摘要:針對(dui)電磁流量(liàng)計 測量氣(qì)液兩相流(liu)時測量精(jing)度和穩定(ding)性易受流(liu)型影響的(de)問💯題⚽,提出(chu)了一種管(guǎn)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(fa)。利用旋流(liu)器🔞将不規(guī)✏️則的兩💚相(xiang)流入口流(liu)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(xu)分布,并引(yin)入空隙率(lǜ)修正了電(dian)磁流量計(ji)測量模型(xing),提高了電(dian)磁🍉流量計(jì)的測✔️量精(jing)度。利用空(kong)氣-水兩相(xiang)流爲介質(zhì),通過室内(nèi)實驗對該(gāi)測量方法(fǎ)進行了驗(yan)證,結果表(biǎo)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(chà)在±5%以内。研(yán)究結果爲(wei)工業生産(chǎn)中的氣💛液(ye)兩相測量(liàng)提供了一(yī)💃🏻種很好的(de)思路和方(fāng)法,具有良(liang)好的應用(yòng)價值💔。
　　在工(gong)業應用中(zhōng),兩相流流(liu)量測量對(duì)于實際工(gōng)程應用具(jù)有㊙️重要作(zuo)用，如石油(you)鑽采工程(cheng)、石油化工(gōng)、熱電聯供(gòng)等輸☎️送及(jí)分配過程(cheng)中都存在(zai)氣液兩相(xiàng)流測量問(wèn)題❤️。早期曾(ceng)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(zá)性及多變(bian)性,至今仍(reng)無廣泛認(ren)可的氣液(yè)兩相流在(zài)線測量技(jì)術中。
　　多相(xiang)流動體系(xì)通常是由(you)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(wu)流動♻️。本研(yan)🈲究的氣液(yè)兩相流研(yan)究對象分(fen)别是空氣(qi)和水，在流(liú)動過程中(zhōng),由于存在(zai)不同流型(xíng)及流态的(de)複雜變化(huà),兩相⛷️流各(gè)種參數的(de)測量都變(biàn)得極爲困(kun)難。因此，準(zhǔn)确描述并(bìng).識别流型(xing)㊙️對于兩相(xiàng)流量測量(liang)具有重要(yao)的意義。由(yóu)😍于主要研(yán)究的是水(shuǐ)平管内的(de)🏃氣液兩相(xiang)流流型,在(zài)前人的研(yán)究基礎之(zhī)上,對水平(píng)管内🐪流型(xíng)進行了總(zǒng)結和分析(xi),得到水平(píng)管内🏃‍♀️的氣(qì)液兩相流(liu)流型⛹🏻‍♀️主要(yào)爲細泡狀(zhuang)流動、彈狀(zhuang)流動、分層(céng)流動、波狀(zhuàng)分層流、塞(sai)狀流以及(jí)環狀流等(děng)[3-]。
　　自20世紀以(yi)來,氣液兩(liǎng)相在線測(ce)量一直是(shì)工業生産(chǎn)過程中迫(po)切需要解(jie)決的難題(tí)，同時研發(fā)了大量适(shi)用于工業(ye)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(ér)分爲分🐆離(lí)法和非分(fen)離法。分離(lí)法是将流(liú)動的混合(hé)物分爲以(yǐ)氣體爲主(zhu)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(qi)和🌐導🏃🏻‍♂️流器(qi)等,其優點(dian)爲把兩相(xiang)流體流量(liàng)測量轉化(hua)🍓成了單相(xiang)流體的流(liú)量測量,測(ce)量精度高(gāo)、範💛圍寬、不(bu)受氣液兩(liang)相流型變(biàn)化影響,缺(quē)點則爲分(fen)離設備體(ti)積大、價格(ge)貴、需要建(jiàn)站,增加了(le)測量成本(běn)。非分離法(fǎ)的典型是(shì)基于相同(tong)原理的測(cè)量系統進(jìn)行組合測(cè)量🌈,以及中(zhong)子射線和(he)文丘裏管(guan)的組合方(fāng)🔞式，優點爲(wèi)能夠實時(shí)測量兩相(xiang)流體的流(liu)量及相持(chí)率等參數(shu),體積小、測(cè)量速度快(kuài)，缺點爲測(cè)🈲量的流量(liàng)及各相持(chí)率精🌍度偏(piān)低,适用工(gong)況受限,需(xū)重複标定(dìng)[5-6]。
　　電磁流量(liang)計廣泛應(ying)用于單相(xiàng)流體的流(liu)量測量。電(diàn)磁流量計(jì)是利用法(fǎ)拉第電磁(ci)感應定律(lǜ)原理測量(liàng)導電液體(ti)的體積流(liú)量的🤟儀表(biǎo)。其優點是(shì)可測流量(liang)🏃🏻範圍大,流(liu)量範圍比(bi)值一般爲(wèi)20:1以上。适用(yong)工業管徑(jìng)範圍.寬,最(zui)大可達3m,精(jīng)度較高,可(kě)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻測量水、污(wū)水、腐蝕性(xìng)液體等流(liú)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(liàng)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(jí)國内雖然(rán)對電磁流(liú)量計在兩(liang)相流中的(de)應用進🏃🏻行(háng)了大量的(de)理論分析(xī)和數值模(mo)拟，但是針(zhēn)對水平管(guǎn)内‼️非導電(diàn)相在空間(jian)位置分布(bu)對電磁流(liu)量計的測(cè)量精度等(děng)還未進行(hang)詳細地研(yan)究。水平管(guan)内☎️非導電(dian)性的空間(jiān)分布受重(zhong)力、流體物(wu)性等影響(xiang)嚴🌏重,進而(ér)影響了流(liu)量計的正(zheng)确測量。近(jìn)年來,相關(guan)學者提出(chū)的相分隔(ge)方法12-15]通過(guo)對兩相混(hùn)合物施加(jia)側向力,将(jiāng)兩相隔離(li)到管内的(de)相應空間(jiān),流動過程(cheng)中兩相之(zhī)間維持非(fei)常清晰界(jiè)面,這将有(you)利于電磁(cí)流量測量(liàng)兩相流參(cān)數。因此，如(ru)果非導電(dian)相能在兩(liǎng)相流中均(jun)勻對稱分(fen)布,電磁流(liú)量計測量(liàng)将爲兩相(xiang)流量測量(liàng)提供🌈--種有(yǒu)前途的解(jiě)決方案。同(tong)時，在将兩(liǎng)相隔離到(dao)管内的相(xiang)應空間☀️,流(liu)動過程中(zhōng)兩相之間(jiān)維持非常(cháng)清晰界面(mian)的過程中(zhōng),采用🌍拍攝(shè)及圖像處(chù)理技術可(kě)以實現空(kōng)隙率的測(cè)量。目前,基(ji)于圖像處(chù)理技術已(yi)進行了大(da)量的研究(jiu)[16-18]，尤其适用(yong)于檢測氣(qi)液界面。
　　本(běn)研究采用(yòng)相分隔法(fǎ)組合電磁(ci)流量計測(ce)量氣液兩(liǎng)相流量🌈及(jí)相持率。在(zài)相分隔方(fang)法中,采用(yong)了旋流器(qi)産🚶生離心(xin)力,将氣液(ye)兩相不同(tóng)的人口流(liu)型轉變🔞爲(wei)旋流核心(xin)環空流,由(you)于其界面(miàn)清晰光滑(huá),非常有利(li)于圖像處(chù)理法來測(ce)量空隙率(lǜ)。采用實驗(yan)分析的♉方(fāng)式研究并(bìng)驗證了電(diàn)磁流量計(ji)的兩相流(liu)工作特性(xing)。
1測量原理(li)
1.1管内相分(fèn)隔技術.
　　利(lì)用管道中(zhong)的相分隔(gé)技術進行(háng)整流,可以(yǐ)極大地方(fāng)🐪便電磁流(liu)量及空隙(xì)率測量的(de)開展，創造(zao)了理想🔴的(de)測.量條件(jian),有利于提(ti)高☎️測量的(de)正确性。通(tong)過管内相(xiàng)分隔，使兩(liǎng)相流體在(zài)各種流🏃🏻型(xíng)下統--轉變(bian)成兩束在(zài)管内并♌行(hang)流動的㊙️單(dan)相流體🌈,兩(liǎng)相之間具(jù)有相對清(qing)晰的分界(jiè)📧面,并能維(wéi)持💃足夠長(zhǎng)的距♋離，如(ru)圖1所示。與(yǔ)分離不同(tóng)🛀🏻,相分隔技(ji)術并非将(jiang)兩相分“離(lí)”後各自單(dan)獨流動♻️,而(ér)是通過--系(xì)列技術僅(jǐn)将兩相分(fen)“隔”并未分(fen)“離”,兩相依(yī)然同時😍在(zài)一個管内(nèi)流動❄️,但🈲是(shi)徹底改變(biàn)了兩相🍉流(liú)原有相分(fen)布和速❌度(dù)分布的多(duo)樣性和随(suí)機性,使兩(liǎng)相流在管(guan)内即可保(bao)持有“秩序(xu)"的流動,極(jí)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(liú)相分隔狀(zhuang)态下電磁(cí)流量計測(ce)量原理
　　電(dian)磁流量通(tong)常用于測(ce)量單相導(dǎo)電流體,計(jì)算公式見(jian)式(1)

　　式中:U爲(wèi)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(ci)通強度,T;b爲(wei)導電相半(bàn)徑,m;Qr爲導電(diàn)液體的體(tǐ)積流量,m3/s。
　　對(dui)于含有少(shao)量非導電(diàn)介質(如氣(qi)體或油等(děng))構成的導(dǎo)電流體,電(diàn)磁流量計(ji)仍能繼續(xu)工作。
　　考慮(lǜ)了導電相(xiang)沿管壁在(zài)環形區域(yu)流動,絕緣(yuán)相在同軸(zhóu)芯♌區流動(dong)時,采用電(dian)磁流量測(cè)量原理,計(ji)算公式見(jian)式(2)

式中:a爲(wèi)不導電相(xiàng)半徑,m;α爲絕(jué)緣相的空(kōng)隙率,%。
　　在電(dian)磁流量計(jì)的上遊,通(tong)過圖2所示(shi)的旋流器(qì)實現✌️相🏃‍♂️分(fèn)隔。旋流👉器(qi)由4片沿周(zhōu)向均布的(de)導流片構(gou)成，每個導(dǎo)流片平面(miàn)與管道橫(heng)🌈截面呈現(xiàn)一定夾角(jiao)
　　通過研究(jiu)發現,這種(zhong)結構的旋(xuan)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(xin)力的作用(yong)下,氣體一(yī)❗般以連續(xù)氣柱🈲的形(xing)式集中在(zai)管中心，周(zhou)圍爲連續(xu)液相,液相(xiàng)呈環形流(liu)🌏動,形成旋(xuan)流核心環(huan)狀流管内(nèi)🚶相分隔後(hòu)電磁流量(liàng)測量原理(lǐ)如圖3所示(shi)。

　　理論，上(shang)，如果切向(xiàng)速度軸對(dui)稱且不衰(shuai)減,切向速(su)度不影響(xiǎng)電極.上的(de)電勢，則切(qie)向速度不(bu)會影響電(dian)磁流量計(ji)的輸出,式(shì)(2)也适用于(yu)旋轉核心(xīn)環形。因此(cǐ)，環☎️狀流中(zhōng)使用電磁(cí)流量計測(ce)量流量的(de)計算式見(jian)式(3)

式中:Q爲(wei)流體總的(de)體積流量(liang),m2/s。
2實驗裝置(zhi)和方法
　　實(shí)驗在空氣(qì)-水兩相流(liu)實驗回路(lù)中進行,以(yǐ)驗證所提(tí)出㊙️的測量(liàng)方法的可(ke)行性。實驗(yàn)環路及實(shi)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(diàn)磁流量計(ji) 。

利用圖像(xiang)處理技術(shù)，提取環狀(zhuang)流的相界(jie)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(bèi)光光源照(zhao)射法⛹🏻‍♀️,使用(yong)高速攝像(xiàng)儀采集照(zhao)片，高速攝(she)像儀🌍型号(hao)爲🍉NACMEMRECAMfxK3,像素爲(wèi)480×640。在每種工(gōng)況下,以500Hz的(de)頻率采集(ji)2s,共1000張照片(pian)取氣柱直(zhi)徑平均值(zhi)作爲計算(suàn)截面相含(han)率的值。本(běn)研究采用(yòng)相分離法(fǎ)實現的旋(xuán)流核心環(huán)空流動中(zhong)氣液界面(miàn)🌈清晰光滑(huá)(結構見圖(tú)6),從而降低(dī)了圖像處(chù)理的難度(dù)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(guān)察
針對氣(qì)液兩相來(lái)流分别爲(wei)細泡狀流(liu)、塞狀流和(hé)彈狀流時(shi)，實驗過程(cheng)中觀察了(le)旋流器上(shang)下遊流型(xing)的演變，旋(xuán)流器前後(hou)的🔞流型🔴變(bian)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(huán)空🆚流動結(jie)構。當入口(kou)流👈型爲細(xi)泡狀流時(shi),旋流器下(xià)遊♋的氣柱(zhù)直徑保持(chí)相對穩定(dìng)值;當人口(kǒu)流型爲塞(sai)狀流時,旋(xuán)流器下遊(yóu)的氣柱直(zhí)徑保持相(xiàng)對穩定,與(yu)細泡狀流(liú)區别不大(da);當人口流(liú)型爲彈🈲狀(zhuang)流時,由于(yú)截面内氣(qì)量的劇烈(lie)變🈚化導緻(zhi)旋流後氣(qì)柱🛀🏻直徑随(suí)氣體體積(jī)的增大而(er)增大🧡，但界(jie)面仍然清(qīng)晰。

3.2旋流核(hé)心環空流(liu)動的空隙(xì)率
螺旋流(liu)狀态下,截(jie)面相含率(lǜ)與直線流(liu)相比會發(fā)生變化⭐,進(jin)而使得兩(liǎng)者之間的(de)液流速度(du)也會不同(tóng)。圖8示出了(le)在相同的(de)氣液進口(kou)流量下,直(zhi)流環狀流(liú)和🐉旋流環(huán)狀流之🌂間(jiān)空隙率的(de)變化。從圖(tú)✉️8可以看出(chu)，在旋流作(zuo)用下,會使(shi)得🥰空隙率(lü)的變化範(fan)圍減小。在(zài)彈狀流來(lai)流時,旋流(liú)使得空隙(xì)率減小，而(ér)對于塞狀(zhuàng)流和細泡(pào)狀流,旋流(liu)會使得空(kōng)隙㊙️率變大(dà)。
3.3液體流量(liàng)測量
爲了(le)研究旋轉(zhuan)環狀流下(xià)電磁流量(liàng)計測量精(jīng)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(yè)體體積流(liú)量測量值(zhí),m3/h;Dref爲液體體(tǐ)積流量參(cān)🛀🏻比值,m3/h。

爲了(le)正确多次(ci)測量下電(dian)磁流量計(ji)測量精度(dù),引入了平(ping)均全局相(xiàng)對誤差,定(dìng)義爲:

式中(zhōng):εave爲平均全(quán)局相對誤(wu)差,%;N爲取樣(yang)個數。
圖9顯(xiǎn)示了不同(tong)空隙率流(liú)量測量的(de)相對誤差(cha)。由圖9可以(yǐ)看出,測量(liang)誤差随着(zhe)空隙率增(zeng)加而增加(jia),且具有很(hen)強的規律(lǜ)性。導緻這(zhe)種現象的(de)原因可能(néng)是因爲與(yu)單相流相(xiang)㊙️比，旋轉🔴環(huán)狀流中存(cun)在不導電(diàn)氣芯,使導(dao)電相流通(tong)截面發生(sheng)改變,由單(dān)相流中的(de)圓形變爲(wèi)兩相流中(zhong)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(tong)過關于截(jie)面相含率(lǜ)的校正，可(kě)得到更精(jīng)确的測量(liang)值計算式(shì)如下:

圖10爲(wei)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(cè)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(cha)爲1.1%。綜上所(suo)述，可以利(lì)用電磁流(liú)量✌️計測量(liang)旋轉環狀(zhuang)流中的液(yè)體流量。

4結(jie)論與認識(shí)
本研究以(yǐ)氣液兩相(xiang)流爲研究(jiu)對象，提出(chū)了一種管(guan)内相分隔(gé)📞技🤟術與電(diàn)磁流量計(ji)相結合的(de)水平管内(nèi)流量測.量(liàng)🛀新方法,該(gāi)方法對于(yú)指導生産(chan)實踐具有(you)☁️重大的意(yì)義。
(1)從理論(lùn)上分析了(le)管内相分(fèn)隔與電磁(ci)流量計組(zǔ)合測量兩(liǎng)相流中連(lián)續導電相(xiang)流量的方(fāng)法,采用空(kōng)氣-水兩相(xiàng)流實驗驗(yàn)證了該方(fang)法在一-定(ding)範圍内可(ke)正确測量(liang)🌍出.連續導(dǎo)電相的流(liu)量,具有實(shí)用價值。
(2)針(zhēn)對兩相流(liú)不穩定流(liú)的特點,采(cǎi)用旋流片(pian)作爲管内(nèi)相分⭐隔裝(zhuang)置,實驗觀(guan)察了旋流(liu)器前後的(de)流型變化(hua)，即🥵将管内(nei)細泡狀流(liu)、塞狀流和(he)彈狀流整(zheng)流成單--穩(wěn)定的環狀(zhuang)流:密度較(jiào)小的氣相(xiàng)集中于管(guǎn)道中心，而(ér)密度較💔大(dà)的液相則(ze)圍繞氣相(xiang)和管壁形(xing)成環狀體(ti),氣液相之(zhi)間界面清(qing)晰,形成管(guan)内相分隔(ge)狀态，爲♊後(hòu)續圖像處(chu)理測量空(kong)隙率提供(gong)條件。
(3)針對(duì)含有少量(liang)氣體的連(lian)續水相導(dǎo)電流體，引(yin)入空隙率(lǜ)修正了電(diàn)磁流量計(jì)公式,建立(li)了液相流(liu)量測量模(mo)型爲了驗(yàn)證該方法(fǎ)🥵的可行性(xing),在不同的(de)氣液流量(liàng)範圍内進(jìn)行了一📞系(xi)列實驗,在(zài)管内相分(fen)隔狀态下(xià),利用電磁(ci)流量🛀計的(de)液相測量(liang)相對誤差(chà)在士5%以内(nei).

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