CN108828149A - 一种气液两相流体干度测量装置及方法 - Google Patents

一种气液两相流体干度测量装置及方法 Download PDF

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徐侃
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Abstract

本发明公开了一种气液两相流体干度测量装置及方法，属于热控技术领域，该装置包括：图像采集单元、旋流器、工控机及测量管；旋流器安装在测量管内部，用于产生气液两相之间的分离力，将测量管内的气液两相流体转变成两束在测量管内并行流动的单相流体；图像采集单元用于采集测量管内的气液两相流体分离后的液膜和气芯的气液分布的图像，并将采集到的图像发送给工控机，工控机用于对所述图像进行分析，得到液膜的运动速度和流通截面的面积、气芯的运动速度和流通截面的面积；本发明通过采用管内两相分离的方法把气液两相流体整理成统一的理想环状流，将干度的测量转化为气液两相的流速和截面含气率的测量，具有可视化、实时性好的特点。

Description

一种气液两相流体干度测量装置及方法
技术领域
本发明属于热控技术领域，具体涉及一种气液两相流体干度测量装置及方法。
背景技术
1965年，Gordon Moore提出了著名的“摩尔定律”，即集成电路上可容纳的晶体管数目每隔18个月便会增加一倍。随后大规模集成电路的飞速发展印证了这一定律。随着电路集成度的不断提高，电子芯片的冷却问题越来越突出。进入21世纪以来，集成电路芯片的热流密度已经上升到了100～1000W/cm2。电子芯片的有效散热方式已成为限制高功率器件大规模使用的核心问题之一，在能源动力、机械制造、材料化工、电气电信、航空航天、环境气象等应用领域起到关键性的作用。随着电子器件功率的提高，传统的单相换热冷却方法，无法在超高热流密度的情况下提供足够的冷却效果，而气液两相换热方式由于利用工质的汽化潜热因此具有换热能力强、温度均匀性好的特点成为高热流密度散热的有效手段。
气液两相的相变传热过程受到很多因素的影响，其中一个重要的参数就是系统的干度，干度的测量对于了解系统的工作状态以及研究两相换热的规律有重要影响。气液两相流体是两种不同物理性质的流体共同流动而并非均匀混合的流体，两相之间具有明确的界面并且各相流速也不同。
现有的干度测量方法均存在不同程度的缺点，如传统的分离法是将两相流体完全分离开后再对各相单独计量最终确定干度，该法在测量原理上稳定可靠，但是为了将两相流分离干净，通常需要结构复杂的分离设备并且测量实时性差；电容法等各种层析成像方法通过测量两相流截面含气率后构建截面含气率与干度的关系式来测量干度，该类方法测量敏感场为软场，受介质分布影响非常大，两相流特有的流型等变化会导致该法测量困难增大；而以伽马射线为主的各种辐射线测量方法测量原理同电容法等相似，但由于其测量源具有放射性危险对测量过程要求较高；由各种单相流量计组合的两相流测量方法则通过参考测量单相流体的经验，建立起两相流干度的修正测量模型来测量干度，然而由于两相流特性复杂，这种基于单相流量计组合的间接测量方法往往适用测量范围有限，并且测量效果随流型、截面含气率等特性参数的变化而不同程度的恶化。由于各种测量方法各自固有缺点，至今还没有一种被统一广泛接受的干度测量方法和装置。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种气液两相流体干度测量装置及方法，用于测量气液两相流体回路中干度，通过采用管内两相分离的方法把气液两相流体整理成统一的理想环状流，将干度的测量转化为气液两相的流速和截面含气率的测量，具有可视化、实时性好的特点。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种气液两相流体干度测量装置，包括：图像采集单元、光源、旋流器、工控机及测量管；
旋流器安装在测量管内部，用于产生气液两相之间的分离力，将测量管内的气液两相流体转变成两束在测量管内并行流动的单相流体，使得液相贴合测量管的内壁流动形成液膜，气相在测量管中央流动形成气芯；
图像采集单元用于采集测量管内的气液两相流体分离后的液膜和气芯的气液分布的图像，并将采集到的图像发送给工控机，工控机用于对所述图像进行分析，得到液膜的运动速度和流通截面的面积、气芯的运动速度和流通截面的面积；光源用于为图像采集单元提供照明。
进一步的，还包括压力变送器、差压变送器、第一取压孔及第二取压孔；
压力变送器通过第一取压孔与两相分离前的测量管连接，用于测量进入旋流器的气液两相流体的压力；
差压变送器通过第一取压孔与两相分离前的测量管连接，通过第二取压孔与两相分离后的测量管连接，用于测量旋流器两端的压力差。
进一步的，所述光源包括：背光源和侧光源，背光源和侧光源分别设置在测量管的两相对侧，且背光源与图像采集单元相对。
进一步的，所述背光源和侧光源发出的光均为平行光束。
一种气液两相流体干度测量方法，基于上述装置，该方法步骤如下：
第一步，将液膜内存在的气泡设为标记物，气泡运动速度即表示液膜的运动速度，将气芯中存在的液滴设为标记物，液滴的运动速度即表示气芯的运动速度；
第二步，采用粒子追踪测速技术对图像采集单元采集到的测量管内液膜和气芯的气液分布的图像中的标记物进行追踪分析，分别得到液膜中的气泡和气芯中的液滴运动的平均速度，即得到液相的平均流速UL和气相的平均流速UG；
并根据图像采集单元采集到的测量管内液膜和气芯的气液分布的图像，计算得到气相在测量管内流动的圆形截面的面积AG及液相在测量管内流动的环形截面的面积AL；
第三步，根据干度X的定义，即
式中，MG为气相质量流量，MG＝ρGAGUG，ρG为气相密度；ML为液相质量流量，ML＝ρLALUL，ρL为液相密度；
因此，得到
进一步的，在第二步中，气相在测量管内流动的圆形截面的面积AG及液相在测量管内流动的环形截面的面积AL的计算方法如下：
若气液界面光滑，气芯为规则的圆柱体，由液膜和气芯的气液分布的图像直接得到气芯的直径，进而得到气相在测量管内流动的圆形截面的面积AG及液相在测量管内流动的环形截面的面积AL；
若气液界面不光滑，气芯为不规则的圆柱体，通过工控机分析计算所述图像中的气芯的侧面积S及气芯的轴向长度h，根据公式S＝πdh，得到气芯的平均直径d，进而得到气相在测量管内流动的圆形截面的面积AG及液相在测量管内流动的环形截面的面积AL。
有益效果：(1)本发明利用旋流器将气液两相分离，利用相机获得分隔后流动图像进一步进行图像处理而得到两相流体干度；该两相分离技术将两相分“隔”，两相流体依然同时在同一个管道内流动，这样既获得了两相分开的特有效果，又不需要体积庞大的分离设备；这种流动形态彻底改变了两相流原有相分布和速度分布的多样性和随机性，使两相流在管道内可保持有“秩序”的流动，极大地方便了两相流各个参数的测量；具有测量准确，响应速度快的特点，且能够在很宽的干度范围内达到比较高的测量精度，提高了测试的实时性。
(2)本发明的气液两相在两相分离状态下，两相分离力起主导作用，重力及表面张力影响很小，因而，本发明既可以用于地面测量即重力环境、也可以用于在轨微重力条件下测量，既可以用于同种组份的两相流的测量也可以用于气液为不同组份的两相流的测量。
附图说明
图1为本发明装置的结构组成图。
图2为本发明的旋流器的工作原理图。
图3为本发明的PTV测量图像。
图4为本发明的截面含气率测量图像。
其中，1-相机，2-背光源，3-侧光源，4-旋流器，5-压力变送器，6-差压变送器，7-第一取压孔，8-工控机，9-测量管，10-第二取压孔。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：
本实施例提供了一种气液两相流体体干度测量装置，参见附图1，包括：相机1、背光源2、侧光源3、旋流器4、压力变送器5、差压变送器6、第一取压孔7、第二取压孔10、工控机8及测量管9；
旋流器4安装在测量管9内部，用于产生气液两相之间的分离力，参见附图2，将测量管9内的气液两相流体转变成两束在测量管9内并行流动的单相流体(即两相分离)，由于气液密度差异，液相会贴测量管9的内壁流动形成液膜，气相在测量管9中央流动形成气芯；
相机1、背光源2和侧光源3分别安装在测量管9内的气液两相流体分离后处的外部，相机1用于采集测量管9内液膜和气芯的气液分布的图像，并与工控机8电性连接，将采集到的图像发送给工控机8，工控机8用于对所述图像进行分析，得到液膜的运动速度和流通截面的面积、气芯的运动速度和流通截面的面积；其中，背光源2和侧光源3分别设置在测量管9的两相对侧，且背光源2与图像采集单元相对，背光源2和侧光源3发出的光均为平行光束，分别用于为相机1的图像采集提供光源；
压力变送器5通过第一取压孔7与两相分离前的测量管9连接，用于测量进入旋流器4的气液两相流体的压力；
差压变送器6分别通过第一取压孔7与两相分离前的测量管9连接，通过第二取压孔10与两相分离后的测量管9连接，用于测量旋流器4两端的压力差。
实施例2：
本实施例提供了一种气液两相流体体干度测量方法，步骤如下：
第一步，通过旋流器4将测量管9内的气液两相流体转变成两束在测量管9内并行流动的单相流体；
第二步，气液两相流体经过旋流器4进行分离后，将液膜内存在的气泡设为标记物，气泡运动速度即表示液膜的运动速度，将气芯中存在的液滴设为标记物，液滴的运动速度即表示气芯的运动速度；
第三步，采用粒子追踪测速技术(Particle Tracking Velocimetry，简称PTV)对相机1采集到的测量管9内液膜和气芯的气液分布的图像中的标记物进行追踪分析，参见附图3，分别得到液膜中的气泡和气芯中的液滴运动的平均速度，即得到液相的平均流速UL和气相的平均流速UG；
第四步，根据相机1采集到的测量管9内液膜和气芯的气液分布的图像，参见附图4，若气液界面光滑，气芯为规则的圆柱体，由所述图像可直接得到气芯的直径，进而得到气相在测量管9内流动的圆形截面的面积AG及液相在测量管9内流动的环形截面的面积AL；
若气液界面不光滑，气芯为不规则的圆柱体，通过工控机8分析计算所述图像中的气芯的侧面积S及气芯的轴向长度h，根据公式S＝πdh，得到气芯的平均直径d，进而得到气相在测量管9内流动的圆形截面的面积AG及液相在测量管9内流动的环形截面的面积AL；
第五步，根据干度X的定义，即
式中，MG为气相质量流量，MG＝ρGAGUG，ρG为气相密度；ML为液相质量流量，ML＝ρLALUL，ρL为液相密度；
因此，得到
根据第三步得到的液相的平均流速UL和气相的平均流速UG，第四步得到的气相在测量管9内流动的圆形截面的面积AG及液相在测量管9内流动的环形截面的面积AL；气相密度ρG和液相密度ρL均为已知值，因此，通过公式(2)即可计算得出干度X。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种气液两相流体干度测量装置，其特征在于，包括：图像采集单元、光源、旋流器(4)、工控机(8)及测量管(9)；
旋流器(4)安装在测量管(9)内部，用于产生气液两相之间的分离力，将测量管(9)内的气液两相流体转变成两束在测量管(9)内并行流动的单相流体，使得液相贴合测量管(9)的内壁流动形成液膜，气相在测量管(9)中央流动形成气芯；
图像采集单元用于采集测量管(9)内的气液两相流体分离后的液膜和气芯的气液分布的图像，并将采集到的图像发送给工控机(8)，工控机(8)用于对所述图像进行分析，得到液膜的运动速度和流通截面的面积、气芯的运动速度和流通截面的面积；光源用于为图像采集单元提供照明。
2.如权利要求1所述的一种气液两相流体干度测量装置，其特征在于，还包括压力变送器(5)、差压变送器(6)、第一取压孔(7)及第二取压孔(10)；
压力变送器(5)通过第一取压孔(7)与两相分离前的测量管(9)连接，用于测量进入旋流器(4)的气液两相流体的压力；
差压变送器(6)通过第一取压孔(7)与两相分离前的测量管(9)连接，通过第二取压孔(10)与两相分离后的测量管(9)连接，用于测量旋流器(4)两端的压力差。
3.如权利要求1所述的一种气液两相流体干度测量装置，其特征在于，所述光源包括：背光源(2)和侧光源(3)，背光源(2)和侧光源(3)分别设置在测量管(9)的两相对侧，且背光源(2)与图像采集单元相对。
4.如权利要求3所述的一种气液两相流体干度测量装置，其特征在于，所述背光源(2)和侧光源(3)发出的光均为平行光束。
5.一种气液两相流体干度测量方法，基于权利要求1所述的装置，其特征在于，该方法步骤如下：
第一步，将液膜内存在的气泡设为标记物，气泡运动速度即表示液膜的运动速度，将气芯中存在的液滴设为标记物，液滴的运动速度即表示气芯的运动速度；
第二步，采用粒子追踪测速技术对图像采集单元采集到的测量管(9)内液膜和气芯的气液分布的图像中的标记物进行追踪分析，分别得到液膜中的气泡和气芯中的液滴运动的平均速度，即得到液相的平均流速UL和气相的平均流速UG；
并根据图像采集单元采集到的测量管(9)内液膜和气芯的气液分布的图像，计算得到气相在测量管(9)内流动的圆形截面的面积AG及液相在测量管(9)内流动的环形截面的面积AL；
第三步，根据干度X的定义，即
式中，MG为气相质量流量，MG＝ρGAGUG，ρG为气相密度；ML为液相质量流量，ML＝ρLALUL，ρL为液相密度；
因此，得到
6.如权利要求5所述的一种气液两相流体干度测量方法，其特征在于，在第二步中，气相在测量管(9)内流动的圆形截面的面积AG及液相在测量管(9)内流动的环形截面的面积AL的计算方法如下：
若气液界面光滑，气芯为规则的圆柱体，由液膜和气芯的气液分布的图像直接得到气芯的直径，进而得到气相在测量管(9)内流动的圆形截面的面积AG及液相在测量管(9)内流动的环形截面的面积AL；
若气液界面不光滑，气芯为不规则的圆柱体，通过工控机(8)分析计算所述图像中的气芯的侧面积S及气芯的轴向长度h，根据公式S＝πdh，得到气芯的平均直径d，进而得到气相在测量管(9)内流动的圆形截面的面积AG及液相在测量管(9)内流动的环形截面的面积AL。
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