摘要:針對(duì)電磁流量(liang)計 測量氣(qì)液兩相流(liú)時測量精(jing)度和穩定(dìng)性易受流(liu)型影響的(de)問題,提出(chu)了一種管(guan)内相分隔(ge)狀态下基(jī)于電磁😍流(liu)量計的氣(qì)液兩相流(liu)測量方法(fǎ)。利用旋流(liu)器将不規(guī)則的兩🈲相(xiàng)流入口流(liú)型🌈整形成(cheng)氣芯-水環(huan)的對稱型(xing)環狀流,保(bao)證了權函(han)數☔的有序(xù)分布,并引(yǐn)入空隙率(lü)修正了電(dian)磁流量計(ji)測量模型(xing)📐,提高了電(dian)磁流量計(jì)的測量精(jīng)度。利用空(kōng)氣-水兩相(xiàng)流爲介質(zhi),通過室内(nei)實🧑🏽‍🤝‍🧑🏻驗對該(gāi)🌍測量方法(fa)進行了驗(yàn)證,結果表(biǎo)明,在管内(nei)相分隔狀(zhuang)态🌈下,電磁(ci)流量計的(de)液相測量(liàng)相對誤差(cha)在±5%以内。研(yán)究結果爲(wei)工業生産(chǎn)中的氣液(yè)兩相測量(liang)提供了一(yi)種很好的(de)思路和方(fāng)法,具有良(liang)好的應用(yòng)價值。
　　在工(gong)業應用中(zhong),兩相流流(liu)量測量對(dui)于實際工(gōng)程應用具(ju)有重要作(zuò)用，如石油(you)鑽采工程(chéng)、石油化工(gōng)、熱電聯供(gòng)等輸送及(jí)♌分配過程(cheng)中都存在(zai)氣液兩相(xiang)流測量問(wen)題。早期曾(céng)對氣液兩(liang)相流的測(cè)量進行了(le)廣泛研究(jiū),但由于氣(qi)液兩相流(liú)型的複雜(zá)性及🌈多變(biàn)性,至㊙️今仍(réng)無廣泛認(rèn)可的氣液(yè)兩相流在(zài)線測量技(jì)術中。
　　多相(xiang)流動體系(xì)通常是由(you)兩種或兩(liang)種以上互(hù)不相溶.的(de)介質組成(chéng)的,具有明(míng)顯相界面(mian)的混合物(wù)流動。本研(yan)究的氣液(ye)兩相流研(yan)究對象分(fèn)别是空氣(qì)和水✍️，在流(liu)動✨過程中(zhong)🚶,由于存在(zài)不同流型(xíng)及流态的(de)複雜變化(hua),兩相流各(gè)種參數的(de)測量🌈都變(bian)得極爲困(kun)難。因此，準(zhǔn)确描述并(bìng).識别流型(xíng)對于兩相(xiang)流量測量(liàng)具有⭕重要(yào)的意義。由(you)于主要研(yán)究的是水(shuǐ)平管内的(de)氣液兩相(xiàng)流流型,在(zài)前人的研(yan)究基礎之(zhī)上,對水平(píng)管内流型(xing)進行了總(zǒng)結和分析(xi),得到水平(ping)管内的氣(qì)液兩相流(liu)流型主要(yao)爲細泡狀(zhuàng)流動、彈狀(zhuàng)流動、分層(céng)流動、波狀(zhuàng)分層流、塞(sai)狀流以及(ji)環狀流等(deng)[3-]。
　　自20世紀以(yi)來,氣液兩(liang)相在線測(ce)量一直是(shi)工業生産(chan)過程中迫(pò)切⚽需要解(jiě)決的難題(ti)，同時研發(fa)了大量适(shì)用于😄工業(ye)環境中的(de)兩相測量(liang)技術。根據(ju)在測量過(guo)程中兩相(xiang)流是否進(jin)行🈲分離而(er)分爲分🏃‍♂️離(lí)法和非分(fen)離法。分離(lí)法是将流(liú)動的混合(hé)物分爲以(yǐ)氣體爲主(zhu)和以液體(ti)爲主的流(liu)動，然後進(jìn)行單相測(ce)量.包括重(zhong)力分離器(qi)和導流器(qì)等,其優點(dian)爲把兩相(xiàng)流體流量(liang)測量轉化(hua)成了單😘相(xiàng)流體的流(liú)量測🐉量,測(ce)量精度高(gāo)、範圍寬、不(bu)受氣液兩(liang)相流型變(biàn)化影響,缺(quē)點則爲分(fen)離設備體(tǐ)積大、價格(ge)貴、需要建(jiàn)站,增加了(le)測量♊成本(ben)。非分離法(fa)的典型是(shì)基于📧相同(tong)原理的測(cè)量系統進(jin)行組合測(cè)量㊙️,以及中(zhōng)子射線和(hé)文丘裏管(guǎn)的組合方(fāng)式，優點爲(wèi)能夠實時(shí)測量兩相(xiàng)流體的流(liu)量及相持(chi)㊙️率等參數(shù),體積小、測(ce)量速度快(kuài)，缺點爲測(ce)量的流量(liàng)及各相持(chi)率精度偏(pian)低,适用工(gōng)況受✊限,需(xū)重複标定(dìng)🈚[5-6]。
　　電磁流量(liang)計廣泛應(yīng)用于單相(xiàng)流體的流(liú)量測量。電(dian)磁流量計(ji)是利用法(fǎ)拉第電磁(ci)感應定律(lǜ)原理測量(liang)導電液體(ti)的體積流(liu)量的儀表(biao)。其優點是(shì)可測流量(liàng)範圍大,流(liu)量範圍比(bi)值🎯一般爲(wèi)🏃‍♂️20:1以上。适用(yòng)工業管徑(jing)範圍.寬,最(zuì)大可達3m,精(jing)度較高,可(kě)測量水、污(wū)水、腐蝕性(xìng)🔴液體等流(liu)體流量,不(bú)受壓🌂力、密(mì)度、溫度🤟和(hé)其他物理(lǐ)參數的影(ying)響。因此,采(cǎi)用電磁流(liú)量計測量(liàng)連續相爲(wèi)導電性的(de)兩相流的(de)特性成爲(wèi)研究的熱(rè)門。
　　國際及(jí)國内雖然(rán)對電磁流(liu)量計在兩(liǎng)相流中的(de)應🎯用進行(háng)了大量的(de)理論分析(xī)和數值模(mo)拟，但是針(zhēn)對水平管(guǎn)内非導電(diàn)相在空間(jian)位置分布(bù)對電磁流(liu)量計的測(cè)量精度等(deng)還未🤟進行(háng)詳📱細地研(yán)究。水平管(guǎn)内🏃非導電(dian)性的空間(jiān)分布受重(zhòng)力、流體物(wu)性等影響(xiǎng)嚴重,進而(er)影響了流(liu)量計的正(zheng)确測量。近(jin)年來,相關(guān)學者提出(chū)的相分隔(ge)方法12-13]通過(guò)對兩相混(hùn)合物施加(jiā)側🚶‍♀️向力,将(jiang)兩相隔離(lí)到管内的(de)相應空間(jiān),流動過程(chéng)中兩相之(zhi)間維持非(fei)常清晰界(jiè)面,這将有(yǒu)利于電磁(ci)流量測量(liàng)兩相流參(can)數。因此，如(rú)果非導電(diàn)相能在兩(liang)相☂️流中均(jun)勻對稱分(fèn)布,電磁流(liu)量計測量(liang)将🚶爲兩相(xiàng)流量測量(liàng)提供--種有(you)前途的解(jie)決方案。同(tong)時，在将兩(liang)相隔離㊙️到(dao)管内的相(xiang)應空間,流(liu)動過✨程中(zhong)兩相之間(jian)維持非常(cháng)清☁️晰界面(mian)的過程中(zhong),采用🈲拍攝(she)及🤩圖像處(chu)理技術可(ke)以實現空(kong)隙率的測(cè)量。目前,基(ji)于圖像處(chù)理技術已(yi)進行了大(dà)量的研究(jiu)[16-18]，尤其适用(yong)于檢測氣(qi)液界面。
　　本(běn)研究采用(yòng)相分隔法(fǎ)組合電磁(ci)流量計測(ce)量氣液兩(liang)相流☎️量及(ji)相持率。在(zài)相分隔方(fang)法中,采用(yong)了旋流器(qì)産生離心(xīn)力,将氣液(ye)兩相不同(tóng)的人口流(liú)型轉變爲(wei)旋流核心(xīn)環空流,由(yóu)于其界面(miàn)清晰光滑(hua),非常有利(li)于圖像處(chu)理法來測(cè)量空隙率(lü)。采用實驗(yàn)分析的方(fāng)式研究并(bìng)驗證了電(diàn)磁流量計(jì)的兩相流(liu)工作特性(xing)。
1測量原理(lǐ)
1.1管内相分(fen)隔技術.
　　利(li)用管道中(zhōng)的相分隔(gé)技術進行(háng)整流,可以(yǐ)極大地方(fāng)便電磁流(liú)🌂量及空隙(xi)率測量的(de)開展，創造(zao)了理想的(de)測.量條件(jiàn),有🏃🏻利于提(tí)高測量的(de)正确性。通(tong)過管内相(xiàng)分隔🌈，使兩(liang)相流體在(zài)各種流型(xing)下統--轉變(biàn)成兩束在(zai)管内并行(háng)流動的單(dān)相流體,兩(liang)相之間具(jù)有相對清(qing)晰的分界(jie)面,并能維(wei)持足夠長(zhang)的距離，如(rú)圖1所示。與(yǔ)分離不同(tóng),相分隔技(jì)術并非将(jiang)兩相分“離(lí)”後各自⁉️單(dān)獨流動,而(ér)是通過--系(xi)列技術僅(jǐn)将兩相分(fèn)“隔”并未分(fèn)“離”,兩相依(yi)然同時在(zài)一個管内(nèi)流動,但是(shì)徹底改變(bian)了兩相流(liú)原有相分(fen)布和速♍度(du)分布的多(duo)樣性和㊙️随(suí)機性,使兩(liang)相流在管(guǎn)内即可保(bǎo)持有“秩🚩序(xù)"的流動,極(jí)大地方便(bian)📞了兩相流(liu)各‼️個參.數(shu)的測量。

1.2氣(qì)液兩相流(liu)相分隔狀(zhuang)态下電磁(cí)流量計測(ce)量原理
　　電(dian)磁流量通(tong)常用于測(cè)量單相導(dao)電流體,計(ji)算公式見(jian)式(1)

　　式中:U爲(wei)兩電極間(jiān)的電位差(cha)(與液體的(de)導電性、黏(nian)度和壓，力(li)🐪無關),V;B爲磁(cí)通強度,T;b爲(wèi)導電相半(bàn)徑,m;Qr爲導電(dian)液體的體(ti)積流量,m3/s。
　　對(duì)于含有少(shao)量非導電(dian)介質(如氣(qi)體或油等(děng))構成的導(dǎo)電流體,電(diàn)磁流量計(ji)仍能繼續(xu)工作。
　　考慮(lǜ)了導電相(xiang)沿管壁在(zai)環形區域(yù)流動,絕緣(yuan)相在同軸(zhóu)芯區流動(dong)時,采用電(dian)磁流量測(ce)量原理,計(jì)算公式見(jian)式(2)

式中:a爲(wei)不導電相(xiang)半徑,m;α爲絕(jué)緣相的空(kong)隙率,%。
　　在電(diàn)磁流量計(ji)的上遊,通(tōng)過圖2所示(shì)的旋流器(qì)實現相🤩分(fen)隔。旋🎯流器(qì)由4片沿周(zhōu)向均布的(de)導流片構(gòu)成，每個導(dao)流片平面(miàn)👄與管道橫(heng)截面呈現(xiàn)一定夾角(jiǎo)
　　通過研究(jiu)發現,這種(zhǒng)結構的旋(xuan)流器更有(yǒu)利于相分(fèn)隔的形成(chéng)，它使流體(ti)通過改變(bian)流動方向(xiàng)産生切向(xiang)速度㊙️,從而(er)産生離心(xīn)力。在離心(xīn)力的作用(yòng)下,氣體一(yi)般以連續(xù)氣柱❌的形(xíng)式集中在(zài)管中心，周(zhōu)圍爲連續(xù)液相,液相(xiàng)呈環形流(liú)動,形成旋(xuan)流核心環(huán)狀流管内(nei)🏃🏻相分隔後(hòu)電♈磁流量(liang)測量原理(lǐ)如圖3所示(shì)。

　　理論，上(shàng)，如果切向(xiàng)速度軸對(dui)稱且不衰(shuāi)減,切向速(sù)度不影響(xiang)電極.上的(de)電勢，則切(qie)向速度不(bú)會影響電(dian)磁💛流量計(ji)的輸出,式(shì)(2)也适用㊙️于(yú)旋轉核心(xīn)環形。因此(ci)，環狀流中(zhōng)使用電磁(ci)流量計測(ce)量✉️流量的(de)💔計算式見(jian)式(3)

式中:Q爲(wei)流體總的(de)體積流量(liang),m2/s。
2實驗裝置(zhì)和方法
　　實(shi)驗在空氣(qi)-水兩相流(liú)實驗回路(lu)中進行,以(yǐ)驗證所提(ti)出的測量(liang)方法的可(ke)行性。實驗(yàn)環路及實(shí)驗段布置(zhi)如圖4所示(shi)，在實驗段(duan)安裝了旋(xuán)流器和電(dian)磁流量計(jì) 。

利用圖像(xiàng)處理技術(shù)，提取環狀(zhuàng)流的相界(jie)面，進而計(jì)算空隙率(lü)㊙️,圖像采集(ji)原理如圖(tu)5所示。圖像(xiàng)采集過程(chéng)中,采用背(bei)😍光光源照(zhào)射法,使用(yong)高速攝像(xiàng)儀采集照(zhào)片，高速攝(shè)像儀型号(hao)爲NACMEMRECAMfxK3,像素爲(wei)480×640。在每種工(gong)況下,以500Hz的(de)頻率采集(jí)2s,共1000張照片(pian)取氣柱直(zhi)徑平均值(zhi)作爲計算(suàn)☁️截面相含(hán)率的值。本(běn)研究采用(yòng)相分離法(fa)實現的旋(xuan)流核心環(huán)空流動中(zhong)氣液界面(miàn)清晰光滑(huá)(結構見圖(tú)♍6),從而降低(di)了圖像處(chu)理的難度(dù)并減小了(le)空隙率的(de)測量誤差(chà)。

3實驗結果(guǒ)與分析
3.1實(shi)驗流型觀(guān)察
針對氣(qi)液兩相來(lái)流分别爲(wèi)細泡狀流(liu)、塞狀流和(he)彈狀流時(shí)，實驗過程(chéng)中觀察了(le)旋流器上(shàng)下遊流型(xíng)的演變⭐，旋(xuán)流🈲器前後(hòu)的🈲流型變(bian)化如圖7所(suǒ)示。從圖7可(kě)以看出,在(zài)各人口流(liú)型下⁉️,都可(ke)以形成旋(xuan)流核心環(huán)空流動結(jié)構。當入口(kǒu)流型爲細(xì)泡🆚狀流時(shi),旋🤞流器下(xia)遊的氣柱(zhu)直徑保持(chi)相對穩定(ding)值;當人口(kǒu)流型爲塞(sāi)狀🔞流時,旋(xuan)流器下遊(yóu)的氣柱直(zhi)徑✉️保持相(xiàng)對穩定,與(yu)細泡狀流(liú)區别不大(da);當人口流(liú)型爲彈狀(zhuàng)流時,由于(yu)截面♋内氣(qi)量的劇烈(liè)變化導緻(zhi)旋流後氣(qi)柱直徑随(suí)氣體體積(jī)的增大而(er)增大，但界(jie)面仍然清(qīng)晰。

3.2旋流核(he)心環空流(liú)動的空隙(xi)率
螺旋流(liu)狀态下,截(jié)面相含率(lǜ)與直線流(liu)相比會發(fa)生變化,進(jìn)而使得兩(liang)者之間的(de)液流速度(du)也會不同(tóng)。圖💋8示出❤️了(le)在相同的(de)氣液進口(kou)流量下,直(zhi)流環狀流(liú)和旋流環(huán)狀流之間(jiān)空隙✔️率的(de)變化。從圖(tú)8可以看出(chū)，在旋流作(zuo)用下,會使(shi)得空隙率(lü)的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻變化範(fàn)圍減小。在(zài)彈🔞狀流來(lái)流時🌂,旋流(liú)使得空隙(xi)率減小，而(ér)對于塞狀(zhuang)流🔴和細泡(pào)狀流💰,旋流(liú)會使得空(kōng)隙率變大(da)。
3.3液體流量(liàng)測量
爲了(le)研究旋轉(zhuan)環狀流下(xià)電磁流量(liàng)計測量精(jīng)度,引人了(le)相對誤🌈差(cha),定義爲:

式(shi)中:ε爲相對(dui)誤差,%;Dmea爲液(yè)體體積流(liu)量測量值(zhí),m3/h;Dref爲液體體(ti)積流量參(cān)比值,m3/h。

爲了(le)正确多次(cì)測量下電(dian)磁流量計(jì)測量精度(dù),引入了平(ping)均全局相(xiàng)對誤差,定(ding)義爲:

式中(zhong):εave爲平均全(quan)局相對誤(wù)差,%;N爲取樣(yang)個數。
圖9顯(xiǎn)示了不同(tóng)空隙率流(liu)量測量的(de)相對誤差(cha)。由圖9可🛀以(yǐ)看💋出,測量(liang)誤差随着(zhe)空隙率增(zēng)加而增加(jia),且具有很(hen)強的規律(lü)性。導緻這(zhè)種現象的(de)原因可能(néng)是因爲與(yu)單相流相(xiang)🈚比，旋轉環(huan)狀流中存(cún)在不導電(diàn)氣芯,使導(dǎo)電相流通(tōng)截面發生(sheng)改變,由單(dan)相流中的(de)圓形💁變爲(wèi)兩相流中(zhōng)的環形，造(zao)成儀表常(chang)數發生改(gai)變。由圖9還(hái)可看出,通(tōng)🔞過關于截(jié)面相含率(lü)的校正，可(ke)得到更精(jing)确的測量(liang)值計算式(shi)如下:

圖10爲(wèi)按照圖9的(de)拟合曲線(xian)校正後的(de)測量結果(guǒ)圖。由圖📐10可(ke)♌以🐇看出,測(ce)量值與參(can)比值吻合(he)良好。相對(duì)誤差最大(da)不超過士(shi)5%，平均誤差(cha)爲1.1%。綜上所(suo)述，可以利(li)用電磁流(liu)量計測量(liàng)旋轉環狀(zhuang)流中的液(ye)體流量。

4結(jié)論與認識(shí)
本研究以(yǐ)氣液兩相(xiàng)流爲研究(jiu)對象，提出(chū)了一種管(guǎn)内相分🤟隔(gé)技術與電(dian)磁流量計(jì)相結合的(de)水平管内(nèi)流量🏒測.量(liàng)新方法,該(gai)方法對于(yu)指導生産(chǎn)實踐具有(you)🔞重大的📧意(yì)義。
(1)從理論(lun)上分析了(le)管内相分(fen)隔與電磁(ci)流量計組(zǔ)合測量兩(liǎng)相流🥰中連(lián)續導電相(xiàng)流量的方(fang)法,采用空(kong)氣-水兩相(xiàng)流實驗驗(yàn)證了該🙇‍♀️方(fāng)法在一-定(dìng)範圍内可(kě)正确測量(liàng)出.連續💋導(dǎo)電相的流(liu)量,具有實(shi)用價值。
(2)針(zhēn)對兩相流(liu)不穩定流(liu)的特點,采(cǎi)用旋流片(piàn)作爲管内(nei)相🐅分隔✍️裝(zhuang)置,實驗觀(guān)察了旋流(liu)器前後的(de)流型變化(huà)，即将管☂️内(nèi)細泡狀流(liu)、塞🤟狀流和(he)彈狀流整(zhěng)流成單--穩(wěn)定的環狀(zhuàng)流:密度較(jiao)小的氣相(xiàng)集中🏃于管(guan)道中心，而(ér)密度較大(da)的液相則(zé)圍繞氣相(xiang)和管壁形(xíng)成環狀體(ti),氣液相之(zhi)間界面清(qīng)晰,形成管(guǎn)内相分隔(gé)狀态，爲後(hou)續圖像處(chu)🤟理測量空(kong)隙率提供(gong)條件。
(3)針對(dui)含有少量(liàng)氣體的連(lian)續水相導(dao)電流體，引(yǐn)入空🔞隙率(lǜ)修正了電(diàn)磁流量計(jì)公式,建立(li)了液相流(liú)量測量模(mo)型爲了驗(yàn)證該❗方法(fa)的可行性(xing),在不同的(de)氣液🤞流量(liàng)範圍内進(jìn)行了一系(xi)列實驗,在(zài)管内相分(fèn)隔狀态下(xià),利用電磁(ci)流量計的(de)液相測量(liàng)相對誤差(cha)在士☂️5%以内(nèi).

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