吳慧雄, 張興凱*, 李仲豪, 廖銳全

(1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院, 武漢 430100; 2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司氣舉實(shí)驗(yàn)基地多相流研究室, 武漢 430100;3.油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430100; 4.中國(guó)石油大港油田公司采油工藝研究院, 天津 300280)

在氣液兩相流的各項(xiàng)參數(shù)中,相含率是其特性的一個(gè)重要表征,對(duì)其他參數(shù)的測(cè)量起著至關(guān)重要的作用。兩相流參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)工業(yè)過(guò)程的合理性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性具有很大的影響[1],對(duì)兩相流參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量的需求也越來(lái)越迫切[2],但是由于兩相流動(dòng)中氣液流型的復(fù)雜性和隨機(jī)性,在科學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域中相含率測(cè)量長(zhǎng)期未能得到良好的解決[3]。近年來(lái),采用新型傳感技術(shù)進(jìn)行兩相流流動(dòng)的參數(shù)測(cè)量已經(jīng)成為了專(zhuān)家學(xué)者們主要的研究方向[4-7]。由于工藝流程復(fù)雜,測(cè)量成本高等原因,這些新型技術(shù)并沒(méi)有得到更好的推廣應(yīng)用。

中外學(xué)者針對(duì)兩相流動(dòng)及相含率測(cè)量已開(kāi)展了大量研究,蔣亞莉等[8]為對(duì)氣液兩相流流動(dòng)進(jìn)行調(diào)整提出了一種新型的Ω形管并做出優(yōu)化設(shè)計(jì),為氣液兩相流動(dòng)調(diào)整機(jī)理提供了較好的應(yīng)用基礎(chǔ)。邱思聰?shù)萚9]基于優(yōu)化過(guò)的Y形組合式微通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了內(nèi)部流場(chǎng)實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,氣液多相流流型對(duì)氣液多相流混合的劇烈程度有顯著影響,對(duì)混合效果有促進(jìn)作用。楊偉霞等[10]進(jìn)行了氣液兩相流在傾斜管中的流型轉(zhuǎn)化邊界,為氣液兩相流流型的判別提供了更為精確的依據(jù)。呂宇玲等[11]運(yùn)用電導(dǎo)探針對(duì)氣液兩相流的持液率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)表明,與雙平行探針相比,環(huán)狀探針測(cè)量氣液兩相流相含率的效果更好。同年,Devia等[12]研究了平板電極和和雙圓環(huán)狀電極兩種不同的電極結(jié)構(gòu)傳感器裝置在氣液兩相流中相含率的測(cè)量,將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)模型進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明,雙圓環(huán)狀電極結(jié)構(gòu)測(cè)量結(jié)果較平板電極測(cè)量結(jié)果更為穩(wěn)定。徐英等[13]為提高電容器對(duì)氣液兩相流含水率測(cè)量的能力,在電容傳感器的測(cè)量單元基礎(chǔ)上,增加旋轉(zhuǎn)分相單元,克服了氣液兩相流動(dòng)形態(tài)的多樣性對(duì)持液率測(cè)量的影響。此外,傳統(tǒng)電導(dǎo)法測(cè)量混合物的電導(dǎo)率,通過(guò)建立電導(dǎo)率-含水率關(guān)系模型實(shí)現(xiàn)相含率的測(cè)量,這種測(cè)量方法容易受到水的礦化度的影響,需對(duì)液相的礦化度進(jìn)行實(shí)時(shí)的標(biāo)定。

現(xiàn)通過(guò)利用旋流器將復(fù)雜多變的流型調(diào)換為強(qiáng)制環(huán)狀流,進(jìn)而將氣液兩相流中難以測(cè)量的液相分布轉(zhuǎn)換成厚度較為均勻的液體薄膜測(cè)量,消除流型對(duì)兩相流動(dòng)中持液率測(cè)量的影響。自主設(shè)計(jì)一種新型的可進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)電導(dǎo)探針結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)出測(cè)量電路系統(tǒng),進(jìn)而對(duì)形成的均勻液膜進(jìn)行遠(yuǎn)程在線(xiàn)實(shí)流測(cè)量,以彌補(bǔ)傳統(tǒng)的直接電導(dǎo)測(cè)量裝置僅能測(cè)量靜態(tài)液膜厚度的不足。

1 電導(dǎo)法測(cè)量

1.1 強(qiáng)制旋流裝置

氣液兩相流在測(cè)量管段上游,通常是以分層流、結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)的環(huán)狀流等流型存在,在測(cè)量管段中加入葉片式旋流器,如圖1所示,可在進(jìn)行液膜測(cè)量時(shí)將不同流型強(qiáng)制調(diào)換成為液膜分布較為均勻的環(huán)狀流。由于氣液密度的差異,在離心力作用下,密度較大的液體被甩至管壁,形成一段均勻?qū)ΨQ(chēng)的液環(huán)。此時(shí)兩相流以“液膜-氣核”的狀態(tài)存在于測(cè)量管段內(nèi),便可以采用往復(fù)式動(dòng)態(tài)電導(dǎo)探針實(shí)現(xiàn)液膜厚度的在線(xiàn)實(shí)流測(cè)量。

圖1 葉片式旋流器Fig.1 Vane type cyclone

1.2 電導(dǎo)測(cè)量原理

基于李仲豪等[14]采用的周向陣列電導(dǎo)探針測(cè)量裝置,設(shè)計(jì)出了往復(fù)式動(dòng)態(tài)電導(dǎo)傳感器在線(xiàn)實(shí)流測(cè)量裝置,利用水和空氣導(dǎo)電率的差異性,當(dāng)電導(dǎo)探針的金屬尖端接觸導(dǎo)電液體時(shí),電路形成回路,電壓信號(hào)采集器輸出高電壓;當(dāng)金屬尖端與導(dǎo)電率極小的氣相接觸時(shí),回路電阻極大,電壓信號(hào)采集器輸出低電壓[15]。測(cè)量原理圖如圖2所示,通過(guò)探針的往復(fù)運(yùn)動(dòng)深度獲得不同的電壓信號(hào),進(jìn)而計(jì)算出液膜的厚度。

圖2 電導(dǎo)測(cè)量原理圖Fig.2 Schematic diagram of conductance measurement

2 數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模擬方法

采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬求解。模擬時(shí)模型的結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分質(zhì)量對(duì)其結(jié)果的可行性、收斂性和計(jì)算精度有著直接的影響,使用Mesh進(jìn)行模型的網(wǎng)格劃分,采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的混合網(wǎng)格并進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,確定最終網(wǎng)格數(shù)量為1 260 038個(gè)。采用歐拉模型(Eulerian)的多相流模型,該模型在不同體積分?jǐn)?shù)的流體混合相中可計(jì)算出單相的流速等相關(guān)物理量[16]。湍流模型采用考慮了多相流動(dòng)中具有旋流效應(yīng)的雷諾應(yīng)力模型(Reynolds stress model,RSM),該模型在具有葉片式旋流器的數(shù)值模擬中精確度更高[17]。

邊界條件設(shè)置為速度入口以及壓力出口,模擬介質(zhì)為空氣和水。模擬的方案如表1所示。

表1 數(shù)值模擬方案表

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.2.1 強(qiáng)制環(huán)狀流流型

對(duì)內(nèi)徑為40 mm,長(zhǎng)度為1 000 mm的測(cè)量管段進(jìn)行數(shù)值模擬分析,以a=5%,vsg=8 m/s為例,觀察在測(cè)量管段氣液兩相混合物流經(jīng)旋流器后的形態(tài)分布,如圖3所示。

圖3 旋流器管流體跡線(xiàn)圖Fig.3 Cyclone tube fluid trace map

在混合相進(jìn)入旋流器前壁面處,液相含率幾乎為零,流態(tài)為湍流。在旋流器后端,壁面出現(xiàn)分布均勻的液膜,但隨著管段長(zhǎng)度的增加,流體流動(dòng)跡線(xiàn)逐漸從螺旋流動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)流動(dòng)。在旋流管段內(nèi)選取一管道截面,在旋流器的作用下混合相被強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為環(huán)狀流,旋流效果較好且貼近壁面的液膜厚度分布均勻,形成了“氣核-水環(huán)”的狀態(tài),達(dá)到了很好的氣液分離效果。由于在旋流器下游流型變化較快,因而在使用電導(dǎo)探針往復(fù)運(yùn)動(dòng)測(cè)量持液率時(shí),需將測(cè)量裝置設(shè)置在測(cè)量管段中旋流效果較好的位置。

2.2.2 探針測(cè)量位置標(biāo)定

采用網(wǎng)格體積含液率(即單位網(wǎng)格的液相含率)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析,即考慮網(wǎng)格單元液相分布來(lái)對(duì)液膜是否穩(wěn)定形成進(jìn)行分析。當(dāng)測(cè)量管段內(nèi)壁面液相含率高于90%,即認(rèn)為已經(jīng)形成液環(huán)[18]。為精確研究流體域內(nèi)部混合相的流體流動(dòng)狀態(tài),標(biāo)定探針測(cè)量位置,以a=8%,vsg=8 m/s為例在旋流器下游的50、150、250、450、650、950 mm處選取截面進(jìn)行研究,如圖4所示。

圖4 不同截面處液相體積分?jǐn)?shù)分布 Fig.4 Liquid phase volume fraction distribution at different cross sections

從圖4中可看出,在旋流器下游50 mm處已形成液膜成分布均勻的環(huán)狀流,隨著管道長(zhǎng)度的增加至250 mm處,液膜厚度一直在不斷增加,在旋流器的作用下混合相的流型得到充分的發(fā)展。隨著長(zhǎng)度的增加,在下游450 mm處,受重力影響,截面頂端液膜變薄,底部液膜變厚。在流體域后半段 650 mm 處至末端950 mm處,液膜衰減更加顯著,液相分布不均勻性增加,在末端截面處已無(wú)法形成完整的液膜,這是因?yàn)殡S著管道長(zhǎng)度的增加,氣相流速降低導(dǎo)致氣相攜液能力降低,切向流速降低導(dǎo)致液相剪切力減小無(wú)法形成渦流,同時(shí)液滴受到重力在管道底部聚集,最終形成液相分布不均勻甚至消失的現(xiàn)象。

為研究管道貼近內(nèi)壁處液環(huán)變化規(guī)律,在貼近管壁處取一條與管壁平行的直線(xiàn)可得到管道內(nèi)壁處軸向網(wǎng)格體積含液率變化規(guī)律。由此可得出液環(huán)的穩(wěn)定距離在旋流器出口196～302 mm處,即旋流器下游5D～7D(D為測(cè)量管段內(nèi)徑),且在250 mm(約6D)位置處含液率最大,液環(huán)最為均勻,因此在250 mm處標(biāo)定為往復(fù)式動(dòng)態(tài)傳感器探針的測(cè)量位置。

3 往復(fù)式動(dòng)態(tài)電導(dǎo)傳感器測(cè)量系統(tǒng)

3.1 往復(fù)移動(dòng)測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中探針的往復(fù)可移動(dòng)性,自主設(shè)計(jì)了一套可在線(xiàn)往復(fù)移動(dòng)的電導(dǎo)探針裝置,該裝置主要由探針自動(dòng)推進(jìn)裝置及遠(yuǎn)程控制器兩部分構(gòu)成,如圖5所示。

圖5 往復(fù)移動(dòng)測(cè)量裝置Fig.5 Reciprocating moving measuring device

3.2 測(cè)量電路系統(tǒng)

在利用電導(dǎo)法進(jìn)行持液率測(cè)量所需要考慮的僅為電路是否導(dǎo)通,不需要考慮金屬極化作用導(dǎo)致的測(cè)量誤差。因此采用直流穩(wěn)壓電源提供電能,節(jié)能環(huán)保。測(cè)量電路主要由探針測(cè)量、電源跟隨、數(shù)據(jù)采集器及計(jì)算機(jī)4部分構(gòu)成,將電導(dǎo)探針作為測(cè)量電路的負(fù)極,鋼制管段作為正極,當(dāng)探針進(jìn)行測(cè)量時(shí),其與鋼制管段形成閉合回路。隨著探針的不斷前移,接觸到液體時(shí),會(huì)輸出高電壓信號(hào)值;接觸到氣芯時(shí),會(huì)輸出低電壓信號(hào)值,以此循環(huán)往復(fù)。其測(cè)量電路如圖6所示。

圖6 電導(dǎo)測(cè)量電路圖Fig.6 Conductance measurement circuit diagram

4 實(shí)驗(yàn)研究

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與流程

4.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)是長(zhǎng)江大學(xué)的中國(guó)石油氣舉實(shí)驗(yàn)基地多相管流實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行裝置設(shè)計(jì)、安裝并實(shí)驗(yàn)的,該裝置可分為氣體供給系統(tǒng)、液體供給系統(tǒng)、計(jì)量裝置、水平管實(shí)驗(yàn)測(cè)量管段、分離器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)構(gòu)成的,實(shí)驗(yàn)裝置的流程圖如圖7所示。

圖7 液膜厚度測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置流程圖Fig.7 Flow chart of liquid film thickness measurement experiment

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量時(shí),采用空氣和水作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì),同時(shí)向水中添加可溶性強(qiáng)電解質(zhì),以增強(qiáng)液相水的導(dǎo)電性。實(shí)驗(yàn)中,分別對(duì)氣液兩相進(jìn)行增壓混合,在各支路上分別配備流量計(jì)、溫度計(jì)及壓力計(jì)便于及時(shí)對(duì)氣液兩相流體的物性參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,另外,各支路上均安裝單向閥以防止由于氣相流量過(guò)大導(dǎo)致液相回流的現(xiàn)象。氣液兩相在被輸送到混合器中進(jìn)行充分的混合,而后輸送至水平測(cè)量管段進(jìn)行液膜厚度測(cè)量,最后經(jīng)過(guò)氣液分離罐進(jìn)行氣液分離,液體被送至儲(chǔ)水箱中進(jìn)行回收再利用,氣體則直接被排入大氣中。循環(huán)實(shí)驗(yàn)中,氣液兩相的流量通過(guò)Labview軟件進(jìn)行調(diào)控,氣相增壓使用單螺桿式空氣壓縮機(jī),其可以提供的流量為0～2 300 m3/h;氣相的流量測(cè)量使用熱氏質(zhì)量流量計(jì),可以測(cè)量的流量范圍為5～400 m3/h,測(cè)量的精度為±1.5%。液相增壓采用多級(jí)離心泵,其可以提供的流量范圍為0～6.3 m3/h;液相的流量測(cè)量使用轉(zhuǎn)子流量計(jì)和電磁流量計(jì),轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量范圍為0～0.4 m3/h,測(cè)量精度為±1.5%;電磁流量計(jì)測(cè)量范圍為0.3～3 m3/h,測(cè)量精度±0.5%。充分混合的氣液兩相進(jìn)入水平測(cè)量管段內(nèi),流經(jīng)葉片式旋流器后形成了一定長(zhǎng)度的穩(wěn)定環(huán)狀流,將往復(fù)式動(dòng)態(tài)電導(dǎo)傳感裝置安裝在穩(wěn)流段中,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)值,記錄時(shí)間為1 min。測(cè)量管段實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示。

圖8 往復(fù)式動(dòng)態(tài)電導(dǎo)傳感器在線(xiàn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置Fig.8 Reciprocating dynamic conductance sensor on-line measurement test device

實(shí)驗(yàn)在氣液水平管道上進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為空氣和水,實(shí)驗(yàn)中氣體的流量范圍為22.6～90.5 m3/h,液體的流量范圍為0.4～2.2 m3/h。具體實(shí)驗(yàn)方案如表2所示,信號(hào)采集電路激勵(lì)電壓為5 V直流電壓。在進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)之前,需要對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行密封檢查,確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程中裝置不泄露。

表2 實(shí)驗(yàn)方案表

4.1.2 實(shí)驗(yàn)流程

當(dāng)液相含率高于90%時(shí),可認(rèn)為液環(huán)已形成,

因此閾值R取90%,動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)量平均液膜厚度具體實(shí)驗(yàn)流程如下。

步驟1利用遠(yuǎn)程控制器調(diào)節(jié)探針的插入深度,當(dāng)電壓采集模塊輸出值高時(shí),記錄此時(shí)探針尖端與測(cè)量管段的距離H。

步驟2計(jì)算、記錄每次采集時(shí)間內(nèi)輸出高電壓信號(hào)的占空比M。

步驟3調(diào)節(jié)控制器,使電導(dǎo)探針繼續(xù)前移Δh。

步驟4將M值與閾值R進(jìn)行比較,當(dāng)M

步驟5計(jì)算得出測(cè)量點(diǎn)處動(dòng)態(tài)液膜平均厚度。

4.2 實(shí)驗(yàn)及理論計(jì)算方法

4.2.1 平均液膜厚度測(cè)量

對(duì)數(shù)值模擬所設(shè)計(jì)的10種工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量,其測(cè)量結(jié)果采用占空比加權(quán)平均厚度算法[19]進(jìn)行處理分析,測(cè)量統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)平均液膜厚度計(jì)算公式為

(1)

式(1)中:δavg為平均液膜厚度,mm;T為總采樣時(shí)間,s;h為液膜高度的瞬時(shí)值,mm。

探針在進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí),其插入不同深度時(shí)所采集到的信號(hào)波形圖不同,d1、d2、d3分別表示當(dāng)前狀態(tài)下的液膜平均厚度,如圖9所示。當(dāng)探針針尖與液膜接觸時(shí),測(cè)量電路處于導(dǎo)通狀態(tài),可輸出高電壓值信號(hào)即電源電壓5 V,針尖未接觸液膜時(shí)輸出電壓為0 V,當(dāng)保持一定的測(cè)量時(shí)間時(shí),隨著時(shí)間的變化電壓輸出為電源電壓的時(shí)間所占比值不同,表現(xiàn)為不同的占空比,因此輸出信號(hào)表現(xiàn)為高低電平交替出現(xiàn)。

圖9 探針不同插入深度測(cè)量示意圖Fig.9 Schematic diagram of different probe insertion depth measurement

由于流體的不斷向前運(yùn)動(dòng),因此在電導(dǎo)探針往復(fù)運(yùn)動(dòng)的情況下,無(wú)法在不同的深度下進(jìn)行同一個(gè)流體波的液膜厚度的測(cè)量,但是在測(cè)量管段前端放置的旋流器會(huì)將復(fù)雜的流型強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為環(huán)狀流,同時(shí),在足夠長(zhǎng)的采樣時(shí)間的情形下,探針測(cè)量深度不同時(shí)所輸出的測(cè)量信號(hào)值便可認(rèn)為時(shí)不同深度下的平均液膜厚度。

從微觀波形圖進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,如圖10所示,根據(jù)式(1)可計(jì)算出平均液膜厚度為

L1為波面;L2為在實(shí)驗(yàn)的測(cè)量時(shí)間段內(nèi)氣液界面的最小高度值;L3為管道內(nèi)壁;Tλ為信號(hào)采集總時(shí)間,s;h1、h2、h3、h4分別為4個(gè)探針針尖至管道內(nèi)壁底端的高度值,mm;t1、t2、t3、t4分別為4個(gè)探針對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通時(shí)間,s

δavg=[h1(t1-t2)+h2(t2-t3)+h3(t3-t4)+h4t4]/Tλ

(2)

式(2)中:t1/Tλ、t2/Tλ、t3/Tλ、t4/Tλ分別為不同測(cè)量高度值所對(duì)應(yīng)的占空比Mi。換算出加權(quán)平均厚度算法公式如式(3)所示。在實(shí)際動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中,可依據(jù)對(duì)測(cè)量精度需求的不同,選定不同的電導(dǎo)探針插入深度增量。

δavg=MH+(H-Δh1)(M2-M1)+(H-

Δh1-Δh2)(M3-M2)+…+(H-Δh1-

Δh2-…-Δhi)(Mi+1-Mi)

(3)

式(3)中:H為初始探針針尖處至管道內(nèi)壁底部的高度,mm;Δhi為探針插入深度的增加值,mm。

因?yàn)樗O(shè)計(jì)的往復(fù)式動(dòng)態(tài)電導(dǎo)傳感器在線(xiàn)測(cè)量裝置測(cè)量精度可達(dá)到0.000 312 5 mm,因此無(wú)需考慮測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的不確定度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,極大程度上提高了測(cè)量精度,簡(jiǎn)化了測(cè)量流程。

4.2.2 平均液膜厚度理論計(jì)算

對(duì)測(cè)量管道內(nèi)液膜平均厚度進(jìn)行理論計(jì)算,通過(guò)已有數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)液膜厚度的變化值,進(jìn)而可對(duì)加權(quán)平均液膜厚度計(jì)算方法的測(cè)量誤差方法進(jìn)行評(píng)估,同時(shí)也驗(yàn)證了在強(qiáng)制環(huán)狀流下設(shè)計(jì)的往復(fù)式動(dòng)態(tài)電導(dǎo)傳感器進(jìn)行持液率測(cè)量的裝置的可行性。

在強(qiáng)制環(huán)狀流狀態(tài)下,旋流器下游會(huì)形成一段氣芯內(nèi)沒(méi)有液滴的環(huán)形流型,將液膜簡(jiǎn)化為理想的均質(zhì)膜。通過(guò)簡(jiǎn)化液膜示意圖中液膜與管道中心氣芯的幾何關(guān)系,利用式(4)和式(5)計(jì)算得到液膜的平均厚度。

(4)

δavg=R2-R1

(5)

式中:R1和R2分別為氣核半徑及管道半徑,mm;ε′和δavg分別為簡(jiǎn)化液膜模型計(jì)算的空隙率和液膜平均厚度,mm。令ε′=ε,那么可將式(4)代入式(5),從而可得到平均液膜厚度的計(jì)算公式為

(6)

4.3 液膜厚度實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.3.1 占空比計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)采集模塊輸出電壓、時(shí)間進(jìn)行處理,并計(jì)算出一定時(shí)間內(nèi)高電壓值輸出的占空比,以氣相表觀流速5 m/s、液相體積含率8%工況為例進(jìn)行分析。隨著電導(dǎo)探針針尖距管道底端距離的改變,電壓信號(hào)輸出發(fā)生較大改變,為在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中足夠長(zhǎng)的信號(hào)采集時(shí)間,截取60 s內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù),如圖11所示為獲得占空比。

圖11 不同液膜高度h處測(cè)量輸出信號(hào)圖Fig.11 Measured output signal diagram at different liquid film height h

從圖11可看出,在采集模塊輸出高電壓值初始階段,其占空比較小,這是因?yàn)榇藭r(shí)針尖距離管道底部距離較大,隨著混合相向前流動(dòng)僅有少部分的液膜波峰區(qū)域可與探針針尖接觸導(dǎo)通電路。

通過(guò)不斷調(diào)節(jié)自動(dòng)電導(dǎo)探針的移動(dòng)距離,隨著針測(cè)量尖與管道底部之間距離的縮短,在固定時(shí)間內(nèi)液膜與針尖的接觸時(shí)間增加從而使高電壓值占空比增加,如圖12所示。測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)了非導(dǎo)通現(xiàn)象,這是因?yàn)閺?qiáng)制環(huán)狀流形成的液膜中存在少量氣泡造成的,因此認(rèn)定當(dāng)占空比大于等于90%時(shí),便形成了穩(wěn)定的液環(huán)。

圖12 不同液膜高度h處高電壓值占空比Fig.12 Duty cycle of high voltage values at different liquid film height h

4.3.2 液膜厚度實(shí)驗(yàn)及理論計(jì)算結(jié)果分析

采用加權(quán)平均厚度算法分別對(duì)10種工況下液膜厚度進(jìn)行了測(cè)量計(jì)算,研究了在氣相表觀流速不變,液相體積分?jǐn)?shù)對(duì)液膜厚度值的影響;保持液相體積分?jǐn)?shù)不變,氣相表觀流速對(duì)液膜厚度值的影響,結(jié)果如圖13所示。

圖13 不同工況下液膜厚度實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與理論值對(duì)比圖Fig.13 Comparison of experimental and theoretical values of liquid film thickness under different working conditions

由圖13可以看出,利用控制變量法,氣液比保持不變,且保持液相體積分?jǐn)?shù)恒定,隨著氣相表觀流速的增大,實(shí)驗(yàn)管中液膜厚度在逐漸增大,這是由于隨著氣體表觀流速的增加,氣相不斷地?cái)y帶液體,致使單位體積內(nèi)持液率越來(lái)越大;其次在氣相表觀流速較低且不變時(shí),隨著液相體積分?jǐn)?shù)的增加,液膜厚度會(huì)逐漸增大,但是液膜厚度增加的速率較小,這是由于當(dāng)氣相體積流量較小的時(shí)候,致使氣相表觀流速會(huì)較小,其能夠攜帶液相的能力較差,雖然液相體積分?jǐn)?shù)在不斷地增大,但是氣相所攜帶的液體沒(méi)有顯著增加,因此液膜厚度并沒(méi)有明顯變厚。當(dāng)流動(dòng)過(guò)程中氣相體積流量較大時(shí),隨著液相體積分?jǐn)?shù)的增加,液膜厚度有了明顯的增厚,因?yàn)殡S著氣體流量的增加,其攜液能力會(huì)逐漸增強(qiáng),導(dǎo)致旋流后兩相分離出來(lái)的液相增多而使液膜變厚。

對(duì)比液膜厚度實(shí)驗(yàn)值與理論值,可以得到兩種不同情形下的液膜厚度的偏差,如圖14所示。

圖14 不同工況下液膜厚度實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與理論值偏差Fig.14 Relative error between experimental and theoretical values of liquid film thickness under different working conditions

通過(guò)圖14可知,液膜厚度的理論計(jì)算值大于實(shí)驗(yàn)測(cè)量值,最大偏差分別為8.90%和10.45%。這是因?yàn)槔玫睦碚撚?jì)算模型中忽略了旋流裝置所帶來(lái)的偏差。當(dāng)氣液兩相流流經(jīng)旋流器后產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流,計(jì)算過(guò)程忽略旋流產(chǎn)生的離心力及黏性力、渦量產(chǎn)生的損耗。此外,通過(guò)對(duì)比偏差值可發(fā)現(xiàn),隨著氣相表觀流速的增加,偏差也隨之增大,這是因?yàn)檩^高的氣相流速對(duì)液相的攜帶作用增強(qiáng),但在理論計(jì)算過(guò)程中未考慮強(qiáng)制環(huán)狀流形成的“液膜-氣核”中氣核中心攜帶的液滴。因此,液膜厚度理論值與實(shí)驗(yàn)值會(huì)存在一定偏差。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)數(shù)值模擬研究,研究了氣液兩相流在經(jīng)過(guò)旋流器后形成的強(qiáng)制環(huán)狀流流型,液環(huán)的穩(wěn)定范圍維持在旋流器下游196～302 mm,且標(biāo)定了動(dòng)態(tài)電導(dǎo)傳感器進(jìn)行液膜測(cè)量的位置位于旋流器下游250 mm(約6D)處,此處的液相含率最大,液環(huán)最為均勻。

(2)針對(duì)傳統(tǒng)直接電導(dǎo)法測(cè)量?jī)上嗔髦幸耗ず穸葍H能靜態(tài)測(cè)量的問(wèn)題自主研發(fā)設(shè)計(jì)了基于強(qiáng)制環(huán)狀流的往復(fù)式動(dòng)態(tài)電導(dǎo)傳感器裝置,可針對(duì)液膜厚度進(jìn)行遠(yuǎn)程在線(xiàn)實(shí)流測(cè)量,有較好的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

(3)通過(guò)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行占空比計(jì)算以及理論計(jì)算可知,保持實(shí)驗(yàn)過(guò)程的氣液比不變,且保持液相體積分?jǐn)?shù)恒定,隨著氣相表觀流速的不斷增大,實(shí)驗(yàn)管中液膜厚度在逐漸增大;在氣相表觀流速較低且不變時(shí),隨著液相體積分?jǐn)?shù)的增加,液膜厚度會(huì)逐漸增大,但是液膜厚度增加的速率較小;當(dāng)流動(dòng)過(guò)程中氣相體積流量較大時(shí),隨著液相體積分?jǐn)?shù)的增加,液膜厚度有了明顯的增厚。

(4)在理論計(jì)算中忽略旋流裝置帶來(lái)的偏差影響,使得液膜厚度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值小于理論計(jì)算值,在保持氣相表觀流速不變與液相體積分?jǐn)?shù)不變兩種情形下的最大偏差分別為8.90%和10.45%,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,可通過(guò)調(diào)節(jié)不同插入深度以達(dá)到需求的精度。