摘要(yao):設計了等(děng)效内徑比(bi)分别爲0.424、0.586的(de)雙錐流量(liang)計,并采用(yòng)該流量🏃‍♂️計(ji)在多相流(liu)實驗裝置(zhi)上開展了(le)氣水兩相(xiàng)流參數測(cè)量實驗研(yán)究。通過對(duì)雙錐流量(liang)計 上的差(cha)壓波動信(xìn)号時間序(xù)列進行分(fèn)析,采用其(qi)特征值建(jiàn)立氣水兩(liang)相流分相(xiang)含率測量(liang)模型;在分(fèn)相流模型(xing)的基礎上(shang),通過分析(xi)準氣相流(liu)量比和Lockhart-Martinelli常(chang)數⭕的關系(xi)💁建立氣水(shuǐ)兩相流流(liu)量測量模(mó)型。在多相(xiang)流實驗裝(zhuāng)置上進行(háng)了氣水兩(liǎng)相流參數(shu)測量系列(liè)實🚶‍♀️驗,結果(guǒ)表明👣在實(shi)驗範圍内(nèi),所建立的(de)體積含氣(qi)率測量模(mo)型測量相(xiàng)對誤差在(zai)5%以🈲内;氣液(ye)兩相流🙇🏻總(zong)流量和液(yè)相🚶‍♀️流量測(cè)量誤差在(zài)6%以内。氣相(xiang)流量的測(cè)量結果表(biǎo)明,在以空(kong)氣🆚和水爲(wèi)介質、幹度(dù)很小的工(gōng)況下,氣相(xiàng)流量的測(cè)量相對誤(wù)差明顯大(dà)于總流👉量(liang)和液相流(liu)量的相對(duì)♊誤差。
0引言(yán)
　　氣液兩相(xiàng)流常見于(yu)冶金、石油(you)、動力、化工(gong)、能源、管道(dao)🏃‍♀️運輸及制(zhi)冷制藥等(deng)領域,在工(gōng)業生産與(yǔ)科學研究(jiu)🌈中具有重(zhòng)要作用,在(zai)工業過程(chéng)中也伴随(sui)着許多經(jing)濟與安全(quan)問題，因此(cǐ)對兩相流(liu)活動過程(cheng)機理狀态(tài)㊙️的描述、解(jiě)釋以及流(liú)動過程中(zhong)相關參數(shu)☀️的正确測(ce)量具有重(zhong)要意義,也(ye)是現代工(gōng)業系統中(zhong)亟待解決(jue)✍️的一道難(nan)題。随💘.着工(gōng)業水平的(de)不斷提高(gao)，兩相🔱流涉(shè)及的領域(yu)越來越廣(guang)泛,對♌工業(yè)過程♈控制(zhì)精度的要(yao)求也在不(bú)斷提高。在(zài)目前工業(ye)生産中,由(yóu)于一些傳(chuán)統的流量(liàng)測量方式(shì)及模型無(wu)法适用于(yu)兩相流特(te)有的波動(dong)性和複雜(zá)的流動形(xing)态，使得其(qí)相關參數(shu)的測量方(fang)法多處于(yu)研究階🛀段(duan),離實際應(yīng)用尚有一(yi)👌定距離。
　　氣(qi)液兩相流(liu)過程參數(shu)的檢測策(cè)略随工況(kuàng)與對象📧屬(shǔ)性的變化(huà)而變化,可(kě)以利用的(de)物理現象(xiang)與關系有(you)很多,因此(cǐ)檢測方法(fa)也多種多(duo)樣。從測量(liàng)形式上講(jiǎng)，目前㊙️常見(jian)的檢測方(fāng)法大緻可(ke)分爲直接(jie)法和間接(jie)法2類，前者(zhě)可以通過(guo)采用傳統(tǒng)單相流儀(yi)表等方法(fǎ)直接測得(dé)待測對象(xiang)的相關參(can)數,後者則(zé)多采用一(yi)定的輔助(zhu)測量值建(jiàn)立待測參(cān)數與特征(zhēng)值⭐的關❓系(xi)式,通過模(mó)型計算得(dé)到[2。利用傳(chuán)統單相流(liu)量計測量(liang)氣液兩相(xiàng)流參數是(shi)多相流測(cè)量研究與(yu)應用的一(yi)個重要方(fāng)向,雖然這(zhe)類儀表在(zai)檢測混合(hé)流量時的(de)性能良好(hao),但由于工(gong)況和模型(xing)的差異，在(zai)檢測相含(han)率時誤差(chà)☁️較大531J。從測(ce)量原理上(shang)講,氣液兩(liǎng)相流相⛱️關(guān)參數的測(cè)量方法可(kě)以分爲分(fen)離法和非(fei)分離法,前(qián)者是将兩(liang)相流流體(ti)分離,利用(yong)單相流的(de)測量方法(fa)分别獲得(dé)相關參數(shù),但此類方(fang)法✔️受測量(liàng)設備龐✏️大(dà)、系統複雜(zá)等因素的(de)限制,需👅要(yao)對取樣設(shè)備進行更(geng)進一步的(de)研究,後者(zhe)直👉接利用(yòng)傳統差壓(ya)式流量計(jì)對混合的(de)兩相流流(liú)體👅進行測(ce)量,傳統差(cha)壓式流量(liang)計由于結(jié)構簡單🈚、性(xing)能可靠等(děng)特點,一直(zhí)以來在🚶‍♀️多(duō)相流參數(shu)測量中倍(bèi)受關注。
　　傳(chuan)統差壓式(shi)流量計是(shi)将流向管(guan)道中心收(shōu)縮,通過測(cè)🈲量節流件(jiàn)(如孔闆和(he)文丘裏管(guan))前後的壓(yā)力降來得(dé)到流量♉數(shù)據。近20年😘出(chu)現了一種(zhǒng)新型 V型内(nei)錐流量計(ji) ,它将原本(běn)利用流體(ti)進行節流(liú)而後收縮(suo)到管道中(zhong)心軸線附(fu)近的概念(niàn)從根本.上(shàng)改變爲利(li)用同軸安(ān)🔅裝在管道(dào)中的V形錐(zhui)體将流體(ti)慢慢地進(jin)行節流而(ér)後收縮到(dao)管道的内(nei)邊壁。與其(qí)他傳統差(chà)壓式流量(liàng)計相比,V錐(zhui)流量計在(zài)壓損、重複(fu)性、量程比(bǐ)和長期工(gong)作穩定性(xìng)等方面表(biǎo)現出一定(dìng)的優勢,實(shi)驗分析表(biǎo)明其可用(yong)于兩相流(liu)的流型識(shí)别和參數(shù)測量[15-18],但由(you)于V錐流量(liang)計的内錐(zhui)形狀較爲(wèi)複雜且節(jiē)流件尾部(bu)鈍🔆體會使(shǐ)流體産生(sheng)流動分離(lí),産生旋✨渦(wō)并造成較(jiào)大壓力損(sǔn)失等問題(tí)使其應用(yòng)☁️受到一定(ding)的限制。本(běn)☀️文作者在(zài) V錐流量計(jì) 的基礎上(shang)設計了一(yī)種具有對(duì)稱結構的(de)雙錐流量(liang)計‼️([9,利用理(lǐ)論模型較(jiào)成熟的差(cha)壓原理開(kāi)展氣液兩(liǎng)相流參數(shù)的測量,并(bìng)根據🎯氣液(yè)兩相流固(gù)有的波動(dong)特性提取(qu)相關特征(zheng)值,分析其(qi)與分相含(hán)率等參數(shù)的關系(20-22,探(tan)尋氣液兩(liang)相流的參(can)數測量新(xīn)型測量方(fang)🙇‍♀️法并開展(zhǎn)實驗分析(xī)和研究,爲(wèi)氣液兩相(xiang)流在工業(yè)過程參數(shu)正确💰檢測(cè)及新型流(liú)量計商業(yè)化奠定基(jī)礎。
1測量原(yuán)理
1.1流量計(ji)結構
　　雙錐(zhui)流量計爲(wei)--新型内錐(zhui)流量計,節(jiē)流單元基(ji)本結構如(rú)🛀🏻圖1所示🐪,包(bāo)括測量管(guǎn)段、取壓口(kǒu)和節流錐(zhuī)體。.圖1(b)爲雙(shuang)錐流量計(jì)剖面圖，P1、P2、P3分(fèn)📱别爲3個取(qu)壓口,P1爲上(shang)遊流體收(shou)縮🔞前取壓(ya)口,P2爲節流(liú)件喉部最(zuì)小流通面(mian)積處取壓(yā)口,P3爲下遊(yóu)流束穩定(dìng)時的🐇取壓(yā)口。本實驗(yan)研究所需(xu)的雙錐流(liu)量計差壓(yā)信号是從(cong)P1與P2口獲得(dé)的前差壓(yā)。利用P2與☂️P3可(ke)獲得雙錐(zhui)流量計的(de)後差壓。節(jie)流錐體是(shì)雙錐💚流量(liang)計的核心(xīn)部件,主要(yao)🈲包括錐體(ti)和錐體支(zhī)架結構2部(bù)分，如圖2所(suǒ)示。雙錐流(liú)量計💋的錐(zhui)體由前後(hou)2個錐角相(xiang)等的對✊稱(chēng)錐體構成(chéng),3個片狀支(zhī)架和1個管(guǎn)環構成錐(zhui)體支架結(jié)構，節流錐(zhuī)體可通過(guo)支架😍結構(gòu)固定在管(guan)道中心并(bìng)與📧管道同(tong)軸,将與管(guan)道内徑相(xiang)同的管環(huan)安裝在實(shí)驗管道中(zhong)。
 
　　本次研究(jiū)所設計的(de)雙錐流量(liàng)計錐體前(qián)後錐角均(jun)爲45°,中⛹🏻‍♀️部圓(yuán)柱體長度(dù)20mm。D爲管道内(nei)徑,d爲節流(liu)錐體在喉(hou)🚶‍♀️部處直徑(jìng)，ɑ爲對稱錐(zhui)體的🐅錐角(jiǎo)。
　　圖1(a)爲管道(dào)最小流通(tōng)面積處的(de)截面圖，雙(shuang)錐體采用(yong)三角結構(gou)固定于管(guan)道内，既能(néng)使雙錐承(chéng)受較大的(de)🔴沖擊又可(ke)以保證雙(shuāng)錐與管道(dào)内圓的同(tóng)軸度,同時(shí)足夠薄㊙️度(dù)的支撐葉(yè)片也可以(yǐ)🤞最大程度(du)減小對流(liú)體的擾動(dong)。
1.2基本測量(liàng)模型
　　雙錐(zhuī)流量計的(de)工作原理(li)是基于流(liú)體在一密(mi)封管🈲道中(zhong)的能量✍️守(shou)恒原理(伯(bo)努利方程(chéng))和流動連(lián)續性原理(lǐ)。根據🐉流體(ti)力學的相(xiang)關理論可(ke)以推出單(dan)相流流量(liàng)的基本測(ce)量模型:
 
2實(shi)驗裝置
　　圖(tú)3和4分别爲(wei)雙錐流量(liàng)計氣液兩(liǎng)相流實驗(yan)系統實物(wù)圖和結構(gou)簡圖,實驗(yàn)對象爲水(shuǐ)平管道内(nèi)的氣/水❄️混(hun)合流體。實(shí)驗設備㊙️主(zhǔ)要包括數(shu)據采集系(xi)統和實驗(yàn)管路2大部(bu)分:數據采(cǎi)集系統包(bao)括數據采(cǎi)集器及采(cǎi)集控制界(jiè)面;實驗管(guǎn)路包括雙(shuang)錐流量🏃‍♀️計(ji)、 壓力變送(song)器 、 差壓變(bian)送器 、 溫度(du)計 、标準表(biǎo)以及管道(dao)和閥門等(deng)設備。
 
　　裝置(zhì)的工作流(liú)程爲:水經(jing)過穩壓罐(guan)後,通過标(biao)準水表讀(dú)取其體積(ji)流量,進入(ru)混相器;空(kong)氣壓縮機(ji)将空氣壓(ya)🥵縮到穩壓(ya)罐,通過标(biao)準氣表讀(du)取其體積(jī)流量,并用(yong)溫度計和(hé)壓力表測(ce)量此時的(de)氣相溫度(dù)(T)和壓力(p加(jiā):),最後進人(rén)混相器與(yu)液相混合(he);氣液兩相(xiàng)流經過8m長(zhang)的直管段(duan),充分混合(he)後進入氣(qì)液兩相實(shí)驗管📱段,在(zai)此處安裝(zhuang)雙錐流量(liàng)計并測量(liàng)氣液兩相(xiang)的混合差(cha)壓,同時測(cè)量雙錐流(liu)量計前的(de)壓力(p2)和溫(wēn)度(T2),采用數(shu)據采集系(xi)統記錄各(gè)測量值。
　　實(shí)驗中,液體(tǐ)穩壓罐和(hé)氣體穩壓(yā)罐的穩壓(ya)範圍分别(bié)爲🈲0.2~0.21MPa和0.39~0.41MPa,标準(zhun)水表和标(biao)準氣表參(can)數如表1,直(zhi)管段以及(jí)實🔴驗管段(duan)管徑爲🔴50mm。.
 
　　考(kǎo)慮到不同(tóng)等效直徑(jìng)比的雙錐(zhui)流量計具(ju)有不同的(de)測量🏒特性(xing)🔞，選擇不同(tong)的直徑比(bi)可分析雙(shuāng)錐流量計(jì)各自不📞同(tong)特性,從而(er)獲得與直(zhi)徑比相關(guān)的關鍵參(can)數，因此選(xuǎn)用2個不同(tóng)😍等效直徑(jing)比(0.424、0.586)的雙錐(zhui)流量計進(jìn)行實驗,其(qi)流出系數(shù)分别爲0.9672和(he)0.9685。雙錐流量(liàng)計的差🈲壓(yā)信号由應(ying)變式差壓(ya)變🥰送器進(jin)行測✍️量,其(qí)量程爲0~64kPa,輸(shu)出電流信(xin)号💔4~20mA,精度等(děng)級爲0.25%FS.
3分相(xiang)含率測量(liang)模型
　　在氣(qì)液兩相流(liu)的測量中(zhong),分相含率(lǜ)是一個重(zhòng)要的參數(shù),重點測量(liang)對象爲氣(qi)相的相含(han)率,包括體(ti)積含氣率(lü)、截面含氣(qì)率(空隙率(lǜ))和質量流(liu)量含氣率(lǜ)(幹度)。其中(zhōng)體積含氣(qi)率和幹度(du)的關系如(ru)下式:
 
　　式中(zhōng):μ爲體積含(hán)氣率;pz爲氣(qi)相密度;ρn爲(wei)液相密度(du)。
　　氣液兩相(xiang)流在流動(dòng)過程中存(cun)在波動性(xìng),根據前人(ren)的實驗研(yan)💚究結果,此(ci)波動信号(hào)與氣液兩(liang)相流的流(liú)型、分相含(han)率等重要(yao)🌍測量🚶參數(shu)具有一定(ding)的相關性(xing),因此可以(yǐ)通過分析(xi)從差壓波(bo)動信号中(zhōng)提取的特(te)征值建立(li)氣液兩相(xiang)💁流分相含(han)率的測量(liang)模型，從而(er)實現對氣(qì)相✉️含率等(děng)參數的在(zai)線測量。
　　氣(qi)液兩相流(liu)通過差壓(yā)式流量計(ji)時的瞬時(shí)差壓和㊙️瞬(shùn)☂️時流量之(zhī)間也符合(he)時間平均(jun)值的關系(xì)式,因此:
 
　　式(shi)中:i爲某個(ge)瞬時時刻(ke);△ppo爲瞬時差(chà)壓;μi;爲瞬時(shí)體積含氣(qì)✏️率;qi爲瞬❗時(shí)流量;k、b是與(yǔ)節流元.件(jian)結構和兩(liang)相流流🏃🏻體(tǐ)物性有關(guan)的‼️系數。
　　定(dìng)義脈動振(zhen)幅爲差壓(ya)瞬時值和(he)時均值之(zhi)差,其均方(fāng)🚶根爲:
 
　　理論(lùn)上R是μ的單(dān)值函數,可(ke)通過實驗(yàn)差壓時均(jun1)值和差壓(yā)脈動幅值(zhí)計算出氣(qi)相體積含(hán)率μo.
　　實驗所(suo)用水平管(guan)道管徑爲(wèi)50mm,進行氣液(ye)兩相流實(shi)驗并采集(ji)差壓波動(dòng)信号,圖5和(hé)6爲等效直(zhi)徑比爲0.424和(hé)0.586的雙錐流(liú)量計無🈲量(liàng)綱❤️參數R與(yǔ)體積含氣(qì)率μ的數值(zhi)點分布
 
　　由(yóu)圖5和6可知(zhī),對于雙錐(zhui)流量計,波(bo)動幅度參(can)數R随着體(ti)積含氣率(lǜ)呈現先增(zēng)大後減小(xiǎo)的趨勢。當(dāng)體積含氣(qì)率小于0.3時(shi),差壓的波(bō)動🔞幅度參(cān)數很小;然(ran)後随着體(tǐ)積含🎯氣率(lǜ)的☂️增大,差(cha)壓的波動(dong)幅度值增(zēng)!大,并在0.85左(zuǒ)右達到💞最(zui)大值。根據(jù)流體在管(guan)道中流♍動(dong)的實際❄️情(qing)況,當流體(ti)爲單相(即(jí)全爲液相(xiàng)μ=0,全爲氣相(xiàng)μ=1)時，流動是(shì)較爲平穩(wěn)的,應有R≈0,因(yīn)此可假設(she)R與μ符合如(ru)下關系:
 
4流(liú)量測量模(mo)型
　　雙錐流(liu)量計作爲(wèi)-種新型差(cha)壓式流量(liàng)計,在結構(gòu)上與✌️傳統(tǒng)✂️标準🤞差壓(yā)流量計具(ju)有一-定的(de)差異,現有(you)模🔞型，的一(yī)些關鍵參(can)數無法适(shi)用,需尋求(qiu)新的模型(xíng)參數。
　　用汽(qi)水、氣水和(hé)天然氣水(shuǐ)混合物經(jing)過大量實(shí)驗并對理(lǐ)想分相🔴流(liú)模型進行(hang)修正後得(dé)到孔闆氣(qì)液兩相流(liú)流量計算(suàn)模型🌍:
 
 
5實驗(yàn)與結果分(fen)析
5.1氣相含(hán)率測量
　　實(shí)驗在體積(jī)含氣率爲(wei)0.32~0.96範圍内進(jìn)行，對流體(ti)流經雙錐(zhuī)流量計時(shi)⛱️所産生的(de)前差壓進(jìn)行了采集(ji),提取差壓(ya)波動信号(hào)中的特征(zheng)值R',通過模(mo)型式(7)計算(suàn)得出體積(ji)含氣率值(zhí),模型測量(liang)誤差如圖(tu)8和9所示,體(tǐ)積含氣🈚率(lü)的相對🆚誤(wù)差基本在(zai)±5%以内。
 
5.2流量(liang)測量
　　氣液(yè)兩相流流(liú)量實驗測(cè)量以水和(hé)空氣爲介(jie)質,其中🈚水(shui)和空✏️氣的(de)質量流量(liang)範圍分别(bié)爲1.233~6.581kg/s和0.006~0.04kg/s.水穩(wen)壓爲0.2MPa,氣源(yuan)穩壓0.4MPa,幹度(du)範圍✔️0.001~0.03,環境(jìng)溫度20.5℃.。NI數據(ju)采集卡采(cǎi)集差壓波(bo)動信号,提(tí)取其特征(zheng)值并通過(guò)公式(7)和(2)計(ji)算得到質(zhì)量流量含(hán)氣率x,流量(liang)值可通過(guò)公式(12)計算(suàn)得到。
 
　　實驗(yàn)測量了氣(qì)液兩相流(liu)的總流量(liàng)及液相、氣(qi)相的分相(xiàng)流量,在圖(tu)10和11中給出(chū)了總流量(liàng)的測量誤(wù)差,總質量(liàng)流量的參(can)考值爲氣(qi)相和液相(xiang)混合前的(de)流量值之(zhī)和。測量誤(wu)差結果顯(xiǎn)示,在💁實驗(yan)範圍内所(suo)采用的體(ti)積含氣率(lǜ)測量模型(xing)和改進的(de)流量✔️測量(liàng)模型對氣(qi)液兩相流(liu)總流量測(cè)量具有較(jiao)好的适用(yong)效果🈲,測量(liang)結果相對(duì)誤差基本(ben)可以控制(zhì)在±6%以内。值(zhi)得提💋出的(de)是，當🈚氣相(xiàng)體積含率(lǜ)✨大于0.8時,兩(liǎng)相流處于(yu)塞狀流向(xiàng)環狀流的(de)過渡段,流(liú)型變化較(jiào)爲複雜，使(shi)得測🈲量精(jing)度有所下(xia)降。
 
　　總流量(liang)測量相對(duì)誤差圖中(zhōng)可看出,對(dui)于氣液兩(liǎng)相流,其分(fen)相🏃‍♂️流🚩的參(cān)數測量具(ju)有重要的(de)工程意義(yi)。可💜以根👄據(ju)公式(7)和測(ce)量出的體(tǐ)積含氣率(lǜ)值由公式(shì)(2)得到幹度(dù)值,從而實(shí)現對氣液(yè)兩相流的(de)分相流測(ce)量。液相流(liu)量測量誤(wu)差♍如圖12和(he)13所示,在實(shi)驗範圍内(nei)的🏃🏻‍♂️相對誤(wu)差基本在(zai)±6%以内，說明(ming)該測量模(mo)型在該工(gōng)況下具有(you)較好的測(ce)量效果。因(yin)爲🛀🏻在實驗(yan)所用氣液(yè)兩相流中(zhōng)，氣體在總(zǒng)流量中♍所(suǒ)占的比例(li)較小，所以(yǐ)液相流量(liang)測量誤差(cha)分布結果(guǒ)與總流量(liàng)相似。
 
　　實驗(yan)對氣相流(liu)量進行了(le)測量,其測(ce)量結果如(rú)圖14和15所示(shi)。測量誤差(chà)結果顯示(shì),忽略粗大(dà)誤差後的(de)氣相流量(liang)測量✊誤差(chà)在±20%以内，該(gāi)誤差遠大(da)于液相和(hé)總流量的(de)測量誤差(cha),分析認🌍爲(wèi)在本🍉實驗(yan)中的兩相(xiang)流幹度僅(jin)在0.001~0.03範㊙️圍内(nèi),不同🔞于濕(shī)蒸氣和高(gāo)幹度的實(shí)驗工況,對(duì)體積含氣(qi)率或幹度(du)的微小測(ce)量誤差會(huì)導緻💜對氣(qì)相流量測(ce)量結果的(de)較大👣偏差(chà)。
 
6結論
　　本文(wen)将一種新(xin)型的雙錐(zhuī)流量計用(yòng)于氣水兩(liǎng)相流的測(cè)量,研究了(le)2個不同等(děng)效直徑比(bǐ)的雙錐流(liu)量計👉對氣(qì)💃🏻相體積含(han)率、總流量(liang)及分相流(liú)量的測量(liàng)性能。對雙(shuang)錐流量計(ji)上的差🔞壓(yā)波動♋信号(hao)時間序列(lie)進行了分(fen)析,利用其(qi)特征值建(jian)立了氣水(shui)兩相流氣(qi)相含💘率的(de)關系模型(xíng)。應用該模(mo)型對氣相(xiàng)體積含率(lü)進行🍓測量(liang),在實驗範(fan)圍内,氣相(xiang)體積含率(lü)測量相對(duì)誤差在±5%以(yǐ)内。利👌用常(chang)數建立了(le)🏒雙錐流量(liàng)計氣液兩(liǎng)相流💰總♊流(liú)量測量模(mo)型,可對總(zong)流量和液(yè)相流量進(jin)行有效的(de)測量,測量(liàng)結果的相(xiàng)對誤差在(zài)±6%以内。在幹(gàn)度很🥰小的(de)情況下,氣(qì)相流量的(de)測量相對(duì)誤差較大(dà)。與V錐流量(liang)計在氣液(yè)兩相流相(xiang)關參數的(de)測量結果(guo)(氣相體積(ji)含率已确(que)定的條件(jiàn)下,兩相流(liú)總質量流(liú)量的相對(duì)誤差基本(ben)在土5%内)相(xiàng)對比表明(ming)[1]，雙錐流量(liàng)計可㊙️獲得(de)與V錐流量(liàng)計相當的(de)精度,且在(zài)減小流體(tǐ)擾動👅、降低(dī)壓力損失(shī)和抗壓力(lì)沖擊等方(fāng)面更具有(yǒu)優勢。

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