基于絲網(wǎng)傳感器的氣液兩相流成像可行性研究

摘要：絲網(wǎng)傳感器（WMS）能測(cè)量得到氣體兩相流的局部流體混合電導(dǎo)率，進(jìn)一步可導(dǎo)出含氣率、氣泡尺寸等定量值。而流體的可視化測(cè)量成像圖則能直觀地顯示流體的時(shí)空分布，對(duì)多相流的研究有重要意義。本文設(shè)計(jì)并實(shí)施了氣液兩相流實(shí)驗(yàn)，并對(duì)WMS測(cè)量值進(jìn)行歸一化標(biāo)定得到流體局部空隙率。進(jìn)一步地，利用液相水和氣相空氣二者電導(dǎo)率的顯著差異特性，將呈0、1二值分布的流體局部空隙率與水、空氣進(jìn)行簡(jiǎn)單映射，得到了流體相分布可視化成像圖。得到的氣液兩相分層流、波狀流的可視化相分布圖，清晰準(zhǔn)確地呈現(xiàn)了氣液分界面、液位高度的時(shí)空演變過程，成像結(jié)果表明WMS對(duì)分層流、波狀流這類氣液相連續(xù)的流體的相分布能準(zhǔn)確地進(jìn)行可視化測(cè)量成像。

關(guān)鍵詞：絲網(wǎng)傳感器;氣液兩相流;空隙率; 相分布重構(gòu)

1引言

電導(dǎo)型WMS可測(cè)得發(fā)射電極與接收電極間介質(zhì)的電導(dǎo)率，進(jìn)而重構(gòu)出流體的瞬態(tài)相分布[1]。WMS具有時(shí)-空分辨率高、圖像重構(gòu)算法簡(jiǎn)單、可測(cè)量參數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其測(cè)量特性的研究方興未艾。

研究表明WMS能測(cè)量提取氣液兩相流的空隙率、相界面濃度以及氣泡速度和尺寸等信息[2-4]。此外，WMS的侵入測(cè)量方式會(huì)對(duì)流體的流動(dòng)造成一定干擾，因此其測(cè)量準(zhǔn)確性也受到了廣泛關(guān)注。 Prasser [5]通過對(duì)比快速X-CT與 WMS的流體測(cè)量結(jié)果，結(jié)果表明流體的相分布與空隙率測(cè)量值具有良好的映射對(duì)應(yīng)關(guān)系;Banowski[6]則系統(tǒng)地分析對(duì)比了兩者的含氣率和氣泡尺寸分布測(cè)量結(jié)果，驗(yàn)證了WMS的測(cè)量準(zhǔn)確性。Manera等[7]分別采用WMS 與電導(dǎo)探針提取了流體的部分特征參數(shù)，兩者測(cè)得的含氣率、氣泡速度和相界面濃度的相對(duì)誤差分別為13%、15%、12%，測(cè)量結(jié)果具有較好的一致性。

此類研究表明WMS對(duì)氣液兩相流的相關(guān)流體參數(shù)的定量測(cè)量具有一定的準(zhǔn)確性，且通過WMS得到的測(cè)量數(shù)據(jù)是流體的局部電導(dǎo)率，而水和空氣的電導(dǎo)率存在明顯差異，理論上對(duì)WMS測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理可得到流體相分布可視化成像圖。本文旨在通過WMS測(cè)量氣液兩相流的實(shí)流實(shí)驗(yàn)，評(píng)估WMS對(duì)氣液兩相流流體的相分布可視化重構(gòu)成像的測(cè)量準(zhǔn)確性。

2 ?實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用電導(dǎo)型16×16 WMS，其電極直徑為0.1 mm、電極鄰距為3.125 mm、激勵(lì)—接收層間距為1.6 mm。實(shí)驗(yàn)段管道直徑為

50 mm，呈水平分布，且WMS裝置的前后直管段長(zhǎng)度分別為1.5 m和0.8 m。氣液相介質(zhì)分別為水和空氣，其電導(dǎo)率分別為0.03 S/m、0 S/m。

實(shí)驗(yàn)在0.1 MPa（絕壓），20℃的條件下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)涵蓋分層流和波狀兩個(gè)流型，其流量點(diǎn)見表1。使用采樣速率為250 幀/秒的WMS進(jìn)行采集。

3 ?成像處理方法與結(jié)果

3.1 成像處理方法

在電導(dǎo)型WMS 激發(fā)的電場(chǎng)域中，被測(cè)介質(zhì)的局部混合電導(dǎo)率σmix與被測(cè)流體的相含率φ密切相關(guān)，局部域中兩者之間基本成線性關(guān)系 [8-9]，即

（1）

式中φl(shuí)，φg分別為液相和氣相體積分?jǐn)?shù)，兩者之和為1，φ=1表示該區(qū)域?yàn)榧兯啵?φ=0表示為純氣相。σwater，σair分別為水和空氣的電導(dǎo)率，大小分別為0.03 S/m，0 S/m。

研究表明，WMS的測(cè)量值與被測(cè)流體得混合電導(dǎo)率呈正相關(guān)，根據(jù)式（1）以及WMS測(cè)量值Ui，j，water（液相校準(zhǔn)值）對(duì)WMS實(shí)測(cè)值

Ui，j，k進(jìn)行標(biāo)定，可得被測(cè)氣液相流體的局部空隙率

（2）

3.2 測(cè)量成像結(jié)果

根據(jù)式（2）得到被測(cè)氣液相流體的局部空隙率，其值基本呈0和 1二值分布。φi，j，k -=0表明該區(qū)域?yàn)榧兯?，并將其映射為藍(lán)色;φi，j，k -=1表明該區(qū)域?yàn)榧儦庀?，并將其映射為紅色。如此，通過對(duì)WMS測(cè)量值的進(jìn)一步分析處理便可實(shí)現(xiàn)氣液兩相流的測(cè)量成像。

圖2和圖3分別為分層流和波狀流的軸向豎直中心截面的流體分布成像圖，圖中流體從右往左流動(dòng)，每個(gè)流量點(diǎn)均包含2s的氣液相流體分布信息。

（1）分層流結(jié)果

（a） Vsg = 5 m/s， Vsl = 0.01 m/s， LVF = 0.2%

（b）Vsg = 5 m/s， Vsl = 0.051 m/s， LVF = 1%

圖2為分層流測(cè)量成像結(jié)果，（a）中流體分布呈現(xiàn)分層流狀態(tài)，液量極少且以極薄的液膜形式集中分布在管道底部。氣液相之間的分界面較為清晰平整呈水平分布。隨著液相流速增加，圖（b）相較于（a）液位高度明顯增加，氣液分界面依然呈水平分布。WMS測(cè)量成像結(jié)果清晰準(zhǔn)確地呈現(xiàn)了分層流的氣液分界面位置變化情況。

（a）Vsg = 10 m/s， Vsl = 0.2 m/s， LVF = 2%

（b）Vsg = 10 m/s， Vsl = 0.31 m/s， LVF = 3%

（2）波狀流結(jié)果

圖3為波狀流測(cè)量成像結(jié)果，其底部的液相和頂部的氣相均為連續(xù)相，而氣液相之間的分界面呈現(xiàn)出明顯的起伏波動(dòng)，這與分層流中呈水平分布的氣液分界面存在顯著差異。但WMS依然能準(zhǔn)確地捕捉到這類具有微小波動(dòng)起伏的氣液分界面流體結(jié)構(gòu)。

4 ?結(jié)論

本文基于電導(dǎo)型WMS，設(shè)計(jì)實(shí)施了氣液兩相分層流、波狀流等流型的測(cè)量成像實(shí)驗(yàn)，并分析了WMS的流體測(cè)量成像效果。主要結(jié)論如下：

（1）WMS的實(shí)測(cè)值經(jīng)液相校準(zhǔn)值標(biāo)定后，可得被測(cè)氣液相流體的局部空隙率，其值基本呈0和 1二值分布，分別對(duì)應(yīng)液相和氣相區(qū)域，通過映射便可實(shí)現(xiàn)氣液兩相流的測(cè)量成像。

（2）WMS能準(zhǔn)確測(cè)量出分層流、波狀流這類氣液相連續(xù)的流體的相分布，能清晰準(zhǔn)確地捕捉到平整或具有微小波動(dòng)的氣液分界面等流體結(jié)構(gòu)，測(cè)量成像圖值能反映出被測(cè)流體的液位變化情況。表明WMS具有出色的流體成像測(cè)量能力。

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作者簡(jiǎn)介：張海（1995.2—），男，彝族，云南玉溪人，碩士研究生學(xué)歷，中國(guó)船舶重工集團(tuán)七五0試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)員，研究方向：水下航行體導(dǎo)航與控制。