氣液兩相流中含氣率的測(cè)量

氣液兩相流中含氣率的測(cè)量

1兩相流相含率的測(cè)量由于界面的形狀和各相流的分布呈現(xiàn)出可變形式，兩相流的研究，尤其是兩相流參數(shù)的研究和測(cè)量，帶來(lái)了很大困難。兩相流的相含率—含氣率、含水率是兩相流中的重要參數(shù),并廣泛存在于熱能動(dòng)力、空調(diào)制冷、石油化工、航空航天、核能等領(lǐng)域中,它對(duì)兩相流流動(dòng)與傳熱特性、兩相流基礎(chǔ)理論的研究、數(shù)學(xué)模型的建立以及工業(yè)設(shè)計(jì)、多相流計(jì)量、設(shè)備控制等均十分關(guān)鍵,因此,準(zhǔn)確地測(cè)量?jī)上嗔飨嗪示哂惺种匾囊饬x。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)兩相流相含率的測(cè)量研究較多,有電容法、電導(dǎo)法、射線衰減法、微波法、光纖探針及電導(dǎo)探針?lè)ǖ?。這些方法大多是利用氣液兩相的介電常數(shù)不同、對(duì)射線的衰減不同、對(duì)微波的吸收能力不同以及對(duì)光的折射率不同而進(jìn)行測(cè)量的。這些方法各有千秋,但由于各方面因素的影響,例如,射線輻射對(duì)人體的影響、測(cè)量方法對(duì)介質(zhì)參數(shù)范圍的選擇性、價(jià)格因素等,使這些技術(shù)的應(yīng)用仍然受到一定的限制,所以目前兩相流相含率的測(cè)量研究依然活躍。本文采用了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的差壓式測(cè)量方法進(jìn)行兩相流相含率-含氣率及含水率的測(cè)量研究,該方法的研究將為進(jìn)一步進(jìn)行油氣水多相流及多相流流量測(cè)量的研究打下基礎(chǔ)。2帶相流與水雙相流相含率的測(cè)量試驗(yàn)是在西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室油氣水三相流試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的。試驗(yàn)介質(zhì)為:水、空氣及機(jī)油。試驗(yàn)系統(tǒng)由水、空氣、油三個(gè)回路、試驗(yàn)段及測(cè)量系統(tǒng)組成。水、空氣、油的流量由混合前各單相回路的流量測(cè)量裝置測(cè)量。試驗(yàn)參數(shù)如下:壓力:2×105Pa～6×105Pa工質(zhì)溫度:0～45℃折算液速:0.05～1.40m/s氣液兩相流與油水兩相流相含率的測(cè)量裝置如圖1所示,該測(cè)量裝置由水平段、垂直上升段、垂直下降測(cè)量段及該段出口調(diào)節(jié)閥、垂直下降旁通段、氣液分離器、均流器組成。測(cè)量裝置中,水平與垂直上升段組合用以測(cè)量氣液兩相流體的截面含氣率值;垂直下降測(cè)量段用以測(cè)量油水兩相中的含水率值,當(dāng)油氣水三相流經(jīng)氣液分離器分離后,由于垂直下降測(cè)量段的直徑小于垂直下降旁通段以及下降測(cè)量段出口閥門(mén)的調(diào)節(jié)作用,故僅使分離后的極少量油水混合物流入垂直下降測(cè)量段,此時(shí)由于管內(nèi)流速很低,兩相摩擦壓降可忽略,則含水率僅與重位壓降相關(guān),通過(guò)重位壓降的在線測(cè)量,便可獲得含水率值。水平、垂直上升、垂直下降旁通段均采用φ51mm×3.5mm不銹鋼管制成,以減小管壁粗糙度,降低摩擦壓降,突出重位壓降,提高測(cè)量精度。各測(cè)量段長(zhǎng)1000mm。3試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1屋頂質(zhì)量分析3.1.1管內(nèi)截面含氣率測(cè)量對(duì)于垂直上升段內(nèi)的流體,可寫(xiě)出其動(dòng)量守恒方程式:式中,-?p/?z為管道總壓力降,以Δp表示;τoP/A為垂直上升段內(nèi)的摩擦壓力降,以△pfu表示;為加速壓力降,以△pa表示;gρtpsinα為重位壓力降,以△pg表示;故式(1)可變?yōu)?根據(jù)兩相流平均密度ρm模型,則有:將式(3)代入式(2),忽略加速壓降,則截面含氣率為:上式中,△p實(shí)測(cè)可得,只要獲得△pfu的值,便可求解得到截面含氣率α。差壓法測(cè)量截面含氣率的關(guān)鍵,是以水平段摩擦壓力降替代垂直上升段的摩擦壓力降,以獲得垂直段重位壓降,從而獲得該管段內(nèi)流體的平均密度,根據(jù)各相流體的已知密度,進(jìn)一步計(jì)算得到管內(nèi)的平均截面含氣率值及質(zhì)量含氣率x(或容積含氣率β)。但由于兩相流的復(fù)雜性,兩相相界面、流型等的影響,直接用水平段的摩擦壓力降替代垂直上升段的摩擦壓力降,必然會(huì)引入較大的誤差,為此,考慮流型的影響,建立水平段摩擦壓降替代垂直上升段摩擦壓降間的修正關(guān)系式,以減小直接替代引入的誤差,是差壓法測(cè)量截面含氣率的關(guān)鍵。3.1.2流型分布圖檢測(cè)流型是差壓法測(cè)量截面含氣率的重要影響因素,明確相同流動(dòng)條件下水平段與垂直上升段中各自的流型及其區(qū)別,是建立上述修正關(guān)系式的基礎(chǔ)。為此,根據(jù)本文試驗(yàn)數(shù)據(jù),并根據(jù)流型圖及流型判別式,獲得了本次試驗(yàn)中垂直上升段及水平段的流型分布圖。水平段與垂直上升段流型分別依據(jù)Mandhane及Hewitt流型圖判別,圖2與圖3即為本次試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)垂直上升段及水平段的流型分布圖:從圖2、3可見(jiàn),水平段和垂直上升段的流型是不完全一致的。在本次試驗(yàn)中,水平段流型主要為彈狀流,垂直上升段則主要為塊狀流、彈狀流及環(huán)狀流。為此,將本文水平段和垂直上升段流型所對(duì)應(yīng)的狀況簡(jiǎn)化為彈狀流-彈狀流、彈狀流-塊狀流、彈狀流-環(huán)狀流,并以此為基準(zhǔn),建立水平段與垂直上升段摩擦壓降間替代的修正關(guān)系式。3.1.3壓降的基本理論回歸試驗(yàn)中,水平段的摩擦壓降可直接測(cè)量獲得,對(duì)于垂直上升段的摩擦壓降,通過(guò)上節(jié)所獲得的流型,分別采用LockhartMartinelli、Chisholm-Baroczy、Friedel三種不同的分相流動(dòng)模型計(jì)算了該段內(nèi)各種流型下的摩擦壓力降值,并將計(jì)算結(jié)果代入式(4),解得截面含氣率及質(zhì)量含氣率x,并通過(guò)最終得到的質(zhì)量含氣率偏差的大小來(lái)確定各流型下垂直段摩擦壓降的計(jì)算方法。在上述理論計(jì)算的基礎(chǔ)上,通過(guò)與對(duì)應(yīng)水平段摩擦壓降的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸與處理,從而建立三種流型下垂直上升段摩擦壓降△pfu與水平段摩擦壓降△pfh間的修正關(guān)系式。在所建關(guān)系式中,引入了壓力修正系數(shù)c,c=f(ρg/ρl)。所建關(guān)系式如下(壓力4×105～6×105Pa):彈狀流-環(huán)狀流:彈狀流-彈狀流:彈狀流-塊狀流:3.1.4截面含氣率測(cè)定圖4為當(dāng)壓力=6×105Pa時(shí),用本文差壓法,即用摩擦壓降修正公式后測(cè)得的截面含氣率值與經(jīng)典的阿爾曼特及LochartMartinelli理論計(jì)算公式計(jì)算所得的截面含氣率比較圖。用理論方法計(jì)算截面含氣率時(shí),以單相氣路和水路測(cè)得的質(zhì)量含氣率折算體積含氣率后計(jì)算。由圖可見(jiàn),本文測(cè)得的結(jié)果與經(jīng)典公式計(jì)算結(jié)果符合較好。當(dāng)截面含氣率低于0.8時(shí),差壓法測(cè)量值比理論計(jì)算值偏小;高于0.8時(shí),測(cè)量值比阿爾曼特法高,但低于Lockhart-Martinelli法。在測(cè)量得到截面含氣率α后,本文直接建立了質(zhì)量含氣率與截面含氣率間的關(guān)系式,按α<0.6,α=0.6～0.7,α>0.7分段建立了x與α的關(guān)系式:x=f(Re,Fr,ρl/ρg,α)。當(dāng)α=0時(shí),β=0,x=0,曲線過(guò)零點(diǎn),符合客觀規(guī)律。當(dāng)α=1時(shí),β≠1,x≠1。這是因?yàn)樵诃h(huán)狀流時(shí),存在一向上攀升的液膜,液膜附著在管壁上,當(dāng)液量一定,隨氣量的變化,氣液界面間剪切應(yīng)力發(fā)生變化。隨氣量減少,附著在管壁上的液膜由軸向輸運(yùn)改為徑向,形成鼓型液膜。氣量進(jìn)一步減小,鼓型液膜有可能向下移動(dòng),導(dǎo)致阻液發(fā)生,產(chǎn)生上述狀況。圖5為用本文差壓法測(cè)得的質(zhì)量含氣與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量含氣率間的關(guān)系曲線,從圖中可見(jiàn),大部分點(diǎn)的誤差均在10%范圍內(nèi),誤差較大的數(shù)據(jù)點(diǎn)多集中于低質(zhì)量含氣率區(qū),在數(shù)學(xué)上,這一區(qū)域因分母較小被稱為病態(tài)區(qū),因此,這一區(qū)域的誤差相對(duì)較大。3.2分辨率測(cè)量3.2.1試驗(yàn)設(shè)備及程序當(dāng)氣液兩相通過(guò)氣液分離器分離后,設(shè)計(jì)并產(chǎn)生一緩流的垂直下降測(cè)量段,以使流入該段的油水混合物流速低,使摩擦壓降《重位壓降,滿足該測(cè)量段總壓降近似等于重位壓降的條件,從而可測(cè)得混合液的平均密度,并根據(jù)油水密度,進(jìn)而獲得含水率及含油率值。為確定本方法的可行性,本文設(shè)計(jì)了一套試驗(yàn)系統(tǒng),用機(jī)油和水按一定比例混合后進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)在快、中、慢三個(gè)流速及靜壓下(流速為0)重復(fù)四次進(jìn)行。三個(gè)試驗(yàn)流速各自的平均值分別為:0.0079、0.1186、0.2663m/s,含水率為0～100%。3.2.2測(cè)量含水率測(cè)量與測(cè)量壓力降值與標(biāo)準(zhǔn)值的關(guān)系圖6為不同含水率下三個(gè)流速及靜壓下垂直下降測(cè)量段中油水混合物總壓力降(扣除引壓管壓降)比較圖。由圖可見(jiàn),除流速為0.2663m/s的點(diǎn)誤差略偏大外,在較小的油水混合物流速下,流速對(duì)壓力降的影響極小,不同流速下測(cè)得的總壓力降值與靜壓下基本相等,換句話說(shuō),不同流速下的總壓力降基本等于該測(cè)量段的重位壓降,流速對(duì)含水率測(cè)量的影響極小。測(cè)量壓力降值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差在±4.9%內(nèi)。由圖還可看到,隨著含水率的增大,壓力降值逐漸增大,這一規(guī)律亦符合重位壓降隨含水量增加而增大的變化規(guī)律。圖7為三個(gè)流速下測(cè)量得到的質(zhì)量含水率平均值與標(biāo)準(zhǔn)含水率的比較圖。由圖可見(jiàn),測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值基本呈線性關(guān)系且偏差較小,大部分點(diǎn)的偏差均小于8%,偏差值在含水率較低時(shí)相對(duì)較大,隨著含水率增大,偏差逐漸減小,最小時(shí)僅為0.08%。因此,用本方法測(cè)量含水率值是可行的,且具有較高的精度。有效地控制流速,將可獲得更高的測(cè)量精度。4測(cè)量結(jié)果分析(1)流型影響本文試驗(yàn)流型大都為兩相流中脈動(dòng)最大、最不穩(wěn)定的彈狀