摘(zhai)要:針對(dui)電磁流(liu)量計 測(ce)量氣液(ye)兩相流(liu)時測量(liang)精度和(he)穩定性(xing)易受流(liu)型影響(xiang)的問題(ti),提出了(le)一種管(guan)内相分(fen)隔狀态(tai)下基于(yu)電磁流(liu)量計的(de)氣液兩(liang)相㊙️流測(ce)量方法(fa)。利用旋(xuan)流器将(jiang)不規則(ze)的兩相(xiang)流入口(kou)流型整(zheng)形成氣(qi)芯-水環(huan)的對稱(cheng)型環狀(zhuang)流,保證(zheng)了權函(han)數的有(you)序分布(bu),并引入(ru)空隙率(lü)修正☁️了(le)電磁流(liu)量⛹🏻‍♀️計測(ce)量模型(xing),提高了(le)電磁☂️流(liu)量計的(de)測量精(jing)度。利用(yong)空氣-水(shui)兩相流(liu)爲介質(zhi),通🤞過室(shi)内實🈲驗(yan)對該測(ce)量方法(fa)進行了(le)驗證,結(jie)果表明(ming),在☔管内(nei)相分隔(ge)狀态下(xia),電磁流(liu)量計的(de)🌍液相測(ce)量相對(dui)誤差在(zai)±5%以内。研(yan)究結果(guo)爲工業(ye)生産中(zhong)的氣液(ye)兩相測(ce)量提供(gong)了一種(zhong)很好的(de)思路和(he)方法,具(ju)有良好(hao)的應用(yong)價值。
　　在(zai)工業應(ying)用中,兩(liang)相流流(liu)量測量(liang)對于實(shi)際工程(cheng)應㊙️用具(ju)❄️有重要(yao)作用，如(ru)石油鑽(zuan)采工程(cheng)、石油化(hua)工、熱電(dian)聯供等(deng)輸送及(ji)✍️分配💞過(guo)程中都(dou)存在氣(qi)液兩相(xiang)流測量(liang)問題。早(zao)期曾對(dui)氣液♈兩(liang)相流㊙️的(de)測量進(jin)行了廣(guang)泛💯研究(jiu),但由🚶于(yu)氣液兩(liang)相流型(xing)的複雜(za)性及多(duo)變性,至(zhi)今仍無(wu)廣泛認(ren)可的氣(qi)液兩相(xiang)流在線(xian)測量技(ji)術中。
　　多(duo)相流動(dong)體系通(tong)常是由(you)兩種或(huo)兩種以(yi)上互不(bu)相溶.的(de)介質組(zu)成的,具(ju)有明顯(xian)相界面(mian)的混合(he)物流動(dong)。本研究(jiu)的🈲氣液(ye)兩相流(liu)研究對(dui)象分别(bie)是空氣(qi)和水，在(zai)流動🙇🏻過(guo)程中,由(you)于存在(zai)不同流(liu)型及⛷️流(liu)态的複(fu)雜變化(hua),兩相流(liu)各種參(can)數的測(ce)量🐪都變(bian)得極爲(wei)困難。因(yin)此，準确(que)描述并(bing).識别流(liu)型對于(yu)兩相流(liu)量測量(liang)具有重(zhong)要的意(yi)義。由于(yu)主要研(yan)究的🏒是(shi)水平管(guan)内的氣(qi)液兩相(xiang)流流型(xing),在前🔞人(ren)的研究(jiu)基礎之(zhi)上,對水(shui)平管内(nei)流🧑🏽‍🤝‍🧑🏻型進(jin)行了總(zong)結和分(fen)析,得到(dao)水平管(guan)内的氣(qi)液兩相(xiang)流流型(xing)主要爲(wei)細泡狀(zhuang)流動、彈(dan)狀流動(dong)、分層㊙️流(liu)動、波狀(zhuang)分層流(liu)、塞狀流(liu)以及環(huan)狀流等(deng)[3-]。
　　自20世紀(ji)以來,氣(qi)液兩相(xiang)在線測(ce)量一直(zhi)是工業(ye)生産過(guo)程中迫(po)切需要(yao)解決的(de)難題，同(tong)時研發(fa)了大量(liang)适用于(yu)工業環(huan)境中的(de)兩相測(ce)量技術(shu)。根據在(zai)測量過(guo)程中兩(liang)相流是(shi)否進行(hang)分離而(er)分爲分(fen)離法和(he)非分離(li)法。分離(li)🐅法是将(jiang)流動的(de)混合👅物(wu)分爲以(yi)氣體爲(wei)主和以(yi)液體爲(wei)主的流(liu)動，然後(hou)進行單(dan)相測量(liang).包括重(zhong)力分離(li)器和導(dao)流器等(deng),其優點(dian)爲把兩(liang)相流體(ti)流量測(ce)量轉化(hua)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼成了單(dan)🐪相流體(ti)🈲的流量(liang)測量,測(ce)量精度(du)高、範圍(wei)寬、不受(shou)氣液兩(liang)相流型(xing)變化影(ying)響🔞,缺點(dian)則爲分(fen)離設備(bei)體積大(da)、價格貴(gui)💋、需要建(jian)站,增加(jia)了測量(liang)成本。非(fei)分離法(fa)的典型(xing)是基于(yu)㊙️相同原(yuan)理的測(ce)量系統(tong)進行組(zu)合測量(liang),以及中(zhong)子射線(xian)和文丘(qiu)裏管的(de)組合方(fang)式，優點(dian)爲能夠(gou)實時測(ce)量兩相(xiang)流體的(de)流量及(ji)相持率(lü)等參數(shu)🈲,體積小(xiao)、測量速(su)度快，缺(que)點爲測(ce)量的流(liu)量及各(ge)相持率(lü)精💋度偏(pian)低,适用(yong)工況受(shou)限,需重(zhong)複标定(ding)[5-6]。
　　電磁流(liu)量計廣(guang)泛應用(yong)于單相(xiang)流體的(de)流量測(ce)量。電磁(ci)流量👉計(ji)是💛利用(yong)法拉第(di)電磁感(gan)應定律(lü)原理測(ce)量導電(dian)液體的(de)體積流(liu)量的儀(yi)表。其優(you)點是可(ke)測流量(liang)範圍大(da),流量範(fan)圍比值(zhi)一般爲(wei)20:1以上。适(shi)㊙️用工業(ye)管徑範(fan)圍.寬,最(zui)大可達(da)3m,精度較(jiao)高,可🌈測(ce)量水、污(wu)水、腐蝕(shi)性💋液體(ti)等流體(ti)流量,不(bu)受壓力(li)、密度、溫(wen)度和其(qi)他物理(li)參數的(de)影響🚶‍♀️。因(yin)此,采用(yong)電磁流(liu)量計測(ce)量連續(xu)相爲導(dao)電性的(de)兩相流(liu)的特性(xing)成爲研(yan)究的熱(re)門。
　　國際(ji)及國内(nei)雖然對(dui)電磁流(liu)量計在(zai)兩相流(liu)中的應(ying)用💚進💯行(hang)了大量(liang)的理論(lun)分析和(he)數值模(mo)拟，但是(shi)針對水(shui)平管内(nei)非導電(dian)相在空(kong)間位置(zhi)分布對(dui)電磁流(liu)量計的(de)測量精(jing)度等還(hai)未♊進行(hang)詳細地(di)研究。水(shui)平管内(nei)‼️非導電(dian)性的空(kong)間分⁉️布(bu)受重力(li)、流體物(wu)性等影(ying)響嚴重(zhong),進而影(ying)響♉了流(liu)量計的(de)正确測(ce)量。近年(nian)來,相關(guan)學✂️者提(ti)出的相(xiang)分隔方(fang)法11-26]通過(guo)對兩相(xiang)混合物(wu)施加側(ce)向力,将(jiang)兩相隔(ge)離到管(guan)内的相(xiang)應空間(jian),流動過(guo)程中兩(liang)相之間(jian)維持非(fei)常清晰(xi)界面,這(zhe)将有利(li)🆚于電磁(ci)流♊量測(ce)量兩相(xiang)流參數(shu)。因此，如(ru)果非導(dao)電相能(neng)在兩相(xiang)❗流中均(jun)勻對稱(cheng)分布,電(dian)磁流量(liang)計測量(liang)将爲兩(liang)相流量(liang)測量提(ti)供--種有(you)前途的(de)解決方(fang)案。同時(shi)，在将兩(liang)相隔離(li)🍓到管内(nei)的相應(ying)空間💋,流(liu)動過程(cheng)中兩相(xiang)之間維(wei)持非常(chang)清晰界(jie)面的過(guo)程中,采(cai)用拍攝(she)及圖像(xiang)處理技(ji)術可以(yi)實現空(kong)隙率的(de)測量。目(mu)前,基于(yu)圖像處(chu)理⁉️技術(shu)已進行(hang)了大量(liang)✏️的研究(jiu)[16-18]，尤其适(shi)用于檢(jian)測氣液(ye)界面。
　　本(ben)研究采(cai)用相分(fen)隔法組(zu)合電磁(ci)流量計(ji)測量氣(qi)液兩相(xiang)流❓量及(ji)相持率(lü)。在相分(fen)隔方法(fa)中,采用(yong)了旋流(liu)器産🌈生(sheng)離心力(li),将氣液(ye)兩相不(bu)同的人(ren)口流型(xing)轉變爲(wei)旋流核(he)心環🐅空(kong)流,由⭕于(yu)其界🍓面(mian)清晰光(guang)滑,非常(chang)有利于(yu)圖像處(chu)理法來(lai)測量空(kong)隙率。采(cai)用實♌驗(yan)分析的(de)方式研(yan)究并驗(yan)證了電(dian)磁流量(liang)計的兩(liang)相流工(gong)作特🤟性(xing)。
1測量原(yuan)理
1.1管内(nei)相分隔(ge)技術.
　　利(li)用管道(dao)中的相(xiang)分隔技(ji)術進行(hang)整流,可(ke)以極大(da)地方便(bian)電磁👉流(liu)量及空(kong)隙率測(ce)量的開(kai)展，創造(zao)了理想(xiang)的測.量(liang)條件,有(you)利于🍉提(ti)高測量(liang)的正确(que)性。通過(guo)管内相(xiang)分隔，使(shi)兩相流(liu)體在各(ge)種流型(xing)下統--轉(zhuan)變成兩(liang)束在管(guan)内并行(hang)流動的(de)單相流(liu)體,兩相(xiang)之間具(ju)有相對(dui)🏃‍♀️清晰的(de)分界面(mian),并能維(wei)持足夠(gou)長的距(ju)🌍離，如圖(tu)1所示🌐。與(yu)分離不(bu)同,相分(fen)隔技術(shu)并非🧑🏽‍🤝‍🧑🏻将(jiang)兩相分(fen)“離”後各(ge)自單獨(du)流動,而(er)是通過(guo)--系列技(ji)術僅将(jiang)☀️兩相分(fen)“隔”并未(wei)分“離”,兩(liang)相依然(ran)同時⁉️在(zai)一個管(guan)内流動(dong),但是徹(che)底改變(bian)了兩相(xiang)流原有(you)相分布(bu)和速度(du)分布的(de)多樣性(xing)和🌈随機(ji)性,使兩(liang)相流在(zai)管内即(ji)可保持(chi)有“秩🏃‍♀️序(xu)"的流動(dong),極大地(di)方便🧡了(le)兩相流(liu)各個參(can).數的測(ce)量。

1.2氣液(ye)兩相流(liu)相分隔(ge)狀态下(xia)電磁流(liu)量計測(ce)量原理(li)
　　電磁流(liu)量通常(chang)用于測(ce)量單相(xiang)導電流(liu)體,計算(suan)公式見(jian)式(1)

　　式中(zhong):U爲兩電(dian)極間的(de)電位差(cha)(與液體(ti)的導電(dian)性、黏度(du)和🎯壓，力(li)無關),V;B爲(wei)磁通強(qiang)度,T;b爲導(dao)電相半(ban)徑,m;Qr爲導(dao)電液體(ti)的體積(ji)💃流量,m3/s。
　　對(dui)于含有(you)少量非(fei)導電介(jie)質(如氣(qi)體或油(you)等)構成(cheng)的導電(dian)流體,電(dian)磁流量(liang)計仍能(neng)繼續工(gong)作。
　　考慮(lü)了導電(dian)相沿管(guan)壁在環(huan)形區域(yu)流動,絕(jue)緣相在(zai)同軸芯(xin)區流動(dong)時,采用(yong)電磁流(liu)量測量(liang)原理,計(ji)算公式(shi)見式(2)

式(shi)中:a爲不(bu)導電相(xiang)半徑,m;α爲(wei)絕緣相(xiang)的空隙(xi)率,%。
　　在電(dian)磁流量(liang)計的上(shang)遊,通過(guo)圖2所示(shi)的旋流(liu)器實現(xian)🛀🏻相分隔(ge)。旋流器(qi)由4片沿(yan)周向均(jun)布的導(dao)流片構(gou)成，每個(ge)導流片(pian)平面與(yu)管道橫(heng)👈截面呈(cheng)現一定(ding)夾角
　　通(tong)過研究(jiu)發現,這(zhe)種結構(gou)的旋流(liu)器更有(you)利于相(xiang)分隔的(de)形🤩成⁉️，它(ta)使流體(ti)通過改(gai)變流動(dong)方向産(chan)生切向(xiang)🙇‍♀️速度,從(cong)而産生(sheng)離心力(li)。在離心(xin)力的作(zuo)用下,氣(qi)體一般(ban)以連續(xu)氣柱的(de)形式集(ji)中在管(guan)中心，周(zhou)圍爲連(lian)續液相(xiang),液相呈(cheng)環形流(liu)動,形成(cheng)旋流核(he)心環狀(zhuang)流管内(nei)♋相分隔(ge)後電磁(ci)流量測(ce)量👌原理(li)如圖3所(suo)示。

　　理論，上(shang)，如果切(qie)向速度(du)軸對稱(cheng)且不衰(shuai)減,切向(xiang)速度不(bu)影🚶‍♀️響電(dian)極.上的(de)電勢，則(ze)切向速(su)度不會(hui)影響電(dian)磁✊流量(liang)計的輸(shu)出,式(2)也(ye)适用于(yu)旋轉核(he)心環形(xing)。因此，環(huan)狀流中(zhong)使用電(dian)磁流量(liang)計測量(liang)流量的(de)計算式(shi)見式(3)

式(shi)中:Q爲流(liu)體總的(de)體積流(liu)量,m2/s。
2實驗(yan)裝置和(he)方法
　　實(shi)驗在空(kong)氣-水兩(liang)相流實(shi)驗回路(lu)中進行(hang),以驗證(zheng)所提出(chu)的測量(liang)方法的(de)可行性(xing)。實驗環(huan)路及實(shi)驗段布(bu)✔️置如🔴圖(tu)4所示，在(zai)實驗段(duan)安裝了(le)旋流器(qi)和電磁(ci)流量計(ji) 。

利用圖(tu)像處理(li)技術，提(ti)取環狀(zhuang)流的相(xiang)界面，進(jin)而計算(suan)空隙率(lü),圖💜像采(cai)集原理(li)如圖5所(suo)示。圖像(xiang)采集過(guo)程中,采(cai)用背光(guang)光㊙️源照(zhao)射法,使(shi)用高速(su)攝像儀(yi)采集照(zhao)片，高速(su)攝像儀(yi)型号爲(wei)NACMEMRECAMfxK3,像素爲(wei)480×640。在每種(zhong)工況下(xia),以500Hz的頻(pin)率采集(ji)2s,共1000張照(zhao)片取氣(qi)柱直徑(jing)平均值(zhi)🈚作爲計(ji)算☀️截面(mian)相含率(lü)的值。本(ben)研究采(cai)用相分(fen)離法實(shi)現的旋(xuan)流核心(xin)環空流(liu)動中氣(qi)液界面(mian)🥵清晰光(guang)滑(結構(gou)見圖✔️6),從(cong)而降低(di)了圖像(xiang)處理的(de)難度并(bing)減小了(le)空隙率(lü)的測量(liang)誤差。

3實(shi)驗結果(guo)與分析(xi)
3.1實驗流(liu)型觀察(cha)
針對氣(qi)液兩相(xiang)來流分(fen)别爲細(xi)泡狀流(liu)、塞狀流(liu)和彈狀(zhuang)流📱時，實(shi)驗過程(cheng)中觀察(cha)了旋流(liu)器上下(xia)遊流型(xing)的演變(bian)，旋流器(qi)前後的(de)流型變(bian)化如圖(tu)7所示。從(cong)圖7可以(yi)看出,在(zai)各人口(kou)流型下(xia),都可以(yi)形成旋(xuan)🏒流核心(xin)環空🔴流(liu)動結構(gou)。當入口(kou)流型爲(wei)細泡狀(zhuang)流時,旋(xuan)流器下(xia)遊的氣(qi)柱直徑(jing)🈲保持相(xiang)對穩🔴定(ding)值;當人(ren)口流型(xing)爲塞狀(zhuang)流時,旋(xuan)流器下(xia)💘遊的氣(qi)柱直徑(jing)保持相(xiang)對穩定(ding),與細泡(pao)狀流區(qu)别不大(da)⛱️;當人口(kou)流型爲(wei)彈狀流(liu)時,由于(yu)截面内(nei)氣量的(de)劇烈變(bian)化導緻(zhi)旋流後(hou)氣柱直(zhi)徑随氣(qi)體體積(ji)的增大(da)而增大(da)，但界面(mian)仍然清(qing)晰。

3.2旋流(liu)核心環(huan)空流動(dong)的空隙(xi)率
螺旋(xuan)流狀态(tai)下,截面(mian)相含率(lü)與直線(xian)流相比(bi)會發生(sheng)變化,進(jin)而使得(de)兩者之(zhi)間的液(ye)流速度(du)也會不(bu)同。圖8示(shi)出了在(zai)🏃🏻相同♍的(de)氣液進(jin)口流量(liang)下,直流(liu)環狀流(liu)和旋流(liu)環狀流(liu)之間空(kong)隙率的(de)變化。從(cong)圖8可以(yi)看出，在(zai)旋流作(zuo)用下,會(hui)使得空(kong)隙率的(de)♻️變化範(fan)圍減小(xiao)。在彈🔆狀(zhuang)流來流(liu)時,旋流(liu)使得空(kong)隙率減(jian)小，而對(dui)于塞狀(zhuang)流和細(xi)泡狀流(liu),旋流會(hui)使得空(kong)隙率變(bian)大。
3.3液體(ti)流量測(ce)量
爲了(le)研究旋(xuan)轉環狀(zhuang)流下電(dian)磁流量(liang)計測量(liang)精度,引(yin)❗人🧑🏾‍🤝‍🧑🏼了相(xiang)對誤差(cha),定義爲(wei):

式中:ε爲(wei)相對誤(wu)差,%;Dmea爲液(ye)體體積(ji)流量測(ce)量值,m3/h;Dref爲(wei)液體🏃‍♀️體(ti)積流量(liang)參比值(zhi),m3/h。

爲了正(zheng)确多次(ci)測量下(xia)電磁流(liu)量計測(ce)量精度(du),引入✔️了(le)🌍平均全(quan)局相對(dui)誤差,定(ding)義爲:

式(shi)中:εave爲平(ping)均全局(ju)相對誤(wu)差,%;N爲取(qu)樣個數(shu)。
圖9顯示(shi)了不同(tong)空隙率(lü)流量測(ce)量的相(xiang)對誤差(cha)。由圖9可(ke)以看出(chu),測量誤(wu)差随着(zhe)空隙率(lü)增加而(er)增加,且(qie)具有很(hen)強的規(gui)律性。導(dao)緻這種(zhong)現象的(de)原因可(ke)能是因(yin)爲與單(dan)相流相(xiang)比，旋轉(zhuan)環狀流(liu)中存在(zai)不導電(dian)氣芯,使(shi)導電相(xiang)流通截(jie)面☂️發生(sheng)改變,由(you)單相流(liu)中的圓(yuan)形變爲(wei)兩相流(liu)中的環(huan)形，造成(cheng)儀表常(chang)數發生(sheng)改變。由(you)圖9還可(ke)看出,通(tong)過關于(yu)截面相(xiang)含率的(de)校正，可(ke)得到更(geng)精确的(de)測量值(zhi)計算式(shi)如下:

圖(tu)10爲按照(zhao)圖9的拟(ni)合曲線(xian)校正後(hou)的測量(liang)結果圖(tu)。由🐅圖✔️10可(ke)以看⭐出(chu),測量值(zhi)與參比(bi)值吻合(he)良好。相(xiang)對誤差(cha)📞最大不(bu)超過士(shi)5%，平均誤(wu)差爲1.1%。綜(zong)上所述(shu)，可以利(li)用電磁(ci)流量計(ji)測量旋(xuan)轉環狀(zhuang)流中的(de)液體💘流(liu)量。

4結論(lun)與認識(shi)
本研究(jiu)以氣液(ye)兩相流(liu)爲研究(jiu)對象，提(ti)出了一(yi)種管内(nei)相分隔(ge)技術與(yu)電磁流(liu)量計相(xiang)結合的(de)水平管(guan)内流量(liang)測.量新(xin)方法,該(gai)方法對(dui)于指導(dao)生産實(shi)踐具有(you)重大的(de)意義。
(1)從(cong)理論上(shang)分析了(le)管内相(xiang)分隔與(yu)電磁流(liu)量計組(zu)合測量(liang)兩✍️相流(liu)中連續(xu)導電相(xiang)流量的(de)方法,采(cai)用空氣(qi)💃-水兩相(xiang)流實驗(yan)驗證🌈了(le)該方法(fa)在一-定(ding)範圍内(nei)可正确(que)測量出(chu).連續導(dao)電相的(de)流量,具(ju)有實用(yong)價值。
(2)針(zhen)對兩相(xiang)流不穩(wen)定流的(de)特點,采(cai)用旋流(liu)片作爲(wei)管内🐉相(xiang)分✏️隔裝(zhuang)置,實驗(yan)觀察了(le)旋流器(qi)前後的(de)流型變(bian)化，即将(jiang)管⚽内細(xi)泡狀流(liu)、塞狀流(liu)和彈狀(zhuang)流整流(liu)成單--穩(wen)定的環(huan)狀流:密(mi)度較小(xiao)的氣相(xiang)集中于(yu)管道中(zhong)心，而密(mi)度較大(da)的液相(xiang)則圍繞(rao)氣相和(he)管壁形(xing)成環狀(zhuang)體,氣液(ye)相之間(jian)界面清(qing)晰,形成(cheng)管内相(xiang)分隔狀(zhuang)态，爲👨‍❤️‍👨後(hou)續圖像(xiang)處理測(ce)量空隙(xi)率提供(gong)條件。
(3)針(zhen)對含有(you)少量氣(qi)體的連(lian)續水相(xiang)導電流(liu)體，引入(ru)空隙率(lü)❌修正了(le)電磁流(liu)量計公(gong)式,建立(li)了液相(xiang)流量測(ce)量模型(xing)爲了驗(yan)證該方(fang)法的可(ke)行性,在(zai)不同的(de)氣液🌈流(liu)量範圍(wei)内進行(hang)了一系(xi)列實💘驗(yan),在管内(nei)相分隔(ge)狀态下(xia),利用電(dian)磁流量(liang)計的液(ye)相測量(liang)相對誤(wu)差在士(shi)🤟5%以内.

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