CN105181996A - 两相流速声电双模态测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于流体测量技术领域，涉及一种两相流速声电双模态测量方法，包括：1)利用电学传感器基于电导电容法计算两相流分相含率；2)计算两相流中的混合声速；3)确定测量空间；4)利用超声多普勒频移计算测量空间内离散相平均流速；5)利用漂移模型计算测量空间内平均流速；6)通过测量空间内的平均流速计算总流速；7)计算两相流总平均流速与分相流速，利用电学传感器所得到的分相含率进一步计算得到水相表观流速和油相表观流速。本发明的测量方法测量方便，速度快，成本低，能够准确地测量管道内两相流的平均流速与分相含率。

Description

两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，用于两相流平均流速的非扰动式测量。

技术背景

两相流广泛存在于日常生活与工业生产过程中，尤其体现在食品加工，生物工程，化工产业，冶金工业和石油产业等行业。其主要表现形式包括油水两相流和气液两相流等。与一般单相流相比，两相流的流动状态更为复杂，因此两相流的在线过程参数检测一直以来都是学者和工业产业界关注的重点。对于石油产业而言，油水两相流含水率和流速(流量)的确定有助于精确估计产量和确保生产安全。

目前，针对两相流流速(流量)测量，大部分采用的是侵入式测量方法。该方法优势在于测量行为直接，且测量结果的物理意义明确。比较典型的例子有涡轮式流量计或差压式流量计等。但是在测量的同时，其节流装置会对流体的流动状态产生扰动和破坏并带来压损，从而影响测量精度。因此，无论在工业测量还是科学研究中，通过非侵入的测量方式对多两相流重要过程参数进行获取是非常重要的。在此基础之上，微波法、超声法、电学法、射线法等方法逐渐被用于两相流测量。

相比于其他非侵入式测量方法，超声法和电学法由于其具有结构简单、原理明确、价格低廉等优势，往往受到更多关注。通常，超声法和电学法对两相流流速(流量)的测量是基于互相关算法，并且广泛用于两相流的科学研究与实际测量，但其测量所得流速并非为两相流平均流速，而其物理意义至今仍不明确，测量结果也往往受到流型的影响。基于连续波的超声多普勒流速测量方法通过超声波在流体中反射体上形成的多普勒效应获取反射体的流动速度，其所测速度的物理意义明确。对于油水两相流而言，由于油和水在密度和动态粘度上存在差异，导致在不同分相含率时，出现某一相为离散相，而另一相为连续相的情况。离散相通常以分散的小液滴的形式随连续相一起流动。而根据超声多普勒原理，所测流速恰恰是离散相的真实平均流速。但是，由于在实际流动过程中，离散相和连续相的流动速度之间存在着滑动现象，因此通过漂移模型来建立离散相的真实平均流速与两相流平均流速之间的关系，同时，因为分相含率会对流体中超声的传播速度造成影响，所以需将超声多普勒传感器与电学传感器组合使用，全面建立流速测量整体模型，并同时获得两相流的分相含率与平均流速。

专利CN104155358A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，共同实现两相流平均流速的计算。

专利CN104101687-A在专利CN104155358A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。

专利CN201510263691.9在专利CN104155358A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两相流分相流速声电双模态测量方法。本发明专利与该专利同样用于总平均流速与分相流速测量，但基于不同理论基础和原理推导，计算方法和步骤也完全不同。

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多普勒流速与分相含率的两相流声电双模态测量方法，利用超声多普勒传感器与电学传感器计算油水两相流平均流速。本发明的技术方案如下：

一种两相流速声电双模态测量方法，采用一对用于获取两相流平均流速的压电陶瓷超声换能器和基于电容电导法获取分相含率的电学传感器；所述超声换能器分别安装于管道上下两侧，并保证与水平方向夹角为θ；所述超声换能器分别用来发射和接收超声波，其中，发射换能器位于管壁顶端，而接收换能器位于管壁底端，需保证这对换能器与管道中心处于同一截面；所述电容电导传感器与超声换能器同时安装于管道之中；该测试方法包含如下步骤：

1)计算两相流分相含率：当两相流的连续相为导电相时，将电学传感器视为电导传感器，利用测量数据获取含水率α_w与含油率α_o；当连续相为非导电相时，将电学传感器视为电容传感器，利用测量数据获取含水率α_w与含油率α_o；

2)计算两相流中的混合声速：利用含水率α_w与含油率α_o计算两相流的混合声速其中混合密度ρ_m＝ρ_wα_w+ρ_oα_o，混合绝热压缩系数κ_m＝κ_wα_w+κ_oα_o，ρ_w与ρ_o分别代表水与油的密度，κ_w与κ_o分别代表水与油的绝热压缩系数；

3)确定测量空间：超声波的声场分布在管道内部形成的测量空间，位于管道中心处，其在管道截面上的投影为椭圆形，将测量空间按照水力学直径等效为球体，其等效半径为其中，测量空间理论高度 $H=\frac{2Lensin(\mathrm{\θ}-\mathrm{\φ})sin(\mathrm{\θ}+\mathrm{\φ})}{sin(\mathrm{\π}-2\mathrm{\θ})}$ 、宽度 $W=d+2(\frac{4R+d}{4\sin \mathrm{\θ}}-L)tan\mathrm{\φ}$ 、轴向长度 $Len=\frac{d}{sin\mathrm{\θ}}+\frac{d}{2tan\mathrm{\θ}}+\frac{2R+d-2Lsin\mathrm{\θ}}{2tan(\mathrm{\θ}-\mathrm{\φ})}-\frac{R-Lsin\mathrm{\θ}}{tan(\mathrm{\θ}+\mathrm{\φ})}$ ,L＝d²/4λ为超声近场区域长度，d为超声探头直径，λ为超声波波长；φ＝sin^-1(1.22λ/d)为超声声束在远场区的扩散角，θ为超声换能器与水平方向夹角；

4)利用超声多普勒频移计算测量空间内离散相平均流速通过对超声接收探头所获取的接收信号进行傅里叶变换可得到其频率f，将其与超声发射探头的激励频率f₀相减，即可得到由测量空间内流体运动所引起的频移f_d＝f-f₀，计算测量空间内离散相平均流速其中，为平均频移，S_d(f_d)为频移f_d的功率谱；

5)利用漂移模型计算测量空间内平均流速u_s：通过漂移模型与测量空间内离散相平均流速计算测量空间内两相流平均流速u_s，其中C₀为离散相分布参数，连续波多普勒原理下的油水两相流测量模型中C₀为1，u_r为离散相与连续相之间相对速度；水连续时相对速度u_r与测量空间内两相流平均流速u_s之间的关系为此时油连续时相对速度u_r与测量空间内两相流平均流速u_s之间的关系：此时其中D为分散相液滴直径，由于在不同流型下，分散相液滴的尺度不统一，D的取值需根据实际情况进行，对于油水两相流，可以取1mm；

6)通过测量空间内的平均流速u_s计算总流速J：根据两相流在不同动态粘度下所呈现的不同流速分布规律，并结合测量空间尺寸，当两相流为水连续时，总平均流速J与测量空间内平均流速u_s之间的关系：其中，y为该点到管道中心的距离，R为管道内半径，n为流速分布系数，水连续情况下取值6-7；当两相流为油连续时，

7)带入步骤5)中计算的测量空间内平均流速u_s的计算式，计算两相流总平均流速与分相流速，

水连续时，两相流总流速为： $J=\frac{{\mathrm{nr}}^2}{{\mathrm{nR}}^2+(r-R)(r+nr+nR){(1-\frac{r}{R})}^{\frac{1}{n}}}*\frac{{\stackrel{\‾}{u}}_{dop}}{1-\frac{D^2}{3r^2}};$

油连续时，两相流总流速为： $J=\frac{R^2}{2R^2-r^2}*\frac{{\stackrel{\‾}{u}}_{dop}}{1-\frac{4D^2}{9r^2}};$

利用电学传感器所得到的分相含率进一步计算得到水相表观流速：J_w＝J*α_w，和油相表观流速：J_o＝J*α_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离散相平均流速，利用电学传感器获取两相流的分相含率。通过相含率计算两相流流中的混合声速。利用流速分布规律建立测量空间内两相流平均流速与两相流整体平均流速之间的关系。计算超声测量空间内的离散相平均速度，通过漂移模型建立测量空间内离散相平均速度与测量空间内两相流平均流速关系。最终实现两相流平均流速的测量。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平均流速与分相含率。

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)为管道轴向截面示意图，(b)为管道径向截面示意图。

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中的离散相平均速度。

图2本发明的测量方法中测量空间高度计算方法示意图。该空间为复杂的三维立体结构并位于管道中心处，流经此区域流体中离散相(液滴)的速度信息可以被超声多普勒传感器获取。该结构在管道截面方向的投影形成一长轴为H，短轴为W的椭圆形区域，该区域的等效水力学直径为其中，长轴H和短轴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L＝d²/4λ，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，其扩散角为φ＝sin^-1(1.22λ/d)。因此，H和W的取值通过空间几何关系计算而得，即：

$Len=\frac{d}{\sin \mathrm{\θ}}+\frac{d}{2tan\mathrm{\θ}}+\frac{2R+d-2Lsin\mathrm{\θ}}{2tan(\mathrm{\θ}-\mathrm{\φ})}-\frac{R-Lsin\mathrm{\θ}}{tan(\mathrm{\θ}+\mathrm{\φ})}.---\left(1\right)$

$H=\frac{2Lensin(\mathrm{\θ}-\mathrm{\φ})sin(\mathrm{\θ}+\mathrm{\φ})}{\sin (\mathrm{\π}-2\mathrm{\θ})}.---\left(2\right)$

$W=d+2(\frac{4R+d}{4sin\mathrm{\θ}}-L)tan\mathrm{\φ}---\left(3\right)$

其中，R为管道内半径。因此，测量空间等效半径为所述测量空间中的离散相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，混合声速并判断连续相。

1)当两相流的连续相为导电相时，电容传感器失效，判断出此时连续相为导电相，并利用电导传感器获取含水率α_w与含油率α_o；当连续相为非导电相时，电导传感器失效，判断出此时连续相为非导电相，并利用电容传感器获取含水率α_w与含油率α_o。具体实现方法可参考专利CN104101687-A。

2)利用水相含率α_w与油相含率α_o计算两相流的混合声速其中混合密度ρ_m＝ρ_wα_w+ρ_oα_o；混合绝热压缩系数κ_m＝κ_wα_w+κ_oα_o，ρ_w与ρ_o分别为水与油的密度；κ_w与κ_o分别为水与油的绝热压缩系数。

步骤2：通过流速分布规律和漂移模型，利用超声多普勒测量空间内两相流平均流速离散相平均流速u_s计算两相流总平均流速J。

1)计算测量空间等效半径r。超声波的声场分布会在管道内部形成一固定尺寸的测量空间，该空间为复杂的三维立体结构并位于管道中心处，其在管道截面上的投影为椭圆形，将测量空间按照水力学直径等效为球体后，可以得到测量空间4的等效半径为其中，测量空间理论高度 $H=\frac{2Lensin(\mathrm{\θ}-\mathrm{\φ})sin(\mathrm{\θ}+\mathrm{\φ})}{sin(\mathrm{\π}-2\mathrm{\θ})},$ 宽度 $W=d+2(\frac{4R+d}{4sin\mathrm{\θ}}-L)tan\mathrm{\φ},$ 轴向长度L＝d²/4λ为超声近场区域长度，d为超声探头直径，λ为超声波波长；φ＝sin^-1(1.22λ/d)为超声声束在远场区的扩散角。

2)计算测量空间内离散相平均流速通过对超声接收探头3b所获取的接收信号进行傅里叶变换可得到其频率f，将其与超声发射探头3a的激励频率f₀相减，即可得到由测量空间4内流体运动所引起的频移f_d＝f-f₀。因为该频移是超声波经测量空间4中分散的多液滴散射而形成，造成其频谱具有多峰的性质，因此计算其平均频移：

$\stackrel{\‾}{f_d}=\frac{{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}{f}_d\·S_d\left(f_d\right){\mathrm{df}}_d}{{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}{S}_d\left(f_d\right){\mathrm{df}}_d}.---\left(4\right)$

其中，S_d(f_d)为频移f_d的功率谱。

因此，测量空间内离散相平均流速为：

${\stackrel{\‾}{u}}_{dop}=\frac{c_m\stackrel{\‾}{f_d}}{2{\mathrm{cos\θf}}_0}.---\left(5\right)$

其中，c_m是两相流的混合声速，本专利仅以常用的关系式作为应用实例，其他关系式仍适用，其中ρ_m＝ρ_wα_w+ρ_oα_o；κ_m＝κ_wα_w+κ_oα_o,其中ρ_m与κ_m分别代表混合密度和混合绝热压缩系数；ρ_w与ρ_o分别代表水与油的密度；κ_w与κ_o分别代表水与油的绝热压缩系数。

3)利用漂移模型计算测量空间内平均流速u_s。由于在实际流动过程中，测量空间4中的离散相和连续相的流动速度之间存在着滑动现象，因此通过漂移模型与测量空间内离散相平均流速一起计算测量空间内两相流平均流速u_s：

${\stackrel{\‾}{u}}_{dop}=C_0{u}_s+u_r.---\left(6\right)$

其中，C₀为离散相分布参数，u_r为离散相与连续相之间相对速度。对于连续波多普勒原理下的油水两相流，其分布参数C₀的取值可直接为1。相对速度u_r则根据液滴在水平流体中的受力平衡分析与流体边界层理论而得到。水连续时相对速度u_r与测量空间内两相流平均流速u_s之间的关系为则平均流速可通过下式计算：

$u_s=\frac{{\stackrel{\‾}{u}}_{dop}}{1-\frac{D^2}{3r^2}}.---\left(7\right)$

油连续时相对速度u_r与测量空间内两相流平均流速u_s之间的关系为则平均流速可通过下式计算：

$u_s=\frac{{\stackrel{\‾}{u}}_{dop}}{1-\frac{4D^2}{9r^2}}.---\left(8\right)$

由于在不同流型下，分散相液滴的尺度不统一，即使在同一种流型下，流体内不同区域的液滴直径也不相同，因此对于D的取值需根据实际情况进行，对于油水两相流，可以取1mm。

4)通过测量空间内的平均流速计算总流速J。根据两相流在不同动态粘度下所呈现的不同流速分布规律，并结合测量空间尺寸，可以得到测量空间4内两相流的平均流动速度u_s与两相流总平均流速J之间的关系。

当两相流为水连续时，其流速分布遵循湍流流速分布规律：其中，u为管道中任意一点的流速，y为该点到管道中心的距离，R为管道内半径，u_max为管道中心处最大流速，n为流速分布系数，水连续情况下一般取值6-7。在管道截面上对流速分布进行积分可得到总平均流速J与管道中心处最大流速u_max之间关系：在测量空间内积分可得到测量空间内平均流速u_s与管道中心处最大流速u_max之间关系：将上述两式做商，则可约掉u_max并得到总平均流速J与测量空间内平均流速u_s之间的关系：

$\frac{J}{u_s}=\frac{{\mathrm{nr}}^2}{{\mathrm{nR}}^2+(r-R)(r+nr+nR){(1-\frac{r}{R})}^{\frac{1}{n}}}.---\left(9\right)$

当两相流为油连续时，其流速分布遵循层流流速分布规律：与水连续时算法同理，可得到：

$\frac{J}{u_s}=\frac{R^2}{2R^2-r^2}.---\left(10\right)$

5)代入测量空间内平均流速u_s计算公式(6)，(7)，结合式(9)，可计算水连续两相流总平均流速：

$J=\frac{{\mathrm{nr}}^2}{{\mathrm{nR}}^2+(r+R)(r+nr+nR){(1-\frac{r}{R})}^{\frac{1}{n}}}*\frac{{\stackrel{\‾}{u}}_{dop}}{1-\frac{D^2}{3r^2}}.---\left(11\right)$

结合式(6)，(8)，(10)，可得油连续两相流总平均流速：

$J=\frac{R^2}{2R^2-r^2}*\frac{{\stackrel{\‾}{u}}_{dop}}{1-\frac{4D^2}{9r^2}}.---\left(12\right)$

利用电学传感器所得到的分相含率可进一步计算得到水相表观流速：

J_w＝J*α_w.(13)

油相表观流速：

J_o＝J*α_o.(14)。

Claims (1)

1.一种两相流速声电双模态测量方法，采用一对用于获取两相流平均流速的压电陶瓷超声换能器和基于电容电导法获取分相含率的电学传感器；所述超声换能器分别安装于管道上下两侧，并保证与水平方向夹角为θ；所述超声换能器分别用来发射和接收超声波，其中，发射换能器位于管壁顶端，而接收换能器位于管壁底端，需保证这对换能器与管道中心处于同一截面；所述电容电导传感器与超声换能器同时安装于管道之中；该测试方法包含如下步骤：

1)计算两相流分相含率：当两相流的连续相为导电相时，将电学传感器视为电导传感器，利用测量数据获取含水率α_w与含油率α_o；当连续相为非导电相时，将电学传感器视为电容传感器，利用测量数据获取含水率α_w与含油率α_o；

2)计算两相流中的混合声速：利用含水率α_w与含油率α_o计算两相流的混合声速其中混合密度ρ_m＝ρ_wα_w+ρ_oα_o，混合绝热压缩系数κ_m＝κ_wα_w+κ_oα_o，ρ_w与ρ_o分别代表水与油的密度，κ_w与κ_o分别代表水与油的绝热压缩系数；

3)确定测量空间：超声波的声场分布在管道内部形成的测量空间，位于管道中心处，其在管道截面上的投影为椭圆形，将测量空间按照水力学直径等效为球体，其等效半径为其中，测量空间理论高度 $H=\frac{2Lensin(\mathrm{\θ}-\mathrm{\φ})sin(\mathrm{\θ}+\mathrm{\φ})}{sin(\mathrm{\π}-2\mathrm{\θ})},$ 宽度 $W=d+2(\frac{4R+d}{4\sin \mathrm{\θ}}-L)tan\mathrm{\φ},$ 轴向长度 $Len=\frac{d}{sin\mathrm{\θ}}+\frac{d}{2tan\mathrm{\θ}}+\frac{2R+d-2Lsin\mathrm{\θ}}{2tan(\mathrm{\θ}-\mathrm{\φ})}-\frac{R-Lsin\mathrm{\θ}}{tan(\mathrm{\θ}+\mathrm{\φ})},$ L＝d²/4λ为超声近场区域长度，d为超声探头直径，λ为超声波波长；φ＝sin^-1(1.22λ/d)为超声声束在远场区的扩散角，θ为超声换能器与水平方向夹角；

4)利用超声多普勒频移计算测量空间内离散相平均流速通过对超声接收探头所获取的接收信号进行傅里叶变换可得到其频率f，将其与超声发射探头的激励频率f₀相减，即可得到由测量空间内流体运动所引起的频移f_d＝f-f₀，计算测量空间内离散相平均流速其中，为平均频移，S_d(f_d)为频移f_d的功率谱；

5)利用漂移模型计算测量空间内平均流速u_s：通过漂移模型与测量空间内离散相平均流速计算测量空间内两相流平均流速u_s，其中C₀为离散相分布参数，连续波多普勒原理下的油水两相流测量模型中C₀为1，u_r为离散相与连续相之间相对速度；水连续时相对速度u_r与测量空间内两相流平均流速u_s之间的关系为此时油连续时相对速度u_r与测量空间内两相流平均流速u_s之间的关系：此时其中D为分散相液滴直径，由于在不同流型下，分散相液滴的尺度不统一，D的取值需根据实际情况进行，对于油水两相流，可以取1mm；

6)通过测量空间内的平均流速u_s计算总流速J：根据两相流在不同动态粘度下所呈现的不同流速分布规律，并结合测量空间尺寸，当两相流为水连续时，总平均流速J与测量空间内平均流速u_s之间的关系：其中，y为该点到管道中心的距离，R为管道内半径，n为流速分布系数，水连续情况下取值6-7；当两相流为油连续时，

7)带入步骤5)中计算的测量空间内平均流速u_s的计算式，计算两相流总平均流速与分相流速，

水连续时，两相流总流速为： $J=\frac{{\mathrm{nr}}^2}{{\mathrm{nR}}^2+(r-R)(r+nr+nR){(1-\frac{r}{R})}^{\frac{1}{n}}}*\frac{{\stackrel{\‾}{u}}_{dop}}{1+\frac{D^2}{3r^2}};$

油连续时，两相流总流速为： $J=\frac{R^2}{2R^2-r^2}*\frac{{\stackrel{\‾}{u}}_{dop}}{1-\frac{4D^2}{9r^2}};$

利用电学传感器所得到的分相含率进一步计算得到水相表观流速：J_w＝J*α_w，和油相表观流速：J_o＝J*α_o。