhi)距離引射(shè)器出口1.225m。
 
　　描(miáo)述葉輪設(she)計結構的(de)幾何參數(shu)有多個,就(jiù)螺旋形葉(ye)片葉輪👄而(er)言,主要有(yǒu):葉片數目(mu)Z、葉片頂端(duan)半徑Rt輪毂(gū)半徑Rh、葉片(piàn)導程L、葉片(pian)厚度tb、葉片(pian)的倒角γ、葉(yè)片軸向寬(kuan)度Lb。對編号(hào)分⚽别爲1#、2#、3#的(de)三台50mm口徑(jing)渦輪流量(liàng)傳感器進(jìn)行了水平(ping)氣液兩相(xiang)流特性實(shí)驗,傳感器(qi)葉輪幾🔅何(he)結構參數(shu),除葉片數(shù)目Z=6倒角γ=90°外(wài),其餘參數(shù)見表1。
 
　　實驗(yàn)時，測量渦(wō)輪流量傳(chuan)感器入口(kǒu)處壓力穩(wen)定後🥰的流(liu)量、溫度和(hé)壓力值,通(tong)過理想氣(qi)體狀态方(fāng)程計算得(dé)到人口處(chu)工況💚空氣(qì)密度與氣(qi)相體積流(liu)量。體積含(han)氣率由渦(wo)輪流量傳(chuán)感器人口(kou)處空氣體(tǐ)積流量與(yǔ)入口處總(zǒng)體積💜流量(liang)Qm計算得到(dao)。調節🐆液相(xiang)調節閥,将(jiang)液相流量(liang)分别穩定(dìng)在12、10.8、6m³/h。然後逐(zhu)漸增大氣(qi)相閥♻️門開(kāi)度。采用精(jing)度高數據(ju)采集闆卡(ka)對每個流(liú)量點的過(guo)程參🏃🏻數與(yu)傳感器脈(mò)沖輸出采(cǎi)樣10次,然後(hòu)取平均值(zhi)。
3實驗結果(guǒ)
3.1不同體積(jī)含氣率下(xià)的流特性(xing)曲線
　　在不(bú)同體積含(han)氣率下,3台(tái)渦輪流量(liàng)傳感器測(ce)量水平氣(qì)液兩🔴相流(liú)的特性曲(qǔ)線見圖2~4,由(yóu)圖中曲線(xian)可見🌐:
 
(1)在相(xiang)同含氣率(lǜ)下，每台渦(wo)輪流量傳(chuan)感器儀表(biǎo)系數曲線(xian)均基本保(bǎo)持水平,平(ping)均儀表系(xì)數K.和線性(xìng)度誤差δ見(jian)✏️表2。
(2)随體積(jī)含氣率β的(de)增加,3台渦(wo)輪的儀表(biǎo)系數K均有(yǒu)減小的趨(qu)勢。

 
3.2體積含(han)氣率與儀(yi)表系數遷(qian)移量曲線(xiàn)
　　通常渦輪(lun)流量傳感(gan)器出廠用(yong)水标定,測(cè)量氣液兩(liǎng)相流時,如(ru)果實際儀(yi)表系數與(yu)出廠标定(ding)值偏差越(yuè)小,則測量(liàng)精度會越(yue)高。爲⛹🏻‍♀️此引(yǐn)入儀表系(xi)數遷移量(liang)K、來評價渦(wō)輪流量傳(chuan)感器測量(liàng)氣液兩相(xiang)流的性能(néng)，其計算公(gong)式爲:
 
　　式中(zhong):K0爲渦輪流(liu)量傳感器(qi)用單相水(shuǐ)流量标定(dìng)得出的儀(yi)表系數。Kv随(suí)β變化曲線(xiàn)見圖5。由圖(tu)5可見:随着(zhe)β的增🐅加,3台(tai)傳感💁器的(de)Kv值均增加(jiā);在相同含(han)氣率下,2#傳(chuan)感器的K,值(zhi)最小，1#傳感(gan)器的K,值最(zui)大,3#傳感器(qì)的K,值介于(yu)1#與2#之間。
 
3.3儀(yi)表系數随(sui)混合密度(du)變化的曲(qǔ)線
　　混合密(mi)度采用流(liu)動密度計(jì)算方法,即(jí)ρm=pvβ+ρ1(1-β)。Pg爲氣體密(mi)度🤞,ρt爲📞水密(mì)度。Kv随pm變化(hua)曲線見圖(tú)6。
3.4不同含氣(qì)率下傳感(gǎn)器的重複(fú)性誤差
　　按(an)照渦輪流(liú)量傳感器(qì)檢定規程(cheng)(81計算不同(tong)體積含氣(qì)率下3台傳(chuán)感器的重(zhòng)複性誤差(cha),見表3。由表(biǎo)中數據🐪可(ke)知:在兩🍉相(xiang)體積流量(liang)近似相等(deng)的情況下(xia)，重複性🌈誤(wù)差的大小(xiao)明顯受含(han)氣率多少(shǎo)的影響,随(suí)着含氣率(lǜ)的增加,重(zhòng)複性誤差(cha)明顯增大(da);對于每台(tái)傳感器,在(zài)相同含氣(qì)🤞率下,兩相(xiàng)混♊合體積(jī)流量Qm越大(da),重複性誤(wu)差越小。
 
3.5實(shí)驗結論
　　由(yóu)圖5和圖6曲(qǔ)線可得出(chū)初步結論(lùn):2#傳感器K,值(zhi)小于1#與3#傳(chuán)感器;由表(biǎo)3數據可得(dé)到初步結(jié)論:在含氣(qi)率相同時(shí),随着氣液(yè)兩相流量(liàng)的降低，傳(chuán)感器重複(fu)性誤差增(zeng)大;在相同(tong)流體條件(jian)下,2#傳感器(qì)測量重複(fu)性誤差💃優(yōu)于1#與3#傳感(gǎn)器的重複(fú)性誤差🛀。
4誤(wu)差原因的(de)機理分析(xi)
　　葉輪受力(lì)分析見圖(tu)7,u爲來流速(su)度,Ɩ爲葉片(pian)長度,ω爲葉(yè)輪🏃旋轉角(jiao)速度。Fa、F1分别(bie)爲流體對(duì)葉輪的軸(zhou)向力和圓(yuan)周力,FR爲二(èr)者的合力(li);Fg、Fy分别爲FR在(zài)與葉片平(ping)行方向上(shang)的分量和(he)與葉片垂(chuí)直方向上(shang)✉️的分量,稱(chēng)Fs爲葉輪阻(zǔ)力,Fy爲葉輪(lun)升力。
　　由于(yu)渦輪流量(liang)傳感器的(de)葉輪在穩(wěn)定工作條(tiao)件下滿足(zú)力矩平衡(héng)方程,其特(tè)性曲線受(shòu)流體密度(dù)的影響。混(hun)合流體密(mi)度随着含(hán)🚶‍♀️氣率的增(zeng)加而減小(xiǎo)，使流體産(chan)生驅動葉(ye)輪旋轉的(de)升力(Fy)矩減(jiǎn)小,葉輪轉(zhuǎn)速降低,儀(yí)表系🚩數降(jiang)低。這是導(dao)緻傳感器(qì)儀表😄系數(shu)遷移量增(zēng)大的一個(ge)原因。
 
　　當氣(qì)液兩相泡(pao)狀流經過(guò)葉輪時，氣(qì)泡被葉片(piàn)剪切成微(wēi)📧小氣泡,在(zài)旋轉離心(xīn)力的作用(yòng)下,這些小(xiao)氣泡聚集(ji)💚在葉💋片的(de)吸力❌面側(cè)[9]，形成一個(ge)氣泡聚集(ji)區。聚集區(qū)中的氣泡(pao)⁉️對流體的(de)流動起阻(zu)礙🔞作用,根(gen)據作用力(li)與反🔞作用(yong)力的👣關系(xì),相當于增(zēng)加了流體(ti)對葉✏️片在(zài)平行葉片(pian)方向上的(de)作用力,F。相(xiàng)比沒有氣(qì)泡時有所(suǒ)增加,即♻️變(bian)爲Fs',葉輪升(shēng)力Fy與👈Fs'的合(he)力爲FR',其圓(yuán)周方✏️向分(fen)量爲🧡Ft',Ft'與Ft相(xiàng)比有所減(jiǎn)小。所以,葉(ye)輪轉速有(you)所降低⁉️,即(jí)葉輪的旋(xuan)轉效應被(bèi)減弱。當含(hán)氣率增加(jiā)時，氣泡聚(ju)集區✍️内的(de)氣泡增加(jia),對葉輪的(de)阻力增大(dà),對葉輪旋(xuán)轉效應減(jiǎn)弱的效果(guo)增強，使葉(yè)輪轉速降(jiang)低,傳感器(qi)儀表系數(shu)降低。這是(shì)導緻傳感(gan)器儀表系(xi)數遷移量(liang)增大的另(lìng)-一個原因(yīn)🔞。
 
　　根據速度(dù)剖面理論(lùn),氣液兩相(xiàng)流水平流(liu)經管道時(shi)，氣液📞兩相(xiàng)速度剖面(miàn)已不再象(xiàng)單相時速(sù)度剖面那(nà)樣對稱分(fèn)布于管道(dao)🔅内部🔴，兩相(xiang)流中的部(bù)分氣泡在(zai)浮力的⛷️作(zuo)用下運動(dòng)到管道上(shàng)方，管道上(shàng)部由于氣(qi)泡的存在(zài)💰增強了脈(mo)動速度與(yǔ)瑞流強度(dù)10)。在含氣率(lü)近似相同(tong)時,這種由(you)于氣泡的(de)存在引❓起(qi)的脈動速(sù)度與湍流(liú)強度增強(qiang)的程度,受(shòu)兩相流體(ti)速度的影(ying)響,即在含(hán)氣率相同(tong)時,兩相流(liu)體速度越(yue)小，氣泡的(de)存在引起(qǐ)的脈動速(sù)度與湍流(liu)強度越強(qiang)🍉，這也最終(zhōng)加劇了氣(qi)液兩相速(su)度剖面不(bu)⛹🏻‍♀️對稱的程(chéng)度。由于渦(wō)輪流量傳(chuán)感器對📐來(lái)流的速度(dù)剖面比較(jiào)♍敏感,氣泡(pào)的存在引(yǐn)起的脈動(dong)速度💯以及(jí)來流速度(dù)剖面的不(bú)對稱導緻(zhi)葉輪的每(měi)個葉✔️片所(suo)受到的升(shēng)力Fy與阻力(li)Fs存在差異(yì),這種差異(yi)使旋轉的(de)葉輪在某(mǒu)🙇🏻轉速附近(jin)産生波動(dong),最終導緻(zhì)傳感器重(zhong)複性誤差(chà)的增大。這(zhe)🔴就是同--傳(chuán)感器在相(xiàng)同含氣率(lǜ)下,其重複(fú)性誤差随(suí)來流的體(ti)積流量的(de)減小而增(zēng)大的原因(yīn)♍。
　　對于導程(cheng)小、安裝角(jiǎo)大的葉片(piàn)來說,在相(xiàng)同條件流(liú)體的沖擊(jī)下,其葉輪(lún)升力F,矩大(dà)于大導程(cheng)葉輪升力(lì)‼️矩,其葉輪(lun)旋轉速度(du)⭐更快,其葉(yè)輪的陀螺(luó)效應相對(dui)更強,抵抗(kàng)由于氣泡(pao)存在引起(qǐ)的脈動速(sù)度和來流(liú)速度剖面(miàn)💚的不對稱(chēng)導緻葉輪(lún)的轉動速(su)⭐度産生波(bo)動的能力(li)更☀️強一些(xiē)。這就是2#傳(chuan)感器儀表(biao)系數遷移(yi)量以及重(zhòng)複性❄️誤差(chà)優于1#與3#傳(chuan)感器的原(yuan)因。
5結論
　　對(dui)3台具有不(bu)同導程葉(yè)輪的50mm口徑(jing)渦輪流量(liang)傳感器💁進(jìn)🔞行✉️了含氣(qi)率爲0%~9.8%的水(shui)平氣液兩(liang)相流實驗(yan),由傳感☁️器(qì)特性曲線(xian)分析及誤(wù)差分析可(ke)以得到以(yǐ)下結論🐇:
(1)渦(wo)輪流量傳(chuan)感器測量(liàng)氣液兩相(xiang)流時,與測(ce)量單相水(shuǐ)流💯量相比(bi)其儀表系(xi)數遷移量(liang)随體積含(han)氣率的增(zēng)加而逐漸(jian)增加。其原(yuan)因👈是:随含(han)氣率的增(zēng)加,混合流(liu)體密👈度減(jiǎn)小,流體驅(qu)動葉輪旋(xuán)轉的力矩(ju)減小;同時(shi),随含氣率(lǜ)增加,氣泡(pào)聚集區❤️内(nèi)的氣泡增(zēng)加,對葉✔️輪(lun)的阻力增(zeng)大,葉輪旋(xuan)轉效應減(jiǎn)弱。從而葉(yè)輪轉速和(he)傳感器儀(yi)🏃表系數降(jiang)低。
(2)在相同(tóng)含氣率下(xià),兩相體積(ji)流量越小(xiǎo)，渦輪流量(liang)傳感器的(de)🐅重複🐅性誤(wu)差越大。其(qi)原因是:由(yóu)于渦輪流(liu)量傳感器(qì)對來流🥵的(de)速度剖面(mian)比較敏感(gan),氣泡的存(cun)在引起的(de)脈動速度(du)以及來流(liu)速度剖面(miàn)的不對稱(cheng)導緻葉輪(lún)的❌每個葉(yè)片所受到(dao)的升力與(yu)阻力存在(zài)差異，這種(zhong)差異使旋(xuan)轉的葉✊輪(lún)在某轉速(su)🤞附近産生(sheng)波動。
(3)具有(you)小導程、大(dà)安裝角葉(ye)輪的2#渦輪(lun)流量傳感(gǎn)器的儀表(biao)系💘數遷🙇‍♀️移(yi)量與重複(fú)性誤差優(you)于1#與3#傳感(gǎn)器.在相同(tóng)🏃‍♂️條件🐆流體(tǐ)的沖擊下(xià),測量精度(dù)受氣液兩(liǎng)相流中的(de)氣相影響(xiǎng)👈的程度相(xiang)對小一些(xiē)。

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