摘要:設(shè)計了等效内徑比(bǐ)分别爲0.424、0.586的雙錐流(liu)量計,并㊙️采用該👣流(liú)量計在多相流實(shí)驗裝置上開展了(le)氣水兩相💰流參數(shu)測量實驗研究。通(tong)過對雙錐流量計(ji) 上的差壓波動信(xin)号時間序列進行(hang)分析,采用其特🤩征(zhēng)值💯建立氣🤟水兩相(xiàng)流分相含率測量(liàng)模型;在分相流模(mó)型的基礎㊙️上,通過(guò)分析準氣相流量(liàng)比和Lockhart-Martinelli常數的關系(xì)建立氣水兩相流(liu)流量測量模型。在(zai)多相流🧡實驗裝置(zhì)上進行了氣水兩(liang)相流參數測量系(xì)列實💁驗,結果表明(ming)❤️在實驗範圍内,所(suo)建立的體積含氣(qì)率測量模型測量(liang)相對誤差在5%以内(nei);氣液兩相流總流(liú)量和液相流量測(ce)量誤差在6%以内。氣(qi)相流量的測量結(jié)果表明,在以空氣(qi)和水爲介質、幹度(du)很小的工況下,氣(qi)相流🐉量的測量相(xiang)🏃對誤差🤩明顯大于(yú)總流量和⁉️液相流(liú)量的相對誤差。
0引(yǐn)言
　　氣液兩相流常(cháng)見于冶金、石油、動(dòng)力、化工、能源、管道(dào)運輸及制冷制藥(yào)等領域,在工業生(sheng)産與科學研究中(zhōng)具有重要作用,在(zài)🐕工業過程中也伴(bàn)随着許多經濟與(yǔ)安全問題，因此對(dui)兩相流活動過程(chéng)機理狀态的描述(shù)、解釋以及流✨動過(guo)程中相關參數的(de)正确測量具有重(zhong)要意義,也是現代(dài)工業系統☀️中亟待(dài)解決🚶‍♀️的一道難題(ti)。随.着工業水平的(de)不斷提高，兩相🍉流(liú)涉及的領域越來(lai)越廣泛,對🥰工業過(guò)程‼️控制精度的要(yào)求也在不斷提高(gāo)。在㊙️目前工業生産(chǎn)中,由于一些傳統(tǒng)的流量🥰測量方式(shi)及模型無法适用(yong)于兩相⭐流特✉️有的(de)波動性和複雜的(de)流動形态，使得其(qí)相關參數的測量(liang)方法㊙️多處于研究(jiū)階段,離實際應用(yòng)尚有一🛀定距離。
　　氣(qì)液兩相流過程參(can)數的檢測策略随(sui)工況與對象屬性(xìng)的變☎️化而變化,可(kě)以利用的物理現(xiàn)象與關系📞有很多(duō),因此檢🐪測方法也(yě)多種多樣。從測量(liàng)形式上講，目前常(cháng)見的檢測方法大(dà)緻可分爲直接法(fǎ)和間接法2類，前者(zhe)可以通過采用傳(chuán)統單相流儀表等(děng)方法直接測得待(dai)測對象的相關參(can)數,後者則多采用(yong)一定的輔助測量(liang)值建立待測參數(shu)與特征值的關系(xi)式,通過模型計算(suàn)得到[2。利用傳統單(dān)相流量計測量氣(qì)液兩相流參數是(shi)多相流測量研究(jiu)與應用的一個重(zhòng)要方向,雖然這類(lei)儀表在檢測混合(he)流📞量時的性能良(liáng)好,但由于工況和(hé)模型的差異🏃‍♂️，在檢(jiǎn)測相含率時誤差(cha)較大531J。從測量原理(lǐ)上講,氣液兩相流(liu)相🈲關參數的測量(liang)方法可以分爲🚶分(fèn)⭐離法和非分離法(fa),前者是将兩相流(liú)流體分離,利用單(dan)相流☔的測量方法(fa)分别獲得相👣關參(can)數,但此類方法受(shòu)測量設備龐大、系(xi)統複雜等因素的(de)限制,需要對取樣(yàng)設備進行更進一(yī)步的研究,後者直(zhi)接利用傳統差💁壓(yā)式流量計對混合(he)的兩相流流體進(jin)行測量,傳統差壓(yā)式流👄量計由于結(jié)構簡單、性能可靠(kào)等特🐇點,一直以來(lai)在多相流參數測(cè)量中倍受關❤️注。
　　傳(chuán)統差壓式流量計(ji)是将流向管道中(zhong)心收縮,通過測量(liàng)節流⛹🏻‍♀️件‼️(如孔闆和(hé)文丘裏管)前後的(de)壓力降來得到流(liú)量👌數據👅。近20年出現(xiàn)了一種新型 V型内(nei)錐流量計 ,它将原(yuan)本利用流體進行(hang)節流而後收縮到(dao)管道中心軸👉線🧑🏾‍🤝‍🧑🏼附(fu)近的概念從根本(běn).上改變爲利用同(tóng)軸安裝在管道中(zhong)的V形錐‼️體将⭐流體(ti)慢慢地進行節流(liú)而後收縮到管道(dào)的内邊壁。與其他(tā)傳統🌏差壓式流量(liàng)計相比,V錐流量計(ji)在壓損、重複性、量(liàng)程比和長期工㊙️作(zuo)穩定性等方面表(biao)現出一定的優勢(shì),實驗分析表📞明其(qí)可用于兩相流的(de)流型識别和參數(shu)測量[15-18],但由于V錐流(liu)量計的内錐形狀(zhuang)較爲複雜且節流(liú)件尾部鈍體會使(shi)流體産生流動分(fen)離,産生旋渦🆚并造(zào)成較大壓力損失(shī)等問題使其應用(yong)😄受到一定的限制(zhì)。本文作者在 V錐流(liú)量計 的基礎上設(shè)計了一種具有對(duì)稱結構的雙錐流(liú)量計([9,利🆚用理☂️論模(mo)型較成熟的差壓(yā)原理開展氣液兩(liǎng)相流參數的測量(liang),并根據氣液兩相(xiàng)流固有的波動特(te)性提✏️取相關特征(zhēng)值⛹🏻‍♀️,分析其與分相(xiang)含率等參數的關(guan)系(20-22,探尋氣液兩相(xiàng)流的參🔱數測量新(xin)型測量方法并開(kāi)展實驗分析和研(yán)🏃🏻‍♂️究,爲氣液兩相流(liu)在工業過程參數(shu)正确檢測及新型(xíng)流🥵量計商業化奠(dian)定基礎。
1測量原理(li)
1.1流量計結構
　　雙錐(zhui)流量計爲--新型内(nèi)錐流量計,節流單(dān)元基本結構如圖(tú)1所示,包括測量管(guan)段、取壓口和節流(liú)錐體。.圖1(b)爲雙🈲錐流(liu)量計剖面圖，P1、P2、P3分别(bié)爲3個取壓口,P1爲上(shang)遊流體收縮前取(qǔ)壓口,P2爲節流件喉(hóu)☁️部最小流通面積(jī)處🈲取壓口,P3爲下遊(yóu)流束穩定時的取(qǔ)壓口。本實驗研究(jiū)所需的雙錐流量(liang)計差壓😘信号是從(cóng)P1與P2口獲得的前差(chà)壓。利用P2與P3可獲得(de)雙錐流量計的後(hou)差壓。節流錐體是(shì)雙錐流量計的核(hé)心部件,主要包括(kuò)錐體和錐體支架(jia)結構2部分，如圖2所(suǒ)示。雙錐流量計的(de)錐體由前後2個錐(zhuī)角相等的對稱錐(zhuī)體構成,3個片狀支(zhī)架和1個管環構成(chéng)錐體支架結構，節(jie)流錐體可通過支(zhi)架結構固定在管(guǎn)道中心并與管道(dao)同軸,将與管道内(nèi)♉徑相同的管環安(an)裝在實驗管道中(zhōng)。
 
　　本次研究所設(shè)計的雙錐流量計(ji)錐體前後錐角均(jun)❄️爲45°,中部圓柱體長(zhang)度20mm。D爲管道内徑,d爲(wèi)節流錐體在喉部(bu)處直徑♍，ɑ爲對稱錐(zhui)體的💁錐角。
　　圖1(a)爲管(guǎn)道最小流通面積(jī)處的截面圖，雙錐(zhui)體采用三角結構(gòu)🥰固定于管道内，既(ji)能使雙錐承受較(jiào)大的沖擊又可以(yǐ)保證雙錐與管道(dào)内圓的同軸度,同(tong)時足夠薄度的支(zhī)撐葉片也可以最(zui)大程🌏度減小對流(liú)體的擾動。
1.2基本測(cè)量模型
　　雙錐流量(liàng)計的工作原理是(shì)基于流體在一密(mì)封管道中的♉能量(liang)守恒原理(伯努利(li)方程)和流動連續(xu)性原理。根據流體(tǐ)力學的相關理論(lun)可以推出單相流(liu)流量的基本測量(liàng)模型:
 
2實驗裝置
　　圖(tú)3和4分别爲雙錐流(liú)量計氣液兩相流(liu)實驗系統實🥵物圖(tu)🔞和結構簡圖,實驗(yan)對象爲水平管道(dào)内的氣/水混合🔴流(liú)體。實驗設備主要(yào)🏃‍♀️包括數據采集系(xì)統和實驗管路2大(dà)部分:數據采集系(xi)統包括數據采集(ji)器及采集控制界(jiè)面;實驗管路包括(kuo)雙錐流量計、 壓力(lì)變送器 、 差壓變送(song)器 、 溫度計 、标準表(biǎo)以及管道和閥門(men)等設備。
 
　　裝置的工(gōng)作流程爲:水經過(guo)穩壓罐後,通過标(biao)準水表讀取其體(ti)積流量,進入混相(xiang)器;空氣壓縮機将(jiāng)空氣壓縮到穩壓(yā)🛀罐,通過标準氣表(biao)讀取其體積流量(liang),并用溫度計和壓(yā)力表測量此時的(de)氣相溫度(T)和壓力(lì)(p加:),最後進人混相(xiàng)🌈器與液相✨混合;氣(qì)液👌兩相流經👉過8m長(zhang)的直管段,充分混(hun)合後進入氣液兩(liang)相實驗管段,在此(ci)處安裝雙錐流量(liàng)計并🈲測量氣液兩(liǎng)相的混㊙️合差壓,同(tong)時測量雙錐流量(liàng)計前的🥵壓力(p2)和溫(wen)度(T2),采用數據采集(jí)系統記錄各測量(liang)值。
　　實驗中,液體穩(wen)壓罐和氣體穩壓(yā)罐的穩壓範圍分(fen)🔞别爲0.2~0.21MPa和0.39~0.41MPa,标準🥰水表(biao)和标準氣表參數(shu)如表1,直管段以⚽及(ji)實驗管段管徑爲(wèi)💃50mm。.
 
　　考慮到不同等效(xiao)直徑比的雙錐流(liú)量計具有不同的(de)測量特性，選擇不(bu)同的直徑比可分(fen)析雙錐流量計各(ge)自不㊙️同特性,從而(ér)獲得與直徑比相(xiang)關的關鍵參數，因(yin)👌此選用😍2個不同等(děng)效直徑比(0.424、0.586)的雙錐(zhui)流量計😄進行實驗(yan)🛀,其流出系數分别(bie)爲0.9672和0.9685。雙錐流❗量計(ji)的差🚩壓信号由應(yīng)變式差壓變送器(qi)進行測量,其量程(cheng)爲0~64kPa,輸出電流信号(hào)4~20mA,精度等級爲0.25%FS.
3分相(xiàng)含率測量模型
　　在(zài)氣液兩相流的測(cè)量中,分相含率是(shi)一個重要的參數(shu),重點✊測量對象爲(wei)氣相的相含率,包(bāo)括體積含氣率、截(jie)面含氣率(空⛷️隙率(lǜ))和質量流量含氣(qì)率(幹度)。其中體積(jī)含氣率和幹度的(de)關系如下式:
 
　　式中(zhōng):μ爲體積含氣率;pz爲(wei)氣相密度;ρn爲液相(xiàng)密度。
　　氣液兩相流(liú)在流動過程中存(cún)在波動性,根據前(qian)人的實驗研究結(jie)果,此波動信号與(yu)氣液兩相流的流(liú)型、分相含率等重(zhòng)要測量😍參數具有(you)一定的相關性,因(yīn)此可以通過分析(xi)從差壓波動信号(hao)中提取的特征值(zhi)建立氣液兩相流(liu)分相含😍率的測量(liang)模型，從而實現對(dui)氣相含率等參數(shù)🌈的在線測量。
　　氣液(ye)兩相流通過差壓(yā)式流量計時的瞬(shùn)時差壓和瞬時流(liú)量之間也符合時(shí)間平均值的關系(xi)式,因此👄:
 
　　式中:i爲某(mou)個瞬時時刻;△ppo爲瞬(shùn)時差壓;μi;爲瞬時體(ti)積含氣⭐率;qi爲瞬㊙️時(shí)流量;k、b是與節流元(yuan).件結構和兩相流(liu)流體物👈性有關的(de)系數。
　　定義脈動振(zhèn)幅爲差壓瞬時值(zhí)和時均值之差,其(qí)均🔞方🆚根🐪爲🐉:
 
　　理論上(shang)R是μ的單值函數,可(kě)通過實驗差壓時(shí)均值和🔞差壓脈動(dong)幅值計算出氣相(xiàng)體積含率μo.
　　實驗所(suǒ)用水平管道管徑(jing)爲50mm,進行氣液兩相(xiang)流實驗🈲并✔️采集差(chà)💰壓波動信号,圖5和(he)6爲等效直徑比爲(wei)0.424和0.586的雙錐流量計(jì)無量綱參數R與體(ti)積含氣率μ的數值(zhí)點分布
 
　　由圖5和6可(ke)知,對于雙錐流量(liang)計,波動幅度參數(shù)R随着體積🚶含🈲氣率(lǜ)♍呈現先增大後減(jiǎn)小的趨勢。當體積(jī)含🐅氣率🐕小于0.3時,差(chà)壓的波動幅度參(can)數很小;然後随着(zhe)體積含氣率的增(zēng)大,差壓的波動幅(fu)度值增!大,并在0.85左(zuǒ)右達到最大值。根(gen)據流體在管道中(zhōng)流動的實際情況(kuang),當流體爲單相(即(jí)全爲液相μ=0,全爲🤟氣(qi)相μ=1)時，流動是較爲(wèi)平穩的🏃🏻,應有R≈0,因此(cǐ)可假設R與μ符合如(rú)下關系:
 
4流量測量(liàng)模型
　　雙錐流量計(jì)作爲-種新型差壓(ya)式流量計,在結構(gou)上與傳統标🔴準差(chà)壓流量計具有一(yi)-定的差異,現有模(mó)型，的一些關鍵💃🏻參(can)數無法适用,需尋(xún)求新的模型參數(shu)。
　　用汽水、氣水和天(tian)然氣水混合物經(jīng)過大量實驗并對(duì)理想分相流模型(xing)進行修正後得到(dào)孔闆氣液兩相流(liú)流量計算模型🥵:
 
 
5實(shí)驗與結果分析
5.1氣(qi)相含率測量
　　實驗(yan)在體積含氣率爲(wèi)0.32~0.96範圍内進行，對流(liú)體流經雙錐🏃‍♂️流🥵量(liàng)♊計時所産生的前(qian)差壓進行了采集(ji),提取差壓波動信(xìn)号中的特征值R',通(tōng)過模型式(7)計算得(de)出體💘積含氣率值(zhi),模型測量誤差如(ru)圖8和9所📞示,體積含(han)氣率的相對⛹🏻‍♀️誤差(chà)基本在±5%以内。
 
5.2流量(liàng)測量
　　氣液兩相流(liú)流量實驗測量以(yǐ)水和空氣爲介質(zhi),其中🌏水和空氣的(de)質量流量範圍分(fèn)别爲1.233~6.581kg/s和0.006~0.04kg/s.水穩壓爲(wei)0.2MPa,氣源穩壓0.4MPa,幹度範(fan)圍0.001~0.03,環境溫度20.5℃.。NI數據(jù)采集卡采集差壓(ya)波動信号,提取其(qi)特征值并通過公(gōng)式(7)和(2)計算得到質(zhi)量流量含氣率x,流(liú)量值可通過公式(shi)✨(12)計算得到✂️。
 
　　實驗測(ce)量了氣液兩相流(liu)的總流量及液相(xiàng)、氣相的分相流👣量(liàng),在圖10和11中給出了(le)總流量的測量誤(wù)差,總質量流量🤟的(de)參考值🏃🏻爲氣相和(hé)液相混合前的流(liú)量值之和。測量誤(wù)差結果顯示,在實(shi)驗範圍内所采用(yòng)的體積含氣率測(cè)量模型和改進的(de)流量測量模型對(duì)氣液兩相流總流(liu)量測量具有較好(hǎo)👄的适用效果,測量(liàng)結果相對誤差基(ji)本可以控制在±6%以(yi)内。值得提🈲出的是(shi)，當氣相體積含率(lǜ)♻️大于0.8時,兩相流處(chù)于塞狀✌️流向環狀(zhuàng)流的過渡✊段,流型(xing)變化較爲複雜，使(shi)得測🌂量精度有⛹🏻‍♀️所(suo)下降。
 
　　總流量測量(liàng)相對誤差圖中可(kě)看出,對于氣液兩(liang)相流,其分相流的(de)參數測量具有重(zhong)要的工程意義。可(ke)以根😄據公式(7)和測(cè)量出的體積含氣(qi)率值由公式(2)得到(dao)幹度值,從而⭐實現(xiàn)對氣液兩相流的(de)分相流測量。液相(xiàng)流量測量誤差如(rú)圖12和13所示,在實驗(yan)範圍内的📞相對誤(wu)差基本在±6%以内，說(shuo)明該測量模型在(zài)該工況🌍下具有較(jiào)好的測量效果。因(yin)爲在實驗所用氣(qì)液兩相流中，氣體(ti)在總流量中所占(zhàn)的比例較小，所以(yǐ)液相☂️流量測量誤(wù)差分布結果與總(zǒng)流量相似。
 
　　實驗對(duì)氣相流量進行了(le)測量,其測量結果(guǒ)如圖14和15所示🧑🏾‍🤝‍🧑🏼。測🐅量(liàng)誤差結果顯示,忽(hū)略粗大誤差後的(de)氣相❄️流量測量🔆誤(wù)差在±20%以内，該誤差(chà)遠大于液相和總(zǒng)流量的測量誤差(cha),分析認爲在本實(shí)驗中的兩相流幹(gan)度僅在0.001~0.03範圍内,不(bu)同于濕蒸氣和高(gao)幹度的實驗工🈲況(kuang),對體積含氣率或(huo)幹度的微小測量(liàng)誤差會導緻對氣(qi)相流量測量結果(guǒ)的較大🥵偏差。
 
6結論(lùn)
　　本文将一種新型(xíng)的雙錐流量計用(yong)于氣水兩相流的(de)測量,研究了2個不(bú)同等效直徑比的(de)雙錐流量計對氣(qi)相體積含率、總流(liú)量及分相流量的(de)測量性能🐅。對雙錐(zhui)流量計上的差♋壓(yā)波動✉️信号時間序(xù)列進行了分析,利(li)用其特征值建立(lì)了氣水兩相💛流氣(qi)相含率的關系模(mo)型。應用該模型對(duì)氣相體積含率進(jìn)行✔️測量,在實驗範(fan)圍内,氣相體積含(han)率測量相對❤️誤差(cha)在±5%以内。利👄用常數(shù)建立了雙錐流量(liàng)♻️計氣液兩相流總(zong)流量測量模型,可(kě)對總流量和液相(xiàng)流🐆量進行有效的(de)測量,測量結果的(de)相對誤♋差在±6%以内(nèi)。在幹度很✏️小的情(qing)況下,氣相🥵流量的(de)🔞測量相對誤差較(jiào)大。與V錐💛流量計在(zài)氣液兩相流相關(guān)參數的測量結果(guo)(氣相體積含率已(yi)确定的條件🐪下,兩(liǎng)相✏️流總質量流量(liang)的相對誤差👉基本(běn)在土5%内)相對比表(biao)明[1]，雙錐流量計可(ke)🌈獲得與V錐流量計(ji)相當的精度,且在(zai)減小流體擾動、降(jiàng)低壓力損失和抗(kang)🏒壓力沖擊等方面(mian)更具有優勢。

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