氣液兩相流測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

姚 磊,吳月峰,李士寧（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河北 保定 071000）

氣液兩相流測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

姚 磊,吳月峰,李士寧
（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河北 保定 071000）

摘 要：隨著氣液兩相流測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，氣液兩相流理論得到充分發(fā)展，也為工程實(shí)踐提供了有力工具。本文主要介紹了近年來(lái)氣液兩相流對(duì)流量測(cè)量與流型檢測(cè)的新技術(shù)。在流量測(cè)量領(lǐng)域，本文主要介紹了傳統(tǒng)單相流量計(jì)、多流量計(jì)測(cè)量、分流分相法、超聲波法。在流型檢測(cè)方面主要介紹了，高速攝影法、層析成像法、信號(hào)特征分析法，以及小波變化法等實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。

關(guān)鍵詞：氣液兩相流；流量測(cè)量；流型檢測(cè)

氣液兩相流的測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步對(duì)其理論和工業(yè)實(shí)踐的發(fā)展有著重要的意義。對(duì)于兩相流基本參數(shù)的測(cè)量呈現(xiàn)出多樣化的趨勢(shì)。例如，針對(duì)氣液兩相流流量測(cè)量林宗虎，王棟等提出分流分相的氣液兩相流體的測(cè)量方法，最終測(cè)量誤差小于5%，效果比較理想；胡俊介紹了一種基于壓差法的V形內(nèi)錐式流量計(jì)，結(jié)果表明利用該流量計(jì)采用經(jīng)典的林宗虎模型對(duì)流型進(jìn)行檢測(cè)是可行的。

1　流量測(cè)量技術(shù)

（1）傳統(tǒng)分離式流量測(cè)量技術(shù)。根據(jù)測(cè)量過(guò)程中是否對(duì)兩相流分離可將氣液兩相流流量測(cè)量技術(shù)分為分離法和非分離法。傳統(tǒng)的分離法應(yīng)用分離設(shè)備將汽液混合物分離成單相氣體和液體后，再通過(guò)普通單相流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量。常用的單相流量測(cè)量?jī)x器有差壓流量計(jì)、渦街流量計(jì)、文丘里管、孔板式流量計(jì)、靶式流量計(jì)、節(jié)流原件等。

對(duì)于傳統(tǒng)的分離方法雖然有著穩(wěn)定性強(qiáng)，測(cè)量精度高、測(cè)量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)但是其體積龐大，造價(jià)過(guò)高，造成其經(jīng)濟(jì)性較差。

（2）多流量計(jì)測(cè)量。因流量計(jì)的指示值不僅與各相流量有關(guān)，還與兩相流體的干度相關(guān)，因此在更多的情況下，采用兩種不同特性的流量計(jì)組合測(cè)量。例如：節(jié)流元件-多孔動(dòng)壓探針（笛形管），孔板-文丘里管，靶式流量計(jì)-渦輪流量計(jì)，文丘里管-渦輪流量計(jì)，垂直上升壓差-垂直下降壓差。該方法裝置簡(jiǎn)單，但測(cè)量范圍小，受到具體流型的制約。

近些年對(duì)單個(gè)流量計(jì)與射線流量計(jì)組合研究更加深入。

（3）分流分相法。前以述及分流分相的氣液兩相流測(cè)量方法，其原理是通過(guò)分流分相的方法，從被側(cè)兩相流體中成比例的分流、分離出一定份額的單相氣體和單相液體，經(jīng)單相流量計(jì)計(jì)量后根據(jù)比例關(guān)系確定出兩相流體的各相流量。

被測(cè)兩相流體流過(guò)分配器時(shí)被分成兩部分：一部分兩相流體(80%～95%)沿原通道繼續(xù)向下游流動(dòng)，稱這部分流體為主流體，這一支路為主流體回路；另一部分兩相流體(5%～20%)則進(jìn)入了分離器，稱這部分流體為分流體，這一支路為分流體回路.分流體經(jīng)分離器分離后，氣體和液體分別進(jìn)入氣體流量計(jì)和液體流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量，最后又重新與主流體匯合。

（4）超聲波法。超聲波測(cè)速原理基于超聲波在靜止流體中的傳播速度不同，即對(duì)于固定坐標(biāo)系來(lái)說(shuō)，超聲波傳播速度與流體的流速有關(guān)。

清華大學(xué)王鐵峰，王金福等在超聲多普勒測(cè)速儀在液-固和氣-液兩相測(cè)量應(yīng)用中指出超聲多普勒測(cè)速儀實(shí)現(xiàn)了非接觸式測(cè)量，并且能得到瞬態(tài)速度的空間分布。由于超聲波測(cè)得的是流體的流速，故通常是與密度計(jì)結(jié)合，用于測(cè)量流體的質(zhì)量流量。

2　流型檢測(cè)技術(shù)

氣液兩相流流型的檢測(cè)技術(shù)對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用起著非常重要的作用。通過(guò)控制流動(dòng)參數(shù)可以避免有害流型的出現(xiàn)，保證設(shè)備安全運(yùn)行。目前流型檢測(cè)方法包括信號(hào)特征分析法、層析成像法、高速攝影法等前處理方法，小波分析法等后處理方法。

（1）特征信號(hào)分析法。特征信號(hào)分析法指通過(guò)分析傳感器的隨機(jī)信號(hào)特征來(lái)進(jìn)行流型識(shí)別。接收這些信號(hào)的傳感器主要包括電學(xué)、光學(xué)、熱膜、差壓和γ射線傳感器等。

隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展新型探針的應(yīng)用，氣液兩相流的測(cè)量變得更加切實(shí)可行，比如光纖探頭、電導(dǎo)探頭、熱膜探頭等。

（2）壓差法。差壓法，也稱壓差法，壓差波動(dòng)法是通過(guò)采集氣液兩相流動(dòng)的壓差信號(hào)，并對(duì)壓差信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的流型識(shí)別方法。這種壓差信號(hào)是由于管內(nèi)局部點(diǎn)上氣、液介質(zhì)的交替出現(xiàn)而產(chǎn)生的。對(duì)獲得的信號(hào)進(jìn)行分析處理，再與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，可以對(duì)流行實(shí)現(xiàn)客觀的智能識(shí)別。其中對(duì)于噪聲的處理采用小波包技術(shù)，后面將述及。

（3）過(guò)程層析成像法。層析成像也稱計(jì)算機(jī)層析成像，指在不影響測(cè)量對(duì)象內(nèi)部特征的條件下，從外部獲得的測(cè)量對(duì)象不同方向的投影數(shù)據(jù)，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)重建測(cè)量對(duì)象內(nèi)部的二維/三維圖像。過(guò)程層析成像技術(shù)主要以工業(yè)過(guò)程尤其是兩相流和多相流為檢測(cè)對(duì)象，具有非接觸性與實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)。

（4）高速攝影法。高速攝影法就是利用高速照相機(jī)或攝像機(jī)，通過(guò)透明管段或透明窗口拍攝流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，再利用計(jì)算機(jī)獲取拍攝到圖片對(duì)典型的流型圖像進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)處理，使得敏感對(duì)比更加信命，噪聲盡量減小，以于特征的提取。

但高速攝影法存在兩個(gè)問(wèn)題：一個(gè)問(wèn)題是由于多相流具有復(fù)雜的界面，易產(chǎn)生相對(duì)多重的反射或和折射而影響成像清晰度。另一個(gè)問(wèn)題是由于采用高速攝影，所得信息太多，因而又帶來(lái)了分析或處理這些數(shù)據(jù)的困難。

（5）小波分析法。小波包分析簡(jiǎn)稱小波分析，能夠?yàn)樾盘?hào)提供一種更加精細(xì)的分析方法，它將頻帶進(jìn)行多層次劃分，對(duì)分辨分析沒(méi)有細(xì)分的高頻部分進(jìn)一步分解，并能夠根據(jù)被分析信號(hào)的特征，自適應(yīng)地選擇相應(yīng)頻帶，使之與信號(hào)頻譜匹配，從而提高了時(shí)-頻分辨率，因此小波包具有更廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

3　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)各個(gè)氣液兩相流動(dòng)參數(shù)測(cè)量方法的分析，一種良好的測(cè)量技術(shù)或檢測(cè)方法必須具有成本低、應(yīng)用范圍廣、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、系統(tǒng)工作可靠、安全等特點(diǎn)。在流量測(cè)量方面多種方法綜合使用或分流分相法，以及對(duì)這些方法的優(yōu)化將是未來(lái)研究的熱點(diǎn)。在流型檢測(cè)方面，對(duì)層析成像法、信號(hào)處理的各個(gè)發(fā)法的深入研究，以及對(duì)各個(gè)模型的優(yōu)化和組合利用的是目前的趨勢(shì)。

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