摘要(yao):在氣液(ye)兩相流(liú)實驗裝(zhuāng)置上,對(dui)3台具有(yǒu)不同導(dao)程葉輪(lun)的渦輪(lun)流量傳(chuan)感器 測(ce)水平氣(qi)液兩相(xiang)泡狀流(liú)的特性(xing)進行了(le)實驗研(yan)究。發✨現(xian)随着體(ti)積含氣(qì)率的變(bian)化,3台傳(chuan)感器的(de)流量特(te)性曲線(xian)、儀表系(xi)數遷移(yi)量、重複(fu)性誤差(cha)均會發(fā)生明🔞顯(xian)變化💜。具(ju)有較小(xiǎo)導程葉(ye)輪的🔴傳(chuán)感器,其(qi)性能優(you)于其它(tā)兩台傳(chuan)感器。對(dui)造成渦(wō)輪流量(liang)傳感器(qì)測量特(tè)🛀性改變(bian)與誤差(cha)的原因(yīn)進行了(le)分析讨(tao)論,并對(dui)體積✂️含(hán)氣率變(biàn)化影響(xiǎng)渦輪流(liú)量傳感(gǎn)器特性(xing)的物理(lǐ)機理進(jìn)行了分(fen)析。
1引言(yan)
　　以往人(rén)們對渦(wo)輪流量(liàng)傳感器(qi)的研究(jiū)多集中(zhōng)于單相(xiàng)流動條(tiáo)🚶件下的(de)實驗及(ji)理論研(yán)究。但在(zai)氣液兩(liang)相流動(dong)條件🥰下(xià),由于氣(qi)液兩相(xiang)間相互(hu)作用和(hé)兩相界(jiè)😘面複雜(za)☎️多變等(deng)♊原因,人(ren)♻️們應用(yòng)渦輪流(liú)量傳感(gǎn)器測量(liàng)氣液兩(liǎng)相流的(de)研究還(hái)不多。
　　本(běn)文對3台(tai)具有不(bú)同導程(cheng)葉輪的(de)渦輪流(liú)量傳感(gan)器,用☀️來(lai)測✉️量體(tǐ)積含氣(qì)率低于(yú)10%的水平(ping)氣液兩(liǎng)相泡狀(zhuang)流的特(te)性進行(hang)了實驗(yan)研究。提(ti)出儀表(biao)系數遷(qian)移量;得(dé)出不同(tong)含氣率(lü)下傳感(gǎn)器的兩(liǎng)相流量(liàng)特性曲(qu)線與儀(yi)表系數(shu)遷移量(liang)曲線;得(de)出葉輪(lun)導程值(zhi)大小影(yǐng)響着傳(chuan)感器測(cè)量誤差(chà)值♋的結(jie)論。最後(hòu)🐉對體積(jī)含氣率(lü)變化影(ying)響✂️渦輪(lun)流量傳(chuan)感器特(tè)性的物(wu)理機理(lǐ)以及造(zào)成傳⚽感(gan)器測量(liàng)特性改(gǎi)變與誤(wu)差的原(yuán)因進行(hang)了🐅分析(xī)讨論。
2實(shi)驗研究(jiū)
　　氣液兩(liang)相流實(shi)驗裝置(zhi)上進行(háng)，裝置見(jiàn)圖1。本實(shí)驗渦輪(lun)流量傳(chuán)感器安(ān)裝位置(zhi)距離引(yǐn)射器出(chu)口1.225m。
 
　　描述(shu)葉輪設(shè)計結構(gou)的幾何(he)參數有(yǒu)多個,就(jiu)螺旋形(xíng)💃🏻葉片葉(yè)輪而言(yán),主要有(yǒu):葉片數(shu)目Z、葉片(pian)頂端半(ban)徑Rt輪毂(gū)半徑Rh、葉(yè)片導程(cheng)L、葉片厚(hòu)度tb、葉片(pian)的倒角(jiǎo)γ、葉片軸(zhóu)向寬度(du)Lb。對📞編号(hao)分别爲(wei)1#、2#、3#的三台(tái)50mm口徑渦(wō)輪流量(liang)傳感器(qi)進行了(le)水平氣(qi)液兩相(xiang)流特性(xìng)實驗,傳(chuán)感器葉(yè)輪幾何(he)結構參(can)數,除葉(ye)片數目(mu)Z=6倒角γ=90°外(wài),其餘參(cān)數見表(biǎo)1。
 
　　實驗時(shí)，測量渦(wō)輪流量(liang)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(zhuang)态方程(chéng)計💰算得(de)到人口(kou)處工況(kuang)空氣⚽密(mì)度與氣(qi)相體積(ji)流量。體(ti)積含氣(qi)率由渦(wo)🈲輪流量(liàng)傳感器(qi)人口處(chu)空氣體(tǐ)積流量(liang)與入口(kou)處總體(ti)積流量(liàng)Qm計算得(de)到。調節(jiē)液相調(diào)節閥,将(jiang)液相流(liu)量分别(bié)穩定💛在(zai)12、10.8、6m³/h。然後逐(zhu)漸🚩增大(da)氣相閥(fá)🚶‍♀️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(can)數與傳(chuan)感器脈(mò)沖輸出(chū)采樣10次(ci),然後取(qu)平🐇均值(zhí)。
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(lún)流量傳(chuan)感器測(cè)量水平(píng)氣液✊兩(liang)相流的(de)特性曲(qu)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(měi)台渦輪(lun)流量傳(chuan)感器儀(yí)表系數(shù)曲線均(jun)基本保(bǎo)持水平(ping),平均儀(yí)表系數(shu)K.和線性(xìng)度誤差(cha)δ見🙇🏻表2。
(2)随(sui)體積含(han)氣率β的(de)增加,3台(tái)渦輪的(de)儀表系(xì)數K均有(yǒu)減小的(de)趨勢。

 
3.2體(ti)積含氣(qì)率與儀(yi)表系數(shù)遷移量(liàng)曲線
　　通(tong)常渦輪(lún)流量傳(chuan)感器出(chū)廠用水(shui)标定,測(ce)量氣液(yè)兩相流(liu)時,如果(guǒ)🏃實際儀(yí)表系數(shù)與出廠(chǎng)标定值(zhí)偏差越(yuè)小,則測(cè)量精度(du)👄會越高(gāo)。爲此引(yǐn)入儀表(biǎo)系數遷(qian)移量K、來(lái)評價渦(wo)輪流量(liàng)傳感器(qì)測量氣(qi)液兩🔱相(xiàng)流的性(xìng)能，其計(jì)算公式(shì)爲:
 
　　式中(zhong):K0爲渦輪(lún)流量傳(chuan)感器用(yong)單相水(shuǐ)流量标(biao)定得出(chū)的儀表(biao)系數。Kv随(sui)β變化曲(qu)線見圖(tú)5。由圖5可(ke)見:随着(zhe)β的增加(jia),3台傳感(gan)🌈器的Kv值(zhi)均🈲增加(jia);在相同(tong)含氣率(lǜ)下,2#傳感(gan)器的K,值(zhi)最小，1#傳(chuan)感器的(de)K,值最大(dà),3#傳感器(qi)的K,值介(jiè)于1#與2#之(zhi)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(suan)方法,即(ji)ρm=pvβ+ρ1(1-β)。Pg爲氣體(ti)密度,ρt爲(wei)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(gǎn)器的重(zhòng)複性誤(wù)差
　　按照(zhào)渦輪流(liu)量傳感(gan)器檢定(ding)規程(81計(jì)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(biǎo)3。由表中(zhōng)數據可(ke)知🌈:在兩(liǎng)相體積(ji)流量近(jìn)似相等(děng)的情況(kuang)下，重複(fú)性誤差(cha)的大小(xiao)明顯受(shou)含氣率(lǜ)多少的(de)影響,随(sui)着含氣(qi)率的增(zeng)加,重複(fú)性誤差(chà)明顯增(zeng)大;對于(yú)每👅台傳(chuán)感器✌️,在(zai)相同含(hán)氣率下(xia),兩相混(hun)合體積(ji)流量Qm越(yuè)大,重複(fu)性誤差(chà)越小。
 
3.5實(shi)驗結論(lùn)
　　由圖5和(he)圖6曲線(xiàn)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(jù)可得到(dao)初步結(jie)論:在含(hán)氣率相(xiang)同時,随(suí)👣着氣液(yè)兩相流(liu)量的😍降(jiang)低，傳感(gǎn)器重複(fú)性誤差(chà)增大;在(zai)相同流(liu)體條件(jiàn)下,2#傳感(gǎn)器測量(liang)重複性(xìng)誤差優(yōu)于1#與3#傳(chuan)感器的(de)重複性(xìng)誤差。
4誤(wu)差原因(yin)的機理(lǐ)分析
　　葉(ye)輪受力(lì)分析見(jiàn)圖7,u爲來(lai)流速度(dù),Ɩ爲葉片(pian)長度,ω爲(wei)葉輪旋(xuán)☔轉角速(su)🍉度。Fa、F1分别(bie)爲流體(ti)對葉輪(lun)的軸向(xiàng)力和圓(yuan)周力,FR爲(wèi)二者的(de)合力;Fg、Fy分(fen)别爲FR在(zai)與葉片(pian)平行方(fang)向上的(de)分量和(hé)與葉片(pian)垂直方(fang)向上的(de)分量,稱(chēng)Fs爲葉輪(lún)阻力,Fy爲(wei)葉輪升(shēng)力。
　　由于(yu)渦輪流(liu)量傳感(gǎn)器的葉(ye)輪在穩(wěn)定工作(zuo)條件下(xia)滿足力(lì)矩平🔆衡(heng)方程,其(qi)特性曲(qǔ)線受流(liu)體密度(dù)的影響(xiang)。混🚶‍♀️合流(liu)體密度(du)随着含(han)氣率的(de)增加而(ér)減小，使(shǐ)流體産(chǎn)生驅動(dong)葉輪旋(xuan)轉的升(sheng)力(Fy)矩減(jian)小,葉輪(lun)轉速降(jiang)低,儀表(biǎo)系數降(jiàng)低。這是(shì)導緻傳(chuán)感器儀(yi)表系數(shù)遷移量(liang)增大的(de)一個原(yuán)因。
 
　　當氣(qi)液兩相(xiang)泡狀流(liu)經過葉(yè)輪時，氣(qì)泡被葉(ye)片剪切(qie)⁉️成微小(xiǎo)氣泡,在(zài)旋轉離(lí)心力的(de)作用下(xia),這些小(xiǎo)氣泡聚(ju)集在葉(yè)片的吸(xi)力面側(cè)🔆[9]，形成一(yi)個氣泡(pào)聚集區(qu)。聚㊙️集區(qu)中的氣(qi)泡✏️對流(liú)體的流(liu)動起阻(zu)礙作用(yong),根據作(zuò)⛹🏻‍♀️用力與(yǔ)反作用(yòng)力的關(guān)系,相當(dāng)于增加(jiā)了流體(ti)對葉片(pian)在平行(háng)葉🍉片方(fang)向上的(de)✌️作用力(lì),F。相比沒(méi)有氣泡(pào)時🥰有所(suǒ)增加,即(jí)變爲Fs',葉(ye)輪升力(li)Fy與Fs'的合(hé)力爲FR',其(qi)圓周方(fāng)向分量(liàng)爲😍Ft',Ft'與Ft相(xiàng)比有所(suǒ)減小。所(suǒ)以,葉㊙️輪(lun)轉速有(yǒu)所降✨低(di),即葉輪(lún)的旋轉(zhuǎn)效應被(bei)減弱。當(dang)含氣💰率(lü)增加時(shí)，氣泡聚(ju)集區内(nèi)的氣泡(pao)增🌈加,對(dui)葉輪的(de)阻力增(zeng)大,對葉(ye)🍉輪旋轉(zhuan)效應減(jiǎn)弱的效(xiào)果增強(qiáng)，使葉輪(lun)轉速降(jiàng)低,傳感(gan)器儀表(biao)系數降(jiang)低。這是(shì)導📐緻傳(chuán)感器儀(yi)表系數(shù)遷⁉️移量(liàng)增大的(de)另-一個(gè)原因。
 
　　根(gēn)據速度(dù)剖面理(lǐ)論,氣液(ye)兩相流(liu)水平流(liú)經管道(dao)時♊，氣液(ye)兩☔相速(su)🤞度剖面(mian)已不再(zai)象單相(xiàng)時速度(du)剖面那(na)樣對稱(cheng)分布于(yú)管道内(nèi)部，兩相(xiàng)流中的(de)部分氣(qì)泡在浮(fu)力的作(zuò)用下運(yun)動到管(guan)道上方(fāng)，管道上(shàng)部由于(yú)氣🏃🏻泡的(de)存在增(zēng)強了脈(mo)動速度(dù)與🤩瑞流(liú)強度10)。在(zài)含氣率(lü)近似相(xiàng)同時,這(zhe)種由于(yú)氣泡的(de)存在引(yǐn)起的脈(mo)動速⭕度(dù)與湍流(liu)強度🔴增(zeng)強的程(cheng)度,受✊兩(liǎng)相流體(tǐ)速度的(de)影響,即(jí)在含氣(qi)率相同(tong)時,兩相(xiàng)流體速(su)度越小(xiǎo)，氣泡的(de)存☂️在引(yin)起的脈(mo)動速度(dù)與湍流(liu)強度越(yuè)強，這也(yě)最終加(jia)劇了氣(qi)👉液兩相(xiàng)速度剖(pōu)面不對(dui)稱的程(cheng)度。由于(yú)渦輪流(liú)量傳感(gǎn)器對來(lai)流的速(su)度剖面(mian)比較🐪敏(mǐn)感,氣泡(pao)的存在(zài)引起的(de)脈動速(sù)度以及(jí)來流速(sù)度剖面(miàn)的不✊對(dui)稱導緻(zhì)葉輪的(de)每個葉(ye)片所受(shou)💰到的升(shēng)力Fy與阻(zǔ)力⭐Fs存在(zài)差異,這(zhe)種差異(yi)使旋轉(zhuan)的葉輪(lun)在某轉(zhuan)速附近(jin)産生波(bo)動,最終(zhōng)導緻✊傳(chuan)感器重(zhong)複性誤(wu)差的增(zēng)大🥰。這🐅就(jiu)是同--傳(chuan)感器在(zài)相同含(hán)氣率下(xia),其重複(fú)性誤差(cha)随來流(liú)⛷️的體積(ji)流量的(de)減小而(er)增大的(de)原因。
　　對(duì)于導程(chéng)小、安裝(zhuāng)角大的(de)葉片來(lai)說,在相(xiàng)同條件(jian)流體的(de)沖擊⛱️下(xià),其葉輪(lún)升力F,矩(jǔ)大于大(da)導程葉(yè)輪升力(li)㊙️矩,其葉(yè)輪旋轉(zhuan)速度更(geng)快🚶,其葉(yè)輪的陀(tuó)螺效應(yīng)相對更(gèng)強,抵抗(kàng)由于🈲氣(qì)泡存🔞在(zai)引起的(de)脈動速(su)度和來(lai)流速度(du)剖面🐇的(de)不對稱(cheng)🤩導緻葉(ye)輪🤟的轉(zhuǎn)動速度(du)産生波(bō)動的能(néng)力更🌏強(qiáng)一些。這(zhè)就是2#傳(chuan)感器儀(yi)🚶‍♀️表系數(shu)遷移量(liang)以及重(zhong)複性誤(wu)差優于(yu)1#與3#傳感(gan)器的原(yuan)因。
5結論(lun)
　　對3台具(ju)有不同(tong)導程葉(ye)輪的50mm口(kǒu)徑渦輪(lún)流量傳(chuán)感器🈲進(jìn)行了含(hán)氣🔆率爲(wèi)0%~9.8%的水平(píng)氣液兩(liǎng)相流實(shí)驗,由傳(chuán)感器特(te)性曲線(xian)分析及(ji)誤差分(fen)析可以(yi)得到以(yi)下結論(lun):
(1)渦輪流(liú)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(xiang)比其儀(yi)表系數(shù)遷移量(liàng)随體積(jī)含氣率(lǜ)的‼️增加(jia)🈚而逐漸(jiàn)增加。其(qí)🏃🏻‍♂️原因是(shì):随含氣(qì)率的增(zeng)加,混合(he)流體密(mì)度減小(xiǎo),流體驅(qū)✌️動葉輪(lún)旋轉的(de)🐪力矩減(jian)小;同時(shí),随含氣(qì)率增加(jia),氣泡聚(jù)集區内(nèi)的氣泡(pao)增加,對(duì)葉🛀🏻輪的(de)阻力增(zēng)大,葉輪(lún)旋轉效(xiao)應減弱(ruo)。從而葉(yè)輪轉速(sù)和傳感(gǎn)器儀♌表(biao)系數降(jiang)低。
(2)在相(xiàng)同含氣(qi)率下,兩(liang)相體積(jī)流量越(yuè)小，渦輪(lún)流量傳(chuan)感器的(de)重複性(xìng)誤差越(yuè)大。其原(yuan)因是:由(you)于渦輪(lun)流量傳(chuán)感器對(duì)☀️來流的(de)速度剖(pōu)面比較(jiào)敏感,氣(qì)泡的存(cún)在引起(qi)的脈動(dòng)速度以(yǐ)及來流(liu)速度剖(pou)面🎯的不(bu)對稱導(dǎo)緻葉輪(lun)的每個(ge)葉片所(suo)受到的(de)升力與(yǔ)阻力存(cun)在差🌈異(yi)，這種差(chà)異使旋(xuan)轉的葉(yè)輪在某(mǒu)轉速附(fù)近産生(sheng)波動。
(3)具(jù)有小導(dǎo)程、大安(an)裝角葉(yè)輪的2#渦(wo)輪流量(liàng)傳感器(qì)的儀🧡表(biao)系數遷(qiān)移量與(yu)重複性(xing)誤差優(you)于1#與3#傳(chuan)感器.在(zài)相同條(tiao)件流體(tǐ)的沖☁️擊(ji)下,測量(liang)精度受(shou)氣液兩(liang)相流中(zhōng)的氣相(xiang)影響的(de)程度相(xiang)對小📧一(yi)些。

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