基于管道外特性的固相流量测量方法研究

摘要

流固两相流广泛存在于国民生产的各个部门，其流量等参数测量技术在很多情况下已成为两相流研究发展的一个制约性因素，研究两相流参数测量方法具有重要的学术意义和工程应用价值。本文在进行广泛调研工作的基础上，依据外特性，设计出一种新型的测量流固两相流中固相流量等相关参数的方法。通过搭建试验台，对多种混合介质进行试验研究，并对管道内部流场进行数值模拟，实现对系统的优化。所做的主要工作以及取得的成果如下：
　　 1、简要介绍流固两相流流量等参数测量技术的现状及发展趋势，阐述流固两相流动理论，并对管道内部流动的阻力规律进行了分析。
　　 2、分别以连续称重原理和动量定理为依据，设计并搭建了直管测量装置、弯管两相流参数测量仪试验台，并对其进行试验研究。这种实验方案可以把研究流场内部的复杂流动转化成分析流体与外部的相互作用，从而简化了分析的难度，实现在线测量两相流中固相密度、流量等参数的目的。
　　 3、弯管测量试验中，首先使用90°弯管进行研究，使用的流体介质主要包括盐水溶液、高岭土浆体以及泥沙混合液。测量结果可以看出，试验装置在短时间测量时，对混合均匀度较好的两相流体可以达到很到的测量精度。长时间测量时，随着混合流体温度的升高，系统测量的密度值逐渐减小。在重点研究了90°弯管的性质后，又分别选用了60°弯管、120°弯管和U型管进行两相流中固相浓度的测量实验，通过对比可以看出，弯头的阻力系数对测量系统的误差会产生一定的影响。
　　 4、为调节管路中流体的流量，试验选用变频电机，因此可以在不同流速条件下测量混合流体中固相密度，使试验装置可以在多种工况下运行，增加了该装置适用性。
　　 5、本文使用Fluent软件，采用欧拉(Euler)模型以及标准k-ε模型的湍流模型对弯管系统进行数值模拟。通过分析其内部流场，可以看出弯头拐角处容易造成能量损失，其损失主要来自于内壁涡流区和二次流；这将对弯管试验装置的测量精度造成影响；并对比分析了不同弯头的内部流场，得出阻力系数越大，对流体造成的局部阻力越大，测量误差越大，这与实验结论相一致。