摘要(yào):在氣液(ye)兩相流(liu)實驗裝(zhuang)置上,對(duì)3台具有(you)不同導(dǎo)程葉輪(lún)的渦輪(lun)流量傳(chuán)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(yan)究。發👣現(xian)随着體(ti)積含氣(qi)率的變(bian)化,3台傳(chuán)感器的(de)流量特(tè)性曲💃🏻線(xiàn)、儀表系(xi)數遷移(yí)量、重複(fu)性誤差(chà)均會發(fā)生明顯(xiǎn)變化。具(ju)有較✊小(xiao)導程葉(ye)輪的傳(chuán)感器,其(qi)性能優(you)于其它(ta)兩台傳(chuan)感器。對(dui)造成渦(wō)輪流量(liàng)傳感器(qi)測量特(te)❓性改變(bian)與誤差(chà)的原因(yin)進行了(le)分析讨(tao)🎯論,并對(duì)體積☔含(hán)氣率變(biàn)化💁影響(xiang)渦輪流(liu)量傳感(gan)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(qì)的研究(jiu)多集中(zhong)于單🧡相(xiàng)流動條(tiao)件下的(de)實驗及(jí)理論研(yan)究。但在(zài)氣液兩(liǎng)相💁流動(dong)條件下(xia),由于氣(qi)液兩相(xiàng)間相互(hu)作用和(he)兩相界(jie)面複雜(za)📧多變等(děng)原因,人(rén)們應用(yong)渦輪流(liu)量傳感(gan)器測量(liang)氣液兩(liang)🔞相流的(de)研究還(hái)不多。
　　本(běn)文對3台(tái)具有不(bú)同導程(chéng)葉輪的(de)渦輪流(liú)量傳感(gǎn)器,用來(lai)測量體(tǐ)👌積含氣(qì)率低于(yu)10%的水平(píng)氣液兩(liang)相泡狀(zhuang)流的特(te)性進行(háng)了實驗(yàn)研究。提(ti)出儀表(biao)系數遷(qiān)移量;得(dé)出不同(tong)含氣率(lǜ)下傳感(gǎn)器的兩(liǎng)相流量(liàng)特性曲(qǔ)線與儀(yi)表系數(shù)遷移量(liang)曲線;得(dé)出🏃🏻‍♂️葉輪(lun)導程值(zhi)大小影(ying)🐆響着傳(chuán)感器測(cè)量誤差(chà)值的結(jié)論。最後(hòu)🔞對體積(ji)含氣率(lü)變化影(ying)響渦🐆輪(lún)流量傳(chuan)感器🌍特(tè)性的物(wù)理機理(lǐ)以及造(zào)成傳感(gǎn)器測量(liàng)特性改(gai)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(hang)，裝置見(jiàn)圖1。本實(shí)驗渦⭕輪(lun)流量傳(chuán)感器安(an)裝位置(zhì)距離引(yǐn)射器出(chu)口1.225m。
 
　　描述(shu)葉輪設(she)計結構(gou)的幾何(he)參數有(you)多個,就(jiu)螺旋形(xíng)葉片💁葉(yè)輪而💜言(yan),主要有(yǒu):葉片數(shù)目Z、葉片(pian)頂端半(bàn)徑Rt輪毂(gu)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(hào)分别爲(wèi)1#、2#、3#的✏️三台(tai)50mm口徑渦(wō)輪🤩流量(liang)傳感器(qì)進行了(le)水平氣(qì)液兩相(xiang)流特性(xìng)實驗,傳(chuan)感器葉(yè)輪幾何(hé)結構參(can)數,除葉(yè)片數目(mu)Z=6倒角γ=90°外(wài),其餘參(can)數見表(biǎo)1。
 
　　實驗時(shi)，測量渦(wo)輪流量(liang)傳感器(qì)入口處(chù)壓力穩(wěn)定後的(de)流量、溫(wēn)度和壓(yā)力值,通(tōng)過理想(xiang)氣體狀(zhuang)态方程(cheng)計✔️算得(dé)到人♈口(kǒu)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(chù)空氣體(ti)積流🥰量(liang)與入口(kǒu)💋處總體(ti)積流量(liàng)Qm計算得(de)到。調節(jie)液相調(diao)節閥,将(jiang)液相流(liu)量分别(bie)穩定💁在(zai)12、10.8、6m³/h。然後逐(zhu)漸增大(dà)氣相閥(fa)門開度(dù)。采用精(jing)🈚度高數(shu)據采集(ji)闆卡對(duì)每個流(liu)量點的(de)過程參(cān)數與傳(chuán)感器脈(mo)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻沖輸出(chū)采樣10次(cì),然後取(qǔ)平均值(zhi)。
3實驗結(jié)果
3.1不同(tóng)體積含(hán)氣率下(xia)的流特(te)性曲線(xiàn)
　　在不同(tong)體積含(hán)氣率下(xia),3台渦輪(lun)流量傳(chuan)感器測(cè)量水平(ping)氣❓液兩(liǎng)相流的(de)特性曲(qu)線見圖(tú)2~4,由圖中(zhong)曲線可(ke)見👨‍❤️‍👨:
 
(1)在相(xiang)同含氣(qi)率下，每(mei)台渦輪(lún)流量傳(chuán)感器儀(yi)表系數(shu)曲線均(jun1)基本保(bǎo)持水平(píng),平均儀(yi)表系數(shù)K.和線性(xing)度誤差(cha)δ見表2。
(2)随(suí)體積含(hán)氣率β的(de)增加,3台(tái)渦輪的(de)儀表系(xi)數K均有(yǒu)減小的(de)🌐趨勢📞。

 
3.2體(tǐ)積含氣(qi)率與儀(yí)表系數(shu)遷移量(liang)曲線
　　通(tong)常渦輪(lún)流量傳(chuán)感器出(chu)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(shu)與出廠(chang)标定值(zhi)偏差越(yuè)小,則測(ce)量精度(dù)🔴會越高(gao)。爲此引(yin)入儀表(biao)系數遷(qiān)移量K、來(lái)評價渦(wō)輪流👨‍❤️‍👨量(liang)傳感器(qì)測量氣(qì)液兩🙇🏻相(xiang)流的性(xing)能，其計(ji)算公式(shì)爲:
 
　　式中(zhong):K0爲渦輪(lun)流量傳(chuán)感器用(yòng)單相水(shui)流量标(biao)定得出(chu)的儀表(biao)🤟系數🔆。Kv随(suí)β變化曲(qǔ)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(zhí)均增加(jia)🛀🏻;在相同(tóng)含氣率(lü)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(qì)的K,值介(jiè)于1#與2#之(zhi)間。
 
3.3儀表(biǎo)系數随(suí)混合密(mì)度變化(huà)的曲線(xian)
　　混合密(mi)度采用(yong)流動密(mì)度計算(suàn)方法,即(jí)ρm=pvβ+ρ1(1-β)。Pg爲氣體(tǐ)密度,ρt爲(wei)㊙️水密度(dù)。Kv随pm變化(hua)曲線見(jian)圖6。
3.4不同(tóng)含氣率(lǜ)下傳感(gan)器的重(zhòng)複性誤(wù)差
　　按照(zhao)渦輪流(liú)量傳感(gan)器檢定(ding)規程(81計(jì)算不同(tóng)體積含(hán)氣率下(xia)3台傳感(gan)器的重(zhòng)複性誤(wu)差,見表(biao)3。由表中(zhong)數據可(ke)知:在兩(liang)🈚相體積(jī)流♈量近(jin)📞似相等(děng)的情況(kuang)下，重複(fú)性誤差(cha)的大小(xiǎo)明😍顯受(shou)含氣率(lü)多少的(de)影響,随(suí)着含氣(qi)💰率的增(zeng)加🏃,重複(fu)性誤⛹🏻‍♀️差(chà)明顯增(zēng)大;對于(yú)每😄台傳(chuan)感器💃,在(zai)相同含(hán)氣率下(xia),兩相混(hùn)合體積(jī)流量Qm越(yue)大,重複(fu)性誤差(chà)越小。
 
3.5實(shi)驗結論(lun)
　　由圖5和(hé)圖6曲線(xiàn)可得出(chū)初步結(jié)論:2#傳感(gǎn)器K,值小(xiǎo)于1#與3#傳(chuan)感😄器;由(you)🔴表3數據(ju)可得到(dao)初步結(jié)論:在含(han)氣率相(xiàng)同時,随(suí)📱着氣液(ye)兩♌相流(liu)量的㊙️降(jiàng)低，傳感(gǎn)器重複(fú)性誤差(cha)增大;在(zài)相同流(liú)體條件(jian)下,2#傳感(gan)器測量(liang)重複性(xing)誤差優(you)于1#與3#傳(chuán)感器的(de)重複性(xìng)誤差。
4誤(wu)差原因(yīn)的機理(li)分析
　　葉(yè)輪受力(lì)分析見(jiàn)圖7,u爲來(lái)流速度(dù),Ɩ爲葉片(piàn)長度,ω爲(wei)葉輪旋(xuán)轉角💚速(sù)⭐度。Fa、F1分别(bie)爲流體(ti)對葉輪(lun)的軸向(xiang)力和圓(yuan)周力,FR爲(wei)二者的(de)合力;Fg、Fy分(fen)别爲FR在(zài)與葉片(piàn)平行方(fang)向上的(de)分量和(he)與葉😘片(pian)垂直🔞方(fang)向上的(de)分量🔞,稱(chēng)Fs爲葉輪(lun)阻力,Fy爲(wei)葉輪升(shēng)力。
　　由于(yu)渦輪流(liú)量傳感(gǎn)器的葉(ye)輪在穩(wen)定工作(zuo)條件下(xià)滿足🏃力(li)矩平衡(héng)方程,其(qí)特性曲(qu)線受流(liú)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(shǐ)流體産(chǎn)生❓驅動(dòng)葉輪旋(xuán)轉的升(sheng)力(Fy)矩減(jiǎn)小,葉輪(lún)轉速降(jiang)低,儀表(biao)系數降(jiang)低。這是(shì)導緻傳(chuan)感器儀(yi)表系數(shù)遷移量(liàng)增大的(de)一個原(yuan)因。
 
　　當氣(qi)液兩相(xiàng)泡狀流(liú)經過葉(ye)輪時，氣(qi)泡被葉(yè)片剪切(qie)成🈲微小(xiǎo)氣泡🔴,在(zai)旋轉離(li)心力的(de)作用下(xià),這些小(xiao)氣泡聚(ju)集在葉(ye)片的吸(xi)力💰面側(ce)[9]，形成一(yi)個氣泡(pào)聚集區(qū)。聚集區(qu)中的氣(qi)泡⛹🏻‍♀️對流(liu)體的流(liú)動起阻(zu)礙♋作用(yong),根據作(zuo)用力與(yǔ)反作用(yòng)力的關(guān)系,相當(dang)于增加(jia)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(mei)有氣泡(pao)時有所(suǒ)增加,即(jí)變爲Fs',葉(ye)輪升力(lì)Fy與Fs'的合(hé)力爲FR',其(qí)圓🤞周方(fang)🌂向分量(liang)爲Ft',Ft'與Ft相(xiang)比✌️有所(suǒ)減小。所(suo)以,葉🥰輪(lún)轉速有(yǒu)所降🙇‍♀️低(di)🌐,即葉輪(lun)的旋轉(zhuǎn)效應被(bei)減弱。當(dāng)含氣率(lǜ)🍓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(zeng)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(jiang)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(liang)增大的(de)另-一個(gè)原因。
 
　　根(gen)據速度(du)剖面理(li)論,氣液(yè)兩相流(liu)水平流(liu)經管道(dao)時，氣液(yè)兩相速(su)💞度剖面(miàn)已不再(zai)象單相(xiàng)時速度(du)剖面那(nà)樣對♊稱(chēng)分🐇布于(yú)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(yùn)動到管(guǎn)道上方(fang)，管道上(shàng)部由于(yú)氣泡的(de)存在增(zeng)強了脈(mò)動速度(dù)與瑞流(liu)強度10)。在(zai)含氣率(lǜ)㊙️近似相(xiàng)同時,這(zhe)種由于(yú)氣泡的(de)存在引(yǐn)♈起的脈(mò)動速🙇‍♀️度(dù)與湍流(liu)強度增(zeng)強的程(chéng)度,受😄兩(liang)相流體(tǐ)速度的(de)影響,即(jí)在含氣(qi)率相同(tóng)時,兩🤞相(xiàng)流體速(sù)度越小(xiao)，氣泡的(de)存💰在引(yǐn)起的脈(mò)動速度(du)與湍流(liú)強度越(yuè)強，這也(ye)最終加(jia)劇了氣(qì)液兩相(xiàng)速度剖(pōu)面不對(duì)稱的程(cheng)度。由于(yú)渦👌輪流(liú)量傳感(gan)器對來(lai)流的速(sù)度剖面(mian)比較敏(mǐn)感,氣泡(pào)的存在(zai)引起的(de)脈動速(sù)度以及(ji)來流速(sù)度剖面(mian)的不對(duì)稱導緻(zhi)葉輪的(de)每個葉(yè)⭕片所受(shou)⛱️到的升(sheng)力Fy與阻(zǔ)力Fs存在(zai)差異,這(zhe)種差異(yi)使旋轉(zhuǎn)的葉輪(lún)在某轉(zhuan)速附近(jìn)🔞産生波(bō)動,最終(zhong)導緻傳(chuán)感器重(zhòng)複性誤(wù)差的增(zeng)大。這🐉就(jiu)是同--傳(chuán)感器在(zài)相同含(han)氣率下(xià),其重複(fú)性誤差(cha)随來流(liú)的體積(jī)流量的(de)減小♻️而(ér)增大的(de)原因😄。
　　對(duì)于導程(cheng)小、安裝(zhuāng)角大的(de)葉片來(lai)說,在相(xiàng)同條件(jiàn)流體🐪的(de)沖☔擊🧑🏽‍🤝‍🧑🏻下(xia),其葉輪(lún)升力F,矩(jǔ)大于大(da)導程葉(ye)輪升力(li)矩,其⭕葉(ye)輪旋轉(zhuǎn)速度📐更(geng)快,其葉(ye)輪的陀(tuo)螺效應(yīng)相對更(geng)強,抵抗(kang)由于氣(qi)泡存在(zai)引起🔞的(de)脈動速(sù)度和來(lai)流🤞速度(du)剖面的(de)不對稱(chēng)導緻葉(ye)輪的轉(zhuan)動速度(du)産生波(bō)動的能(néng)力更🔅強(qiang)一些。這(zhe)就是2#傳(chuan)感器儀(yí)表系數(shu)遷移量(liàng)以及重(zhòng)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(yè)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(liang)相流實(shi)驗,由傳(chuán)感器特(tè)性曲線(xian)分析及(jí)誤差分(fèn)析可以(yǐ)得到以(yi)下結論(lùn):
(1)渦輪流(liu)量傳感(gan)器測量(liang)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(shù)遷移量(liàng)随體積(jī)含氣率(lǜ)的增加(jiā)而逐👣漸(jiàn)增加。其(qí)🏃🏻原因是(shì):随含氣(qi)率的增(zēng)加,混合(hé)流體密(mi)度減小(xiǎo),流體驅(qū)動葉輪(lun)旋轉的(de)力矩減(jian)小;同時(shí),随含氣(qi)率增加(jiā),氣泡聚(ju)集區内(nei)的氣泡(pào)增加,對(duì)葉輪的(de)阻力增(zēng)大,葉輪(lún)旋轉🥵效(xiào)應減弱(ruò)。從🈲而葉(yè)輪轉速(su)和傳感(gǎn)器儀⭕表(biǎo)系數降(jiang)低。
(2)在相(xiàng)同含氣(qi)率下,兩(liǎng)相體積(jī)流量越(yue)小，渦輪(lun)流量傳(chuan)感器的(de)重💞複性(xìng)誤差越(yuè)大。其原(yuán)因是:由(you)于渦輪(lun)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(liú)速😍度剖(pōu)面的不(bú)對稱導(dao)緻葉輪(lún)的每個(ge)葉片⛱️所(suo)受到的(de)升力與(yǔ)阻⛷️力存(cun)在差異(yì)，這種差(chà)異使旋(xuan)轉的葉(ye)輪在某(mǒu)轉速附(fu)近産生(sheng)波🧡動。
(3)具(jù)有小導(dǎo)程、大安(an)裝角葉(ye)輪的2#渦(wō)輪流量(liang)傳感器(qì)的儀表(biǎo)系數遷(qian)移量與(yǔ)重複性(xìng)誤差優(you)于1#與3#傳(chuán)感器.在(zai)相同條(tiao)件流體(ti)的沖擊(jī)下,測量(liàng)精度受(shou)氣液兩(liǎng)相流中(zhong)的氣相(xiang)影響📱的(de)程度🧑🏽‍🤝‍🧑🏻相(xiàng)對小一(yī)些。

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