CN107024603B - 气液两相泡状流流速声电双模态测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气液两相泡状流流速声电双模态测量方法，采用内含双压电陶瓷晶片的超声换能器和电容电导传感器,包括：获取含水率H；测量空间内气泡的平均真实流速；计算连续液相和离散气相之间的曳力；计算管壁对连续液相的剪切力；利用数值迭代类算法求得液相的真实流速；计算液相表观流速和液相表观流速；根据对于两相流总表观流速的定义，计算气液泡状流总表观流速。

Description

气液两相泡状流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，用于气液两相泡 状流分相流速的无扰动式测量。

技术背景

两相流广泛存在于日常生活与工业生产过程中，例如食品加工，生物工程，化工产业，冶金工业和石 油产业等行业，主要表现形式包括气液两相流、液液两相流、液固两相流和气固两相流等。与单相流相比， 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是科研和工业产业界关注的重点。气液 两相流含水率和流速(流量)的测量对流动状态监测、实际生产安全等方面具有重大意义。然而，气液两 相流因其具有流动状态变化剧烈，瞬时含率、流速波动大的特点，难以实现流动过程参数的无扰动式测量。

水平管道气-液两相流中，当气体流量较低、液体流量较高时，其流动状态呈现为典型的泡状流。泡状 流的流动形态为液体携带大量细小气泡在管道内流动。目前，气液两相流的流速(流量)测量主要包括两 种方式：单相流量计和互相关流量计。单相流量计优势在于测量行为通常较为直接，例如涡轮式流量计， 但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。而文丘里流量计或者差 压式流量计又无法排除相含率变化对测量结果造成的干扰。对于气液两相流流速测量，基于不同敏感原理 的互相关流量计同样被广泛研究和使用，例如超声法、电学法、光学法和射线法等。互相关流量计需要被 测两相流的流动结构固定，同时，上下游传感器间距与传感器响应频率共同决定了基本的测试误差，且误 差随流速变化。因此，在泡状流这类随机性很强的流体测速时具有一定局限性。

相比以上测量方式，超声多普勒方法具有非侵入、结构简单、原理明确、价格低廉等优势。首先，超 声多普勒法不对流体的流动状态造成干扰。其次，基于连续波的超声多普勒流速测量方法是通过声波在流 体中散射体(气泡)上形成的多普勒效应获取反射体的流动速度，因此其所测速度的物理意义明确，即测 量空间内所有散射体的平均真实速度。气液两相泡状流中气、液两相表面张力的巨大差异造成了当液相流 速相对气相较高时，气相会以小气泡的形式分散在连续流动的液相中。根据超声多普勒原理，所测流速就 是气泡的平均真实速度，即气相真实流速。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，因此在得到气相真实流速的条件下，结合电容电导传感器所获取的实时含水率信息， 同过双流体模型来计算得到水相的真实流速，最终获得气液两相流分相流速和分相含率。

发明内容

本发明的目的是在现有技术的基础上，新提出一种利用超声多普勒传感器与电学传感器准确测量管道 内气液两相泡状流分相流速的方法。本发明的技术方案如下：

一种气液两相泡状流流速声电双模态测量方法，采用一个内含双压电陶瓷晶片的超声换能器和电容电 导传感器；超声换能器的测量空间可以覆盖整个管道截面，从而获取两相流总表观流速；电容电导传感器 用于获取分相含率；所述超声换能器安装于管道底侧，换能器内部双晶片均被倾斜安装于声耦合材料上， 以保证晶片的法线方向与水平流动方向夹角为θ；所述双晶片超声换能器用来发射和接收超声波；其中， 换能器一侧晶片负责发射超声波，另一侧晶片负责接收超声波，且在上述两晶片之间放置隔音材料以抑制 干扰；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)将电容电导传感器作为电导传感器，利用其测量数据获取含水率H；

2)通过对超声换能器所获取的接收信号进行傅里叶变换可得到其频率f，将其与超声发射信号的频率 f₀相减，得到测量空间内散射体运动所引起的频移f_d＝f-f₀，测量空间内气泡的平均真实流速 其中，为平均频移，C为声波在固体声耦合材料中的传播速度；

3)计算连续液相和离散气相之间的曳力F_drag：对于流体中的气相，曳力的公式为U_g和U_w分别是气相和液相的真实流速，H为含水率；ρ_w是 液相密度；d₃₂是气相的索特平均直径，其与气相最大直径d_max的关系为：d₃₂＝0.62d_max；气相最大直径 d_max的计算方法为：D为管道内径；C_D是拖曳系数，对于不同流动状态下， 相对雷诺数μ_w是液相动态黏度；

4)计算管壁对连续液相的剪切力f_w是穆迪摩擦因子，取值为ε是管内壁的相对粗糙度；Re_w是 液相雷诺数，定义为

5)离散气相和连续液相分别处于受力平衡的状态时，有将F_drag，τ_w， H，U_g带入上式中，得到关于U_w的一元非线性方程；利用数值迭代类算法求得液相的真实流速U_w；为增 加迭代速度，U_w的迭代初值设置为与U_g相等；

6)计算液相表观流速J_w＝U_wH和液相表观流速J_g＝U_g(1-H)；

7)根据对于两相流总表观流速的定义，计算气液泡状流总表观流速J＝U_wH+U_g(1-H)。

本发明的实质性特点是：利用双晶超声多普勒探头获取测量空间内离散相的真实流速，利用电学传感 器获取两相流的分相含率。通过双流体模型，带入所测得的离散相真实流速与两相流分相含率，计算得到 连续相的真实流速。最终结合两相流的分相含率与真实流速，实现分相流速的测量。本发明的有益效果及 优点如下：

1)该方法为无扰动的测量手段，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分相流速、总表观流速与分相含率。

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双晶超声换能器结构示意图；

图2本发明的测量方法中超声多普勒测量空间示意图；

图3本发明的测量方法中声电双模态传感器示意图；

图4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双晶超声换能器结构示意图。本发明专利所用双晶超声换能器包括一个接 收压电陶瓷晶片1a和一个发射压电陶瓷晶片1b，两晶片均倾斜附着在切割成固定几何形状的声耦合材料 2a和2b上。在两部分之间，放置隔音材料3以防止声波的互相干扰。晶片1a和1b的倾斜角度需保证晶 片所在平面的法线方向与来流方向0的夹角为θ。最外侧安装有金属外壳4以保护整体双晶换能器。线路 接口5a和5b分别用于传导压电晶片转化的电信号，包括激励信号和接收信号。

图2为本发明的测量方法中超声多普勒测量空间示意图；双晶探头被安装管道底部，镶嵌在7管壁中。 连续波多普勒测量空间的定义为发射声波和接收声波的声场重叠区域。在管道8区域内部，两部分声场重 合区域为阴影区域6，即空间。流经此区域流体中离散相的速度信息可以被超声多普勒传感器获取。该空 间在管道轴向剖面的投影为三角形，该三角形覆盖整个管道截面。

图3本发明的测量方法中声电双模态传感器示意图；环形金属电极10-13镶嵌在管道9中，电流经电 极10、13注入被测流场。测量电极11、12间电势差，实现对流体含水率的实时测量。双晶14探头被安 装管道9底部，位于电极11、12之间，以保证超声与电学传感器测量空间的一致。

图4为本发明的超声多普勒与电学传感器测速方法计算流程图。下面以气-液两相流为例，对本发明的 两相流流速和相含率测量方法进行说明，该方法也可用于如液-液两相流等其他两相流测量中，两相流流速 和相含率测量方法计算步骤如下：

步骤1：利用电学传感器的电导测量模态计算两相流的含水率H。

步骤2：利用多普勒传感器，获取测量空间6内离散相的真实流速。

通过对超声接收晶片1a所获取的声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1b的 激励频率f₀相减，即可得到由测量空间6内离散相运动所引起的频移f_d＝f-f₀。因为该频移是超声波经测量 空间6中分散的多气泡散射而形成，造成其频谱具有多峰的性质，因此计算其平均频移：

其中，S_d(f_d)为频移f_d的功率谱。

因此，测量空间内离散相的平均流速U_g为：

步骤3：通过双流体模型，分别建立离散相和连续相的受力平衡方程，带入含水率H与离散相真实流 速U_g，计算连续相真实流速U_w。

1)计算连续液相和离散气相之间的曳力F_drag。

首先计算d₃₂，即气相的索特平均直径，其与气相最大直径d_max的关系为：d₃₂＝0.62d_max；气相最 大直径d_max的计算方法为：D为管道内径，U_w是液相的真实流速。C_D是拖曳系数， 对于不同流动状态下，其中相对雷诺数 μ_w是液相动态黏度；对于流体中的气相，曳力可表式为：

其中，H为含水率。

2)计算管壁对连续液相的剪切力τ_w。首先计算穆迪摩擦因子f_w，其取值为：

ε是管内壁的相对粗糙度；Re_w是液相雷诺数，定义为通过以上参数，管壁对连续相 的剪切力τ_w可表达为：

3)根据双流体模型，在流体流动状态稳定时，离散气相和连续液相分别处于受力平衡的状态。其中， 气相所受压力梯度力与曳力平衡，表示为：对于液相而言，其所受压力梯度力、 管壁摩擦力与曳力平衡，表示为： 为长度为l的管内流体压力梯度； S_w是内管壁湿润系数，其取值为πD；A为管道横截面积。将上述两式连立，可得，

4)利用牛顿迭代算法，将式(3)、(4)、(5)带入(6)式求解连续相真实流速U_w。

5)结合步骤1中得到的两相流含水率，计算分相流速J_g与J_w：

J_g＝U_g(1-H) (7)

J_w＝U_wH (8)

6)通过分相流速J_g与J_w，计算总表观流速J：

J＝U_wH+U_g(1-H) (9)。

Claims (1)

1.一种气液两相泡状流流速声电双模态测量方法，采用一个内含双压电陶瓷晶片的超声换能器和电容电导传感器；超声换能器的测量空间覆盖整个管道截面，从而获取两相流总表观流速；电容电导传感器用于获取分相含率；所述超声换能器为双晶片超声换能器，安装于管道底侧，超声换能器内部双晶片均被倾斜安装于声耦合材料上，以保证晶片的法线方向与水平流动方向夹角为θ；

所述双晶片超声换能器用来发射和接收超声波；其中，换能器一侧晶片负责发射超声波，另一侧晶片负责接收超声波，且在上述两晶片之间放置隔音材料以抑制干扰；所述电容电导传感器与超声换能器同时安装于管道之中；

该测量方法包含如下步骤：

1)将电容电导传感器作为电导传感器，利用其测量数据获取含水率H；

2)通过对超声换能器所获取的接收信号进行傅里叶变换可得到其频率f，将其与超声发射信号的频率f₀相减，得到测量空间内散射体运动所引起的频移f_d＝f-f₀，测量空间内气泡的平均真实流速其中，为平均频移，C为声波在固体声耦合材料中的传播速度；

3)计算连续液相和离散气相之间的曳力F_drag：对于流体中的气相，曳力的公式为U_g和U_w分别是气相和液相的真实流速，H为含水率；ρ_w是液相密度；d₃₂是气相的索特平均直径，其与气相最大直径d_max的关系为：d₃₂＝0.62d_max；气相最大直径d_max的计算方法为：D为管道内径；C_D是拖曳系数，对于不同流动状态下，相对雷诺数μ_w是液相动态黏度；

4)计算管壁对连续液相的剪切力f_w是穆迪摩擦因子，取值为ε是管内壁的相对粗糙度；Re_w是液相雷诺数，定义为

5)离散气相和连续液相分别处于受力平衡的状态时，有将F_drag，τ_w，H，U_g带入上式中，得到关于U_w的一元非线性方程；利用数值迭代类算法求得液相的真实流速U_w；为增加迭代速度，U_w的迭代初值设置为与U_g相等；

6)计算液相表观流速J_w＝U_wH和气相表观流速J_g＝U_g(1-H)；

7)根据对于两相流总表观流速的定义，计算气液泡状流总表观流速J＝U_wH+U_g(1-H)。