摘要:針對電磁流(liú)量計 測量氣液兩(liǎng)相流時測量精度(dù)和穩定性易受流(liu)型影響的☔問題,提(tí)出了一種管内相(xiang)分隔狀态下基于(yu)電磁🔴流量計的氣(qì)液兩相流測量方(fang)法。利用旋流器将(jiang)不規則的兩🚶相流(liú)入🥵口流型整形成(chéng)氣芯-水環的對稱(chēng)型環狀流,保證了(le)權函數✨的有序分(fèn)布,并引入空隙率(lü)修正了電磁流量(liàng)計測量模型,提高(gāo)了電磁流量計的(de)測量精度。利用空(kong)氣-水兩相流爲介(jiè)質,通過室内實📞驗(yàn)對該💋測量方法進(jin)行了驗證,結果表(biǎo)明,在💔管内相分隔(ge)狀态下,電磁流量(liang)計的液相測量相(xiàng)對誤差在±5%以内。研(yan)究結果爲工業生(sheng)産中的氣液兩相(xiàng)測量提供了一🌂種(zhong)很好的思路和方(fang)法,具有良好‼️的應(yīng)用價值。
　　在工業應(ying)用中,兩相流流量(liang)測量對于實際工(gōng)程應用具有🌈重要(yào)作用，如石油鑽采(cǎi)工程、石油化工、熱(rè)電聯供等輸送及(ji)分配💞過程中都存(cun)在氣液兩相流測(cè)量問題。早期曾對(duì)氣液兩相流的測(ce)量進行了廣泛🛀研(yán)究,但由于氣液兩(liang)相流型的複雜性(xìng)及多變性,至🐪今仍(réng)無廣泛認可的氣(qì)液兩相流在線👌測(ce)量技術中。
　　多相流(liu)動體系通常是由(you)兩種或兩種以上(shàng)互不相💛溶.的介質(zhi)組成的,具有明顯(xian)相界面的混合物(wu)流動。本研🏃‍♀️究的氣(qì)液兩相流研究對(duì)象分别是空氣和(he)水，在流動🤟過程中(zhōng),由于存在不同流(liu)型及流态的複雜(zá)變化,兩相流各種(zhǒng)參數的測量都變(bian)得極爲困難。因💋此(ci)，準确描述并.識别(bie)流型對于兩相流(liu)量測量具有💋重要(yào)的意義🚩。由于主要(yao)研究的💰是水平管(guan)内的氣液兩相流(liu)流型,在前人的研(yán)究基礎之上,對水(shuǐ)平管内流型進行(hang)了總結和分析,得(de)到水平管内的氣(qi)液兩相流流型主(zhǔ)要爲細泡✌️狀流動(dòng)、彈狀流動、分層流(liú)動、波狀分層流、塞(sāi)狀流以及環狀流(liú)等[3-]。
　　自20世紀以來,氣(qì)液兩相在線測量(liang)一直是工業生産(chǎn)過程中迫🥵切⁉️需要(yào)解決的難題，同時(shi)研發了大量适用(yòng)于工業環境中的(de)兩相測量技術。根(gen)據在測量過程中(zhōng)兩相流是否進行(háng)✨分離而分爲分👣離(li)法和非分離法。分(fèn)離法是将流動的(de)混合物分爲以氣(qi)體爲主和以液體(tǐ)爲主的流動，然後(hòu)進行單相測量.包(bao)括重力分離器和(hé)導流器等,其優點(dian)爲把兩相流體流(liu)量測量轉化成了(le)單相流體的流量(liàng)測量,測量精度高(gao)、範圍寬、不受氣液(ye)兩🆚相流型變化影(ying)響🌈,缺點則爲分離(lí)設備體積大、價格(ge)貴、需要建站,增加(jia)了測量💰成本。非分(fen)離法的典型是基(jī)于相同原理的測(cè)量系統進行組合(he)測量,以及中子射(she)線✨和文丘裏管的(de)組合方式，優點爲(wèi)能夠實時測量兩(liang)相流體的流量及(ji)相持率等參數💯,體(tǐ)積小、測量速度快(kuài)，缺點爲✨測🔴量的流(liu)量及各相持率精(jing)度偏低,适用工況(kuang)受限,需重複标定(dìng)[5-6]。
　　電磁流量計廣泛(fan)應用于單相流體(ti)的流量測量。電磁(ci)流量計🐕是利用法(fǎ)拉第電磁感應定(ding)律原理測量導電(diàn)液體的體積流💃🏻量(liang)的儀表。其優點是(shi)可測流量✊範圍大(dà),流量範圍比值一(yi)般爲20:1以上。适用工(gong)業管徑範圍.寬,最(zui)大可達3m,精🈲度較高(gao),可㊙️測量水、污水、腐(fǔ)蝕性🏃🏻‍♂️液體等流體(ti)㊙️流量,不受壓力、密(mi)度、溫度和其他物(wu)理❤️參數的影響。因(yīn)此,采用電磁流量(liang)計測量連續相爲(wei)導電性的兩相流(liú)的特性🈲成爲研究(jiū)的熱門。
　　國際及國(guo)内雖然對電磁流(liú)量計在兩相流中(zhong)的應用進行了🌏大(da)量的理論分析和(hé)數值模拟，但是針(zhen)對水平管内非導(dao)電相❄️在空間位置(zhì)分布對電磁流量(liang)計的測量精度等(deng)還未🏒進行詳🤟細地(di)研究。水平管内非(fēi)導電性的空間分(fen)布受重力、流體物(wù)性等影響嚴重,進(jìn)而影響了流量計(ji)的正确測量。近年(nián)來,相關學者提出(chu)的相分隔方法12-15]通(tōng)過對兩相混合物(wù)施加側㊙️向力,将兩(liang)相隔離到管内的(de)相應空間,流動過(guo)程中兩相之間維(wei)持非常👅清晰界面(miàn),這将有😍利于電磁(cí)流量測量兩相流(liu)參數。因此，如果非(fēi)導電相能在兩相(xiang)流中均勻對稱分(fèn)布,電磁流量計測(cè)量将爲兩相流量(liàng)測量提供--種有前(qian)途的解決方案。同(tong)時，在将兩相隔離(lí)到管内的相應空(kong)間,流動過程中兩(liang)相之間維持非常(chang)清晰界面的過程(cheng)中,采用拍攝及圖(tú)像處理☎️技術可以(yi)實現空隙率的測(cè)量。目前,基于圖像(xiang)處理🐇技術已進行(háng)了大量的研究[16-18]，尤(yóu)其适用💚于檢測氣(qi)液📐界面。
　　本研究采(cǎi)用相分隔法組合(he)電磁流量計測量(liang)氣液兩相流量及(ji)☀️相持率。在相分隔(ge)方法中,采用了旋(xuán)流❄️器産生離心力(li),将氣液兩相不同(tong)的人口流型轉變(bian)♍爲旋流核心環空(kong)流,由👨‍❤️‍👨于其界🔱面清(qīng)晰❓光滑,非常有利(li)于圖像處理法來(lai)測量空隙率。采用(yong)實驗分析的方式(shi)研究并驗證了電(diàn)磁流量計的兩相(xiang)流工作特性。
1測量(liàng)原理
1.1管内相分隔(gé)技術.
　　利用管道中(zhōng)的相分隔技術進(jìn)行整流,可以極大(da)地方便電磁流🌈量(liàng)及空隙率測量的(de)開展，創造了理想(xiǎng)的測🌍.量條件,有利(lì)于👅提高測量的正(zhèng)确性。通過管内相(xiang)分隔，使兩相流體(ti)在各種流型下統(tǒng)--轉變成兩束在管(guǎn)内并行流動的單(dan)相流體,兩相之間(jiān)具有相對清晰的(de)分界面,并能維持(chi)足夠長的距離，如(ru)圖1所示❓。與分離不(bú)同,相🏃‍♂️分隔技術并(bing)非将兩相分“離”後(hòu)各自單獨流動,而(er)是通過--系列技術(shu)僅将兩相分“隔”并(bìng)未分“離”,兩相依然(rán)同時❓在一個管内(nei)流動,但🧑🏾‍🤝‍🧑🏼是徹底改(gǎi)變了兩相流原有(you)相分🌈布和速度分(fèn)布的多樣性和💋随(suí)機性,使兩相流✍️在(zai)管内即可保持有(you)“秩序"的流動,極大(da)地方便了兩相流(liu)各個參.數的測量(liàng)。

1.2氣液兩相流相分(fen)隔狀态下電磁流(liu)量計測量原理
　　電(dian)磁流量通常用于(yú)測量單相導電流(liu)體,計算公式見式(shì)(1)

　　式中:U爲兩電極間(jiān)的電位差(與液體(tǐ)的導電性、黏度和(he)壓，力👅無關),V;B爲磁通(tōng)強度,T;b爲導電相半(ban)徑,m;Qr爲導電液體的(de)體積流量💚,m3/s。
　　對于含(hán)有少量非導電介(jiè)質(如氣體或油等(děng))構成的💛導電㊙️流體(ti)㊙️,電磁流量計仍能(neng)繼續工作。
　　考慮了(le)導電相沿管壁在(zai)環形區域流動,絕(jué)緣相在同軸☀️芯區(qu)流動時,采用電磁(ci)流量測量原理,計(ji)算公式見式(2)

式中(zhōng):a爲不導電相半徑(jìng),m;α爲絕緣相的空隙(xì)率,%。
　　在電磁流量計(ji)的上遊,通過圖2所(suǒ)示的旋流器實現(xian)相分隔。旋流器由(you)4片沿周向均布的(de)導流片構成，每🔱個(gè)導流片♻️平面與管(guan)道橫截面呈現一(yi)定夾角
　　通過研究(jiū)發現,這種結構的(de)旋流器更有利于(yú)相分隔的形成，它(tā)🏃使流體通過改變(bian)流動方向産生切(qiē)向速度💯,從而✍️産生(shēng)離心力。在離心力(li)的作用下,氣體一(yī)般以連續氣柱的(de)形式集中在管中(zhōng)心，周圍爲連續液(yè)相,液相呈環形流(liu)‼️動,形成旋流核心(xīn)環狀流管内相分(fèn)隔後電磁流量測(cè)量原理如圖3所示(shi)。

　　理論，上，如(rú)果切向速度軸對(dui)稱且不衰減,切向(xiàng)速度🈲不🐆影響✉️電🎯極(ji).上的電勢，則切向(xiàng)速度不會影響電(dian)磁流量計的輸出(chū)💋,式(2)也适用于旋轉(zhuǎn)核心環形。因此，環(huán)狀流中🐪使用電磁(cí)流量計測量流量(liàng)的計算式見式(3)

式(shì)中:Q爲流體總的體(tǐ)積流量,m2/s。
2實驗裝置(zhi)和方法
　　實驗在空(kōng)氣-水兩相流實驗(yàn)回路中進行,以驗(yàn)證所提出💛的測量(liàng)方法的可行性。實(shi)驗環路及實驗段(duan)布❄️置如圖4所示，在(zai)實驗段安裝了旋(xuan)流器和電磁流量(liang)計 。

利用圖像處理(li)技術，提取環狀流(liú)的相界面，進而計(ji)算空隙❌率,圖像采(cai)集原理如圖5所示(shì)。圖像采集過程中(zhōng),采用背光光源照(zhào)射法,使用高速攝(she)像儀采集照片，高(gao)速攝像儀型号爲(wèi)NACMEMRECAMfxK3,像素爲480×640。在每種工(gong)況下,以500Hz的頻率采(cai)集2s,共1000張照片取氣(qì)柱直徑平均值作(zuò)爲計算🐅截面相含(han)率的值。本研究采(cǎi)用相分離法實現(xian)的旋流核心環空(kong)流動中氣液界面(miàn)清晰光滑(結構見(jiàn)圖6),從而降低了圖(tú)像處理的難度并(bing)減✂️小了空隙率的(de)測⭐量誤差。

3實驗結(jié)果與分析
3.1實驗流(liu)型觀察
針對氣液(ye)兩相來流分别爲(wei)細泡狀流、塞狀流(liu)和彈狀🔆流時，實驗(yàn)過程中觀察了旋(xuán)流器上下遊流型(xíng)的演變，旋流器前(qián)後的流型變化如(ru)圖7所示。從圖7可以(yi)看出,在各人口流(liu)型下,都可以形成(chéng)旋流核心環空流(liú)動結構。當入口流(liú)🛀型爲細泡狀流時(shí),旋流器下遊的氣(qì)柱直徑保持相對(dui)穩定值;當人口流(liú)型爲塞狀流時,旋(xuán)流器㊙️下遊的氣柱(zhu)直徑保持相對穩(wěn)定👅,與細泡狀流區(qū)别不大;當人口流(liu)型爲彈狀流時,由(yóu)于截面内氣量的(de)劇烈變化導緻旋(xuan)流後氣⭐柱⛱️直徑随(suí)氣♻️體體積的增大(da)而增大，但界面🍓仍(réng)然清晰。

3.2旋流核心(xīn)環空流動的空隙(xi)率
螺旋流狀态下(xia),截面相含率與直(zhí)線流相比會發生(sheng)變化,進而使✍️得兩(liǎng)者之間的液流速(sù)度也會不同。圖📞8示(shi)出了在相同的氣(qì)液進口流量下,直(zhi)流環狀流和旋流(liú)環狀流之間空隙(xì)😄率的變化。從圖8可(ke)以看出，在旋流作(zuò)用下,會使得空隙(xì)率的變化範圍🌂減(jiǎn)小。在彈狀流來流(liu)時,旋流使得空隙(xì)率減小，而對于塞(sai)狀流和細泡狀流(liú),旋流會使得空隙(xi)率變大。
3.3液體流量(liàng)測量
爲了研究旋(xuán)轉環狀流下電磁(cí)流量計測量精度(dù),引人了相對誤差(cha),定義爲:

式中:ε爲相(xiang)對誤差,%;Dmea爲液體體(ti)積流量測量值,m3/h;Dref爲(wei)液體🌈體積🐇流量參(cān)比值,m3/h。

爲了正确多(duo)次測量下電磁流(liu)量計測量精度,引(yin)入了🚶平🧡均全局相(xiang)對誤差,定義爲:

式(shì)中:εave爲平均全局相(xiang)對誤差,%;N爲取樣個(gè)數。
圖9顯示了不同(tóng)空隙率流量測量(liang)的相對誤差。由圖(tú)㊙️9可以看出🤩,測量誤(wu)差随着空隙率增(zēng)加而增加,且具有(you)很強的規律性。導(dǎo)緻這種現象的原(yuan)因可能是因爲與(yu)單相流相💃🏻比，旋轉(zhuǎn)環狀流中存在🌐不(bu)導電氣芯,使導電(diàn)相流通截面🙇‍♀️發生(shēng)改變,由單相流中(zhong)的圓形變爲兩相(xiang)流✉️中的環形，造成(cheng)儀表常數發生改(gai)變。由圖9還可看出(chu),通過關于截面相(xiàng)📞含率的校正，可得(de)到更精确的👌測量(liang)值計算式👉如下:

圖(tu)10爲按照圖9的拟合(hé)曲線校正後的測(cè)量結果圖。由💃圖10可(kě)以看♉出,測量值與(yu)參比值吻合良好(hǎo)。相對誤差最大不(bú)超過士5%，平均誤差(cha)🔆爲1.1%。綜上所述，可以(yǐ)利用電磁流量計(ji)測量旋轉環狀流(liú)中的液體流量。

4結(jie)論與認識
本研究(jiū)以氣液兩相流爲(wèi)研究對象，提出了(le)一種管内相分隔(ge)技術與電磁流量(liang)計相結合的水平(ping)管内流量測.量新(xīn)方法,該方法對于(yú)指導生産實踐具(ju)有重大的意義。
(1)從(cong)理論上分析了管(guǎn)内相分隔與電磁(cí)流量計組合測量(liang)🌂兩🌐相流中連續導(dǎo)電相流量的方法(fa),采用空氣-水兩🌈相(xiàng)流實驗驗證了該(gai)方法在一-定範圍(wéi)内可正确測量✍️出(chu).連續導電相的流(liú)量,具有實用價值(zhi)。
(2)針對兩相流不穩(wěn)定流的特點,采用(yong)旋流片作爲管内(nèi)🤟相分隔🏃‍♀️裝置,實驗(yàn)觀察了旋流器前(qian)後的流型變化，即(jí)将管内細泡狀🙇🏻流(liú)、塞🈲狀流和彈狀流(liú)整流成單--穩定的(de)環狀流:密度較小(xiao)的氣相集中于管(guan)道中心，而密度較(jiào)大的液相則圍繞(rào)氣相和管壁形成(cheng)環狀🐕體,氣液相之(zhī)間界面清晰,形成(cheng)管内相分隔狀态(tai)，爲✌️後續圖像處理(li)測量空隙率提供(gong)條件。
(3)針對含有少(shǎo)量氣體的連續水(shui)相導電流體，引入(rù)空隙率修正了電(dian)磁流量計公式,建(jiàn)立了液相流量測(ce)量模💋型爲了驗證(zhèng)該方法的可行性(xìng),在不同的氣液⛱️流(liú)量範圍内進行了(le)一系列實驗,在管(guan)内相分隔狀态下(xia),利用電磁流量計(ji)的液相測量相對(dui)誤差在士5%以内.

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