CN104965104B - 两相流分相流速声电双模态测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种两相流分相流速声电双模态测量方法，所采用的双模态传感器包括一套电学传感器和一套超声多普勒探头，测量方法为：利用电学传感器采集信号并获取水相含率、油相含率和两相流混合密度；确定超声多普勒探头的测量空间，计算测量空间的等效高度；计算超声接收探头获取的超声信号频率与超声发射探头所发射的激励超声信号频率间的频率差，并计算测量空间中的平均流速；建立管道中与距离管壁位置处流体流速的分布关系；建立测量空间中多普勒测量流速与边界层流速间关系；求解计算边界层流速；计算总流速，并分别得到水相流速和油相流速。本发明能够以非侵入方式准确获取两相流相含率。

Description

两相流分相流速声电双模态测量方法

技术领域

本发明属于流体测量技术领域，涉及一种超声传感器与电学传感器组合的测量方法，用于两相流流速的非扰动式测量。

技术背景

两相流广泛存在于石油与化工等工业过程中，如油水两相流、气液两相流等，对其过程参数的准确测量将有助于工业过程的优化与设计，提升生产效率，降低成本和能耗。由于油水两相间存在较强的动态耦合特性，使得其流动过程复杂，瞬态性高，对其流速与含率的测量难度较高。

传统的两相流流量的测试手段多采用侵入式测试方法，如涡轮式流量计与差压式流量计等，在获得流量参数的同时会对流动过程产生扰动与压损。但在科学研究与工业生产过程中，希望建立一种非扰动式测试方法准确获取两相流的过程参数，并逐渐发展出射线法、电学法、超声法等测试技术。

电学法与超声法由于其价格低廉，实现简单，安装方便等优势，在两相流检测技术领域内受到了较多的关注。在利用电学法与超声法获取两相流的分相流速中，多采用互相关测速方法，但其所测速度并非两相总流速或分相流速，需要根据流型、滑动比等参数进行解释，测试准确度受流态影响较大。超声多普勒测速方法利用多普勒效应直接获得流体中反射物的流动速度，所测速度具有明确的物理意义和较快的响应频率。在油水两相流测试中，如将离散相液滴作为连续相中的反射物，可通过超声多普勒方法获取两相流速度。然而，两相流的流速、含率、分布等参数对超声的传播、频移以及速度计算上有一定影响，因此将电学传感器与超声多普勒传感器联用，通过建立两相流测量关系式模型，同时获得两相流的分相含率与流速。

专利CN 104155358A提出一种基于超声/电学多传感器的多相流可视化测试装置，利用超声探头与电导/电容传感器组合，同时获取被测多相流体的流速、含率等可视化信息。本发明专利是在该专利测试装置基础上，利用该装置获取的超声多普勒信息以及电导/电容传感器获取的分相含率信息，共同实现两相流分相流速的计算。

专利CN104101687-A同样在专利CN 104155358A提出的测试装置基础上实现了一种基于超声多普勒与电学多传感器的多相流可视化测试方法。

发明内容

本发明的目的是在现有技术的基础上，新提出一种能够准确地测量管道内两相流的流速与分相含率的两相流分相流速声电双模态测量方法，应用超声多普勒效应与电学传感器计算油水两相流分相流速。本发明的技术方案如下：

一种两相流分相流速声电双模态测量方法，所采用的双模态传感器包括一套电学传感器和一套超声多普勒探头；所述电学传感器用于获取两相流分相含率，超声多普勒探头用于获取两相流的流速；所述电学传感器与超声多普勒探头同时安装于管道中；所述超声多普勒探头包括一个超声发射探头和一个超声接收探头；所述超声发射探头和超声接收探头均与管道间以夹角θ安装，超声发射探头安装于管道顶部，超声接收探头安装于管道底部，并保证超声发射探头、超声接收探头与管道中心处于同一纵向截面内；该测试方法包含如下步骤：

1)当两相流的连续相为导电相时，将电学传感器用作电导传感器获取水相含率ε_w与油相含率ε_o；当连续相为非导电相时，将电学传感器用作电容传感器获取水相含率ε_w与油相含率ε_o

2)利用水相含率ε_w与油相含率ε_o计算两相流混合密度ρ_m＝ε_wρ_w+ε_oρ_o、粘度μ_m＝ε_wμ_w+ε_oμ_o与声速c_m＝c_wε_w+c_oε_o，其中ρ_w与ρ_o分别为水相密度与油相密度，μ_w与μ_o分别为水相粘度与油相粘度，c_w与c_o分别为水中声速与油中声速；

3)确定超声多普勒探头的测量空间，该测量空间为三维立体结构，其在管道截面方向投影为椭圆形，在管道剖面方向投影为近似菱形的四边形，分散相流经该区域时，其速度信息可以被超声接收探头有效获取，引入水力学直径的概念将其等效为一球形区域，计算测量空间的等效高度其中，测量空间理论高度宽度长度为超声近场区域长度，d为超声多普勒探头直径，λ为超声波波长，R为管道内半径，α＝sin^-1(1.22λ/d)为超声发射探头的发射角；

4)计算超声接收探头获取的超声信号频率f与超声发射探头所发射的激励超声信号频率f₀间的频率差f_d＝f-f₀，并计算测量空间中的平均流速其中为平均频率差，S_d(f_d)为超声频移的功率谱；

5)利用两相流混合密度ρ_m与混合粘度μ_m，建立管道中与距离管壁位置z_i处流体流速u_i的分布关系其中为无量纲流速，且为位置z_i处的平均流速，u_τ为边界流速，r为位置z_i距离管道中心的距离且r＝R-z_i；

6)根据5)中的流体流速u_i的分布关系与测量空间等效高度H，建立测量空间中多普勒测量流速与边界层流速u_τ间关系其中，系数

7)对lnu_τ进行级数展开m为级数展开的阶数，参数D为lnu_τ级数展开的高次项之和，液液两相流下的一般取值范围为2-5之间，其他应用条件下可通过实验数据以及级数展开方法推算

8)将lnu_τ＝u_τ-D代入6)关系式中，求解计算边界层流速其中系数a＝B，b＝B+BlnK-B*D，c＝-u_dop，A＝f_H+5.5，B＝2.5，

9)通过两相流混合密度ρ_m、粘度μ_m以及边界层流速u_τ，计算总流速n为不同流态下的摩擦指数，当水为连续相时n＝-0.25，当油为连续相时n＝-0.2；将水相含率ε_w与油相含率ε_o分别代入得到水相流速J_w＝J*ε_w和油相流速J_o＝J*ε_o。

本发明的实质性特点是：利用超声多普勒探头获取两相流在超声测量空间内的平均流速，利用电学传感器获取两相流的分相含率。将相含率测量结果代入边界层关系式中，建立两相流边界层速度与管道内流速剖面的关系式。利用流速剖面描述的流速分布计算超声测量空间内的平均速度，建立超声多普勒测速与边界层速度间关系式。通过求解该关系式获得边界层速度，进而利用不同流态下的边界层流速与平均流速关系计算出两相流总流速，再与分相含率计算结果一起获取各分相的流速。本发明的有益效果及优点如下：

1、该方法为非扰动的测量手段，不会对流体产生任何的扰动；

2、测量方便，速度快，成本低，能够准确地测量管道内两相流的流速与分相含率。

附图说明

以下附图描述了本发明所选择的实施例，均为示例性附图而非穷举或限制性，其中：

图1本发明的测量方法中超声多普勒测量空间示意图；

图2本发明的测量方法中测量空间高度计算方法示意图，(a)为管道径向截面示意图，(b)为管道轴向截面示意图。

图3本发明的测量方法流速计算步骤。

具体实施方式

下面结合说明书附图详细说明本发明的计算方法。

图1为本发明的测量方法中超声多普勒测量空间示意图。本发明专利所用超声多普勒探头包括一个超声发射探头3a和一个超声接收探头3b，超声多普勒探头3a、3b与管道1之间以夹角θ安装，使超声测试通路与两相流2的来流方向0保持夹角θ。所述超声探头3a安装于管道顶部，超声探头3b安装于管道底部，并保证超声探头3a、3b与管道中心处于同一纵向截面内。激励探头3a发射超声波，声波在两相流2中传播，受到高度为H的测量空间4内的离散相反射后被测量探头3b接收。通过计算接收声波与发射声波的频率差，即可计算出测量空间4中的平均速度。

图2本发明的测量方法中测量空间高度计算方法示意图。测量空间为复杂的三维立体结构，该结构在管道截面方向的投影形成一长轴为H_i，短轴为W的椭圆形区域，该区域的等效水力学直径为为其中，H_i和W的取值均受到超声波结构的影响。超声波声束分为近场和远场两大区域，由于声压在近场区域具有高度的非线性，因此测量空间必须位于远场区域。近场区域的长度为其中d为超声探头直径，λ为超声波波长。而在远场区域，超声波具有发散性，其发散角为α＝sin^-1(1.22λ/d)。因此，H_i与W的取值通过空间几何关系计算而得，即：

其中，R为管道内半径。因此，此测量空间的等效半径为所述测量空间中的平均流速即为超声多普勒法获得的流速。

图3为本发明的超声与电学传感器测速方法计算流程图。下面以液液两相流为例，对本发明的两相流相含率测量方法进行说明，该方法也可用于如气液两相流等其他两相流含率测量中，两相流流速测量方法计算步骤如下：

步骤1：利用电学传感器的组合测试方式计算两相流的相含率、混合密度、混合粘度与混合声速。

1)当两相流的连续相为导电相时，利用电导传感器获取水相含率ε_w与油相含率ε_o；当连续相为非导电相时，利用电容传感器获取水相含率ε_w与油相含率ε_o。具体实现方法可参考专利CN104101687-A。

2)利用水相含率与油相含率计算两相流混合密度ρ_m＝ε_wρ_w+ε_oρ_o、粘度μ_m＝ε_wμ_w+ε_oμ_o与声速c_m＝c_wε_w+c_oε_o，其中ρ_w与ρ_o分别为水相密度与油相密度，μ_w与μ_o分别为水相粘度与油相粘度，与分别为水中声速与油中声速。

步骤2：利用边界层流速分布计算超声多普勒测试空间内的平均流速，建立超声多普勒测量空间内流速与边界层流速间关系。

1)确定测量空间，该测量空间为三维立体结构，其在管道截面方向投影为椭圆形，在管道剖面方向投影为近似菱形的四边形，分散相流经该区域时，其速度信息可以被超声探头有效获取，引入水力学直径的概念将其等效为一球形区域。根据超声探头的增益、尺寸计算测量空间4的等效高度其中测量空间理论高度宽度长度为超声近场区域长度，d为超声探头直径，λ为超声波波长，R为管道内径，α＝sin^-1(1.22λ/d)为超声探头在远场区的的发散角。

2)计算超声探头3b获取由测量空间4内离散相反射的超声信号频率f，与超声探头3a所发射的激励超声信号频率f₀间的频率差f_d＝f-f₀。由于超声谱分布受两相流相分布影响，且所测频率差f_d为测量空间4内的平均流速，因此计算平均频率差

其中，S_d(f_d)为超声频移的功率谱。因此，测量空间4中的流速u_dop为：

其中，c_m是两相流中的声速，本专利仅以常用的关系式c_m＝c_wε_w+c_oε_o作为应用实例，其他关系式仍适用，c_w与c_o分别为水相与油相中的声速，ε_w与ε_o分别为水相含率与油相含率，且ε_w+ε_o＝1。

3)根据边界层理论计算两相流的流速分布廓形。根据边界层理论，管道中的流体流速与位置的分布遵循以下关系：

其中为无量纲流速，且为位置z_i处的平均流速，u_τ为边界流速，R为管道内半径，r为z_i位置处到管道中心点的距离。

边界层流速分布关系、两相流的混合粘度与混合密度有多种关系式，本专利仅以常用的关系式(4)、ρ_m＝ε_wρ_w+ε_oρ_o以及μ_m＝ε_wμ_w+ε_oμ_o作为应用实例，其他关系式仍适用。

4)将流速分布u_i在高度H内积分，u_i为测量空间中的流速分布，遵循(4)的分布关系，计算出测量空间4中的平均流速与边界层流速u_τ间关系。由于测量空间4中的平均流速即为多普勒测量所获速度，即u＝u_dop，因此积分后的关系式为：其中R为管道内半径，r为位置z_i距离管道中心的距离，系数整理后可得

u_dop＝Au_τ+Bu_τlnKu_τ (7)

其中，系数A＝f_H+5.5，B＝2.5，求解式(7)，即可获得边界层流速u_τ的值。

5)求解式(7)的方法包括级数展开法与优化法等数值求解方法。本专利仅以级数展开法为例，但不局限于该方法。

对式(7)进行级数展开，令其中，m为级数展开的阶数，参数D为级数展开的高次项之和，液液两相流下的一般取值范围为2-5之间，其他应用条件下可通过实验数据以及级数展开方法推算。将lnu_τ＝u_τ-D代入式(7)可得

其中，令系数a＝B，b＝B+BlnK-B*D，c＝-u_dop，根据一元二次方程求解方法可以获得

步骤3：将相含率信息带入边界层流速分布模型中，计算总流速与分相流速。

由于边界速度

其中，压降

且f_m＝0.312Reⁿ为摩擦系数，为雷诺数，D₀为管道内直径，J为两相流总流速，n为不同流态下的摩擦指数，当水为连续相时n＝-0.25，当油为连续相时n＝-0.2。

将雷诺数与摩擦系数代入(9)与(10)，可得

将水相含率ε_w与油相含率ε_o分别代入(11)可得水相流速J_w＝J*ε_w和油相流速J_o＝J*ε_o。

Claims (1)

1.一种两相流分相流速声电双模态测量方法，所采用的双模态传感器包括一套电学传感器和一套超声多普勒探头；所述电学传感器用于获取两相流分相含率，超声多普勒探头用于获取两相流的流速；所述电学传感器与超声多普勒探头同时安装于管道中；所述超声多普勒探头包括一个超声发射探头和一个超声接收探头；所述超声发射探头和超声接收探头均与管道间以夹角θ安装，超声发射探头安装于管道顶部，超声接收探头安装于管道底部，并保证超声发射探头、超声接收探头与管道中心处于同一纵向截面内；该测量方法包含如下步骤：

1)当两相流的连续相为导电相时，将电学传感器用作电导传感器获取水相含率ε_w与油相含率ε_o；当连续相为非导电相时，将电学传感器用作电容传感器获取水相含率ε_w与油相含率ε_o；

2)利用水相含率ε_w与油相含率ε_o计算两相流混合密度ρ_m＝ε_wρ_w+ε_oρ_o、粘度μ_m＝ε_wμ_w+ε_oμ_o与声速c_m＝c_wε_w+c_oε_o，其中ρ_w与ρ_o分别为水相密度与油相密度，μ_w与μ_o分别为水相粘度与油相粘度，c_w与c_o分别为水中声速与油中声速；

3)确定超声多普勒探头的测量空间，该测量空间为三维立体结构，其在管道截面方向投影为椭圆形，在管道剖面方向投影为近似菱形的四边形，分散相流经该区域时，其速度信息可以被超声接收探头有效获取，引入水力学直径的概念将其等效为一球形区域，计算测量空间的等效高度其中，测量空间理论高度宽度长度 为超声近场区域长度，d为超声多普勒探头直径，λ为超声波波长，R为管道内半径，α＝sin^-1(1.22λ/d)为超声发射探头的发射角；

4)计算超声接收探头获取的超声信号频率f与超声发射探头所发射的激励超声信号频率f₀间的频率差f_d＝f-f₀，并计算测量空间中的平均流速其中为平均频率差，S_d(f_d)为超声频移的功率谱；

5)利用两相流混合密度ρ_m与混合粘度μ_m，建立管道中与距离管壁位置z_i处流体流速u_i的分布关系其中为无量纲流速，且为位置z_i处的平均流速，u_τ为边界层流速，r为位置z_i距离管道中心的距离且r＝R-z_i；

6)根据5)中的流体流速u_i的分布关系与测量空间等效高度H，建立测量空间中多普勒测量流速与边界层流速u_τ间关系其中，系数

7)对lnu_τ进行级数展开m为级数展开的阶数，参数D为lnu_τ级数展开的高次项之和，液液两相流下的取值范围为2-5之间，其他应用条件下通过实验数据以及级数展开方法推算；

8)将lnu_τ＝u_τ-D代入6)关系式中，求解计算边界层流速其中系数a＝B，b＝A+Bln K-B*D，c＝-u_dop，A＝f_H+5.5，B＝2.5，

9)通过两相流混合密度ρ_m、粘度μ_m以及边界层流速u_τ，计算总流速n为不同流态下的摩擦指数，D₀为管道内直径，当水为连续相时n＝-0.25，当油为连续相时n＝-0.2；将水相含率ε_w与油相含率ε_o分别代入得到水相流速J_w＝J*ε_w和油相流速J_o＝J*ε_o。