气液两相弹状流和塞状流流速声电双模态测量方法

摘要

本发明涉及一种气液两相弹状流和塞状流分相流速声电双模态测量方法，采用一个内含双压电陶瓷晶片的超声换能器和电容电导电学传感器；法包含：利用电学传感器获取两相流的含水率时间序列H(t)；对接收信号进行时频分析，计算每一时刻t的测量空间内离散相速度；计算测量空间内内离散相速度；对弹状流和塞状流进行区分；提取弹体的含水率或气塞的含水率；提取弹体内气泡的流动速度，气塞的流动速度；计算连续相和离散相之间的曳力；计算管壁对连续相的剪切力；利用数值迭代类算法求解，得到弹体内液相的真实流速或塞状流中液相的真实流速；计算两相流分相流速。

说明书

技术领域

本发明属于流体测量技术领域，涉及一种超声传感器与电学传感器组合的测量方法，用于气液两相弹状流和塞状流分相流速的无扰动式测量。

技术背景

两相流广泛存在于日常生活与工业生产过程中，例如食品加工，生物工程，化工产业，冶金工业和石油产业等行业，主要表现形式包括气液两相流、液液两相流、液固两相流和气固两相流等。与单相流相比，两相流的流动状态更为复杂，因此两相流的在线过程参数检测一直是科研和工业关注的重点。当管道中出现弹状流和塞状流时，会对管线和沿线固定设施造成较大冲击，严重时会危及生产安全。因此，对于气液两相弹状流和塞状流含水率和流速(流量)的测量对流动状态监测、生产安全等方面具有重大意义。然而，气液两相弹状流和塞状流因其具有流动状态变化剧烈的特点，难以实现其流动过程参数的无扰动式测量。

水平管道内气液两相弹状流和塞状流中，当气体流量较高、液体流量较低时，其流动状态呈现为典型的弹状流，在一个弹状流单元内，包括弹体和液膜区(或被称为弹尾)两部分，其中弹体为液体携带大量气泡，液膜区气、液两相呈现出近似波状流或层流的流动状态，当流速较高时，也转变为环状流。而当气体和液体流量较低时，气泡会聚集成气塞，形成塞状流。目前，气液两相流的流速(流量)测量主要包括两种方式：单相流量计和互相关流量计。单相流量计优势在于测量行为通常较为直接，且测量结果的物理意义明确。比较典型的例子有涡轮式流量计，但是在测量的同时，其节流装置会对流体的流动状态产生扰动和破坏并带来压损，弹状流的巨大冲击还会对单相仪表造成损坏。而文丘里流量计或者差压式流量计又无法排除相含率变化对测量结果造成的干扰。对于气液两相流流速测量，基于不同敏感原理的互相关流量计同样被广泛研究和使用，例如超声法、电学法、光学法和射线法等，但其测量所得流速并非为两相流平均流速，测量结果也往往受到流型的影响。

相比以上测量方式，超声多普勒方法具有非侵入、结构简单、原理明确、价格低廉等优势。首先，超声多普勒法对流体流动状态不产生干扰。其次，基于连续波的超声多普勒流速测量方法是通过声波在流体中散射体(气泡)上形成的多普勒效应获取反射体的流动速度，因此其所测速度的物理意义明确，即测量空间内所有散射体的平均真实速度。但是，弹状流和塞状流流动过程中波动较大，需首先消除波动带来的干扰，获取气相真实流。此外，在实际流动过程中，离散相和连续相之间存在相对滑动的现象，因此采用双流体模型，并结合电容电导传感器所获取的实时含水率信息，计算得到水相的真实流速，最终获得气液 两相流分相流速。

发明内容

本发明的目的是在现有技术的基础上，新提出一种利用超声多普勒传感器与电学传感器准确测量管道内气液两相弹状流和塞状流分相流速的方法。本发明的技术方案如下：

一种气液两相弹状流和塞状流分相流速声电双模态测量方法，采用一个内含双压电陶瓷晶片的超声换能器和基于电容电导的电学传感器；超声换能器的测量空间覆盖整个管道截面，用于获取两相流总表观流速；电容电导传感器用于获取分相含率；所述超声换能器安装于管道底侧，换能器内部双晶片均被倾斜安装于声耦合材料上，以保证晶片的法线方向与水平流动方向夹角为θ；所述双晶片超声换能器用来发射和接收超声波；其中，换能器一侧晶片负责发射超声波，另一侧晶片负责接收超声波，且在上述两晶片之间放置隔音材料以抑制干扰；所述电容电导传感器与超声换能器同时安装于管道之中；

该测量方法包含如下步骤：

1)利用电学传感器获取两相流的含水率时间序列H(t)；

2)对接收信号进行时频分析，计算每一时刻t的测量空间内离散相速度U_dop(t)：

每一时间段内的接收信号通过傅里叶变换得到其频率f(t)，将其与超声发射信号的频率f₀相减，即可得到测量空间内散射体运动所引起的频移f_d(t)，计算测量空间内内离散相速度其中，为平均频移，C为声波在固体声耦合材料中的传播速度；

3)通过对比时间序列H(t)和U_dop(t)，对弹状流和塞状流进行区分：当H(t)中波峰所出现的时刻在U_dop(t)中对应为波谷时，当前流型为塞状流；反之，当H(t)中波峰所出现的时刻在U_dop(t)中对应为波峰时，当前流型为弹状流；

4)设定阈值h_g，提取一段时间T内弹体的含水率H_s或气塞的含水率H_p：对于弹状流，对每一时刻t的含水率H(t)进行判断，得到表征该短时间内弹体内含水率的数值集合H_si(i＝1,2,3,…n),>对H_si或H_pi取平均值，得到液弹体内含水率对于塞状流，得到表征该短时间内弹体含水率的数值集合H_pi(i＝1,2,3,…n)，对H_pi取平均值，得到气塞体含水率

5)设定阈值th_g，提取同一段时间T内弹体内气泡的流动速度U_gs，气塞的流动速度U_gp：对每一时刻t的测量空间内离散相速度U_dop(t)进行判断，大于阈值时，保留原值，反之，则舍弃该值，从而得到表征该短时间内液弹或气塞流动速度的数值集合U_i(i＝1,2,3,…n)，对U_i取平均值，得到液弹体内气泡的流动速度或气塞的流动速度

6)计算连续相和离散相之间的曳力F_drag：对于流体中的离散相，曳力表达式为：U_g是气相真实流速，若为弹状流，U_g＝U_gs，若为塞状流，U_g＝U_gp；U_w是液相的真实流速，弹状流中U_w＝U_ws；塞状流中U_w＝U_wp；H是含水率，弹状流中H＝H_s，塞状流中H＝H_p；ρ_w是液相密度；d₃₂是离散相的索特平均直径，其与离散相最大直径d_max的关系为：d₃₂＝0.62d_max；离散相最大直径d_max的计算方法为：D为管道内径；C_D是拖曳系数，对于不同流动状态下，其中相对雷诺数μ_w是液相动态黏度；

7)计算管壁对连续相的剪切力f_w是穆迪摩擦因子，ε是管内壁的相对粗糙度；Re_w是液相雷诺数，定义为

8)在流体流动状态稳定时，离散相和连续相分别处于受力平衡的状态，有将F_drag，τ_w，H_s或H_p，U_gs或U_gp带入中，可得到关于U_w的一元非线性方程，利用数值迭代类算法求解，得到弹体内液相的真实流速U_ws或塞状流中液相的真实流速U_wp；为增加迭代速度，U_ws或U_wg的迭代初值设置为与U_gs或U_gp相等；

9)计算两相流总表观流速：对于弹状流，J＝U_wsH_s+U_gs(1-H_s)；而对于塞状流J＝U_wpH_p+U_gp(1-H_p)

10)计算两相流分相流速：对于塞状流，液相流速为J_wp＝JH_p，气相流速为J_gp＝J(1-H_p)；对于弹状流，液相流速为J_ws＝JH_s，气相流速为J_gs＝J(1-H_s)。

本发明的实质性特点是：利用双晶超声多普勒探头获取测量空间内离散相流速，利用电学传感器获取两相流分相含率。通过双流体模型，带入所测得的离散相真实流速与两相流分相含率，计算得到连续相的真实流速。最终结合两相流的分相含率与真实流速，实现分相流速的测量。本发明的有益效果及优点如下：

1)该方法为无扰动的测量手段，不会对流体产生任何的扰动；

2)测量方便，速度快，成本低，能够准确地测量管道内两相流的分相流速、总表观流速与分相含率。

附图说明

以下附图描述了本发明所选择的实施例，均为示例性附图而非穷举或限制性，其中：

图1本发明的测量方法中双晶超声换能器结构示意图；

图2本发明的测量方法中超声多普勒测量空间示意图；

图3本发明的测量方法中声电双模态传感器示意图；

图4本发明的测量方法流速计算步骤。

具体实施方式

下面结合说明书附图详细说明本发明的计算方法。

图1为本发明的测量方法中双晶超声换能器结构示意图。本发明专利所用双晶超声换能器包括一个接收压电陶瓷晶片1a和一个发射压电陶瓷晶片1b，两晶片均倾斜附着在切割成固定几何形状的声耦合材料2a和2b上。在两部分之间，放置隔音材料3以防止声波的互相干扰。晶片1a和1b的倾斜角度需保证晶片所在平面的法线方向与来流方向0的夹角为θ。最外侧安装有金属外壳4以保护整体双晶换能器。线路接口5a和5b分别用于传导压电晶片转化的电信号，包括激励信号和接收信号。

图2本发明的测量方法中超声多普勒测量空间示意图；双晶探头被安装管道底部，镶嵌在7管壁中。对于连续波多普勒，测量空间的定义为发射声波和接收声波的声场重叠区域。在8管道区域内部，两部分声场重合区域为阴影区域6，即本发明的测量空间。流经此区域流体中离散相的速度信息可以被超声多普勒传感器获取。该空间在管道轴向剖面的投影为三角形，该三角形覆盖整个管道截面。

图3本发明的测量方法中声电双模态传感器示意图；环形金属电极10-13镶嵌在管道9中，电流经电极10、13注入被测流场。测量电极11、12间电势差，实现对流体含水率的实时测量。双晶14探头被安 装管道9底部，位于电极11、12之间，以保证超声与电学传感器测量空间的一致。

图4为本发明的超声多普勒与电学传感器测速方法计算流程图。下面以气液两相流为例，对本发明的两相流流速和相含率测量方法进行说明，该方法也可用于如液液两相流等其他两相流测量中，两相流流速和相含率测量方法计算步骤如下：

步骤1：利用电学传感器获取两相流的含水率时间序列H(t)。

步骤2：对接收信号进行时频分析，计算每一时刻t的测量空间内离散相速度U_dop(t)。

每一时刻的接收信号通过傅里叶变换可得到其频率f(t)，将其与超声发射信号的频率f₀相减，即可得到测量空间内散射体运动所引起的频移f_d(t)＝f(t)-f₀。测量空间内离散相的平均真实流速：

其中，为平均频移，S_d(f_d(t))为频移f_d的功率谱，C为声波在固体声耦合材料中的传播速度。

步骤3：通过对比时间序列H(t)和U_dop(t)，对弹状流和塞状流进行区分。

当H(t)中波峰所出现的时刻在U_dop(t)中对应为波谷时，当前流型为塞状流；反之，当H(t)中波峰所出现的时刻在U_dop(t)中对应为波峰时，当前流型为塞状流；

步骤4：提取一小段时间T内弹体的含水率H_s或气塞的含水率H_p。

设定阈值通过阈值，对每一时刻t的含水率H(t)进行判断。对于弹状流，由于弹体含水高而弹尾含水低，得到表征该短时间内弹体内含水率的数值集合H_si(i＝1,2,3,…n)，>

对于塞状流，由于塞体含水低，得到表征该短时间内弹体含水率的数值集合H_pi(i＝1,2,3,…n),>

对H_si和H_pi取平均值，可得到液弹体内含水率和气塞体含水率

步骤5：提取与含水率相同时间段T内弹体内气泡的流动速度U_gs，气塞的流动速度U_gp。

设定阈值通过阈值，对每一时刻t的测量空间内离散相速度U_dop(t)进行判断，大于阈值时，保留原值，反之，则舍弃该值，从而得到表征该短时间内液弹和气塞流动速度的数值集合U_i(i＝1,2,3,…n),

对U_i取平均值，可得到液弹体内气泡的流动速度和气塞的流动速度

步骤6：通过双流体模型，分别建立离散相和连续相的受力平衡方程，带入含水率H_s或H_p，离散相真实流速U_gs或U_gs，计算连续相真实流速U_ws或U_wp。

1)计算连续相和离散相之间的曳力F_drag。

首先计算d₃₂，即离散相的索特平均直径，其与离散相最大直径d_max的关系为：d₃₂＝0.62d_max；离散相最大直径d_max的计算方法为：D为管道内径；U_w是液相的真实流速，弹状流中U_w＝U_ws；塞状流中U_w＝U_wp。C_D是拖曳系数，对于不同流动状态下，其中相对雷诺数μ_w是液相动态黏度，U_g是气相真实流速，弹状流中U_g＝U_gs，塞状流中U_g＝U_gp；对于流体中的离散相，曳力可表式为：

其中，H是含水率，弹状流中H＝H_s，塞状流中H＝H_p；

2)计算管壁对连续相的剪切力τ_w。首先计算穆迪摩擦因子f_w，其取值为：

ε是管内壁的相对粗糙度；Re_w是液相雷诺数，则管壁对连续相的剪切力τ_w为：

3)根据双流体模型，在流体流动状态稳定时，离散相和连续相分别处于受力平衡的状态。离散相所受压力梯度力与曳力平衡，表示为：连续相所受压力梯度力、管壁摩擦力与曳力平衡，表示为：为长度为l的管内流体压力梯度；S_w是内管壁湿润系数，其取值为πD；A为管道横截面积。将上述两式连立可得，

4)将式(1)、(2)、(3)、(4)带入式(5)中，结合H_s或H_p，利用数值迭代类算法求解，以牛顿迭代算法为例，可求得弹体内液相的真实流速U_ws或塞状流中液相的真实流速U_wp；

步骤7：计算两相流总表观流速。

对于弹状流，计算总表观流速：

J＝U_wsH_s+U_gs(1-H_s)>

对于塞状流，计算总表观流速：

J＝U_wpH_p+U_gp(1-H_p)>

步骤8：计算两相流分相流速。

对于塞状流，液相流速为：

J_wp＝JH_p>

气相流速为：

J_gp＝J(1-H_p)>

对于弹状流，液相流速为：

J_ws＝JH_s>

气相流速为：

J_gs＝J(1-H_s)>