摘(zhai)要:針對(dui)電磁流(liu)量計 測(cè)量氣液(ye)兩相流(liú)時測量(liàng)精度和(hé)穩定性(xìng)易受流(liu)型影響(xiǎng)的問題(tí),提出了(le)一種管(guan)内相分(fèn)隔狀态(tai)下基于(yú)電磁流(liu)量計的(de)氣液兩(liǎng)相流測(ce)量方法(fa)。利用旋(xuan)流器将(jiang)不規則(zé)的兩👌相(xiang)流入口(kou)流型整(zhěng)形成氣(qi)芯-水環(huán)的對稱(chēng)型環狀(zhuàng)流,保證(zhèng)了權函(han)數🈲的有(yǒu)序分布(bu),并引入(rù)空隙率(lü)修正了(le)電磁流(liu)量計測(ce)量模型(xing),提高了(le)電磁流(liu)量計的(de)測量精(jīng)度。利用(yong)空氣✔️-水(shui)兩相流(liu)爲介質(zhì),通過室(shì)内實驗(yan)對該測(ce)量方法(fa)進行了(le)驗證,結(jié)果表明(míng),在⭐管内(nèi)相分隔(gé)狀态下(xia),電磁流(liu)量計的(de)液相測(cè)量相對(duì)誤差在(zài)±5%以内。研(yán)究結💔果(guǒ)爲工業(yè)生産中(zhōng)的氣😘液(yè)兩相測(cè)量提供(gong)了一❄️種(zhǒng)很好的(de)思路和(he)方法,具(ju)有良好(hǎo)的應用(yong)價值。
　　在(zài)工業應(ying)用中,兩(liang)相流流(liu)量測量(liang)對于實(shí)際工程(chéng)應用具(jù)有重要(yào)作用，如(ru)石油鑽(zuan)采工程(cheng)、石油化(huà)工、熱電(dian)聯供等(děng)輸送及(jí)分配過(guò)程中都(dōu)存在氣(qi)液兩相(xiàng)流測🐉量(liàng)問題🙇‍♀️。早(zao)期曾⭕對(dui)氣液兩(liǎng)相流的(de)測量進(jìn)行了廣(guang)泛💃研究(jiu),但由于(yú)氣液兩(liang)相流型(xing)的複雜(za)性及🐅多(duo)變性,至(zhì)今仍無(wu)廣泛🛀🏻認(rèn)可的氣(qì)液兩相(xiang)流在線(xiàn)測量技(ji)術中。
　　多(duō)相流動(dòng)體系通(tong)常是由(you)兩種或(huo)兩種以(yǐ)上互不(bú)相溶👈.的(de)💃🏻介♍質組(zǔ)🌂成的,具(jù)有明顯(xian)相界面(mian)的混合(hé)物流動(dòng)。本研究(jiu)的氣液(ye)🙇‍♀️兩相💋流(liu)研究對(duì)象分别(bie)是空氣(qì)和水，在(zài)流動過(guo)程中,由(yóu)于存在(zai)不同流(liú)型及流(liú)态的複(fú)雜變化(huà),兩相流(liu)各種參(cān)數的測(cè)量都變(biàn)得極爲(wèi)困難。因(yin)💁此，準确(que)描述并(bìng).識别流(liú)型對于(yu)兩相流(liu)量測量(liang)具有🍉重(zhong)要的意(yì)義。由于(yú)主要研(yán)究的是(shi)水平管(guǎn)内的氣(qì)液兩相(xiàng)流流型(xíng),在前人(rén)的研究(jiu)基礎之(zhī)上,對水(shui)平管内(nèi)流型進(jìn)行了總(zong)結和分(fen)析,得到(dào)水平管(guǎn)内的氣(qi)液兩相(xiang)流流型(xíng)主要爲(wèi)細泡狀(zhuàng)流動、彈(dan)狀流動(dong)、分層流(liú)動、波狀(zhuang)分層流(liú)、塞狀👉流(liú)以及環(huan)狀流等(deng)[3-]。
　　自20世紀(ji)以來,氣(qi)液兩相(xiàng)在線測(cè)量一直(zhi)是工業(yè)生産💔過(guo)程中㊙️迫(pò)切需要(yao)解決的(de)難題，同(tong)時研發(fā)了大量(liàng)适🥰用于(yu)工業環(huán)境中的(de)兩相測(ce)量技術(shu)。根據在(zai)測量過(guo)☔程中兩(liang)相流是(shi)否進行(háng)分離而(ér)分爲分(fen)離法和(hé)非分離(li)法。分離(li)法是将(jiang)流🔴動的(de)混合物(wù)分爲以(yi)🔴氣體爲(wèi)主和以(yǐ)液體爲(wei)⭐主的流(liú)動，然後(hòu)進行單(dān)相測量(liàng).包括重(zhong)力分離(li)器和導(dǎo)流器等(děng),其優點(diǎn)爲把兩(liang)相流體(tǐ)💃🏻流量測(ce)量轉化(huà)♻️成了單(dān)相流體(tǐ)的流量(liang)測量,測(ce)量精度(dù)高🛀🏻、範圍(wei)寬、不受(shòu)氣液兩(liang)📞相流型(xing)變化影(ying)響,缺點(diǎn)則爲分(fen)離設備(bei)體積大(dà)、價格貴(guì)❤️、需要建(jiàn)站,增加(jiā)了測量(liang)成本。非(fēi)分離法(fa)的典型(xing)是基于(yú)相同原(yuán)理的測(ce)量系統(tong)進行組(zǔ)合測量(liang),以及中(zhong)子射線(xian)和文丘(qiū)裏管的(de)組合方(fang)式，優點(dian)爲能夠(gòu)實時測(ce)量兩相(xiang)流體的(de)流量及(jí)相持率(lü)等參數(shu)🤩,體積小(xiao)、測量速(sù)度快，缺(quē)點爲測(ce)☎️量的流(liu)量及各(gè)相持率(lǜ)精度偏(pian)低,适用(yòng)工況受(shou)💔限,需重(zhòng)複标定(dìng)[5-6]。
　　電磁流(liu)量計廣(guǎng)泛應用(yòng)于單相(xiang)流體的(de)流量測(cè)量。電⭐磁(cí)流量💛計(jì)是利用(yong)法拉第(dì)電磁感(gǎn)應定律(lü)原理測(ce)量導電(diàn)液體的(de)體積流(liu)量的儀(yí)表。其優(yōu)點是可(ke)測流量(liàng)🌏範圍大(da),流量範(fàn)圍比值(zhí)一般爲(wei)20:1以上。适(shì)用工業(yè)管徑範(fan)圍.寬,最(zuì)🥰大可達(dá)3m,精度較(jiao)高,可測(ce)量水、污(wu)水、腐蝕(shi)性液體(tǐ)等流體(tǐ)流量,不(bu)受壓力(lì)、密度、溫(wen)度和其(qí)他物理(li)⛹🏻‍♀️參數的(de)影響。因(yīn)🌈此,采用(yòng)電磁流(liu)量計測(ce)量連續(xu)相爲導(dao)電性的(de)兩相流(liú)的特性(xing)成爲研(yan)究的熱(re)門。
　　國際(jì)及國内(nei)雖然對(dui)電磁流(liú)量計在(zai)兩相流(liu)中的應(yīng)用進行(háng)了大💔量(liàng)的理論(lun)分析和(hé)數值模(mo)拟，但是(shì)針對🌐水(shuǐ)平管内(nei)非導電(dian)相在空(kōng)⁉️間位置(zhì)分布對(duì)電磁流(liu)量‼️計的(de)測量精(jing)度等還(hái)未進行(hang)詳細地(dì)研究。水(shui)平管内(nèi)非導電(diàn)性的空(kōng)間分🔱布(bù)受重力(lì)、流體物(wu)性💃等影(ying)響嚴重(zhong),進而影(yǐng)響了流(liu)量計的(de)🐆正确測(ce)量。近年(nián)來,相關(guān)學🚶‍♀️者提(ti)出的相(xiàng)分隔方(fang)法12-15]通過(guò)對兩相(xiàng)混合物(wù)施加側(cè)向力,将(jiāng)兩相隔(gé)離到管(guǎn)内🌈的相(xiàng)應空間(jian),流動過(guò)程中兩(liǎng)相之間(jian)維持非(fēi)常🌂清晰(xi)界面,這(zhe)将有利(li)于電磁(ci)流量測(ce)量兩相(xiàng)流參數(shù)。因此，如(ru)果非導(dao)電相能(neng)在兩相(xiàng)🏒流中均(jun)勻對稱(chēng)分布,電(dian)磁流量(liàng)計測量(liàng)将爲兩(liang)相流😘量(liàng)測量提(ti)供❄️--種有(yǒu)前途的(de)解🐉決方(fāng)案。同時(shi)，在将兩(liǎng)相🚩隔離(li)到管内(nèi)的相應(yīng)空間,流(liú)動過程(cheng)中兩相(xiàng)之間維(wei)🙇‍♀️持非常(cháng)清晰界(jie)面的過(guo)程中,采(cai)用拍攝(shè)及圖像(xiàng)處理技(jì)術可以(yi)實現空(kōng)隙率的(de)測量。目(mù)前,基于(yú)圖像處(chu)理技術(shù)已進行(hang)了大量(liang)的研究(jiū)[16-18]，尤其适(shi)用于檢(jiǎn)測氣液(yè)🌈界面。
　　本(běn)研究采(cǎi)用相分(fèn)隔法組(zu)合電磁(cí)流量計(jì)測量氣(qi)液兩🌍相(xiàng)流量及(ji)相持率(lü)。在相分(fen)隔方法(fǎ)中,采用(yòng)了旋流(liú)器産🚶生(shēng)離心力(lì),将氣液(yè)兩相不(bú)同的人(ren)口流型(xing)轉變⛷️爲(wèi)旋流核(hé)心環空(kōng)流,由于(yu)其界面(miàn)清晰光(guāng)滑,非常(chang)有利于(yú)圖像處(chù)理法來(lái)測量空(kong)隙率。采(cǎi)用實驗(yan)分析的(de)方式研(yán)究并驗(yàn)證了電(diàn)磁🧡流量(liang)計的兩(liǎng)相流工(gōng)作特性(xing)。
1測量原(yuán)理
1.1管内(nei)相分隔(gé)技術.
　　利(li)用管道(dào)中的相(xiang)分隔技(ji)術進行(hang)整流,可(ke)以極大(dà)地方便(bian)電磁流(liu)量及空(kōng)隙率測(ce)量的開(kāi)展，創造(zao)了理想(xiǎng)的測🔅.量(liang)條件,有(you)利于提(tí)高測量(liàng)的正确(que)性。通過(guo)管内相(xiàng)分隔，使(shi)兩相流(liu)體在各(ge)種流💃型(xíng)下統--轉(zhuan)變成兩(liang)束在管(guǎn)内并行(háng)流動的(de)單相流(liu)體,兩相(xiang)之間具(ju)有相對(duì)清晰的(de)分界面(miàn),并能維(wéi)持足夠(gòu)長的距(ju)離，如圖(tú)1所示🈲。與(yǔ)分離不(bu)同,相分(fen)隔技術(shù)并非将(jiāng)兩相分(fen)“離”後各(ge)自☁️單獨(dú)流動,而(ér)是通過(guo)--系列技(ji)術僅将(jiāng)兩相分(fen)“隔”并未(wei)🏃🏻‍♂️分👌“離”,兩(liǎng)相依然(ran)同時😘在(zai)一個管(guǎn)内流動(dong),但是徹(che)底改變(bian)了兩相(xiàng)流原有(you)相分布(bù)和速⛹🏻‍♀️度(du)分布的(de)多樣性(xing)和随機(jī)性,使兩(liǎng)相流📞在(zài)管内即(jí)可保持(chi)有“秩序(xù)"的流動(dong),極大地(di)方便了(le)兩相流(liu)各個參(can).數的測(cè)量。

1.2氣液(yè)兩相流(liu)相分隔(ge)狀态下(xià)電磁流(liu)量計測(cè)量原理(lǐ)
　　電磁流(liú)量通常(cháng)用于測(cè)量單相(xiàng)導電流(liu)體,計算(suàn)公式🌐見(jian)式(1)

　　式中(zhōng):U爲兩電(diàn)極間的(de)電位差(chà)(與液體(tǐ)的導電(dian)性、黏度(dù)和壓💃，力(li)無關♉),V;B爲(wèi)磁通強(qiáng)度,T;b爲導(dǎo)電相半(bàn)徑,m;Qr爲導(dǎo)電液體(ti)的體積(jī)流量,m3/s。
　　對(dui)于含有(you)少量非(fei)導電介(jiè)質(如氣(qi)體或油(you)等)構成(chéng)的導⁉️電(diàn)流體,電(diàn)磁流量(liàng)計仍能(neng)繼續工(gōng)作。
　　考慮(lǜ)了導電(dian)相沿管(guan)壁在環(huán)形區域(yù)流動,絕(jue)緣相在(zai)同軸㊙️芯(xin)區流動(dong)時,采用(yong)電磁流(liú)量測量(liang)原理,計(ji)算公式(shi)見式(2)

式(shi)中:a爲不(bú)導電相(xiang)半徑,m;α爲(wei)絕緣相(xiàng)的空隙(xì)率,%。
　　在電(dian)磁流量(liàng)計的上(shàng)遊,通過(guò)圖2所示(shi)的旋流(liu)器實現(xiàn)相☂️分隔(gé)。旋流器(qi)由4片沿(yan)周向均(jun)布的導(dao)流片構(gòu)成，每個(ge)導流片(pian)平面與(yǔ)管道橫(héng)截面呈(chéng)現一定(dìng)夾角
　　通(tong)過研究(jiū)發現,這(zhè)種結構(gou)的旋流(liu)器更有(yǒu)利于相(xiang)分😍隔的(de)✍️形成🚶‍♀️，它(ta)使流體(ti)通過改(gǎi)變流動(dong)方向産(chǎn)生切向(xiàng)速度,從(cóng)而🔞産生(shēng)離心力(li)。在🛀離心(xīn)力的作(zuò)用下,氣(qi)體一✏️般(bān)以連✏️續(xu)氣柱的(de)形式集(ji)中在管(guǎn)中心，周(zhōu)圍爲連(lián)續液相(xiang),液相🔆呈(cheng)環形流(liú)🔆動,形成(chéng)旋流核(he)心環狀(zhuang)流管内(nèi)✉️相分隔(gé)後電磁(ci)流量測(cè)量原理(li)如圖3所(suǒ)示。

　　理論，上(shàng)，如果切(qie)向速度(dù)軸對稱(chēng)且不衰(shuāi)減,切向(xiang)速度不(bú)影響電(diàn)極.上的(de)電勢，則(zé)切向速(sù)度不會(huì)影響電(dian)磁💁流量(liang)計的輸(shū)出,式(2)也(ye)适用于(yú)旋轉核(he)心環形(xíng)。因此，環(huan)狀流中(zhōng)使用電(diàn)磁流量(liàng)計測量(liang)流量的(de)計算式(shi)見式(3)

式(shì)中:Q爲流(liú)體總的(de)體積流(liu)量,m2/s。
2實驗(yàn)裝置和(hé)方法
　　實(shi)驗在空(kong)氣-水兩(liang)相流實(shi)驗回路(lù)中進行(hang),以驗證(zheng)所提出(chū)的測量(liang)🏃方法的(de)可行性(xing)。實驗環(huán)路及實(shí)驗段布(bu)置如圖(tu)4所示，在(zài)實驗段(duan)安裝了(le)旋流器(qì)和電磁(ci)流量計(jì) 。

利用圖(tú)像處理(li)技術，提(ti)取環狀(zhuang)流的相(xiang)界面，進(jin)而計算(suan)空隙率(lü),圖像采(cǎi)集原理(li)如圖5所(suo)示。圖像(xiàng)采集過(guò)程中,采(cǎi)用背光(guang)光源照(zhao)射法,使(shi)用高速(sù)攝像儀(yi)采集照(zhào)🤟片，高速(sù)攝像儀(yi)型号爲(wei)NACMEMRECAMfxK3,像素爲(wèi)480×640。在每種(zhong)工況下(xià),以500Hz的頻(pin)率采集(ji)2s,共1000張照(zhao)片取氣(qì)柱直徑(jing)平均值(zhi)作爲計(jì)算💔截面(miàn)相含率(lü)的值。本(běn)研究㊙️采(cai)用相分(fèn)離法實(shí)現的旋(xuán)流核心(xīn)環空💜流(liú)💃動中氣(qì)液界面(miàn)清晰光(guang)滑(結構(gou)見圖6),從(cong)而降低(dī)🌈了圖像(xiang)處理的(de)難度并(bing)減小了(le)空隙率(lǜ)的❗測量(liàng)誤差。

3實(shí)驗結果(guǒ)與分析(xī)
3.1實驗流(liu)型觀察(chá)
針對氣(qi)液兩相(xiàng)來流分(fen)别爲細(xi)泡狀流(liú)、塞狀流(liu)和彈狀(zhuàng)流時❄️，實(shí)驗過程(chéng)中觀察(chá)了旋流(liú)器上下(xià)遊流型(xing)的♋演變(biàn)，旋流器(qi)前後的(de)流型變(biàn)化如圖(tu)7所示。從(cong)圖7可以(yǐ)看出,在(zài)各人口(kou)流型下(xia),都可以(yi)形成旋(xuan)流核心(xīn)環空流(liú)動結構(gou)🌈。當入口(kǒu)流型爲(wèi)細泡狀(zhuang)流時,旋(xuán)流器下(xia)遊的氣(qi)柱直徑(jìng)保持相(xiang)對穩📞定(dìng)值;當人(ren)口流型(xíng)爲塞狀(zhuàng)❤️流時,旋(xuán)流器🏃🏻‍♂️下(xia)遊的氣(qi)柱直徑(jìng)保持相(xiang)對穩定(ding),與細泡(pao)狀流區(qū)别不大(da);當人口(kǒu)💃🏻流型爲(wèi)彈狀流(liu)時,由于(yu)截面内(nei)氣量的(de)劇烈變(biàn)💋化導緻(zhì)旋流後(hòu)氣♍柱🥵直(zhí)徑随氣(qi)體體積(ji)的🈲增大(da)而增大(dà)，但界面(miàn)仍然清(qing)晰。

3.2旋流(liu)核心環(huan)空流動(dong)的空隙(xì)率
螺旋(xuan)流狀态(tài)下,截面(mian)相含率(lǜ)與直線(xiàn)流相比(bi)會發生(sheng)變化,進(jin)而使☁️得(de)兩者之(zhi)間的液(yè)流速度(dù)也會不(bú)同。圖8示(shì)出了在(zai)相同的(de)氣液進(jìn)口流量(liang)下,直流(liu)環狀流(liu)和旋流(liu)環狀流(liú)之間空(kōng)隙率的(de)變化。從(cong)圖8可以(yi)看出，在(zai)旋流作(zuò)用🐕下,會(huì)使得空(kong)隙率的(de)變化範(fàn)圍減小(xiǎo)。在彈狀(zhuang)流來流(liú)時㊙️,旋流(liu)使得空(kōng)隙率減(jian)小，而對(dui)于塞狀(zhuàng)流🐅和細(xi)泡狀流(liu),旋流會(huì)使得空(kōng)隙率變(bian)大。
3.3液體(ti)流量測(cè)量
爲了(le)研究旋(xuan)轉環狀(zhuàng)流下電(dian)磁流量(liang)計測量(liang)精度,引(yǐn)人了相(xiang)對誤差(cha),定義爲(wei):

式中:ε爲(wei)相對誤(wù)差,%;Dmea爲液(yè)體體積(jī)流量測(ce)量值,m3/h;Dref爲(wei)液體體(ti)積流量(liàng)參比值(zhí),m3/h。

爲了正(zheng)确多次(cì)測量下(xia)電磁流(liú)量計測(cè)量精度(du),引入了(le)🍓平均🤩全(quan)🆚局相對(dui)誤差,定(dìng)義爲:

式(shì)中:εave爲平(ping)均全局(jú)相對誤(wù)差,%;N爲取(qu)樣個數(shu)。
圖9顯示(shì)了不同(tóng)空隙率(lǜ)流量測(cè)量的相(xiàng)對誤差(chà)。由圖9可(ke)以🌂看出(chū),測👨‍❤️‍👨量誤(wu)差随着(zhe)空隙率(lü)增加而(er)增加,且(qiě)具有很(hěn)強的規(gui)律性。導(dao)緻這種(zhǒng)現象的(de)原因可(kě)能是因(yin)爲與單(dān)相流相(xiang)比，旋轉(zhuǎn)環狀流(liú)中存在(zài)不導電(diàn)氣芯,使(shi)導電相(xiàng)流通截(jié)面發生(sheng)改變,由(you)單相流(liu)中的圓(yuan)形變爲(wèi)兩相流(liu)中的環(huan)形，造成(cheng)儀表常(cháng)數✂️發生(shēng)改變。由(you)圖9還可(kě)看出,通(tong)過關于(yú)截面相(xiàng)含率的(de)校正，可(ke)得到更(geng)精确的(de)❗測量值(zhí)計算式(shi)如下:

圖(tú)10爲按照(zhào)圖9的拟(ni)合曲線(xiàn)校正後(hòu)的測量(liang)結果圖(tú)。由圖10可(ke)以看出(chu),測量值(zhi)與參比(bi)值吻合(hé)良好。相(xiàng)對誤差(chà)最大不(bu)超過士(shì)5%，平均誤(wu)差爲1.1%。綜(zong)上所述(shù)，可以利(li)用電磁(cí)流量🌈計(jì)測量🚶旋(xuán)轉環狀(zhuàng)流中的(de)液體🤞流(liú)量。

4結論(lùn)與認識(shi)
本研究(jiū)以氣液(yè)兩相流(liú)爲研究(jiu)對象，提(ti)出了一(yi)種管内(nèi)相📞分隔(gé)🌈技術與(yu)電磁流(liú)量計相(xiàng)結合的(de)水平管(guan)内流量(liang)🔞測.量新(xin)方法,該(gai)方法對(duì)于指導(dǎo)生産實(shí)踐具有(you)重大的(de)意義。
(1)從(cóng)理論上(shang)分析了(le)管内相(xiàng)分隔與(yu)電磁流(liú)量計組(zǔ)合🔱測量(liàng)兩💋相流(liú)中連續(xu)導電相(xiang)流量的(de)方法,采(cǎi)用空氣(qì)-水兩相(xiang)流實驗(yàn)驗證了(le)該👣方法(fa)在一-定(ding)範圍内(nei)可正❓确(que)測量出(chū).連續💁導(dao)電相的(de)流量,具(jù)有實用(yòng)價值。
(2)針(zhen)對兩相(xiang)流不穩(wen)定流的(de)特點,采(cǎi)用旋流(liu)片作爲(wèi)管内相(xiang)分隔🈚裝(zhuang)😄置,實驗(yan)觀察了(le)旋流器(qì)前後的(de)流型變(biàn)化，即将(jiang)管内細(xi)🤟泡狀流(liú)、塞狀流(liú)和彈狀(zhuàng)流整流(liú)成單--穩(wen)定的環(huán)狀流:密(mi)度較小(xiao)的氣相(xiàng)集中于(yu)管道中(zhōng)心，而密(mì)度較大(da)的液相(xiang)則圍繞(rào)氣相和(he)管壁形(xíng)成環狀(zhuàng)體,氣液(yè)相之間(jiān)界面清(qing)晰,形成(cheng)管内相(xiang)分隔狀(zhuang)态，爲後(hòu)續圖像(xiàng)處理測(ce)量空隙(xi)率提供(gòng)條件。
(3)針(zhēn)對含有(you)少量氣(qì)體的連(lián)續水相(xiang)導電流(liu)體，引入(ru)空🌐隙💚率(lǜ)修正了(le)電磁流(liu)量計公(gong)式,建立(li)了液相(xiang)流量測(ce)量模型(xing)爲了驗(yàn)證該方(fang)法的可(ke)行性,在(zài)不同的(de)氣液流(liu)量範圍(wei)内進行(háng)了一系(xi)列實驗(yàn),在管内(nei)相分隔(gé)狀态下(xià),利用電(diàn)磁流量(liàng)計的液(ye)相測量(liàng)相對誤(wù)差在士(shì)5%以内.

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