油-氣-水三相流超聲傳感器持氣率測(cè)量?

金寧德 任衛(wèi)凱 陳 選 翟路生

(天津大學(xué)電氣自動(dòng)化及信息工程學(xué)院 天津 300072)

0 引言

油-氣-水三相流普遍存在于油氣開采與輸送過程中，在水為連續(xù)相的油-氣-水三相流動(dòng)過程中，由于存在兩個(gè)獨(dú)立的分散相，其相間界面相互作用十分復(fù)雜，相間滑脫現(xiàn)象顯著，流動(dòng)行為呈現(xiàn)隨機(jī)性、無規(guī)則性和流動(dòng)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，無疑增加了持氣率參數(shù)測(cè)量難度。

多相流分相持率主要測(cè)量法有射線法[1]、電學(xué)法[2]、微波法[3]、光學(xué)法[4]、超聲法[5]以及過程層析成像[6]等。油-氣-水三相流中氣相與油相均為不導(dǎo)電相，依據(jù)傳統(tǒng)電學(xué)類檢測(cè)方法難以區(qū)分，而且光學(xué)法與射線法測(cè)量精度較低；由于氣相與水相或油相的密度存在明顯差異，聲學(xué)特性辨識(shí)度較高，故使用超聲法可檢測(cè)油-氣-水三相流中的氣相持率。

通過檢測(cè)超聲強(qiáng)度衰減，超聲傳感器在三相流持氣率檢測(cè)中具有較好應(yīng)用。Soong 等[7]通過測(cè)量超聲的衰減與介質(zhì)中的速度，研究了泥漿中氣泡與固體顆粒的尺寸。Vatanakul 等[8]利用透射式超聲傳感器測(cè)量了氣-液-固三相流中分散相持率。Zheng 等[9]通過測(cè)量超聲波穿過介質(zhì)的速度與衰減研究了氣-液-固三相流中氣相與固相對(duì)超聲傳感器響應(yīng)的影響。Cents等[10]利用寬頻帶透射式超聲傳感器測(cè)量了氣-液-固三相流中氣泡直徑與固體顆粒的尺寸。

與兩相流和氣-液-固三相流相比，超聲法在油-氣-水三相流持氣率測(cè)量中應(yīng)用較少，含油率變化對(duì)超聲波在以水相為連續(xù)相三相流中傳播影響尚待認(rèn)識(shí)。本研究采用多物理場(chǎng)耦合仿真分析法考察了氣泡直徑與油滴尺寸變化對(duì)聲場(chǎng)分布的影響，在管徑為20 mm 的垂直上升管中進(jìn)行了油-氣-水三相流動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，利用超聲傳感器測(cè)量了不同流型時(shí)的持氣率，并分析了不同流型持氣率預(yù)測(cè)的誤差來源。

1 超聲傳感器聲場(chǎng)有限元分析

基于有限元法的數(shù)值模擬分析，本課題組先前利用單因素變換法，對(duì)脈沖透射式超聲傳感器探頭的尺寸以及脈沖頻率進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)射頻率為2 MHz 時(shí)，超聲傳感器對(duì)于氣液泡狀流流型超聲衰減特性明顯，傳感器對(duì)泡狀流時(shí)的持氣率具有較好的檢測(cè)能力[11]。為進(jìn)一步考察油-氣-水三相流中超聲波傳播特性，本文利用COMSOL 多物理場(chǎng)耦合仿真軟件建立了超聲傳感器三維幾何剖分模型，如圖1 所示。發(fā)射端和接收端分別在20 mm 內(nèi)徑管道的左端和右端，壓電陶瓷直徑為6 mm。通過改變氣泡與油泡的直徑與數(shù)量，得到了不同分散相濃度下超聲聲場(chǎng)分布。圖2 為直徑為1 mm 的油泡均勻分布在介質(zhì)內(nèi)，直徑為1.5 mm 的氣泡數(shù)量逐漸增加時(shí)介質(zhì)中的聲場(chǎng)分布。

圖1 超聲傳感器三維模型Fig.1 Ultrasonic sensor 3D model

圖2 介質(zhì)中分散相分布示意圖Fig.2 Sketch map of dispersed phase distribution in medium

有限元法數(shù)值模擬依據(jù)的是一種電-結(jié)構(gòu)-聲三物理場(chǎng)耦合理論，其中聲場(chǎng)的波動(dòng)方程如下：

其中，p為聲壓，ρ0為聲傳介質(zhì)的材料密度，ω為角頻率，?為拉普拉斯算子，cs為超聲波在介質(zhì)材料中的聲速，結(jié)構(gòu)力學(xué)方程可表示為

式(2)中，ω為角頻率，ρ為壓電材料密度，u為位移，F(xiàn)v為體積力，σ為應(yīng)力，ei?為位相因子。電場(chǎng)的Maxwell方程可表示為

其中，De為電位移，ρv為體積電荷密度。

為了定量反映氣泡與油泡對(duì)超聲聲場(chǎng)分布的影響，提取超聲接收端聲壓級(jí)(Sound pressure level,SPL)，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯?dāng)持氣率增大即氣泡直徑增大或氣泡個(gè)數(shù)增多時(shí)，接收端聲壓級(jí)降低，相對(duì)于小氣泡而言，大氣泡的增多會(huì)使持氣率變化更多，接收端聲壓級(jí)下降的斜率會(huì)相應(yīng)增加。在氣泡尺寸與數(shù)量固定時(shí)，接收端聲壓級(jí)會(huì)隨著油泡直徑增加而降低，但在油泡直徑小于2 mm時(shí)，對(duì)超聲衰減的影響比較微弱，而且當(dāng)氣泡大于2 mm 時(shí)，油泡對(duì)超聲衰減的影響也不顯著。

圖3 不同分散相(油相及氣相)濃度下超聲接收端聲壓級(jí)特性Fig.3 Characteristics of sound pressure level at ultrasonic receiving end with different dispersed phase (oil phase and gas phase)concentrations

2 測(cè)量系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

垂直上升油-氣-水三相流動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)徑20 mm 的有機(jī)玻璃管作為測(cè)量管段，測(cè)試管段總長(zhǎng)2610 mm。實(shí)驗(yàn)表明，在垂直入口上游1200 mm 處，可保證垂直上升油-氣-水三相流結(jié)構(gòu)充分發(fā)展，流速基本趨于穩(wěn)定。實(shí)際測(cè)量時(shí)，脈沖透射式超聲傳感器安裝在垂直入口上游1640 mm 處，用于測(cè)量油-氣-水三相流的持氣率。雙頭光纖傳感器安裝在垂直入口上游2500 mm處，用于測(cè)量油-氣-水三相流中氣泡尺寸。測(cè)試管段安裝了相距1510 mm 的兩個(gè)快關(guān)閥，用于獲取油-氣-水三相流真實(shí)持氣率，為超聲法持氣率測(cè)量結(jié)果提供標(biāo)定手段。

實(shí)驗(yàn)中，油相介質(zhì)采用3號(hào)白油(密度801 kg/m3，黏度2.8 mPa·s)，水相介質(zhì)采用自來水(密度1000 kg/m3，黏度1 mPa·s)。本次實(shí)驗(yàn)使用兩臺(tái)WT600F 工業(yè)智能型蠕動(dòng)泵來作為油相及水相流量計(jì)量單元裝置，該蠕動(dòng)泵性能穩(wěn)定可靠，調(diào)節(jié)精確，在保證輸送管道足夠長(zhǎng)的情況下可以忽略其脈動(dòng)的影響。垂直管段入口處使用Y 型連通器，使油管和水管的夾角為60?，這種入口方式能夠確保流體進(jìn)入管道后盡快充分發(fā)展。實(shí)驗(yàn)中的氣相由空氣壓縮機(jī)提供，并使用浮子流量計(jì)對(duì)氣相流量進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量。在氣相入口處安裝了一個(gè)止回閥裝置，以防止水相和油相倒灌入氣相管路中，影響氣相計(jì)量?jī)x表的準(zhǔn)確性及空氣壓縮機(jī)的使用安全。為使得氣相能夠以均勻分布的形式進(jìn)入管道中與液相混合，在氣相入口處安裝了一個(gè)氣體分布器，以使得流體均勻混合后再進(jìn)入到發(fā)展管段中。實(shí)驗(yàn)中，固定油水混合液總流量與氣相流量，從4%到20%逐漸增加油水混合液中的含油率Ko(含水率Kw=1?Ko)，當(dāng)一個(gè)油水混合液流量和氣相流量下的所有液相含油率流動(dòng)工況完成測(cè)量后，保持液相總流量不變，改變氣相流量到下一個(gè)流動(dòng)工況，然后，改變液相含油率重復(fù)實(shí)驗(yàn)。待一個(gè)液相總流量下所有的氣相流量及液相含油率流動(dòng)工況均完成測(cè)量后，改變液相總流量，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過程，依次完成全部實(shí)驗(yàn)流動(dòng)工況。實(shí)驗(yàn)中的液相表觀流速Usl范圍為0.0368～1.1776 m/s，氣相表觀流速Usg范圍為0.0552～0.4416 m/s，共測(cè)量210 組流動(dòng)工況數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)中利用高速攝像儀拍攝到段塞流、泡狀流及混狀流三種典型流型。

圖4 垂直上升小管徑油-氣-水三相流實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of the oil-gas-water three phase flow experimental device

圖5為高速攝像儀的拍攝的三種典型流型的流動(dòng)結(jié)構(gòu)圖?？梢钥闯觯N流型下，油相均主要以非常小的油滴的形式和水相混合在一起。對(duì)于段塞流，主要由包裹著下降液膜的泰勒泡及充滿氣泡的液塞組成，二者呈擬周期交替運(yùn)動(dòng)；泡狀流的氣相主要以小氣泡的形式分布在油水混合液中，且運(yùn)動(dòng)具有較強(qiáng)的隨機(jī)性；混狀流的氣相與液相呈隨機(jī)無規(guī)則的交替出現(xiàn)，下落的液相與氣相撞擊并再次被抬起，呈現(xiàn)出上下震蕩現(xiàn)象。

圖5 油-氣-水三相流流型快照Fig.5 Snapshots of flow patterns of oil-gas-water three-phase flow

2.2 超聲傳感器及光纖探針測(cè)量系統(tǒng)

圖6 脈沖透射式超聲傳感器系統(tǒng)Fig.6 Pulse transmission ultrasonic sensor system

透射式超聲傳感器系統(tǒng)如圖6 所示，由超聲發(fā)射/接收探頭、 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Fieldprogrammable gate array,FPGA)模塊、超聲信號(hào)發(fā)生器和調(diào)理模塊、USB 模塊與上位機(jī)組成。超聲發(fā)射/接收探頭(日本富士公司)分別安置在管道兩側(cè)，超聲探頭直徑6 mm，頻率為2 MHz。信號(hào)發(fā)生器在FPGA(Altrea，EP4CE6E22C8)的控制下產(chǎn)生幅值為100 V、重復(fù)頻率為1 kHz 的高壓電脈沖，激勵(lì)超聲發(fā)射探頭，產(chǎn)生頻率為2 MHz的脈沖超聲波；超聲脈沖穿過介質(zhì)后到達(dá)接收探頭，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)脈沖后經(jīng)A/D 電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并傳送到FPGA中，采樣頻率為10 MHz。FPGA計(jì)算出接收到的脈沖波最大幅值通過USB傳送到上位機(jī)中。

為了考察油-氣-水三相流中泡狀流的氣泡泡徑對(duì)超聲信號(hào)的影響，本文選用了插入式雙頭光纖探針傳感器來得到氣泡泡徑的概率密度分布，雙頭光纖探針傳感器如圖7 所示[12?13]。本次實(shí)驗(yàn)的光纖傳感器測(cè)量系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器、紅外光源、耦合器、光纖傳感器、光電探測(cè)器與信號(hào)采集模塊等。其中，光纖傳感器使用的是內(nèi)徑為62.5 μm、外徑為120 μm 的多模光纖，并將其放入內(nèi)徑為1 mm、外徑為2 mm 的不銹鋼套筒中，然后固定在內(nèi)徑為20 mm 的管道中，光纖探針探出套筒的長(zhǎng)度分別為1 mm 和2 mm，并使用波長(zhǎng)為850 nm 的LED 燈為整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)提供紅外光源。為了降低實(shí)驗(yàn)中的光信號(hào)在傳輸過程中的損耗，并考慮到所用光的波長(zhǎng)范圍，本次實(shí)驗(yàn)選用了FCMM625-99A-FC 型號(hào)多模耦合器，以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。光纖耦合器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)通過整流模塊進(jìn)行濾波和信號(hào)放大，并通過NI 公司的PXI-4472板塊進(jìn)行采集，采樣頻率設(shè)置為2000 Hz，采樣時(shí)間為120 s。

圖7 雙頭光纖探針傳感器Fig.7 Double-sensor optical probes

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 超聲傳感器持氣率測(cè)量特性

為了探究超聲波能量衰減與管道中持氣率之間關(guān)系，提取每個(gè)觸發(fā)周期內(nèi)超聲波脈沖幅值最大值作為一次觸發(fā)采集到的信號(hào)。該信號(hào)直接反映出了超聲波經(jīng)過流體散射及透射后的聲能衰減情況，圖8為典型工況下超聲響應(yīng)峰值序列?？梢钥闯觯谝合嗔魉佥^低時(shí)，流體流型呈現(xiàn)為段塞流，周期性出現(xiàn)較大氣塞會(huì)導(dǎo)致超聲波無法穿透流體，幾乎接收不到超聲信號(hào)，從圖5(a)中可以看出，段塞流液塞中的氣泡尺寸與泡狀流時(shí)接近，超聲信號(hào)隨流過其測(cè)量截面的氣泡變化而波動(dòng)。隨著液相流速增大，流體中大氣塞出現(xiàn)的頻率增加，但對(duì)應(yīng)的弦長(zhǎng)變短，即氣塞長(zhǎng)度變短，從超聲信號(hào)上可以看出此時(shí)信號(hào)截止情況出現(xiàn)的頻率變高，液塞部分超聲信號(hào)衰減增加，這是因?yàn)闅馊饾u被擊碎變短，被擊碎的部分涌入液塞，增加了液塞部分持氣率，導(dǎo)致超聲穿過流體時(shí)衰減增加，與光纖測(cè)得的泡徑信息相呼應(yīng)。

當(dāng)液相流速增大到氣塞被擊碎為大氣塊時(shí)，流型逐漸接近混狀流。此時(shí)從圖8 可以看出較大氣塊仍能造成超聲信號(hào)截止，而且超聲波在穿越混狀流液塞時(shí)的衰減高于穿越段塞流液塞時(shí)。隨著液相流速進(jìn)一步增大，氣塞或者氣塊被擊碎為小氣泡，均勻分散到混合流體內(nèi)，從圖5(b)中可以看出，此時(shí)氣相以小氣泡形式隨機(jī)分散于混合流體中，圖8 中超聲信號(hào)無截止現(xiàn)象出現(xiàn)，且超聲信號(hào)衰減降低，表明超聲波大部分能量能穿透流體到達(dá)接收端。

圖8 超聲響應(yīng)峰值序列Fig.8 Peak ultrasonic response sequence

3.2 泡狀流測(cè)量及分析

當(dāng)超聲波穿過油-氣-水三相流時(shí)，由于不同介質(zhì)的聲阻抗不同，超聲波傳播到物理性質(zhì)不同的接觸面時(shí)發(fā)生散射現(xiàn)象，引起能量的大幅衰減，通過測(cè)量超聲波的衰減程度，可以得到流體內(nèi)持氣率信息。超聲波傳播過程中的衰減可以表示為

式(4)中，U0為純水時(shí)的超聲信號(hào)值，U為加入氣相后的超聲信號(hào)，即超聲傳感器的測(cè)量值，L為超聲波在管道中的傳播距離，即管道直徑，α為吸收系數(shù)。由于該模型不受溫度壓力影響，得到了廣泛應(yīng)用，Stravs等[14]將式(4)推廣為

其中，a為氣相體積截面積，θ為散射系數(shù)，n為超聲波的波數(shù)，dsm為Sauter 平均氣泡直徑。氣相體積截面積a與持氣率Yg及Sauter 平均氣泡直徑之間有如下關(guān)系：

故公式(5)可轉(zhuǎn)換為超聲衰減與持氣率之間的函數(shù)關(guān)系，即

其中，散射系數(shù)θ為定值，由氣相與液相的性質(zhì)、管道材料以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備共同決定，可從實(shí)驗(yàn)中獲得。需要指出的是，該模型假定氣相以相同直徑的氣泡均勻分布在流體中，因此，該模型適用于泡狀流持氣率預(yù)測(cè)，而對(duì)于段塞流與混狀流持氣率預(yù)測(cè)，文后在此基礎(chǔ)上給出相應(yīng)的解決方案。由公式(7)可以看出，隨著持氣率的增加，超聲信號(hào)值會(huì)逐漸減小。為確定散射系數(shù)θ，將泡狀流工況下的超聲信號(hào)值與由快關(guān)閥截取的持氣率Ygqcv進(jìn)行了擬合。每個(gè)泡狀流工況下的快關(guān)閥截取次數(shù)至少為3 次，以確?？礻P(guān)閥的截取精度。擬合結(jié)果如圖9所示。

圖9 泡狀流持氣率擬合結(jié)果Fig.9 Bubble flow gas holdup fitting results

擬合得到的關(guān)系即為泡狀流持氣率測(cè)量模型，圖10顯示了泡狀流的超聲法測(cè)量持氣率預(yù)測(cè)結(jié)果。為了便于分析，引入兩個(gè)評(píng)估依據(jù)：絕對(duì)平均誤差(Average absolute deviation,AAD)和絕對(duì)平均相對(duì)誤差(Average absolute percentage deviation,AAPD)。

圖10 泡狀流持氣率預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.10 Prediction of bubble flow gas holdup

雖然通過提取超聲脈沖峰值可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)混合流體的持氣率，但仍存在一定誤差，這是由于泡狀流中氣泡的直徑分布并不均勻，不嚴(yán)格滿足持氣率模型的假設(shè)條件。這也與超聲傳感器聲場(chǎng)有限元分析結(jié)果相吻合，即氣泡泡徑不同時(shí)，超聲波能量的衰減規(guī)律也有差異。為了考察油-氣-水三相流中泡狀流的氣泡泡徑對(duì)超聲衰減規(guī)律的影響，本文選用了插入式雙頭光纖探針傳感器測(cè)量油-氣-水三相流中泡狀流的氣泡泡徑。

由于光信號(hào)只對(duì)氣相敏感，所以使用光纖探針來測(cè)量油-氣-水三相流可以有效地避免泡狀流中油泡對(duì)結(jié)果的影響。圖11 顯示了一組典型泡狀流的光纖探針信號(hào)，可以看出這兩路信號(hào)有一定的相關(guān)性。

圖11 雙頭光纖探針傳感器信號(hào)Fig.11 Signals of double-sensor optical probes

為了獲取泡狀流工況下的氣泡泡徑概率密度分布，首先需要計(jì)算出氣泡的局部流速。本文選用相關(guān)測(cè)速法根據(jù)選定的上下游光纖探針測(cè)量信號(hào)計(jì)算氣泡的局部速度v。相關(guān)測(cè)速法是一種廣泛用于測(cè)量流體流速的方法。

在測(cè)量中，兩個(gè)插入式光纖探針檢測(cè)到的電壓波動(dòng)信號(hào)分別用x(t)、y(t)表示，如果上下游傳感器距離恰當(dāng)，混合流體流經(jīng)上下游光纖傳感器時(shí)流動(dòng)結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生大的變化，即滿足流體“凝固”假設(shè)，那么上下游光纖傳感器檢測(cè)到的電壓波動(dòng)信號(hào)x(t)、y(t)將會(huì)極為相似，僅在時(shí)間上有時(shí)間延遲τ0，即滿足：

其中，時(shí)間延遲τ0是混合流體從上游到下游流動(dòng)所耗費(fèi)的時(shí)間，稱為渡越時(shí)間，此參數(shù)與混合流體的流動(dòng)速度相關(guān)。由互相關(guān)理論可知，上下游光纖傳感器檢測(cè)到的電壓波動(dòng)信號(hào)x(t)、y(t)的互相關(guān)函數(shù)可以表示為

其中，互相關(guān)函數(shù)Rxy(τ)代表上下游光纖傳感器檢測(cè)到的電壓波動(dòng)信號(hào)x(t)、y(t)的互相關(guān)系和相關(guān)程度。Rxy(τ)達(dá)到峰值時(shí)所需的時(shí)間，即為混合流體從上游到下游流動(dòng)所耗費(fèi)的時(shí)間，也就是渡越時(shí)間。

圖12 中求解得到的渡越時(shí)間τ0=0.001 s?；旌狭黧w中氣泡的平均流動(dòng)速度即為上下游光纖傳感器間距與渡越時(shí)間的比值：

圖12 上下游信號(hào)間的渡越時(shí)間Fig.12 Transit time between upstream and downstream signals

求解出氣泡的流動(dòng)速度后，以上游光探針測(cè)量信號(hào)作為計(jì)算氣泡弦長(zhǎng)的時(shí)間標(biāo)度，由于閾值處理后的探針信號(hào)是規(guī)則的方波信號(hào)，整個(gè)序列只有0 和1 信號(hào)，其中1 代表氣相，0 代表液相，那么當(dāng)采樣頻率足夠大時(shí)，序列中一段連續(xù)的1 信號(hào)就表示一個(gè)氣泡包裹針尖的時(shí)間長(zhǎng)度，找出其中連續(xù)1 信號(hào)的段數(shù)及每段高電平所包含的采樣點(diǎn)數(shù)就能得到經(jīng)過該測(cè)量點(diǎn)的氣泡個(gè)數(shù)和每個(gè)氣泡的持續(xù)時(shí)間。設(shè)每個(gè)氣泡包裹針尖的時(shí)間長(zhǎng)度tj(j=1,2,3,··· ,n，n表示某測(cè)量點(diǎn)氣泡總個(gè)數(shù))，則瞬態(tài)氣泡弦長(zhǎng)計(jì)算公式為

圖13 泡狀流時(shí)不同氣相表觀流速的氣泡泡徑概率密度分布Fig.13 PDF of bubble diameter at different gas phase superficial velocities in bubble flow

利用公式(12)可計(jì)算得到不同流體工況下的瞬態(tài)氣泡弦長(zhǎng)序列。然后，再用一維概率密度函數(shù)對(duì)弦長(zhǎng)序列進(jìn)行擬合，便可得到泡狀流中氣泡泡徑的概率密度分布曲線。

圖13 顯示了泡狀流中的液相表觀流速Usl=1.1776 m/s 時(shí)，不同氣相表觀流速時(shí)氣泡泡徑概率密度分布曲線。從圖中可以看出，對(duì)于同一種氣相流速Usg而言，概率密度峰值對(duì)應(yīng)的氣泡泡徑D相差不多，但隨著氣相流量的不斷增加，概率密度峰值對(duì)應(yīng)的氣泡泡徑D值也在逐漸變大，但是概率密度峰值在逐漸減小。說明持氣率的增加使得氣泡泡徑變大，但氣泡間的泡徑差異逐漸變大，而在持氣率預(yù)測(cè)模型中，氣泡泡徑被假設(shè)為單一值。氣泡泡徑的非均分布導(dǎo)致利用超聲脈沖衰減預(yù)測(cè)的持氣率偏離混合流體中的真實(shí)持氣率。

3.3 段塞流與混狀流測(cè)量及分析

對(duì)段塞流與混狀流而言，當(dāng)氣塞經(jīng)過超聲傳感器時(shí)，傳感器輸出截止的低電平，而段塞流的液塞中分布有分散的氣泡，與泡狀流相似。故對(duì)段塞流的液塞部分可以使用式(7)計(jì)算它的持氣率，再通過計(jì)算氣塞與液塞所占的比例，即可求出段塞流的持氣率，計(jì)算持氣率的公式可表示為

其中，Yg表示持氣率；Yg,liquid是液塞部分的平均持氣率；Yg,gas表示氣塞部分的平均持氣率，忽略氣塞周圍環(huán)繞的液膜部分，可使Yg,gas≈1；a為氣塞部分所占的比例；b為液塞部分所占的比例。

圖14 為段塞流和混狀流的超聲法持氣率測(cè)量結(jié)果，整體來看，超聲法測(cè)量持氣率要大于快關(guān)閥法持氣率，尤其混狀流更加明顯。這是由于超聲法計(jì)算持氣率時(shí)，將所有段塞流的氣塞部分和混狀流的氣塊部分的持氣率視為1，忽略了周圍的液相部分，并且氣塊部分周圍的液相比氣塞部分周圍的液膜多。隨著氣相增多，氣塞和氣塊的占比變大，相應(yīng)的被忽略的液相部分也會(huì)增多，所以隨著Ygqcv變大，兩者的偏差均會(huì)變大。

4 結(jié)論

本文利用超聲傳感器與光纖傳感器考察了超聲傳感器對(duì)內(nèi)徑為20 mm 管徑垂直上升油-氣- 水三相流中典型流型時(shí)的氣相持率的測(cè)量特性。利用COMSOL 多物理場(chǎng)數(shù)值模擬軟件建立了油-氣-水三相流多種持氣率下的三維數(shù)值模型，考察了氣泡和油泡的泡徑及其分布對(duì)20 mm 管道內(nèi)聲壓場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)氣泡尺寸與分布對(duì)聲場(chǎng)分布影響較為顯著，當(dāng)油泡直徑小于2 mm 且氣泡直徑較大，油相對(duì)超聲衰減的影響可忽略。利用超聲傳感系統(tǒng)測(cè)量了超聲脈沖波穿過流體后的能量衰減，并建立了不同流型時(shí)油-氣-水三相流持氣率預(yù)測(cè)模型，分析了不同流型時(shí)超聲傳感器對(duì)持氣率測(cè)量的誤差來源：泡狀流時(shí)，結(jié)合雙頭光纖探針對(duì)氣泡測(cè)量結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，氣泡泡徑的非均分布導(dǎo)致利用超聲脈沖衰減預(yù)測(cè)的持氣率偏離混合流體中的真實(shí)持氣率；段塞流及混狀流時(shí)，測(cè)量持氣率要大于快關(guān)閥法持氣率，這是由于超聲法計(jì)算持氣率時(shí)，將所有段塞流的氣塞部分和混狀流的氣塊部分的持氣率視為1，忽略了周圍的液膜。研究結(jié)果表明，利用超聲衰減與持氣率的物理關(guān)系，采用脈沖透射式超聲傳感器可測(cè)量油-氣-水三相流持氣率。

圖14 段塞流和混狀流的超聲法持氣率測(cè)量結(jié)果Fig.14 Measurement results of gas holdup of slug flow and mixed flow by ultrasonic method