摘要(yao):針對電磁(ci)流量計 測(ce)量氣液兩(liang)相流時測(ce)量精度和(he)穩定性易(yi)受流型影(ying)響的問題(ti),提出了一(yi)種管内相(xiang)分隔狀态(tai)下基于電(dian)磁流量計(ji)的氣液兩(liang)相流測量(liang)方法。利用(yong)旋流器❗将(jiang)不規則的(de)兩相流入(ru)口流型整(zheng)形成氣芯(xin)-水環的對(dui)稱型環狀(zhuang)流,保證了(le)權函數的(de)有序分布(bu),并引入🚩空(kong)隙率修正(zheng)💃了電磁流(liu)量計測量(liang)模型,提高(gao)了電磁流(liu)量計的測(ce)量精度。利(li)用空氣-水(shui)兩相流爲(wei)介質,通過(guo)室内實驗(yan)對該測量(liang)方法進行(hang)了驗證,結(jie)果表明🧑🏽‍🤝‍🧑🏻,在(zai)管内相分(fen)隔狀态👄下(xia),電磁流量(liang)計的液相(xiang)測量相對(dui)誤差在±5%以(yi)内。研究結(jie)果爲工業(ye)生産中的(de)氣液兩💔相(xiang)測量提供(gong)了一種很(hen)好的思路(lu)和方法,具(ju)有良好🏃🏻的(de)應用價值(zhi)。
　　在工業應(ying)用中,兩相(xiang)流流量測(ce)量對于實(shi)際工程應(ying)用具有重(zhong)要作用，如(ru)石油鑽采(cai)工程、石油(you)化工、熱電(dian)聯供等輸(shu)🔅送及分配(pei)過程中都(dou)存在氣液(ye)兩相流測(ce)量問題🏃🏻。早(zao)期曾對氣(qi)液兩相流(liu)的測量進(jin)行了廣泛(fan)研究,但由(you)于氣液兩(liang)相流型的(de)複雜性及(ji)多變性,至(zhi)今仍無廣(guang)泛認可的(de)氣液兩相(xiang)流在線測(ce)量技術中(zhong)。
　　多相流動(dong)體系通常(chang)是由兩種(zhong)或兩種以(yi)上互不相(xiang)溶.的介質(zhi)🔱組成的,具(ju)有明顯相(xiang)界面的混(hun)合物流動(dong)。本研☁️究的(de)氣液兩相(xiang)流研究對(dui)象分别是(shi)空氣和水(shui)，在流動💰過(guo)程中,由于(yu)存在不同(tong)流型及流(liu)态的複雜(za)變化,兩相(xiang)流各種參(can)💔數的測量(liang)都變得極(ji)爲困難。因(yin)♉此，準确描(miao)述并.識别(bie)流型對于(yu)兩相流量(liang)測量具有(you)重要的意(yi)義。由于主(zhu)要研究的(de)是水平管(guan)内的氣液(ye)兩相流流(liu)型,在前🌈人(ren)的研究基(ji)礎之上,對(dui)水平管内(nei)流型進行(hang)了總結和(he)分析,得到(dao)水平管内(nei)的氣液兩(liang)相流流型(xing)主要爲細(xi)泡狀流動(dong)、彈狀流動(dong)、分層流動(dong)、波狀分層(ceng)流、塞狀流(liu)以及環狀(zhuang)流等[3-]。
　　自20世(shi)紀以來,氣(qi)液兩相在(zai)線測量一(yi)直是工業(ye)生産過🔴程(cheng)中迫切需(xu)要解決的(de)難題，同時(shi)研發了大(da)量适用于(yu)👉工業環境(jing)中的兩相(xiang)測量技術(shu)。根據在測(ce)量過程中(zhong)兩相流是(shi)否進行分(fen)離而🚶‍♀️分爲(wei)分離法和(he)非分離法(fa)。分離法是(shi)将流❤️動的(de)混合物分(fen)爲以氣體(ti)爲主和以(yi)液體爲☎️主(zhu)的流動，然(ran)後進行單(dan)相測量.包(bao)括重力分(fen)離器和🈲導(dao)流器等,其(qi)優點爲把(ba)兩相流體(ti)♉流量測量(liang)轉化成了(le)單相流體(ti)的流量測(ce)量,測量精(jing)度高、範圍(wei)寬、不受氣(qi)液兩🈲相流(liu)型變化影(ying)響📱,缺點則(ze)爲分離設(she)備體積大(da)、價格貴♻️、需(xu)要建站,增(zeng)加了測量(liang)🔅成本。非分(fen)離法的典(dian)型是基于(yu)🔱相同原理(li)的測量系(xi)統進行組(zu)合測量,以(yi)及中子射(she)線和文丘(qiu)裏管的組(zu)合方式，優(you)點爲能夠(gou)實時測量(liang)兩相流體(ti)的流量及(ji)相持率等(deng)參數,體積(ji)小、測量速(su)度快，缺點(dian)爲測量的(de)流量及各(ge)相持率精(jing)度偏低,适(shi)用工況受(shou)限,需重複(fu)标定[5-6]。
　　電磁(ci)流量計廣(guang)泛應用于(yu)單相流體(ti)的流量測(ce)量。電磁流(liu)量計是利(li)用法拉第(di)電磁感應(ying)定律原理(li)測量‼️導電(dian)液體的體(ti)積流量的(de)儀表。其優(you)點是可測(ce)流量範圍(wei)大,流量範(fan)圍比值🥰一(yi)般爲20:1以上(shang)。适用工業(ye)管徑✔️範圍(wei).寬,最大可(ke)達3m,精度較(jiao)高,可測量(liang)水、污水、腐(fu)蝕性液體(ti)等流體流(liu)量,不受壓(ya)力、密度、溫(wen)度和其他(ta)物理🌐參數(shu)的影響。因(yin)此,采用電(dian)磁流量計(ji)測量連續(xu)相爲導電(dian)性的兩相(xiang)流的特性(xing)成爲研究(jiu)的熱門。
　　國(guo)際及國内(nei)雖然對電(dian)磁流量計(ji)在兩相流(liu)中的應用(yong)進行🐪了大(da)量的理論(lun)分析和數(shu)值模拟，但(dan)是針對水(shui)平管内非(fei)導電相在(zai)空間位置(zhi)分布對電(dian)磁流量計(ji)的測量精(jing)度等還未(wei)進行詳細(xi)地研究。水(shui)平管内非(fei)導電性的(de)空間分💋布(bu)受重力、流(liu)體物性等(deng)影響嚴重(zhong),進而影響(xiang)了流量計(ji)的🈚正确測(ce)量。近年來(lai),相關學者(zhe)提出的相(xiang)分隔方法(fa)11-26]通過對兩(liang)相混合物(wu)施加側向(xiang)力,将兩相(xiang)隔離到管(guan)内👅的相應(ying)空間,流動(dong)過程中兩(liang)相之間維(wei)持非常清(qing)晰界面,這(zhe)将有💃🏻利于(yu)電磁流量(liang)測量兩相(xiang)流參數。因(yin)此，如果非(fei)導電相能(neng)在兩相流(liu)中均勻對(dui)稱分布,電(dian)磁流量計(ji)測量将爲(wei)兩相流量(liang)測量提供(gong)--種有前途(tu)的解🧡決方(fang)案。同時，在(zai)将兩相隔(ge)離到管内(nei)的相應空(kong)間,流動過(guo)⭕程中兩相(xiang)之間維持(chi)非常清👅晰(xi)界面的過(guo)程中,采用(yong)拍攝及圖(tu)像處理✍️技(ji)術可以實(shi)現空隙率(lü)的測量。目(mu)前,基于圖(tu)像處理技(ji)術已進行(hang)了大量的(de)研究[16-18]，尤其(qi)适用于檢(jian)測氣液🧑🏽‍🤝‍🧑🏻界(jie)面。
　　本研究(jiu)采用相分(fen)隔法組合(he)電磁流量(liang)計測量氣(qi)液兩相流(liu)量及相持(chi)率。在相分(fen)隔方法中(zhong),采用了旋(xuan)流器産生(sheng)離心力,将(jiang)氣液兩相(xiang)不同的人(ren)口流型轉(zhuan)變爲旋流(liu)核心環空(kong)流,由于其(qi)界面清晰(xi)光滑,非常(chang)有👨‍❤️‍👨利于圖(tu)像處理法(fa)來測量空(kong)隙率。采用(yong)實驗分析(xi)的方式研(yan)究并驗證(zheng)了電磁流(liu)量計的兩(liang)🎯相流工作(zuo)特性。
1測量(liang)原理
1.1管内(nei)相分隔技(ji)術.
　　利用管(guan)道中的相(xiang)分隔技術(shu)進行整流(liu),可以極大(da)地方便電(dian)☀️磁流量及(ji)空隙率測(ce)量的開展(zhan)，創造了理(li)想的測.量(liang)條🔴件,有利(li)于提高⛱️測(ce)量的正确(que)性。通過管(guan)内相分隔(ge)，使兩相流(liu)體在各種(zhong)流👈型下統(tong)--轉變成兩(liang)束在管内(nei)并行流動(dong)的單相流(liu)體,兩相之(zhi)間❤️具有相(xiang)對清晰的(de)分界面,并(bing)能維持🔱足(zu)夠長的距(ju)離，如圖1所(suo)示。與分離(li)不同,相分(fen)隔技術并(bing)非将兩相(xiang)分“離”後各(ge)自單獨流(liu)動💰,而是通(tong)過--系列技(ji)術僅将兩(liang)相分“隔”并(bing)未分“離”,兩(liang)相依然同(tong)時在一個(ge)管内流動(dong),但♍是徹底(di)改變了兩(liang)相流原有(you)相分布和(he)速度分布(bu)的多樣🥵性(xing)和❗随機性(xing),使兩相流(liu)在管内即(ji)可保持有(you)“秩序"的流(liu)動,極大地(di)方便了兩(liang)相流各💃個(ge)參.數的測(ce)量。

1.2氣液兩(liang)相流相分(fen)隔狀态下(xia)電磁流量(liang)計測量原(yuan)理
　　電磁流(liu)量通常用(yong)于測量單(dan)相導電流(liu)體,計算公(gong)式見式(1)

　　式(shi)中:U爲兩電(dian)極間的電(dian)位差(與液(ye)體的導電(dian)性、黏度和(he)壓🏒，力無關(guan)🐇),V;B爲磁通強(qiang)度,T;b爲導電(dian)相半徑,m;Qr爲(wei)導電液🈲體(ti)的♉體積流(liu)量,m3/s。
　　對于含(han)有少量非(fei)導電介質(zhi)(如氣體或(huo)油等)構成(cheng)的導電流(liu)體,電磁流(liu)量計仍能(neng)繼續工作(zuo)。
　　考慮了導(dao)電相沿管(guan)壁在環形(xing)區域流動(dong),絕緣相在(zai)同💋軸芯區(qu)流動時,采(cai)用電磁流(liu)量測量原(yuan)理,計算公(gong)式見♈式(2)

式(shi)中:a爲不導(dao)電相半徑(jing),m;α爲絕緣相(xiang)的空隙率(lü),%。
　　在電磁流(liu)量計的上(shang)遊,通過圖(tu)2所示的旋(xuan)流器實現(xian)相分隔。旋(xuan)流器由4片(pian)沿周向均(jun)布的導流(liu)片構成，每(mei)個導流片(pian)❄️平面與管(guan)道橫截面(mian)呈現一定(ding)夾角
　　通過(guo)研究發現(xian),這種結構(gou)的旋流器(qi)更有利于(yu)相分隔的(de)形成，它使(shi)流體通過(guo)改變流動(dong)方向産生(sheng)切向速度(du),從而🧑🏽‍🤝‍🧑🏻産生(sheng)🎯離心力。在(zai)離心力的(de)作用下,氣(qi)體一㊙️般以(yi)連續氣柱(zhu)的形式集(ji)中在💁管中(zhong)心，周圍爲(wei)連續液相(xiang),液相呈環(huan)形流🐪動,形(xing)成旋流核(he)心環狀流(liu)管内相分(fen)隔後電😘磁(ci)流量測量(liang)原理如圖(tu)3所示。

　　理(li)論，上，如果(guo)切向速度(du)軸對稱且(qie)不衰減,切(qie)向速度不(bu)影響電極(ji).上的電勢(shi)，則切向速(su)度不會影(ying)響電磁流(liu)量計的輸(shu)出,式(2)也适(shi)用于旋轉(zhuan)核心環形(xing)。因此，環狀(zhuang)流中☔使用(yong)電磁流量(liang)計測量👉流(liu)量的計算(suan)式見式(3)

式(shi)中:Q爲流體(ti)總的體積(ji)流量,m2/s。
2實驗(yan)裝置和方(fang)法
　　實驗在(zai)空氣-水兩(liang)相流實驗(yan)回路中進(jin)行,以驗證(zheng)所🛀提🛀出的(de)測量方法(fa)的可行性(xing)。實驗環路(lu)及實驗段(duan)布置如圖(tu)4所示，在實(shi)驗段安裝(zhuang)了旋流器(qi)和電磁流(liu)量計 。

利用(yong)圖像處理(li)技術，提取(qu)環狀流的(de)相界面，進(jin)而計算🤟空(kong)隙率,圖像(xiang)采集原理(li)如圖5所示(shi)。圖像采集(ji)過程中,采(cai)㊙️用背光光(guang)源照🈲射法(fa),使用高速(su)攝像儀采(cai)集照片，高(gao)速攝像儀(yi)型号爲🌏NACMEMRECAMfxK3,像(xiang)素爲480×640。在每(mei)種工況下(xia),以500Hz的🐇頻率(lü)采集2s,共1000張(zhang)照片取氣(qi)柱直徑平(ping)均值作爲(wei)計算🔴截面(mian)相含率的(de)值。本研究(jiu)采用相分(fen)離法實現(xian)的旋🔴流核(he)心環空流(liu)🥰動中氣液(ye)界面清晰(xi)光滑(結構(gou)見圖6),從而(er)降低了圖(tu)像處理的(de)難度并減(jian)小了空隙(xi)率的測量(liang)誤差。

3實驗(yan)結果與分(fen)析
3.1實驗流(liu)型觀察
針(zhen)對氣液兩(liang)相來流分(fen)别爲細泡(pao)狀流、塞狀(zhuang)流和彈🔆狀(zhuang)🚩流時，實👉驗(yan)過程中觀(guan)察了旋流(liu)器上下遊(you)流型的演(yan)變，旋流🌏器(qi)前後的流(liu)型變化如(ru)圖7所示。從(cong)圖7可以看(kan)出,在各人(ren)口流型下(xia),都可以形(xing)成旋流核(he)心環空流(liu)動結構。當(dang)入口流型(xing)爲細泡狀(zhuang)流時,旋流(liu)器下遊的(de)氣柱直徑(jing)保持相對(dui)穩定值;當(dang)人口流型(xing)爲塞狀🔆流(liu)時,旋流器(qi)下遊的氣(qi)柱直徑保(bao)持相對穩(wen)定,與細泡(pao)狀流區♻️别(bie)不大;當人(ren)口流型爲(wei)彈狀流時(shi),由于截面(mian)内氣量的(de)劇烈變化(hua)導緻旋流(liu)後氣柱直(zhi)徑随氣體(ti)體積的增(zeng)大而增大(da)，但界面仍(reng)然清晰。

3.2旋(xuan)流核心環(huan)空流動的(de)空隙率
螺(luo)旋流狀态(tai)下,截面相(xiang)含率與直(zhi)線流相比(bi)會發生變(bian)化🚩,進而使(shi)❄️得兩者之(zhi)間的液流(liu)速度也會(hui)不同。圖8示(shi)出了在🚶‍♀️相(xiang)同的氣🌈液(ye)進口流量(liang)下,直流環(huan)狀流和旋(xuan)流環狀流(liu)之間空隙(xi)率的變化(hua)。從圖8可以(yi)看出，在🐆旋(xuan)流作用下(xia),會使得空(kong)隙率的🈲變(bian)化範圍🈲減(jian)小。在彈❄️狀(zhuang)流來流時(shi),旋流使得(de)空隙率減(jian)小，而對于(yu)塞狀流♍和(he)細泡狀流(liu),旋流會使(shi)得空隙率(lü)變大。
3.3液體(ti)流量測量(liang)
爲了研究(jiu)旋轉環狀(zhuang)流下電磁(ci)流量計測(ce)量精度,引(yin)人了相❄️對(dui)誤差,定義(yi)爲:

式中:ε爲(wei)相對誤差(cha),%;Dmea爲液體體(ti)積流量測(ce)量值,m3/h;Dref爲液(ye)體體🔆積流(liu)量參✂️比值(zhi),m3/h。

爲了正确(que)多次測量(liang)下電磁流(liu)量計測量(liang)精度,引入(ru)了平均全(quan)局相對誤(wu)差,定義爲(wei):

式中:εave爲平(ping)均全局相(xiang)對誤差,%;N爲(wei)取樣個數(shu)。
圖9顯示了(le)不同空隙(xi)率流量測(ce)量的相對(dui)誤差。由圖(tu)9可‼️以看出(chu),測量誤差(cha)随着空隙(xi)率增加而(er)增加,且具(ju)有很強的(de)規律性。導(dao)緻這種現(xian)象的原因(yin)可能是因(yin)爲與單相(xiang)流相比，旋(xuan)轉環狀流(liu)中存在不(bu)導電氣芯(xin),使導電相(xiang)流通截面(mian)發生改變(bian),由單相流(liu)中的圓形(xing)✊變爲兩相(xiang)流中的環(huan)形，造成儀(yi)表常數☁️發(fa)生改變。由(you)🌈圖9還可看(kan)出,通過關(guan)于截面相(xiang)含率的校(xiao)正，可得到(dao)更精确的(de)測量值計(ji)算式如下(xia):

圖10爲按照(zhao)圖9的拟合(he)曲線校正(zheng)後的測量(liang)結果圖。由(you)圖10可♍以看(kan)♊出,測量值(zhi)與參比值(zhi)吻合良好(hao)。相對誤差(cha)最大不超(chao)過士⭐5%，平均(jun)誤差🈲爲1.1%。綜(zong)上所述，可(ke)以利用電(dian)磁流量計(ji)測量旋轉(zhuan)環狀流中(zhong)的液體流(liu)量。

4結論與(yu)認識
本研(yan)究以氣液(ye)兩相流爲(wei)研究對象(xiang)，提出了一(yi)種管内相(xiang)分隔技術(shu)與電磁流(liu)量計相結(jie)合的水平(ping)管内流量(liang)測.量新方(fang)⛹🏻‍♀️法,該方法(fa)對于指導(dao)生産實踐(jian)具有重大(da)的意義。
(1)從(cong)理論上分(fen)析了管内(nei)相分隔與(yu)電磁流量(liang)計組合測(ce)量🏃‍♀️兩相流(liu)中連續導(dao)電相流量(liang)的方法,采(cai)用空氣🈲-水(shui)兩相流實(shi)驗驗證了(le)該方法在(zai)一-定範圍(wei)内可正确(que)測量🌍出.連(lian)續導電相(xiang)的流量,具(ju)有實用價(jia)值。
(2)針對兩(liang)相流不穩(wen)定流的特(te)點,采用旋(xuan)流片作爲(wei)管内相分(fen)隔裝📱置,實(shi)驗觀察了(le)旋流器前(qian)後的流型(xing)變化，即将(jiang)管内細泡(pao)狀流、塞狀(zhuang)流和彈狀(zhuang)流整流成(cheng)單--穩定的(de)環狀流📞:密(mi)度較小的(de)氣相集中(zhong)于管道中(zhong)心，而密度(du)較大的液(ye)相則圍繞(rao)氣💰相和管(guan)壁形成環(huan)狀🏒體,氣液(ye)相之間界(jie)面清晰,形(xing)成管内相(xiang)分隔狀态(tai)，爲後續圖(tu)像處理測(ce)量空隙率(lü)提供條件(jian)。
(3)針對含有(you)少量氣體(ti)的連續水(shui)相導電流(liu)體，引入空(kong)隙🏃🏻‍♂️率修正(zheng)了電磁流(liu)量計公式(shi),建立了液(ye)相流量測(ce)量模💃型爲(wei)了驗證該(gai)方法的可(ke)行性,在不(bu)同的氣液(ye)流量範👉圍(wei)内進行了(le)一系列實(shi)驗,在管内(nei)相分隔狀(zhuang)态下,利用(yong)電磁流量(liang)計的液相(xiang)測量相對(dui)誤差在士(shi)⛷️5%以内.

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