涡街式气液两相流双参数测量方法

摘要

本发明涉及一种气液两相流流量与组份的测量方法,其基本步骤为选用准三角形柱体作为涡街发生体,置于气液两相流中,用以产生涡街,并检测出其迎流面上受到的冲击力和涡街的频率,再按照两相流的有关计算模型,计算得到流量与组份。本发明只用一个测量元件即可同时检测出气液两相流的两个参数,其测量部件简单可靠,价格便宜,并能直接输出电信号,处理快速方便,测量精度高。本方法对环境条件要求宽松,适合于工业现场在线检测。

说明书

本发明涉及一种气液两相流流量与组份的测量方法。

所谓气液两相流是指同时存在气、液两种相态的物质的流动。由于气液两相流中两相之间存在着界面效应和相对速度，相界面在时间和空间上都是随机可变的，致使其流动特性远比单相流复杂，特征参数也比单相流要多。气液两相流的流量与组份是气液两相流中的重要参数，对它们的测量也叫气液两相流的双参数测量。

由于气液两相流在自然界和工业过程中广泛存在着，对其参数的检测技术已经引起科技界和工程技术人员的广泛关注。并已成为当今测试技术领域内研究的热点和难点之一。人们已经做了大量工作，采用的技术路线大体可归为三大类：1.采用传统的单相流仪表和多相流测试模型组合方法；2.应用现代新技术；3.在成熟的硬件基础上以计算机技术为支撑平台，应用基于软测量技术的软测量方法。应用现代新技术方法测量，具有非接触性，精度高，但是装置比较复杂，价格昂贵，使用条件要求高，对测量现场要求苛刻，在工业现场在线应用会遇到许多困难。对于软技术测量方法的研究目前还处于起步阶段，它必须要有成熟的硬件支持，其设备价格也比较需贵，而且精度不高，适用范围较小。把成熟的单相流仪表应用到气液两相流参数的测量中去，一直是人们努力研究的方向之一。目前，采用单相流仪表测量气液两相流的双参数，均需要两个测量元件。例如，射线密度计与靶式流量计的组合(1.Anderson J.L.and Fincke J.R.Mass flow Measurement in air/water mixtures using devices and gamma densitome-ter.ISA Trana，1980，19(1)，19(1)：37-48。2.Han K-F F-L，Banerjrr S.Mea-surement of mass flux in two-phase flow using Combination of pitot tubes and gam-ma densitometer.AICHE J.1981，27：177-184.)，孔板与均速管的组合(3.付丰，利用孔板及均速管进行气(汽)液双相流双参数测量的研究，[博士论文]，上海机械学院，1990)，双孔板组合(林宗虎编著，气液固多相流测量，北京，中国计量出版社，1988)。这种测量计算仍然比较复杂。

本发明的目的在于提出一种只需使用一个测量元件即可同时高精度测量气液两相流流量和组份的方法。

本发明提出的对气液两相流双参数测量的方法的基本原理如下：将一个非流线型的涡街发生体置于气液两相流中，用以产生涡街，并检测出涡街发生体迎流面上受到的冲击力和涡街频率，再按照两相流的有关计算模型，计算获得气液两相流的双参数。其具体步骤如下：

选用准三角形柱形作为涡街发生体，置于气液两相流中，用以产生涡街。其尺寸大小与管径大小匹配。

在涡街发生体的迎流面上安置一个半导体扩散硅压力传感器，用以检测迎流面上受到的冲击力F_Dm，在涡街发生体的后面设置一个旋涡检测器，用以检测涡街频率f_t。F_Dm和f_t经过相应的信号处理器送入计算机(或单片机)，供计算机分析计算。

在分析计算中，对两相流动采用均相流模型。

其中，涡街发生体迎流面受的压力F_Dm可用下式表示： $>>>F>Dm>>=>>C>Dm>>>1>2>>>\rho >m>sup>>u>m>2sup>>A>->->->->>(>1>)>>>s>$

     ρ_m＝ρ_G+ρ_L                   (2)式中：C_Dm-平均阻力系数；

  ρ_m-气液两相混合物密度(kg/m³)；

  u_m-气液两相混合物流速(m/s)；

  A-涡街发生体迎流面面积(m²)；

  ρ_G-气相密度kg/m²)；

  ρ_L-液相密度(kg/m³)。

  在本发明中，采用下式表示气液两相涡街频率： $>>>f>t>>=>St>>>u>m>>W>>->->->->>(>3>)>>>s>式中：f$_t-两相涡街频率(Hz)；

  St-气液两相斯托拉赫数；

  W-涡街发生体迎流面宽度(m)。

  由式(3)可得： $>>St>=>>>>f>t>>WA>>>Q>m>>>->->->->>(>4>)>>>s>式中：Q$_m-混合物流量，它等于液相流量与气相流量之和(m³/s)。

  Q_m＝Q_G+Q_L    (5)

  Q_m＝u_mA式中：Q_G-气相流量(m³/s)；

  Q_L-液相流量(m³/s)。式(1)、(4)为涡街式气液两相流流量与组份测量计算的基本公式。

在给定涡街发生体形状及规格的条件下，若已知St和C_Dm，只要测出F_Dm和f_t，即可由式(1)和(4)求出两相混合物流量Q_m和组份ρ_m。

St和C_Dm可用统计计算获得。

本发明中，选用准三角形柱体作为涡街发生器，其具体结构可为如下形式：设该柱体的横截面为等腰三角形，三个角均被削去一小块，形成的上底边b与下底边平行，形成的两旁的边c与对称轴平行，并形成高为h，下底边为W。其截面实际上为一个形似等腰三角形的轴对称的六边形(如图1所示)。由于削去的三个小角占等腰三角形的面积的比例很小，故称其为准三角形。一般地，b与W之比值为0.1～0.3，h与W之比值为0.8～1.5，c与W之比值为0.05～0.2。柱体长度为L，柱体的下底面积A＝L×W。由于下底面对着气液流的流入方向，故称之为迎流面。根据气液流管道的管径大小，确定相应的涡街发生体的大小。

相应于上述测量方法，其测量装置可由准三角形柱体式涡街发生体、压力传感器、压电旋涡检测器、压力信号处理器、旋涡信号处理器、单片机(或计算机)经电路连接组成。涡街发生体用以产生涡街，压力传感器设置于涡街发生体的迎流面上，用以检测迎流面上受到的冲击力。压电旋涡检测器安置于涡街发生体的后面，用于检测涡街的频率。压力信号处理器与压力传感器连接，用以接收、处理压力信号，旋涡信号处理器与旋涡检测器连接，用以接收、处理涡街频率信号。压力信号处理器、旋涡信号处理器分别与单片机连接，分别将经处理的压力信号、涡街频率信号送入单片机。单片机中的分析计算根据公式(1)、(4)等进行。

本发明首次在气液两相流中实现了只用一个测量元件即可同时测出气液两相流流量和组份两个参数，其测量部件简单可靠，价格便宜，并能直接输出电信号，处理快速方便，测量精度高。本方法对环境条件要求宽松，适合于工业现场在线检测。

图1为本发明中的涡街发生体横截面图示。

图2为本发明的检测图示。

图中标号：1压电旋涡检测器，2涡街发生体，3半导体扩散硅压力传感器，4管壁，5旋涡信号处理器，6单片机，7压力信号处理器。

实施例：对应于管径为25mm的气液两相流，涡街发生体2采用准三角形柱体，其下底W＝7mm，长L＝24mm，高h＝9.2mm，长底b＝1.5mm，边高c＝0.8mm。压力传感器3、压电旋涡检测器1、压力信号处理器7、旋涡信号处理器5采用通常的元器件和电路。将涡街发生体2置于气液两相流中，由压力传感器检测得迎流面上的冲击力F_Dm＝1.775N，由压电旋涡检测器检测得涡街频率f_t＝96HZ。

对应的计算模型，经统计计算，St和C_Dm的值如下：

          C_Dm＝3.35                          (6)

          St/St₀＝1.00＝1.122β-9.327β²    (7)其中，St₀＝0.2482，β为体积含气率，β与ρ_m有如下关系：

       ρ_m＝βρ_G+(rβ)ρ_L                 (8)根据公式(1)、(4)和关系式(7)、(8)，可计算得气液两相流的流量Q_m＝12.45×10^-4m³/秒，ρ_m＝939.13kg/m³。