長(zhǎng)喉頸文丘里管氣液兩相流彈狀流機(jī)理研究

方立德, 王配配, 王 松, 李勝耀,田 季, 李小亭, 鄭慶龍

(1. 河北大學(xué) 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院, 河北 保定 071000; 2. 河北省計(jì)量?jī)x器與系統(tǒng)工程實(shí)驗(yàn)室, 河北 保定 071000;3. 保定市計(jì)量?jī)x器與系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心, 河北 保定 071000; 4. 中石油華北油田技術(shù)工程研究院, 河北 滄州 061000)

1 引 言

氣液兩相流是最為常見(jiàn)的兩相流體系之一,廣泛存在于日常生活、軍事、環(huán)境、能源等諸多領(lǐng)域[1～4]。在許多工業(yè)領(lǐng)域,氣液兩相流以彈狀流的形式出現(xiàn)。了解和掌握彈狀流過(guò)程的作用機(jī)理和流動(dòng)特性,對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的安全穩(wěn)定運(yùn)行、生產(chǎn)工藝過(guò)程的優(yōu)化具有重要的意義和作用。但是,由于彈狀流本身作用機(jī)理的復(fù)雜性和不確定性,對(duì)其流動(dòng)過(guò)程信息的獲取和分析十分困難,對(duì)流動(dòng)特性的描述方法尚需更加深入和廣泛的研究。宗艷波等[5]利用四階吸引子形態(tài)特征量的組合有效地識(shí)別在油水兩相流中出現(xiàn)的水為連續(xù)相的逆塞流型和過(guò)渡流型；文獻(xiàn)[6]通過(guò)近紅外光譜與中紅外光譜的掃描技術(shù),確定了水及有機(jī)玻璃的透過(guò)波段；文獻(xiàn)[7]提出了一種結(jié)合近紅外吸收光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣液兩相中液相相含率的檢測(cè)方法,對(duì)分層流及泡狀流等流型分別實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)測(cè)量；陳文義等[8]利用子波分析法自動(dòng)辨識(shí)氣液兩相流動(dòng)信號(hào)中的氣相和液相信號(hào)，從而實(shí)時(shí)快速和準(zhǔn)確地測(cè)量氣液兩相流泡狀流中的氣相含率；Vendruscolo等[9]利用近紅外層析成像技術(shù)對(duì)兩相流進(jìn)行了研究,對(duì)彈狀流工況下的泰勒氣泡有較高的分辨率；吳付祥等[10]采用流量閉環(huán)控制來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采樣流量的控制算法的變化并進(jìn)行及時(shí)調(diào)整,提高了采樣器氣體流量檢測(cè)精度；龔磊等[11]通過(guò)對(duì)氣體流量裝置中開(kāi)關(guān)閥時(shí)間系統(tǒng)差機(jī)理的分析,獲得了開(kāi)關(guān)閥時(shí)間系統(tǒng)差的簡(jiǎn)化算法；沈平平[12]通過(guò)多傳感器信號(hào)融合建立流量與電壓的六階多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系式,實(shí)現(xiàn)了氣體流量的精確測(cè)量。考慮到彈狀流的隨機(jī)性因素,Wang等[13]研究了在傾斜管道的不同位置的泰勒氣泡長(zhǎng)度分布；Zhang等[14]進(jìn)行了垂直向上的氣液兩相流實(shí)驗(yàn),研究了彈狀流中結(jié)構(gòu)參數(shù)與流型轉(zhuǎn)變的關(guān)系；Thaker等[15]通過(guò)使用LDV法測(cè)量液彈和液膜中的局部液速,確定了氣泡從彈狀流尾部脫離的原因。

為了更好地利用近紅外技術(shù)測(cè)得準(zhǔn)確的兩相流參數(shù)信息,本課題利用新型文丘里裝置,通過(guò)將近紅外測(cè)量系統(tǒng)布置于管徑縮小的喉管部位,減小了近紅外發(fā)射探頭與接收探頭之間的距離,縮短了近紅外的光程,減少了不必要的能量損失。測(cè)量時(shí)在保持流型的信號(hào)特征不發(fā)生改變的前提下提高了接收信號(hào)的強(qiáng)度,降低了系統(tǒng)噪聲信號(hào)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,最終實(shí)現(xiàn)氣液兩相流相含率測(cè)量。此外,為深入了解兩相流動(dòng)過(guò)程的流動(dòng)機(jī)理、掌握其流動(dòng)特性,實(shí)驗(yàn)時(shí)利用高速攝影技術(shù)捕捉垂直管氣液兩相彈狀流流動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié),提取運(yùn)動(dòng)參數(shù),并探索新的分析方法,對(duì)彈狀流流動(dòng)機(jī)理進(jìn)行研究。

2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與理論基礎(chǔ)

裝置整體結(jié)構(gòu)為一個(gè)長(zhǎng)喉頸文丘里管,前管段與后管段通過(guò)法蘭盤(pán)與實(shí)驗(yàn)主管道相連。在喉管位置進(jìn)行打斷設(shè)計(jì),內(nèi)嵌透明管段為透光性較好且對(duì)近紅外幾乎不吸收的石英玻璃管,通過(guò)細(xì)螺紋將前后管段相連接。在長(zhǎng)喉頸文丘里管的收縮管段入口前端的前直管段與出口后端的喉管部位設(shè)置引壓管1、2,與主管段焊接連接,用于連接差壓變送器。長(zhǎng)喉頸文丘里管的喉頸側(cè)壁上,對(duì)稱(chēng)開(kāi)兩組通孔3與6、4與5,作為近紅外測(cè)量系統(tǒng)的光路通道。通過(guò)固定管側(cè)壁上的4個(gè)通孔螺釘對(duì)近紅外探頭進(jìn)行徑向固定,通過(guò)帶通孔的壓緊螺栓對(duì)近紅外探頭進(jìn)行軸向固定,從而達(dá)到對(duì)近紅外探頭的定位,以消除震動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。裝置結(jié)構(gòu)圖及實(shí)物圖如圖1,圖2所示。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Device structure diagram

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.2 Physical diagram of experimental device

用一束單色平行光照射某一均勻吸光介質(zhì)(見(jiàn)圖3),入射光光強(qiáng)為I0,吸光介質(zhì)的厚度為d0,光線透過(guò)后的光強(qiáng)為I,則量值關(guān)系由Lambert-Beer定律[16]表示為:

I=I0e-αΔ(λ)d0

(1)

式中:I0為入射光強(qiáng),cd;I為出射光強(qiáng),cd;d0為介質(zhì)厚度,cm;αΔ(λ)為物質(zhì)Δ對(duì)波長(zhǎng)為λ的光的吸收系數(shù),cm-1。

對(duì)特定的波長(zhǎng)的近紅外光,溶液的吸光度A等于具有吸收作用的各成分吸光度Ai線性加和,吸光度線性疊加定律公式為:

(2)

式中n為溶液中具有吸光作用的成分的個(gè)數(shù)。

圖3 靜態(tài)管道近紅外透射示意圖Fig.3 Near infrared transmission diagram of static pipes

3 氣液兩相近紅外透過(guò)性靜態(tài)實(shí)驗(yàn)

在靜態(tài)條件下進(jìn)行的氣液兩相近紅外透過(guò)性實(shí)驗(yàn),對(duì)分析兩相流流動(dòng)狀態(tài)下對(duì)近紅外檢測(cè)光束影響有借鑒作用和重要參考價(jià)值。選擇內(nèi)徑為50 mm的有機(jī)玻璃管作為靜態(tài)實(shí)驗(yàn)管段,如圖4所示。

圖4 靜態(tài)試驗(yàn)有機(jī)玻璃管Fig.4 Plexiglass tube of static test

選擇波長(zhǎng)為980 nm的近紅外光束作為檢測(cè)光源,進(jìn)行靜態(tài)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)將近紅外發(fā)射探頭與接收探頭相對(duì)布置在有機(jī)玻璃管的兩側(cè),并進(jìn)行可靠固定,使近紅外光束與氣液兩相交界面垂直入射,從空管狀態(tài)(即液層深度bi為0 mm)到滿(mǎn)管狀態(tài)(即bi為50 mm)逐次向管內(nèi)注水,每次液面上升高度為5 mm(即Δbi為5 mm),各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)需待液面平穩(wěn)后采集透過(guò)的近紅外光強(qiáng)信號(hào)值,求取各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)光強(qiáng)信號(hào)值與空管狀態(tài)下信號(hào)值的比值。進(jìn)行3組重復(fù)實(shí)驗(yàn),求各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)信號(hào)比值的平均值,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 液層深度與信號(hào)比值關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between depth of liquid layer and signal ratio

由圖5可知,隨著液層深度的增加,透過(guò)的近紅外光強(qiáng)值與空管狀態(tài)下透過(guò)光強(qiáng)值的信號(hào)比值呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律衰減,基本與理論分析所得到的透過(guò)光強(qiáng)信號(hào)比值I/I0與液層深度bi的變化規(guī)律相同。表明在靜止?fàn)顟B(tài)下,近紅外光線垂直氣液兩相交界面入射,近紅外光線受到交界面折射、反射因素的影響較小,透過(guò)的近紅外光強(qiáng)主要是受到液相吸收作用的影響,隨液層深度的增加成指數(shù)規(guī)律衰減。

4 近紅外光譜在彈狀流工況傳播機(jī)理分析

將管道內(nèi)充滿(mǎn)液態(tài)水,待實(shí)驗(yàn)管道水流穩(wěn)定后,將少量的氣體通入管道內(nèi),氣相會(huì)被彌散成小氣泡隨液體流動(dòng),隨著氣相流量的增大,管道內(nèi)的氣泡密度增大。大量的實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)液體中氣泡的尺寸大于臨界尺寸時(shí)氣泡會(huì)出現(xiàn)聚合現(xiàn)象,原來(lái)的泡狀流就會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)聚合出現(xiàn)較大的圓頂狀氣泡,其尾部的小氣泡會(huì)因?yàn)榫砦饔米兊眠\(yùn)動(dòng)劇烈,這個(gè)階段稱(chēng)為泡狀流向彈狀流轉(zhuǎn)化的過(guò)渡期,直至子彈狀泰勒(Taylor)氣泡出現(xiàn),表示彈狀流形成。圖6為利用高速攝影技術(shù)得到的垂直管道彈狀流實(shí)景圖。

圖6 垂直管道彈狀流實(shí)景圖Fig.6 Physical map of slug flow in vertical pipe

因?yàn)閺棤盍髟诹鲃?dòng)過(guò)程中相間變化特征十分明顯,彈狀流的前半部分是一個(gè)很大的泰勒氣泡,后半部分是無(wú)規(guī)則復(fù)雜排列的小氣泡部分,且泰勒氣泡與其尾部小氣泡的流動(dòng)特性差異巨大,分相截面含率兩級(jí)分化現(xiàn)象嚴(yán)重,兩相交界面的形態(tài)也是截然不同,因此將彈狀流的流動(dòng)分成2部分來(lái)區(qū)別處理,前面部分為泰勒氣泡(A),將后面小氣泡部分視為流型中的泡狀流(B)。這樣處理簡(jiǎn)化了彈狀流的流動(dòng)模型,使得彈狀流研究中相含率,流量等信息更容易利用測(cè)量模型進(jìn)行求解。彈狀流模型簡(jiǎn)化圖如圖7所示。

圖7 彈狀流簡(jiǎn)化模型圖Fig.7 Simplified map of slug flow

4.1 交界面對(duì)近紅外光線折射、反射作用

當(dāng)光線照射在氣、液兩相交界面時(shí),會(huì)在交界面發(fā)生折射、反射現(xiàn)象,光線的傳播方向和光強(qiáng)均發(fā)生了變化。反射光與折射光的方向符合光的反射定律與折射定律,而反射光與折射光的強(qiáng)度變化則需要通過(guò)電磁場(chǎng)理論與界面條件來(lái)討論。

由于光具有波粒二象性,將光作為一種特殊的電磁波,在界面發(fā)生反射、折射時(shí),其能量變化遵循能量守恒定律,即入射波能量流等于反射波與折射波能量流之和,由麥克斯韋電磁波方程組出發(fā),經(jīng)推導(dǎo)計(jì)算,光線能量透射率隨入射角的變化關(guān)系為:

(3)

式中:T為光線能量透射率,無(wú)量綱量;αi為入射角,(°);αr為折射角,(°)。

分析發(fā)現(xiàn)光線能量透射率T隨光線入射角αi的增大而減小,若入射光光強(qiáng)(入射波能量流)大小不變,則折射光光強(qiáng)(折射波能量流)隨入射角增大而減弱,反射光光強(qiáng)(反射波能量流)隨入射角增大而增強(qiáng)。

利用與液層深度相同的管段與近紅外探頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)將近紅外發(fā)射探頭與接收探頭相對(duì)布置在有機(jī)玻璃管的兩側(cè),并進(jìn)行可靠固定,調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)管段水平并加水至液面升高到25 mm(管段軸線位于氣液兩相交界面上),利用實(shí)驗(yàn)管段繞自身軸線旋轉(zhuǎn)使近紅外入射光與氣液兩相交界面產(chǎn)生不同的入射角。

從近紅外光束與氣液兩相交界面垂直位置(即αi為0°)逐次將實(shí)驗(yàn)管段繞其自身軸線旋轉(zhuǎn),使近紅外光束入射角增大5°(即Δαi為5°),直至入射角達(dá)到40°,需待液面平穩(wěn)后采集透過(guò)的近紅外光強(qiáng)信號(hào)值,求取各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)光強(qiáng)信號(hào)值與垂直入射狀態(tài)下信號(hào)值的比值。進(jìn)行3組重復(fù)實(shí)驗(yàn),求各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)信號(hào)比值的平均值,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 入射角與信號(hào)比值關(guān)系曲線Fig.8 Relation curve between incident angle and signal ratio

從圖8信號(hào)比值隨入射角角度變化的規(guī)律可以看出,當(dāng)近紅外光束照射在氣液兩相交界面時(shí),光束發(fā)生反射與折射現(xiàn)象,進(jìn)入液相的折射光線的能量減弱,光強(qiáng)降低,同時(shí)由于光束傳播角度的偏折,導(dǎo)致折射光線不能完全被布置在與近紅外發(fā)射探頭正對(duì)位置的接收探頭所接收到,使最終接收到的近紅外光強(qiáng)減弱,信號(hào)值降低。保持實(shí)驗(yàn)管段內(nèi)液面高度與近紅外發(fā)射探頭發(fā)射光強(qiáng)大小不變,隨著入射角角度的增大,接收探頭接收到的光強(qiáng)信號(hào)明顯減弱。

4.2 泰勒氣泡近紅外光傳播機(jī)理

首先分析兩相流流動(dòng)介質(zhì)對(duì)近紅外檢測(cè)光線的吸收作用對(duì)透過(guò)的光強(qiáng)信號(hào)的影響。入射光強(qiáng)不變的近紅外光束穿過(guò)透明石英玻璃管壁與兩相流介質(zhì)時(shí),由于光路中存在具有吸光性質(zhì)的介質(zhì),使光束能量有所衰減,導(dǎo)致接收探頭接收到的近紅外光強(qiáng)減弱。其量值關(guān)系服從朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律。

由于石英玻璃管管壁與水之間有粘性作用,水在貼近管壁處存在粘性底層,表現(xiàn)出層流流動(dòng)特征,接觸管壁的一層流體速度為零?？衫斫鉃闅庖簝上嗔髟诠鼙诓牧蠟樗谋”诠艿纼?nèi)流動(dòng),則光路中液層深度等于速度為零的層流流體厚度δ與流動(dòng)著的液相厚度ci之和,即:

bi=ci+2δ

(4)

而流動(dòng)著的液相厚度可用液相體積含率βl與光束在流動(dòng)著的兩相流介質(zhì)中的傳播距離h來(lái)表示:

ci=h×βl

(5)

由式(1),式(4)和式(5)可得:

Ii/I0=e-αΔ(hβl+2δ)

(6)

圖9為粘性流體在圓管中流動(dòng)的湍流結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9 粘性流體在圓管中流動(dòng)的湍流結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic diagram of turbulent flow of viscous fluid flowing in a circular tube

4.3 尾部氣近紅外光傳播機(jī)理

為使問(wèn)題簡(jiǎn)化以便進(jìn)一步分析,可將彈狀流尾部的泡狀流作為均相流動(dòng)模型[17],以此模型為基礎(chǔ),將泡狀流視為具有平均流體特性的單相流對(duì)待。同時(shí)把氣泡近似看做球體在液相中分層均勻排布,隨液相流動(dòng)。不考慮兩相流介質(zhì)吸光作用的影響,單獨(dú)分析光束在兩相交界面的折射、反射對(duì)透過(guò)的光強(qiáng)信號(hào)的衰減作用。

(7)

圖10 檢測(cè)光束受泡狀流兩相交界面影響示意圖Fig.10 Schematic diagram of detecting light beam affected by two-phase interface of bubble flow

當(dāng)入射光強(qiáng)不變的近紅外光束穿過(guò)泡狀流介質(zhì)時(shí),受到液相的吸收作用與兩相交界面折射、反射的影響,導(dǎo)致接收探頭接收到的光強(qiáng)有所衰減,可得:

(8)

4.4 彈狀流相含率測(cè)量模型構(gòu)建

綜合式(6),式(7)和式(8),則可以得到彈狀流流型下的相含率擬合模型:

y=(a×lnx1+b)×x2+

(c×ln(e×x3+f)+d)×x4

(9)

式中:y為液相體積含率;x1為泰勒氣泡經(jīng)過(guò)時(shí)的接收探頭光強(qiáng)均值與空管狀態(tài)時(shí)光強(qiáng)均值的比值;x2代表泰勒氣泡經(jīng)過(guò)所占的時(shí)間與數(shù)據(jù)采集總時(shí)長(zhǎng)的比值;x3為尾部氣泡經(jīng)過(guò)時(shí)的接收探頭光強(qiáng)均值與空管狀態(tài)時(shí)光強(qiáng)均值的比值;x4為尾部氣泡經(jīng)過(guò)所占的時(shí)間與數(shù)據(jù)采集總時(shí)長(zhǎng)的比值;a、b、c、d、e、f為待定系數(shù)。

根據(jù)氣液兩相流流型在水流量范圍0.4～3 m3/h,氣流量范圍0.12～0.6 m3/h內(nèi)設(shè)置30個(gè)工況點(diǎn),進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn),共得到90組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),工況點(diǎn)設(shè)置如表1所示。

將所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用最小二乘法進(jìn)行擬合,求解擬合模型中待定系數(shù)的最小二乘解,得到新型測(cè)量裝置測(cè)量液相流量時(shí)的測(cè)量模型。將第3次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù),來(lái)檢驗(yàn)裝置的測(cè)量效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11～圖13所示。

由彈狀流工況下的分相體積含率測(cè)量相對(duì)誤差分布圖可以看出,液相體積含率測(cè)量相對(duì)誤差在 ±5% 以?xún)?nèi),氣相體積含率測(cè)量相對(duì)誤差在±25%以?xún)?nèi),氣液兩相含率測(cè)量引用誤差在±4%以?xún)?nèi)。

表1 實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)Tab.1 Setting of working condition points m3/h

圖11 液相含率測(cè)量相對(duì)誤差分布圖Fig.11 The relative error distribution of the liquid holdup

圖12 氣相含率測(cè)量相對(duì)誤差分布圖Fig.12 The relative error distribution of the gas phase holdup

圖13 氣液兩相含率測(cè)量引用誤差分布圖Fig.13 Citation error distribution of gas and liquid phase holdup

5 結(jié) 論

1) 出于對(duì)優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及緊密結(jié)合紅外信息考慮,提出了將近紅外系統(tǒng)布置于長(zhǎng)喉頸文丘里管喉管部位的新結(jié)構(gòu)。

2) 將彈狀流相間流動(dòng)特征與近紅外測(cè)量系統(tǒng)接收光強(qiáng)信號(hào)特征相結(jié)合,提出了把彈狀流分成泰勒氣泡與尾部氣泡兩部分的簡(jiǎn)化模型的思路。

3) 利用新型測(cè)量裝置對(duì)垂直上升管段中彈狀流流型下的氣液兩相流相含率測(cè)量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,給出了理論測(cè)量模型并進(jìn)行了驗(yàn)證。液相體積含率測(cè)量相對(duì)誤差在±5%以?xún)?nèi),氣相體積含率測(cè)量相對(duì)誤差在±25%以?xún)?nèi),氣液兩相含率測(cè)量引用誤差在±4%以?xún)?nèi)。