CN108535325B - 微管道内两相流的摩擦压降和相含率测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微管道内两相流的摩擦压降和相含率测量装置及方法。水槽依次经离心泵、第一手动阀、转子水表后连接到混相器的输入端，压缩空气依次经空气过滤器、流速控制阀、压力控制阀、第二手动阀后连接到混相器的输入端，压力控制阀和第二手动阀之间有压力计、气体流量计，混相器的输出端与微管道的输入口连接，微管道的输出口连接回水槽；测量外壳上安装有电阻抗传感器，电阻抗传感器的探头伸入连接到微管道，电阻抗传感器与正弦信号发生器连接。本发明有效地解决了对微管道内的摩擦压降和相含率的测量，实验测得的数据对现有的微尺寸细管内(两相流运动)的预测方法的适用性进行了评估，且测试装置结构简单、实际应用性强。

Description

微管道内两相流的摩擦压降和相含率测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种测量固液参数的装置及方法，尤其涉及了一种微管道内两相流的摩擦压降和相含率测量装置及方法。
背景技术
在石油、化工、动力、核能、制冷、低温以及航空航天等工业领域中，气液两相流体系广泛存在，并且发挥不可或缺的作用。对气液两相流相关参数的检测方法的研究具有学术科研意义和工程应用价值。然而，气液两相流的相界面时刻变化，存在相对速度的同时还具有传热、传质等特性，这些复杂多变的问题使得气液两相流参数检测始终是一难题。国内外众多研究人员对此进行了大量的研究工作。
随着管道水力直径的减小，微道气液两相流较常规管道气液两相流在流动特性方面有着较大的不同：液体表面张力、管路的粗链程度、管路的表面结构等因素对流动特性的影响渐渐变大，重力作用相对被削弱。较常规管道，对微道气液两相流的研究较少，缺乏完善的理论基础与相关机理模型，检测技术尚不成熟，微道气液两相流参数检测成为两相流领域研究新热点。对微道气液两相流参数检测的研究具有广阔的工业前景与科研意义。
发明内容
为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供了一种微管道内两相流的摩擦压降和相含率测量装置及方法，是非侵入性的，测量系统是便携式的、独立的。
摩擦压降和相含率是设计管路和处理系统的重要参数，一直是许多实验研究和大量经验和半分析类预测方法的研究目标。本发明对小尺寸管道内做了研究，提供了能够直接测量两相流相含率的电阻抗相含率传感器，也提供了相含率计算方法。
本发明所采用的的技术方案是：
一、一种微管道内气液两相流的摩擦压降和相含率测量装置：
包括水槽、离心泵、第一手动阀、转子水表、混相器、测量外壳、连接管、电阻抗传感器、正弦信号发生器、第二手动阀、气体流量计、压力计、压力控制阀、流速控制阀、空气过滤器和压缩空气；水槽依次经离心泵、第一手动阀、转子水表后连接到混相器的一个输入端，压缩空气依次经空气过滤器、流速控制阀、压力控制阀、第二手动阀后连接到混相器的另一个输入端，压力控制阀和第二手动阀之间设置有压力计、气体流量计，混相器的输出端与测量外壳内的微管道的输入口连接，微管道的输出口经连接管连接回水槽；测量外壳上安装有电阻抗传感器，电阻抗传感器的探头伸入连接到微管道，电阻抗传感器与正弦信号发生器连接。
水和空气在混相器中混合形成两相流后被引导到微管道的输入口，微管道从输出口的两相流通过连接管流回水槽，空气被释放到环境大气中。
所述的微管道采用内径小于等于1.2mm的管道，管道壁面开通孔，通孔直径为10mm。
所述的混相器包括圆管和装在圆管内的多孔管，圆管入口连接转子水表的出口，内径10mm的多孔管插入连接内径20mm的圆管，多孔管沿管道轴向的壁面间隔均布设有18个细孔，多孔管的一端穿出圆管后连接手动阀的出口；水流经转子水表进入圆管，空气经手动阀进入多孔管，再从多孔管的细孔流出后与圆管内的水流汇合形成两相流，再从圆管出口流入到测量外壳中。
所述电阻抗传感器的电极探头连接到位于靠近微管道出口处，并且电极探头与微管道的输入口之间的距离l满足：l/D>60，D是微管道的水力学直径；电阻抗传感器的电极探头伸入到微管道内，并和微管道内的两相流直接接触，电极探头包括两个不锈钢电极，两个不锈钢电极分别为一个发射电极和一个接受电极，两个不锈钢电极被一个隔离件分开。
所述的电阻抗传感器的信号输出口经数据采集系统和计算机连接。
所述的测量外壳在分别靠近输入口和输出口处安装有绝对压力变送器和差压变送器，绝对压力变送器和差压变送器均连接到交流/直流电源，由交流/直流电源对绝对压力变送器和差压变送器进行供电控制。
二、一种微管道内气液两相流的摩擦压降和相含率测量方法：
将电阻抗传感器的电极探头连接到位于靠近测量外壳出口处，电极探头伸入到测量外壳内并和测量外壳内的两相流直接接触，电极探头输出电压信号，先依次经过放大、整流、滤波处理，测量得到瞬时和平均的电压输出值和对应的参考相含率进行拟合获得标准曲线，然后用一个标准曲线对待测两相流进行处理换算为对应的相含率。
所述的参考相含率采用以下公式计算：
根据液相和气相的质量流量做为输入参数，采用以下公式计算获得平均相含率α作为参考相含率：
Figure BDA0001615407740000031
Figure BDA0001615407740000032
其中，χ为气相质量含率，H1、H2、H3、H4分别表示第一、第二、第三、第四系数；ρL表示液体的密度，μL表示液体的当前平均动力学粘度，ρg表示气体的密度，μg表示气体的当前平均动力学粘度。
本发明的有益效果是：
本发明有效地解决了对微管道内的摩擦压降和相含率的测量，实验测得的数据对现有的微尺寸细管内(两相流运动)的预测方法的适用性进行了评估，且测试装置结构简单、实际应用性强。
附图说明
图1为本发明装置的结构图。
图2为本发明混相器的内部结构图。
图3为本发明实施例相含率测量获得的标准曲线示意图。
图1中：1、水槽，2、离心泵，3、第一手动阀，4、转子水表，5、混相器，6、输入口，7、测量外壳，9、输出口，10、连接管，11、绝对压力变送器，12、差压变送器，13、交流/直流电源，14、电阻抗传感器，15、正弦信号发生器，16、第二手动阀，17、气体流量计，18、压力计，19、压力控制阀，20、流速控制阀，21、空气过滤器，22、压缩空气，23、数据采集系统，24、计算机，25、微管道。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。
本发明方案包括管道、相含率测量装置和计算机24，管道竖直布置安装，相含率测量装置与计算机24连接。
如图1所示，本发明具体实施包括水槽1、离心泵2、第一手动阀3、转子水表4、混相器5、测量外壳7、连接管10、电阻抗传感器14、正弦信号发生器15、第二手动阀16、气体流量计17、压力计18、压力控制阀19、流速控制阀20、空气过滤器21和压缩空气22；水槽1依次经离心泵2、第一手动阀3、转子水表4后连接到混相器5的一个输入端，压缩空气22依次经空气过滤器21、流速控制阀20、压力控制阀19、第二手动阀16后连接到混相器5的另一个输入端，压力控制阀19和第二手动阀16之间设置有压力计18、气体流量计17，压力计18和气体流量计17分别用于检测气体压力和气体流量，混相器5的输出端与测量外壳7内的微管道25的输入口6连接，测量外壳7内部设置微管道25，微管道25的输出口9经连接管10连接回水槽1；测量外壳7上安装有电阻抗传感器14，电阻抗传感器14的探头伸入连接到微管道25，电阻抗传感器14与正弦信号发生器15连接。正弦信号发生器15与计算机24连接，计算机24发出控制信号通过正弦信号发生器15对电阻抗传感器14进行测量控制。
水槽1内的水由离心泵2驱动流出，水槽的容积大约为1m^3，水槽的容量足以满足保持水温稳定和控制雷诺数的需要，水流速由手动阀3控制并通过转子水表4测量确定。其中，雷诺数是流体惯性力与黏性力比值的量度，它是一个无量纲数。
压缩空气22流经空气过滤器21后，通过手动阀16、压力控制阀19和流速控制阀20用于控制气相介质的流动特性，通过压力计18和气体流量计17测量得到气体压力和气体体积流量。
水和空气在混相器5中混合形成两相流后被引导到微管道25的输入口6，微管道25从输出口9的两相流通过连接管10流回水槽1，空气被释放到环境大气中。
微管道25采用内径小于等于1.2mm的管道，管道壁面开通孔，通孔直径为10mm。
如图2所示，混相器5包括圆管和装在圆管内的多孔管，圆管入口连接转子水表4的出口，内径10mm的多孔管插入连接内径20mm的圆管，多孔管沿管道轴向的壁面间隔均布设有18个细孔，多孔管的一端穿出圆管后连接手动阀16的出口；水流经转子水表4进入圆管，空气经手动阀16进入多孔管，再从多孔管的细孔流出后与圆管内的水流汇合形成两相流，再从圆管出口流入到测量外壳7中。
电阻抗传感器14用来测量出口处的相含率，电阻抗传感器14的采样率为15Hz。电阻抗传感器14的电极探头连接到位于靠近微管道25出口处，使得相含率的测量位置非常接近出口，并且电极探头与微管道25的输入口6之间的距离l满足：l/D>60，D是微管道25的水力学直径，这样能使得两相流沿细管流动时收缩效应最小；电阻抗传感器14的电极探头伸入到微管道25内，并和微管道25内的两相流直接接触，电极探头包括两个不锈钢电极，两个不锈钢电极分别为一个发射电极和一个接受电极，两个不锈钢电极被一个隔离件分开。
当实验对象两相流混合物的组成变化时平均电阻抗会相应改变，与电极处阻抗相应的输出电压信号经过放大、整流、滤波处理，测量得到瞬时和平均的电压输出值并通过一个标定曲线换算为对应的相含率。
6V峰峰值的输入电压加到电阻抗传感器14的电极探头的电极对上，两个电极上的电压相位相差180°。
电阻抗传感器14的信号输出口经数据采集系统23和计算机24连接。数据采集系统23采用安捷伦HP39470A，电阻抗传感器14的测量信号通过安捷伦HP39470A的数据采集系统23收集，所有测量信号由一台个人计算机24做后续加工处理。
为了测量两相流的摩擦压降，测量外壳7在分别靠近输入口6和输出口9处安装有绝对压力变送器11和差压变送器12，绝对压力变送器11和差压变送器12均连接到交流/直流电源13，由交流/直流电源13对绝对压力变送器11和差压变送器12进行供电控制。
绝对压力变送器11测量两相流的流型流型和液体流动状态，例如为搅状流、塞状流、泡状流，差压变送器12测量两相流的摩擦压降。压降的测量跨跃整个微管道，但取样点在测量相含率的电阻抗传感器14的电极探头之前。
对于摩擦压降的测量是由差压变送器来完成的，差压变送器伸入两个引脚横跨微管道，如图1所示，通过计算靠近入口的引脚测量出的压力与出口处引脚测量出的压力之间的差值，达到测量摩擦压降的目的。下表给出在不同参数下摩擦压降的实验值。
当jg＝0.1m/s
实验值 5 8 14 20 28 36 44 52
当jg＝0.8m/s
实验值 3 6 12 17 23 37 47 58
在jg(m/s)取值为0.1和0.8时，此时两相流流型为泡状流或泡状流-塞状流过渡态。
对于相含率的测量，具体实施步骤分为两大部分：通过实验装置给出相含率的实验数据，然后根据推导算式估算出相含率的数据，最后将实验数据与推导算式得到的数据进行比对从而得出结论。
将电阻抗传感器14的电极探头连接到位于靠近测量外壳7出口处，电极探头伸入到测量外壳7内并和测量外壳7内的两相流直接接触，电极探头输出电压信号，先依次经过放大、整流、滤波处理，测量得到电压输出值和对应的参考相含率进行拟合获得标准曲线。
参考相含率采用以下公式计算：根据液相和气相的质量流量做为输入参数，采用以下公式计算获得平均相含率α作为参考相含率：
Figure BDA0001615407740000061
Figure BDA0001615407740000062
其中，L和g分别表示液体或气体，χ为气相质量含率，H1、H2、H3、H4分别表示第一、第二、第三、第四系数；ρh是两相流的质量密度，ρL表示液体的密度，μL表示液体的当前平均动力学粘度，ρg表示气体的密度，μg表示气体的当前平均动力学粘度。
具体实施中，H1＝0.28，H2＝0.64，H3＝0.36，H4＝0.07。
然后，用一个标准曲线对待测两相流进行处理，根据待测两相流通过电阻抗传感器14测量获得的电压输出值换算为对应的相含率。
下表给出部分平均率的实验数据：
χ 10<sup>-4</sup> 10<sup>-3</sup> 10<sup>-2</sup> 10<sup>-1</sup> 100
α 0.082 0.461 0.816 0.923 0.986
本发明实施前对电阻抗传感器14进行标定，电阻抗传感器14标是使用快速关断阀实现的，通过快速关断阀设定的相含率实验数据与测量电极间的两相流电导数值相对应。分别针对水平流动和竖直流动的两相流。平均相含率的不确定度在95％的置信区间内确定，平均相含率的测量范围大致在0-0.97区间内。在0<α<0.3时，此时为泡状流或泡状流向塞状流的过渡状态，不确定度为0.006。在0.8<α<0.97时两相流为层流状态，平均不确定度为0.007。在0.3<α<0.8时两相流呈搅状流、塞状流及相层状流过渡的状态，在这个阶段测量不确定度增加到0.025。

Claims (7)

1.一种微管道内气液两相流的摩擦压降和相含率测量装置，其特征是：
包括水槽(1)、离心泵(2)、第一手动阀(3)、转子水表(4)、混相器(5)、测量外壳(7)、电阻抗传感器(14)、正弦信号发生器(15)、第二手动阀(16)、气体流量计(17)、压力计(18)、压力控制阀(19)、流速控制阀(20)和空气过滤器(21)；水槽(1)依次经离心泵(2)、第一手动阀(3)、转子水表(4)后连接到混相器(5)的一个输入端，压缩空气(22)依次经空气过滤器(21)、流速控制阀(20)、压力控制阀(19)、第二手动阀(16)后连接到混相器(5)的另一个输入端，压力控制阀(19)和第二手动阀(16)之间设置有压力计(18)、气体流量计(17)，混相器(5)的输出端与测量外壳(7)内的微管道(25)的输入口(6)连接，微管道(25)的输出口(9)经连接管(10)连接回水槽(1)；测量外壳(7)上安装有电阻抗传感器(14)，电阻抗传感器(14)的探头伸入连接到微管道(25)，电阻抗传感器(14)与正弦信号发生器(15)连接；
所述的测量外壳(7)在分别靠近输入口(6)和输出口(9)处安装有绝对压力变送器(11)和差压变送器(12)，绝对压力变送器(11)和差压变送器(12)均连接到交流/直流电源(13)，由交流/直流电源(13)对绝对压力变送器(11)和差压变送器(12)进行供电控制。
2.根据权利要求1所述的一种微管道内气液两相流的摩擦压降和相含率测量装置，其特征是：水和空气在混相器(5)中混合形成两相流后被引导到微管道(25)的输入口(6)，微管道(25)从输出口(9)的两相流通过连接管(10)流回水槽(1)，空气被释放到环境大气中。
3.根据权利要求1所述的一种微管道内气液两相流的摩擦压降和相含率测量装置，其特征是：所述的微管道(25)采用内径小于等于1.2mm的管道，管道壁面开通孔，通孔直径为10mm。
4.根据权利要求1所述的一种微管道内气液两相流的摩擦压降和相含率测量装置，其特征是：所述的混相器(5)包括圆管和装在圆管内的多孔管，圆管入口连接转子水表(4)的出口，内径10mm的多孔管插入连接内径20mm的圆管，多孔管沿管道轴向的壁面间隔均布设有18个细孔，多孔管的一端穿出圆管后连接手动阀(16)的出口；水流经转子水表(4)进入圆管，空气经手动阀(16)进入多孔管，再从多孔管的细孔流出后与圆管内的水流汇合形成两相流，再从圆管出口流入到测量外壳(7)中。
5.根据权利要求1所述的一种微管道内气液两相流的摩擦压降和相含率测量装置，其特征是：所述电阻抗传感器(14)的电极探头连接到位于靠近微管道(25)出口处，并且电极探头与微管道(25)的输入口(6)之间的距离l满足：l/D＞60，D是微管道(25)的水力学直径；电阻抗传感器(14)的电极探头伸入到微管道(25)内，并和微管道(25)内的两相流直接接触，电极探头包括两个不锈钢电极，两个不锈钢电极分别为一个发射电极和一个接受电极，两个不锈钢电极被一个隔离件分开。
6.根据权利要求1所述的一种微管道内气液两相流的摩擦压降和相含率测量装置，其特征是：所述的电阻抗传感器(14)的信号输出口经数据采集系统(23)和计算机(24)连接。
7.应用于权利要求1所述装置的一种微管道内气液两相流的摩擦压降和相含率测量方法，其特征是：将电阻抗传感器(14)的电极探头连接到位于靠近测量外壳(7)出口处，电极探头伸入到测量外壳(7)内并和测量外壳(7)内的两相流直接接触，电极探头输出电压信号，先依次经过放大、整流、滤波处理，测量得到电压输出值和对应的参考相含率进行拟合获得标准曲线，然后用一个标准曲线对待测两相流进行处理换算为对应的相含率；
所述的参考相含率是根据液相和气相的质量流量做为输入参数，采用以下公式计算获得平均相含率α作为参考相含率：
Figure FDA0002474096200000021
Figure FDA0002474096200000022
其中，χ为气相质量含率，H1、H2、H3、H4分别表示第一、第二、第三、第四系数；ρh是两相流的质量密度，ρL表示液体的密度，μL表示液体的当前平均动力学粘度，ρg表示气体的密度，μg表示气体的当前平均动力学粘度。
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