彈狀流工況下的氣液兩相流雙參數(shù)測量*

田 季， 方立德， 李小亭， 呂曉暉， 李婷婷

(河北大學(xué) 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北 保定 071002)

彈狀流工況下的氣液兩相流雙參數(shù)測量*

田 季， 方立德， 李小亭， 呂曉暉， 李婷婷

(河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北保定071002)

由于兩相流動的復(fù)雜性，利用實驗測量手段實現(xiàn)兩相流的準(zhǔn)確測量成為目前研究的熱點。在彈狀流流型的工況條件下選取了30個實驗點，利用新型氣液兩相流檢測裝置進(jìn)行測量實驗，結(jié)果表明：液相含率測量相對誤差在4.3 %以內(nèi)，總流量測量相對誤差在1.6 %以內(nèi)，為氣液兩相流雙參數(shù)測量研究提供了一種新的思路。

氣液兩相流； 彈狀流； 檢測裝置； 相含率； 流量測量

0 引 言

在氣液兩相流系統(tǒng)中，由于兩相間的相互作用，存在時間與空間上隨機(jī)可變，導(dǎo)致兩相流系統(tǒng)具有復(fù)雜的流動特性，描述兩相流動的參數(shù)也各有不同[1～3]。氣液兩相流參數(shù)的測量按是否分離，可分為完全分離法、部分分離法、非分離法三類。非分離法是一種理想的檢測方法，一般采用組合法實現(xiàn)。用2種或2種以上的傳感器測得氣液兩相流總流量和相含率，進(jìn)而計算得到分相參數(shù)，是組合測量的方法之一。

差壓流量計是國內(nèi)外公認(rèn)的適合測量氣液兩相總流量的傳感器，Murdock用氣水混合物實驗，給出了修正的分相流動模型計算式[4]；Chisholm假設(shè)氣液兩相流流經(jīng)孔板時做分相流動，通過氣液兩相流動量方程式導(dǎo)出孔板分相流測量模型[5]。天津大學(xué)徐英等人以雙差壓長喉頸文丘里流量傳感器為測量手段，通過計算流體動力學(xué)仿真技術(shù)預(yù)測了濕氣氣、液兩相流量[6]。

另外，氣液兩相系統(tǒng)中的相含率檢測方法有多種，利用近紅外光譜學(xué)技術(shù)進(jìn)行測量相含率是其中一種[7～11]。盧慶華利用近紅外吸收特性根據(jù)向量距離對氣液兩相系統(tǒng)豎直管道中的泡狀流、彈狀流、環(huán)狀流及乳沫狀流進(jìn)行了流型識別[12]。李明明提出了將近紅外探頭沿流體流動方向安裝的設(shè)計思路，并通過實驗證明了新型氣液兩相流檢測裝置在利用近紅外測量相含率上的優(yōu)勢[13]。而基于新型氣液兩相流檢測裝置實現(xiàn)相含率與流量的雙參數(shù)測量需要進(jìn)一步研究。

本文利用豎直方向布置的新型氣液兩相流檢測裝置測量流型為彈狀流工況下的30個工況點并建立了測量模型，實現(xiàn)了近紅外測量相含率與差壓法測流量相結(jié)合的雙參數(shù)測量。

1 實驗裝置

新型氣液兩相流相含率檢測裝置改變了原有探頭垂直于流體流動方向放置的安裝方式，采用探頭沿流體流動方向放置的軸向測量形式，檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)示意

檢測裝置通過法蘭盤安裝在豎直管道上，待測流體流經(jīng)前直管段，擴(kuò)張管段后，通過過渡彎管流入測量管道中，測量管道為沿裝置軸線均布的8個直管段，內(nèi)徑、長度均相同，在每個測量管段的兩端分別布置有近紅外發(fā)射探頭和接收探頭，待測流體流經(jīng)測量管道后通過過渡彎管、收縮管段、后直管段后流入實驗系統(tǒng)管道，形成回路，在變徑管段前后設(shè)置取壓孔。

取壓孔連接差壓變送器，測量對應(yīng)位置的壓力差。實驗過程中每改變一個流量點首先穩(wěn)定2 min，待流體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，開始采集。信號采集時間設(shè)置為1 min，隨機(jī)抽取300個數(shù)據(jù)點利用差壓法測量待測流體流量。

近紅外發(fā)射和接收探頭連接實驗數(shù)據(jù)采集單元，通過采集光強(qiáng)信號測量待測流體的相含率。測量裝置將主測量管道進(jìn)行分支，使被測流體平均分配到8根小管道中，在小管道兩側(cè)軸向安裝近紅外探頭，保證近紅外發(fā)射裝置發(fā)出的近紅外光完全被相應(yīng)的接收裝置接收，減少了光路在管道中復(fù)雜傳播對測量產(chǎn)生的影響，提高了測量的準(zhǔn)確性與可靠性。

2 相含率檢測與數(shù)據(jù)分析

在實驗裝置為全氣和全水工況下，利用近紅外測量系統(tǒng)測量檢測裝置中8個測量支管對應(yīng)的電壓信號，分別求取通道0～7的采樣信號平均值得到全氣相的電壓信號UG0～UG7及全液相的電壓信號UL0～UL7。對每個所設(shè)實驗工況點，采集每個測量支管的電壓信號，求取采樣信號平均值得到工況點的電壓信號UN0～UN7。實驗過程中水路的溫度、壓力和氣路的溫度、壓力等參數(shù)由多相流模擬系統(tǒng)的軟件NI采集系統(tǒng)測量獲取。

依據(jù)流動過程中設(shè)置的分相流量值及分相溫度、壓力及混合后的溫度、壓力等值，可得到實際液相含率。液相含率計算公式如式(1)所示

(1)

式中Ql為水相體積流量，m3/h；Qg為氣相體積流量，m3/h；Pg為氣路壓力，Pa；Tg為氣路溫度，℃；Pb為背景壓力，Pa；Tb為背景溫度，℃。

將采集到的實時數(shù)據(jù)提取平均值，求得每個工況點下液相體積含率，作為實際液相含率。利用數(shù)據(jù)處理分析軟件得到通道0～7的采樣電壓值比值UN/UL與相含率之間的回歸曲線，如圖2所示。

圖2 采樣電壓比值與相含率的回歸關(guān)系

觀察每個采樣通道的光強(qiáng)信號比值IN/IL及采樣電壓比值UN/UL與相含率之間的關(guān)系，假設(shè)測得的光強(qiáng)比值與相含率存在的數(shù)學(xué)模型為

(2)

式中a～h為待定系數(shù)。將彈狀流測量時的試驗數(shù)據(jù)代入統(tǒng)計產(chǎn)品與服務(wù)解決方案(statistical product and service solutions,SPSS)中，進(jìn)行參數(shù)迭代分析，得到彈狀流的擬合公式，擬合效果較高。

表1 擬合效果

擬合結(jié)果中

(3)

確定各系數(shù)值, 則得到測量彈狀流時的計算模型

(4)

分別將測得電壓值對應(yīng)到該數(shù)學(xué)模型中，得到液相含率，比較計算液相含率與利用入口參數(shù)所求得的實際液相含率的絕對誤差，并求得兩者之間的相對誤差。彈狀流液相含率計算值與實際值對比如圖3所示，有93 %的點相含率的計算值與實際值的相對誤差在3 %以內(nèi)，全部點的相對誤差在4.3 %以內(nèi)。

圖3 相含率計算值與實際值對比

3 流量測量與數(shù)據(jù)分析

基于差壓流量計的氣液兩相流流量檢測原理，可知氣液兩相流流量計算為

(5)

式中Qt為氣液兩相流混合體積流量，m3/h；C為流出系數(shù)，無量綱；D為管道口徑，m；ΔP為兩相流動測得的差壓，Pa；ρm為工作狀況下節(jié)流件上游處混合流體的密度，kg/m3；β為等效直徑比，無量綱；ε為氣體膨脹系數(shù)，無量綱。

氣體膨脹系數(shù)為固定值，管道口徑和等效直徑比是由裝置尺寸參數(shù)確定的固定值，混合密度可通過相含率計算求得。所以利用公式進(jìn)行流量計算，需要先求取流出系數(shù)的計算公式。

采用SPSS軟件中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對彈狀流總流量進(jìn)行預(yù)測，以氣液兩相總流量為因變量，將試驗過程中可能影響到測量結(jié)果的變量如混合溫度、混合壓力、液相含率、差壓、混合密度、佛羅德(Froude)數(shù)等均作為協(xié)變量參與到預(yù)測模型中。預(yù)測過程中，使用多層感知器(multilayer perceptron，MLP)模型，培訓(xùn)與測試的相對比例為7︰3。預(yù)測中止后觀察中止原因，若顯示已達(dá)到培訓(xùn)錯誤中止標(biāo)準(zhǔn)，則預(yù)測有效。本次預(yù)測結(jié)果中訓(xùn)練相對錯誤為0.004，測試相對錯誤為0.001。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到的預(yù)測值與實際值關(guān)系對比，并計算預(yù)測值與實際值相對誤差，預(yù)測值與實際值的相對誤差在4 %以內(nèi)，觀察各參量在預(yù)測過程中的重要性，發(fā)現(xiàn)液相Froude數(shù)的重要性位居首位，混合密度次之，各參量重要性如圖4所示。

圖4 各變量在預(yù)測過程中重要性比例

觀察彈狀流實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在固定水流量的狀態(tài)下，隨著氣流量的增加流出系數(shù)呈降低趨勢，且流出系數(shù)與液相含率呈一次線性關(guān)系。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測過程中，由于Froude數(shù)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測過程中占重要性比例較大，因此,引入無量綱量液相Froude數(shù)Frl，對彈狀流流量進(jìn)行求解。用一次線性函數(shù)擬合得到流出系數(shù)與液相含率及液相Froude數(shù)存在以下關(guān)系

C=(77.512 48×Frl+0.005 49)×βl+

104.277 23×Frl-0.003 76

(6)

根據(jù)計算流出系數(shù)值和測量的差壓值代入式(5)求得計算流量值，對比實際流量與計算流量的變化趨勢，并且根據(jù)兩者數(shù)值計算其相對誤差，誤差分布在1.6 %以內(nèi)，總流量計算值與實際值對比如圖5所示。

圖5 總流量計算值與實際值對比

在實際應(yīng)用中，需通過差壓信號估算總流量，結(jié)合紅外信號測得的含率信息求液相流量值進(jìn)而得到液相Froude數(shù)，利用式(6)求得流出系數(shù)值，代入式(5)求總流量，完成一次迭代運算。經(jīng)過多步迭代運算后達(dá)到收斂條件(相鄰兩次迭代運算總流量相對差值小于0.1 %)，得到最終兩相流總流量測量值，結(jié)合近紅外信號測得含率值即可求得各分相流量值。

4 結(jié) 論

針對彈狀流流型下的30個工況點，利用新型氣液兩相流檢測裝置在多相流模擬系統(tǒng)上進(jìn)行了兩相流動態(tài)測試，其中液相流量測量范圍為0.4～3 m3/h，氣相流量測量范圍為0.12～0.6 m3/h。通過對實驗數(shù)據(jù)處理分析，建立了實驗工況條件下液相含率測量模型及流量測量模型，液相含率測量相對誤差在4.3 %以內(nèi)，總流量測量相對誤差在1.6 %以內(nèi)，新型氣液兩相流檢測裝置實現(xiàn)了雙參數(shù)測量，測量方法簡單，準(zhǔn)確度高。

[1] 譚 超，董 峰.多相流過程參數(shù)檢測技術(shù)綜述[J].自動化學(xué)報，2013，39(11)：1923-1932.

[2] 羅 瑋.PIV應(yīng)用于氣液兩相流的研究現(xiàn)狀[J].傳感器與微系統(tǒng)，2006,25(2):1-3.

[3] Situ R, Hibiki T, Brown R J,et al.Flow regime transition criteria for two-phase flow at reduced gravity conditions[J].International Journal of Multiphase Flow,2011,37:1165-1177.

[4] Murdock J W.Two-phase flow measurements with orifices[J].Journal of Basic Engineering, 1962, 84(4): 419-433.

[5] Chisholm D.Void fraction during two-phase flow[J].Journal of Mechanical Engineering Science,1973,15(3):234-235.

[6] 徐 英.基于文丘里流量傳感器的濕氣兩相流量模型研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2016,35(5):4-8.

[7] 王振亞.垂直上升油水及油氣水多相流流動參數(shù)測量方法研究[D].天津：天津大學(xué)，2011.

[8] 周文興，鄧一兵，周抗寒,等.氣液兩相流空隙率測量方法微重力環(huán)境應(yīng)用研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009,28(10)：16-19.

[9] 方立德 ，張 垚，王小杰.新型內(nèi)外管差壓流量計濕氣測量模型研究[J].傳感器技術(shù)學(xué)報，2013，26(8)；1173-1177.

[10] 李海清.兩相流參數(shù)檢測及其應(yīng)用[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1991.

[11] 馮 定，徐冠軍，袁詠心，等.多相流量計的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機(jī)械與電子，2012(2)；77-79.

[12] 盧慶華.基于紅外光譜吸收特性的氣液兩相流相含率檢測裝置的研究[D].保定：河北大學(xué)，2013.

[13] 李明明.新型氣液兩相流相含率檢測裝置的研究[D].保定：河北大學(xué)，2016.

Two-parametermeasurementofgas-liquidtwo-phaseflowbasedonslugflow*

TIAN Ji, FANG Li-de, LI Xiao-ting, Lü Xiao-hui, LI Ting-ting

(SchoolofQualityandTechnologySupervision，HebeiUniversity,Baoding071002,China)

Due to the complexity of two-phase flow, the accurate measurement of two-phase flow by means of experimental measurement has become a hot research topic.30 experimental points are selected under the condition of slug flow, and the measurement experiment is carried out by the new-type detection device of gas-liquid two-phase flow.The results show that the relative error of liquid phase fractions is less than 4.3 %,and the relative error of total flow measurement is less than 1.6 %.This study provides a new idea for the study of two parameter measurement of gas-liquid two-phase flow.

gas-liquid two-phase flow; slug flow; detection device; phase volume fraction; flow measurement

10.13873/J.1000—9787(2017)12—0016—03

TH 814; TP 212.9

A

1000—9787(2017)12—0016—03

2017—10—13

國家自然科學(xué)基金面上資助項目(61475041)； 國家自然科學(xué)基金專項基金資助項目(61340028)

田 季(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為多相流參數(shù)檢測技術(shù)。