摘要(yào):在氣液(yè)兩相流(liu)實驗裝(zhuāng)置上,對(dui)3台具有(yǒu)不同導(dao)🛀🏻程葉輪(lún)的渦輪(lún)流量傳(chuan)感器 測(ce)水平氣(qì)液兩相(xiàng)泡狀流(liú)的特性(xìng)進行了(le)實驗研(yán)究。發現(xian)随着體(ti)積含氣(qi)率的變(biàn)化,3台傳(chuán)感器的(de)流量特(tè)性曲線(xiàn)、儀表系(xì)數遷🌈移(yí)量、重複(fu)性誤差(cha)均會發(fā)生明顯(xiǎn)變化。具(jù)有較小(xiao)導程葉(yè)輪的傳(chuán)感器,其(qí)性能優(you)于📱其它(tā)兩台傳(chuan)感器。對(dui)造成渦(wō)輪✏️流量(liàng)傳感器(qì)測量特(tè)🏃🏻‍♂️性改變(bian)與誤差(chà)的原因(yīn)進行了(le)分析讨(tǎo)💛論,并對(dui)體積👈含(hán)氣率變(bian)化影響(xiang)渦輪流(liú)量傳感(gan)器特性(xing)的物理(li)機🤩理進(jìn)行了✌️分(fèn)析。
1引言(yan)
　　以往人(rén)們對渦(wo)輪流量(liàng)傳感器(qi)的研究(jiu)多集中(zhong)于單❌相(xiang)流動條(tiao)件下的(de)實驗及(ji)理論研(yan)究。但在(zài)氣液兩(liǎng)相流動(dòng)♋條件下(xià),由于氣(qì)液兩相(xiàng)間相互(hù)作用和(hé)兩相界(jiè)面複雜(zá)多變等(děng)原因,人(ren)們應用(yong)渦輪流(liú)量傳感(gan)器測量(liàng)氣液兩(liang)相流的(de)研究還(hái)不多✊。
　　本(ben)文對3台(tái)具有不(bú)同導程(cheng)葉輪的(de)渦輪流(liú)量傳感(gan)器,用來(lái)測量🔞體(ti)積含氣(qì)率低于(yu)10%的水平(ping)氣液兩(liǎng)相泡狀(zhuang)流的特(tè)性進行(háng)了實驗(yan)研究。提(ti)出儀表(biao)系數遷(qian)移量;得(de)出不同(tong)含氣率(lǜ)下傳👨‍❤️‍👨感(gan)器的兩(liang)相流量(liàng)特性曲(qu)線⛷️與儀(yi)表系數(shù)遷移量(liang)曲線;得(dé)出葉輪(lún)導程值(zhi)大小影(yǐng)響着傳(chuan)感器測(ce)量誤差(chà)值的結(jié)論。最後(hou)對體積(ji)含氣🌈率(lü)變化影(yǐng)響渦輪(lun)流量傳(chuán)感器特(te)性的物(wu)理機理(li)以及造(zao)成傳感(gan)器測量(liang)特性改(gǎi)變與誤(wu)🛀🏻差的原(yuan)因進行(hang)了分析(xi)讨論。
2實(shí)驗研究(jiū)
　　氣液兩(liǎng)相流實(shi)驗裝置(zhì)上進行(háng)，裝置見(jiàn)圖1。本實(shí)驗渦輪(lún)流☀️量傳(chuan)感器安(ān)裝位置(zhì)距離引(yǐn)射器出(chū)口1.225m。
 
　　描述(shù)葉輪設(shè)計結構(gòu)的幾何(he)參數有(yǒu)多個,就(jiu)螺旋形(xing)葉片葉(yè)輪🐅而言(yan),主要有(yǒu):葉片數(shu)目Z、葉片(piàn)頂端半(bàn)徑Rt輪毂(gu)半徑Rh、葉(ye)片導程(chéng)L、葉片厚(hòu)度tb、葉片(pian)的倒角(jiao)γ、葉片軸(zhou)向寬度(dù)Lb。對編号(hào)分别爲(wei)1#、2#、3#的三台(tái)50mm口☁️徑渦(wō)輪流量(liàng)傳感器(qi)進行了(le)水平氣(qì)液兩🛀🏻相(xiang)流特性(xìng)實驗,傳(chuan)感器葉(ye)輪幾何(hé)結構參(can)數,除葉(ye)片數目(mu)☂️Z=6倒角γ=90°外(wai),其餘🌈參(can)數見表(biǎo)1。
 
　　實驗時(shi)，測量渦(wō)輪流量(liàng)傳感器(qi)入口處(chù)壓力穩(wen)定後🏃🏻‍♂️的(de)流量🚶、溫(wen)度和壓(ya)力值,通(tōng)過理想(xiang)氣體狀(zhuàng)态方程(chéng)計算得(de)到人口(kou)處工況(kuàng)🙇🏻空氣密(mì)度與氣(qi)相體積(ji)流量。體(ti)積含氣(qì)♻️率由渦(wo)㊙️輪流量(liang)傳感器(qi)人口處(chu)空氣體(ti)積流量(liang)與入口(kou)處總體(tǐ)積流量(liang)Qm計算得(de)到。調節(jie)液相調(diao)節閥,将(jiāng)液相流(liú)🛀🏻量分别(bié)穩定🤩在(zài)12、10.8、6m³/h。然後逐(zhú)漸增大(da)氣相閥(fa)🌈門開度(du)。采用📧精(jing)度高數(shu)據采集(jí)闆卡對(dui)每個流(liu)量點的(de)過程參(cān)數與傳(chuán)感器脈(mò)👣沖輸出(chu)采樣10次(ci),然後取(qu)平均值(zhi)。
3實驗結(jié)果
3.1不同(tóng)體積含(han)氣率下(xià)的流特(te)性曲線(xian)
　　在不同(tóng)體積含(han)氣率下(xia),3台渦輪(lun)流量傳(chuán)感器測(cè)量水平(ping)氣液兩(liǎng)相🙇🏻流的(de)特性曲(qǔ)線見圖(tu)2~4,由圖中(zhong)曲線可(kě)見:
 
(1)在相(xiàng)同含氣(qì)率下，每(mei)台渦輪(lún)流量傳(chuan)感器儀(yí)表系數(shu)曲線均(jun)基本保(bao)持水平(ping),平均儀(yí)表系數(shù)K.和線性(xing)度誤差(chà)δ見表2。
(2)随(suí)體積含(hán)氣率β的(de)增加,3台(tai)渦輪的(de)儀表系(xì)數K均有(you)減小的(de)趨勢。

 
3.2體(ti)積含氣(qì)率與儀(yi)表系數(shu)遷移量(liang)曲線
　　通(tong)常渦輪(lún)流量傳(chuan)感器出(chū)廠用水(shuǐ)标定,測(ce)量氣液(yè)兩相流(liu)時⁉️,如📐果(guo)實際儀(yí)表系數(shu)與出廠(chang)标定值(zhi)偏差越(yue)🌐小,則㊙️測(cè)量❌精度(dù)會越高(gāo)。爲此引(yǐn)入儀表(biǎo)系數遷(qiān)移量K、來(lái)評價渦(wo)輪流量(liang)傳感🥵器(qi)測量氣(qì)液兩相(xiàng)流的性(xing)能，其計(ji)算公式(shi)爲:
 
　　式中(zhong):K0爲渦輪(lún)流量傳(chuan)感器用(yong)單相水(shuǐ)流量标(biāo)定得出(chū)的儀表(biǎo)系數。Kv随(suí)β變化曲(qu)線見圖(tu)5。由圖5可(ke)見:随着(zhe)β的增加(jiā),3台傳感(gǎn)器的Kv值(zhí)均增加(jia);在相同(tóng)含氣率(lǜ)下,2#傳感(gǎn)器❄️的K,值(zhi)最小，1#傳(chuan)感器的(de)K,值最大(da),3#傳感器(qi)的K,值介(jiè)于1#與2#之(zhī)間。
 
3.3儀表(biao)系數随(sui)混合密(mi)度變化(hua)的曲線(xian)
　　混合密(mì)度采用(yòng)流動密(mì)度計算(suàn)方法,即(jí)ρm=pvβ+ρ1(1-β)。Pg爲氣體(ti)密度,ρt爲(wèi)水密度(du)。Kv随pm變化(hua)曲線見(jiàn)圖6。
3.4不同(tong)含氣率(lü)下傳感(gan)器的重(zhong)複性誤(wù)差
　　按照(zhào)渦輪流(liu)量傳感(gǎn)器檢定(dìng)規程(81計(ji)算不同(tóng)體積含(hán)氣率下(xià)3台傳感(gǎn)器的重(zhong)複性誤(wù)差,見表(biao)3。由表中(zhōng)數據可(ke)知:在兩(liǎng)相體積(jī)流量近(jin)似相等(deng)的情況(kuàng)下，重複(fu)性誤差(chà)的大小(xiǎo)明顯受(shòu)含❓氣率(lǜ)多少的(de)影響,随(sui)着含氣(qì)率的增(zēng)加,重複(fu)性誤差(cha)明顯增(zēng)🈚大;對于(yú)每🏃‍♀️台傳(chuán)感器,在(zài)相同含(hán)氣率下(xià),兩相混(hun)合體積(ji)流量Qm越(yuè)大,重複(fu)性🚶誤差(cha)越小。
 
3.5實(shí)驗結論(lùn)
　　由圖5和(hé)圖6曲線(xian)可得出(chū)初步結(jié)論:2#傳感(gan)器K,值小(xiao)于1#與3#傳(chuán)感器;由(yóu)表3數據(ju)可得到(dao)初步結(jie)論:在含(han)氣率相(xiàng)同📧時,随(sui)着氣液(yè)兩🏃‍♂️相流(liú)量的降(jiàng)低，傳感(gǎn)器重複(fu)性誤差(cha)增大;在(zài)㊙️相同流(liú)體條件(jian)🔆下,2#傳感(gǎn)🌈器測量(liang)重複性(xing)誤差優(yōu)于1#與3#傳(chuán)感器的(de)重複性(xìng)誤差。
4誤(wu)差原因(yin)的機理(lǐ)分析
　　葉(yè)輪受力(li)分析見(jian)圖7,u爲來(lái)流速度(dù),Ɩ爲葉片(piàn)長度,ω爲(wèi)葉輪旋(xuán)轉角速(sù)度。Fa、F1分别(bié)爲流體(tǐ)對葉輪(lún)的軸向(xiang)力和圓(yuán)周力,FR爲(wèi)二者的(de)合力;Fg、Fy分(fèn)别🔞爲FR在(zai)與葉片(pian)平行方(fāng)向上的(de)分量和(hé)與葉片(pian)垂直方(fāng)向上的(de)分量,稱(chēng)Fs爲葉輪(lun)阻力,Fy爲(wèi)葉輪升(shēng)力。
　　由于(yu)渦輪流(liu)量傳感(gǎn)器的葉(yè)輪在穩(wěn)定工作(zuo)條件下(xia)滿足👣力(lì)矩平🔞衡(héng)方程,其(qi)特性曲(qu)線受流(liu)體密度(dù)的影🐪響(xiǎng)。混合流(liú)體密度(dù)随着含(han)氣率的(de)增加而(ér)減小，使(shi)流體産(chǎn)生驅動(dong)葉輪旋(xuan)轉💋的升(shēng)力💚(Fy)矩減(jian)小📞,葉輪(lun)轉速降(jiang)低,儀表(biǎo)系數降(jiàng)低。這是(shi)導緻傳(chuan)感器儀(yi)表系數(shu)遷移✂️量(liang)增大的(de)一個原(yuán)因。
 
　　當氣(qi)液兩相(xiang)泡狀流(liú)經過葉(ye)輪時，氣(qì)泡被葉(ye)片剪切(qie)成微小(xiǎo)氣泡🚩,在(zai)旋轉離(lí)心力的(de)作用下(xià),這些小(xiao)氣泡聚(jù)集在葉(ye)片的吸(xī)力面側(cè)[9]，形成一(yī)個氣泡(pào)聚集區(qu)。聚集區(qū)中的氣(qi)泡對流(liu)體😘的流(liu)動起阻(zǔ)礙作用(yong),根據作(zuò)用力與(yǔ)反🐆作用(yong)力的關(guān)系,相當(dāng)于增加(jia)了流體(ti)對葉片(pian)在平行(háng)葉片方(fāng)向上的(de)🙇🏻作用力(lì),F。相比沒(mei)有氣泡(pào)時有所(suǒ)增加,即(jí)變爲Fs',葉(yè)輪升力(lì)Fy與Fs'的合(he)力爲FR',其(qí)圓周方(fang)向分量(liang)爲Ft',Ft'與Ft相(xiang)比有所(suo)減小。所(suǒ)以,葉輪(lún)轉速有(you)所降低(di),即葉輪(lún)的旋轉(zhuan)效應被(bèi)減弱。當(dāng)含氣率(lü)增加時(shi)，氣泡聚(jù)集區💛内(nei)的氣泡(pao)增加,對(duì)葉輪的(de)阻力增(zēng)大,對葉(yè)輪旋轉(zhuan)效應減(jian)弱的效(xiao)果增強(qiáng)，使葉輪(lún)轉✌️速降(jiàng)低,傳🌈感(gan)器儀表(biao)系數降(jiàng)低。這是(shi)導緻傳(chuan)感器儀(yi)表系數(shu)遷🧑🏽‍🤝‍🧑🏻移量(liàng)🔴增大的(de)另-一個(gè)原因💚。
 
　　根(gēn)據速度(du)剖面理(li)論,氣液(ye)兩相流(liú)水平流(liu)經管道(dao)時，氣液(ye)兩相速(sù)度剖面(mian)已不再(zài)象單相(xiàng)時速度(dù)剖面那(nà)🐉樣對稱(cheng)分布于(yu)管道内(nei)部👣，兩相(xiang)流中的(de)部分氣(qi)泡在浮(fú)力的作(zuo)用下🔴運(yun)動到管(guan)道上方(fāng)，管道💔上(shàng)部由于(yu)氣泡的(de)存在增(zeng)強了脈(mo)動速度(du)與瑞流(liú)強度10)。在(zài)含氣率(lü)近似相(xiàng)同時,這(zhè)種由于(yú)氣泡的(de)存在引(yǐn)⭐起的脈(mò)動速🆚度(du)與湍流(liú)強度🐅增(zeng)強的程(chéng)度,受兩(liang)相流體(ti)速度的(de)影🥵響,即(jí)在含氣(qi)率相同(tong)時,兩相(xiàng)流體速(sù)度越小(xiǎo)，氣泡的(de)💔存在引(yǐn)起的脈(mò)動速♍度(du)與湍流(liú)強度越(yue)強，這也(ye)最終🈲加(jia)劇了氣(qi)液兩相(xiang)速度剖(pōu)面不對(dui)稱的程(chéng)度。由于(yu)渦❤️輪流(liú)量傳感(gǎn)器對來(lái)流的速(sù)度剖面(mian)比較敏(min)感,氣泡(pao)❌的存在(zai)引起的(de)脈動速(sù)度以及(jí)來流速(su)度剖面(mian)的不對(dui)稱導緻(zhi)葉輪的(de)每個葉(yè)📞片所受(shòu)🌏到的升(shēng)力Fy與阻(zu)力Fs存在(zai)差異,這(zhè)種差異(yi)使旋轉(zhuan)的葉✌️輪(lún)在某🚩轉(zhuǎn)速附近(jin)産生波(bo)動,最終(zhong)導緻傳(chuan)感器重(zhòng)複性誤(wu)差的增(zeng)大。這🧑🏾‍🤝‍🧑🏼就(jiù)是同--傳(chuan)感器在(zài)相同含(han)氣率下(xia),其重複(fú)性誤差(chà)随來流(liu)的體積(ji)流量的(de)減小而(ér)增大的(de)原因👉。
　　對(duì)于導程(cheng)小、安裝(zhuang)角大的(de)葉片來(lái)說,在相(xiang)同條件(jiàn)流體📱的(de)沖擊下(xia),其葉輪(lun)升力F,矩(ju)大于大(dà)導程葉(ye)輪升力(li)矩,其葉(ye)輪旋轉(zhuan)速度更(geng)快,其葉(ye)輪的陀(tuo)螺效應(yīng)相對更(geng)強,抵🐇抗(kàng)由于氣(qi)泡存🔅在(zài)引起的(de)脈動速(sù)度和來(lai)流速度(dù)剖面的(de)不對稱(chēng)♍導緻葉(yè)輪的轉(zhuan)動速度(du)産生波(bō)💋動的能(néng)力更強(qiáng)一些。這(zhe)就是2#傳(chuan)感器儀(yi)表系數(shù)遷移量(liàng)以及重(zhòng)複性誤(wù)差優于(yu)1#與3#傳🏃‍♂️感(gan)器的原(yuán)因。
5結論(lun)
　　對3台具(jù)有不同(tong)導程葉(yè)輪的50mm口(kǒu)徑渦輪(lun)流量傳(chuan)感器🈲進(jìn)🐇行🚶‍♀️了含(hán)㊙️氣✂️率爲(wei)0%~9.8%的水平(píng)氣液兩(liǎng)相流實(shi)驗,由傳(chuán)感器特(te)性曲線(xiàn)分析及(ji)誤差分(fen)析可以(yǐ)得到以(yǐ)下結論(lun)🙇‍♀️:
(1)渦輪流(liu)量傳感(gan)器測量(liàng)氣液兩(liǎng)相流時(shí),與測量(liang)單相🈲水(shuǐ)流量相(xiàng)比🌐其儀(yí)表系數(shu)遷移量(liang)随體積(ji)含氣率(lǜ)的😍增加(jiā)而逐漸(jiàn)增加。其(qi)原因是(shì):随含氣(qì)率的增(zēng)加,混合(hé)流體密(mi)度減小(xiǎo),流體驅(qu)動葉輪(lun)⁉️旋轉的(de)力矩減(jiǎn)小;同時(shí),随含氣(qì)率增加(jiā),氣泡聚(jù)集區内(nèi)的氣泡(pào)增加,對(duì)葉輪的(de)阻力增(zēng)大,葉輪(lun)旋轉🈚效(xiào)應減弱(ruo)。從而葉(ye)輪轉速(su)和傳感(gan)器儀表(biao)系數降(jiàng)低。
(2)在相(xiàng)同含氣(qì)率下,兩(liǎng)相體積(jī)流量越(yuè)小，渦輪(lún)流量傳(chuan)感器的(de)重複性(xing)誤差越(yue)大。其原(yuan)因是:由(yóu)于渦輪(lún)流量♊傳(chuan)感器對(duì)來流💁的(de)速度剖(pōu)面比較(jiào)敏感,氣(qi)泡的存(cún)在引起(qǐ)的脈動(dòng)速度以(yi)及來流(liu)速度剖(pou)面的不(bú)對稱導(dao)緻葉輪(lun)的每個(gè)葉片所(suǒ)受到的(de)🈲升力與(yu)阻力存(cun)在差異(yi)，這種差(chà)異使旋(xuan)轉的葉(ye)輪在某(mǒu)轉速💛附(fù)近産生(shēng)波🔴動。
(3)具(ju)有小導(dǎo)程、大安(an)裝角葉(yè)輪的2#渦(wo)輪流量(liang)傳感器(qi)的儀表(biǎo)系數遷(qiān)移量與(yǔ)重複性(xìng)誤差優(yōu)于1#與3#傳(chuan)感器.在(zai)相同條(tiáo)件⭕流體(tǐ)的沖擊(jī)下,測量(liang)精度受(shòu)氣液兩(liǎng)相流中(zhōng)的氣相(xiàng)影響的(de)程度相(xiang)對小一(yi)些。

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