基于強(qiáng)制環(huán)狀流的電導(dǎo)法持液率測量技術(shù)*

李仲豪 張興凱 廖銳全 史寶成 黃臘梅

(1.長江大學(xué)非常規(guī)油氣省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心 2.長江大學(xué)石油工程學(xué)院3.中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院)

0 引言

截面相含率是兩相流/多相流工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中一個(gè)重要參數(shù)，它的測量對生產(chǎn)過程的計(jì)量、控制和運(yùn)行可靠性都具有重要意義[1]。然而氣液兩相流流動(dòng)特性以及兩相流系統(tǒng)復(fù)雜多變性卻給相含率測量提出了極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的單向流測量方法不能直接應(yīng)用于氣液兩相流參數(shù)檢測中[2]。近年來，基于新型傳感器技術(shù)的兩相流流動(dòng)參數(shù)檢測技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展[3－6]。為了得到更準(zhǔn)確的兩相流相關(guān)參數(shù)，許多新型傳感技術(shù)和現(xiàn)代信號處理技術(shù)被引入到兩相流測量領(lǐng)域中，如激光技術(shù)、光纖技術(shù)、輻射線技術(shù)、超聲技術(shù)、核磁共振技術(shù)、層析成像技術(shù)、超聲波技術(shù)、光譜技術(shù)、微波技術(shù)及新型示波技術(shù)等[7]。但新型技術(shù)明顯不足之處在于其測量成本較高，測量裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及操作流程繁瑣。

G.P.NASSOS 等[8]利用電導(dǎo)探針對氣液兩相流的局部空隙率進(jìn)行了測量。XU W.F.等[9]設(shè)計(jì)了一種新型陣列式電導(dǎo)探針傳感器，陣列傳感器由24 個(gè)探針/電極組成，分別安裝在從管道中心軸產(chǎn)生的12 個(gè)支撐臂上，利用設(shè)計(jì)的陣列式電導(dǎo)傳感器進(jìn)行了油水兩相層狀流的相含率測量靜態(tài)試驗(yàn)，得到的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相符合。姚強(qiáng)等[10]針對電容式含水率計(jì)在油井高含水段(體積分?jǐn)?shù)60%～100%) 分辨率低的問題，對其影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究。宋紅偉等[11]采用光學(xué)多普勒－反射波法，利用光學(xué)多普勒效應(yīng)測量流體中氣相的流速，利用反射光波強(qiáng)度測量持氣率，通過非集流的方式，在基本不改變流體流動(dòng)狀態(tài)的情況下，實(shí)現(xiàn)井下多相流中氣相流量測量。M.FOSSA 和F.DEVIA 等[12－13]分別利用平板電極和雙圓環(huán)狀電極結(jié)構(gòu)傳感器對氣液兩相流中典型泡狀流、環(huán)狀流和層狀流的相含率測量進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并將試驗(yàn)結(jié)果與相含率測量理論模型預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)環(huán)狀電極結(jié)構(gòu)具有較好的重復(fù)性。以往針對水平氣液兩相管流研究中，受流型變化的影響，重力作用下氣液相在管道流動(dòng)時(shí)截面相分布不均勻，測量結(jié)果受流型變化影響較大，導(dǎo)致測量時(shí)產(chǎn)生較大誤差。因此，在截面上選取不同測量點(diǎn)對截面相分布的測量并不能準(zhǔn)確代表整個(gè)管截面平均相分布信息[14]。此外傳統(tǒng)的間接電導(dǎo)法測量易受液體礦化度影響，并且依賴復(fù)雜的電導(dǎo)率－含水率關(guān)系模型，增加了測量難度和測量誤差。

針對以上問題，本文提出一種測量裝置，其在測量管段上游安置葉片式旋流器，并采用單頭電導(dǎo)探針直接測量法對氣液兩相流持液率進(jìn)行測量研究。該裝置可將復(fù)雜多變的流型轉(zhuǎn)換為強(qiáng)制環(huán)狀流，可將不均勻的液相分布測量轉(zhuǎn)換為液膜厚度的測量，消除了流型的影響。采用單頭電導(dǎo)探針直接測量法，只需對輸出的高低電平信號進(jìn)行處理，避免了測量結(jié)果受液相電導(dǎo)率大小的影響，且無需依賴復(fù)雜的測量關(guān)系模型。

1 測量傳感器技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

當(dāng)氣液混合物流經(jīng)葉片式旋流器(見圖1)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)流，混合物中的液體被離心力推向管壁，形成均勻的高切向速度的液膜。氣液兩相通過該裝置后將不規(guī)則的流型轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)完全對稱的環(huán)狀流，因此，通過管道中心弦線上的截面相分布將與整個(gè)管截面高度一致，故采用單頭電導(dǎo)探針就可實(shí)現(xiàn)管道不同截面處液膜厚度的實(shí)時(shí)測量。

圖1 葉片式旋流器Fig.1 Vane cyclone

1.2 工作原理

本文基于直接電導(dǎo)法測量原理設(shè)計(jì)了周向陣列單頭電導(dǎo)探針測量裝置，直接電導(dǎo)法基本原理是用電導(dǎo)探針直接測量液膜厚度，如圖2 所示。

圖2 測量傳感器結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Schematic structure of the measuring sensor

利用水和空氣導(dǎo)電率的差異進(jìn)行測量，當(dāng)探針尖端與導(dǎo)電液體接觸時(shí)，探針與測量電路之間形成了導(dǎo)電通路，輸出高電平；當(dāng)電導(dǎo)探針與氣相接觸時(shí)，回路電流較小，輸出低電平[15]。通過探針不同的插入深度即可得到液膜厚度值。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 模擬方法及模型建立

本模擬采用Fluent 軟件進(jìn)行求解計(jì)算，多相流模型采用歐拉模型(Eulerian)，湍流模型采用對強(qiáng)旋流場適應(yīng)能力較強(qiáng)的雷諾應(yīng)力模型(Reynolds Stress)，湍流參數(shù)采用了湍流強(qiáng)度(Intensity) 與水力直徑(Hydraulic Diameter) 。采用Mesh 軟件對流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于旋流器幾何模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故采用較高質(zhì)量的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算效率，網(wǎng)格劃分完成后數(shù)量為1 253 138 個(gè)。數(shù)值模擬邊界條件采用速度入口及壓力出口，以氣相作為第一相，液相作為第二相。數(shù)值模擬方案參數(shù)設(shè)計(jì)如表1 所示。表1 中氣相表觀流速為vsg，液相體積分?jǐn)?shù)為α。

表1 數(shù)值模擬方案參數(shù)設(shè)計(jì)Table 1 Design of parameters in numerical simulation schemes

2.2 結(jié)果及分析

對內(nèi)徑為30 mm 的管道進(jìn)行數(shù)值模擬分析，氣液兩相流經(jīng)旋流器后，在重力和向心力以及離心力的相互約束作用下，由于密度差異，液相所受到的離心力大于向心浮力，被旋至管壁附近，氣相正好相反，向管中心聚集，最終在管內(nèi)形成同向環(huán)狀流動(dòng)的兩相流體“氣核－液膜”流型。

采用網(wǎng)格體積含液率(單位體積網(wǎng)格內(nèi)液相體積分?jǐn)?shù)) 對氣液兩相分離效果的影響來對模擬結(jié)果進(jìn)行評價(jià)分析，單位體積網(wǎng)格液相分布如圖3所示。網(wǎng)格是數(shù)值模擬的計(jì)算單元，根據(jù)歐拉模型計(jì)算可得到網(wǎng)格體積含液率。管壁附近網(wǎng)格體積含液率越高說明氣液分離效果越好，還要考慮相分離穩(wěn)定性即液膜維系的長度。由于液相被認(rèn)為是分散的球形液滴，所以不可避免地在液滴之間會(huì)有氣相存在，當(dāng)管壁處網(wǎng)格體積含液率超過90%時(shí)即可認(rèn)為已經(jīng)形成液環(huán)。通過分析截面徑向位置上的網(wǎng)格體積含液率發(fā)現(xiàn):管道中心網(wǎng)格體積含液率為6.96×10－4%，可近似為0，意味著管道中心沒有液相存在；貼壁面處網(wǎng)格體積含液率為100%，說明管壁處形成液環(huán)。隨著流動(dòng)的進(jìn)行，分離后的氣液兩相流體由于沿途的壓力損失以及切向速度減小，其旋流強(qiáng)度逐漸減弱，管道內(nèi)不能始終維持“氣核－液膜”流的狀態(tài)，此時(shí)液相會(huì)失去離心力約束，漸漸向管道內(nèi)部擴(kuò)散，不斷形成氣液混合流動(dòng)現(xiàn)象。

圖3 單位體積網(wǎng)格液相分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of liquid phase distribution in grid per unit volume

通過數(shù)值模擬計(jì)算在旋流器下游4D(D為管道內(nèi)徑) 截面處沿徑向的網(wǎng)格體積含液率(見圖4)，得到在本文設(shè)計(jì)方案工況下，液膜厚度變化范圍為0～3 mm，并確定可形成穩(wěn)定液環(huán)所處管段的距離(距旋流器出口) 為3～5 倍的管徑。因此最終確定測量截面分別位于60 和140 mm 處(見圖5)。

圖4 旋流器下游4D 處管道截面徑向網(wǎng)格體積含液率Fig.4 Volume fraction of radial grid on the pipe section at 4D downstream of the cyclone

圖5 管道內(nèi)壁處軸向網(wǎng)格體積含液率Fig.5 Volume fraction of axial grid at the inner wall of the pipeline

液膜厚度分析通過采用控制變量法來研究其變化規(guī)律，因此在vsg＝5 m/s、α ＝4%，vsg＝5 m/s、α ＝8%，vsg＝11 m/s、α ＝4% 3 種工況下對液膜厚度變化展開研究。模擬計(jì)算完成后，在距離旋流器出口60 和140 mm 處分別建立截面并得到6 張截面相含率云圖，如圖6 所示。從圖6 可以看出，混合相從入口經(jīng)過旋流器后有較好的流型轉(zhuǎn)換效果，混合相在不同氣相表觀流速及液相體積分?jǐn)?shù)工況下，經(jīng)過旋流裝置后均可轉(zhuǎn)換為液膜分布均勻的環(huán)狀流。這是由于旋流器的存在使氣液兩相受到了不同的離心力，密度大的水相受到較大的離心力而被甩至管壁附近，形成一層液膜，隨氣相的攜帶沿著管壁流動(dòng)；而密度較小的氣相所受離心力小，逐漸聚結(jié)到管道中心并向前流動(dòng)。

圖6 在vsg ＝5 m/s、α＝4%，vsg ＝5 m/s、α＝8%，vsg ＝11 m/s、α＝4%工況下不同測量截面液相相含率云圖Fig.6 Cloud charts of liquid holdup at different measurement sections under the conditions of vsg ＝5 m/s，α＝4%，vsg ＝5 m/s，α＝8%，vsg ＝11 m/s，α＝4%

對模擬結(jié)果分析得到:在相同氣體表觀流速的情況下，隨著液相體積分?jǐn)?shù)的增加液膜厚度增加，因?yàn)橐合囿w積分?jǐn)?shù)增加，相同氣體流速下被氣體攜至管壁的液體也會(huì)增加，故液膜變厚；在相同液相體積分?jǐn)?shù)的情況下，隨著氣體表觀流速的增加液膜厚度增加，因?yàn)闅怏w的壓縮性遠(yuǎn)大于液體，當(dāng)含液率保持一定時(shí)，氣體流量增加，液體流量也隨之增加，所以通過某一截面處的氣體被壓縮，而液體不易被壓縮，從而使液膜厚度增加。從圖6 還可得出，液相體積分?jǐn)?shù)變化比氣體表觀流速變化對液膜厚度的影響更大。

依據(jù)30 種不同工況下兩測量截面的相含率云圖，本文在云圖周向0°、90°、180°及270°位置處創(chuàng)建直線，得到測量直線在不同工況下液相體積分?jǐn)?shù)與徑向長度變化之間的關(guān)系，當(dāng)管壁處液相相含率低于90%，表明不能形成液環(huán)[16]，再以vsg＝5 m/s、α ＝4%，vsg＝5 m/s、α ＝8%，vsg＝11 m/s、α＝4%這3 種工況為例，得到在不同截面不同測量位置處液膜厚度δ，如表2 所示。

表2 3 種工況液膜厚度Table 2 Liquid film thickness under three working conditions

依據(jù)前述液膜厚度計(jì)算方法，本文對30 種工況進(jìn)行模擬計(jì)算得到液膜厚度最佳值，考慮實(shí)際流體在管道中流動(dòng)時(shí)摩阻等其他因素對液膜厚度的影響，經(jīng)計(jì)算分析取液膜厚度變化范圍為:截面1 在1.35～2.68 mm，截面2 在1.15～2.43 mm。根據(jù)兩截面所取范圍，考慮重力對液膜厚度的影響，最終確定各測量點(diǎn)探針插入深度值如表3 所示。

表3 不同測量點(diǎn)插入深度Table 3 Insertion depth at different measuring points

3 周向陣列電導(dǎo)探針測量系統(tǒng)

本文傳感器3D 結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)如圖7 所示。旋流器和周向陣列裝置由3D 打印而成，測量裝置上、下游分別設(shè)置0.5 m 的有機(jī)玻璃直管段，保證流型充分發(fā)展和流型觀察。在測量裝置的出口端放置高速攝像機(jī)，用來拍攝流體經(jīng)過裝置后形成的流型。該種結(jié)構(gòu)測量管段由亞克力透明管構(gòu)成(絕緣材質(zhì))，管道內(nèi)徑30 mm、外徑40 mm、總長300 mm，測量管段兩端由公稱直徑40 mm 法蘭固定。測量截面選取在距離旋流器出口60 和140 mm 處。

圖7 周向陣列電導(dǎo)探針傳感器結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of the circumferential array conductivity probe sensor

測量電導(dǎo)探針布置為:在測量截面1、2 處選取0°、90°、180°及270°處4 個(gè)測量點(diǎn)。探針插入深度為:截面1 取2.7、2.3、1.3 及1.8 mm；截面2 取2.6、2.1、1.1 及1.6 mm。

3.1 單頭電導(dǎo)探針

本文單頭電導(dǎo)探針由導(dǎo)電金屬針體、絕緣層、導(dǎo)電金屬管及導(dǎo)電引線組成。針體采用直徑0.3 mm 的針灸針，將針灸針插入直徑0.4 mm 聚四氟乙烯毛細(xì)管(絕緣層) 后再將其共同插入不銹鋼毛細(xì)管中，不銹鋼管采用內(nèi)徑0.5 mm、壁厚0.25 mm 的毛細(xì)鋼管，這樣既對流場影響降到最低，又保證了針體在動(dòng)態(tài)測量中達(dá)到所需強(qiáng)度要求。制作探針時(shí)，將針體與絕緣層之間縫隙及絕緣層外側(cè)涂滿PVC 絕緣膠水，以保證針體和不銹鋼毛細(xì)管之間完全絕緣，達(dá)到探針整體牢固不松動(dòng)的效果。將正極引線焊接至不銹鋼毛細(xì)管外壁，負(fù)極引線焊接至針體尾部，焊接完成后用電工膠帶纏繞焊接點(diǎn)將其固定即可。探針結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 探針結(jié)構(gòu)Fig.8 Schematic diagram of the probe

3.2 測量電路系統(tǒng)

本文采用的原理與間接法有所不同，只需知道電極間是否導(dǎo)通即可，故不需要考慮極化作用帶來的電極間的電導(dǎo)值測量精度問題，所以采用直流穩(wěn)壓電源模塊提供穩(wěn)壓源，采用直流電源供電，電源結(jié)構(gòu)簡單耗費(fèi)最小，電導(dǎo)探針輸出信號處理簡潔。本文測量電路主要由4 部分組成，包括探針激勵(lì)模塊、電壓跟隨模塊、信號采集模塊及上位機(jī)。將直流5 V 激勵(lì)電源與250 Ω 精密電阻串聯(lián)后分別與探針正、負(fù)極對應(yīng)連接，電壓跟隨模塊和信號采集模塊均采用12 V 直流電源供電并做接地處理。將探針針體接電源負(fù)極，不銹鋼套管接電源正極以避免電解反應(yīng)的發(fā)生。

測量電路原理如圖9 所示。

圖9 測量電路原理圖Fig.9 Block diagram of the measurement circuit

從圖9 可見，電壓跟隨器采用OP07 型號，信號采集器采用DAQM－4206 型號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)探針工作時(shí)，探針與不銹鋼套管形成回路。電導(dǎo)探針通過測量探頭針尖處液體導(dǎo)電性的變化來確定該點(diǎn)的介質(zhì)分布。當(dāng)探針尖端與導(dǎo)電液體接觸時(shí)，探針與測量電路之間形成了導(dǎo)電通路，輸出高電平；當(dāng)電導(dǎo)探針與氣相接觸時(shí)，回路電流較小，輸出低電平[15]。

4 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)及原理

動(dòng)態(tài)試驗(yàn)裝置由氣相循環(huán)回路、液相循環(huán)回路、氣液混合水平試驗(yàn)管段、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)及上位機(jī)構(gòu)成。

試驗(yàn)裝置管道規(guī)格為DN30，試驗(yàn)循環(huán)過程氣液兩相流量大小依靠LabView 軟件控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)。試驗(yàn)氣相介質(zhì)為空氣，液相介質(zhì)為水。氣液兩相混合前，氣相采用熱氏質(zhì)量流量計(jì)測量，范圍為5～400 m3/h，精度為±1.5%；液相采用金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量，量程為0～0.4 m3/h，精度為±1.5%。兩相混合介質(zhì)流經(jīng)葉片式旋流器充分發(fā)展后形成穩(wěn)定的環(huán)狀流，隨后流入電導(dǎo)傳感器測量管路，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，測量出兩截面不同角度處電壓輸出值，試驗(yàn)結(jié)束后兩相分離實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。

試驗(yàn)在氣液水平管道上進(jìn)行，試驗(yàn)環(huán)境為常溫常壓(25 ℃，101 kPa)，試驗(yàn)介質(zhì)為空氣和水，試驗(yàn)中氣體的流量范圍為12.8～51.2 m3/h，氣相表觀流速為5～20 m/s、液體的流量為0.2～1.2 m3/h，液相表觀流速為0.079～0.480 m/s。室內(nèi)試驗(yàn)流程圖如圖10 所示。

圖10 試驗(yàn)流程圖Fig.10 Test flow chart

進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量試驗(yàn)前，首先對整個(gè)測量系統(tǒng)進(jìn)行試壓檢漏測試，以保證系統(tǒng)的密封性和穩(wěn)定性[17]。其次將測量管段兩端嚴(yán)格密封后向管道內(nèi)加水，直至充滿整個(gè)管道，檢測此時(shí)電壓輸出信號是否為高電平，以保證傳感器正常工作。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1 流型轉(zhuǎn)換

氣液混合相流入裝置前的流型主要為分層流和波狀分層流。在不同工況下，混合相流經(jīng)旋流器后的流型如圖11 所示。由于氣液密度的不同，混合相通過旋流器后，在離心力和重力的作用下，密度較大的液相被甩到壁面形成液膜，密度較小的氣相聚集在管道中部，兩相流以氣核－液膜狀態(tài)繼續(xù)向前流動(dòng)。

圖11 不同工況下混合相流經(jīng)旋流器后流型圖Fig.11 Flow patterns of mixed phase flowing through the cyclone under different working conditions

4.2.2 液膜厚度變化規(guī)律

試驗(yàn)測量裝置通過不同的探針插入深度能得出不同工況下的液膜厚度取值范圍，據(jù)此可以研究在不同氣相表觀流速vsg及不同液相體積分?jǐn)?shù)α 的工況下液膜厚度的變化規(guī)律。試驗(yàn)測量得到不同工況下液膜厚度的取值范圍，如表4 所示。

表4 不同工況下液膜厚度的取值范圍Table 4 Value range of liquid film thickness under different working conditions

試驗(yàn)結(jié)論及分析如下。

(1) 保持裝置進(jìn)口氣液比一定，試驗(yàn)中控制液相體積分?jǐn)?shù)為定值，改變裝置進(jìn)口氣相表觀流速，隨著氣相表觀流速的增加，氣體開始攜帶液體，液膜厚度不斷增厚，因?yàn)殡S著氣體體積流量的增加，氣相攜帶的液相越來越多，故在旋流器下游液膜厚度會(huì)急速增加；液膜厚度隨著氣體體積流量先急速增加后趨于平緩，因?yàn)楫?dāng)液膜增加到一定厚度時(shí)，環(huán)縫集液將達(dá)到飽和狀態(tài)，故使液膜厚度值趨于穩(wěn)定。

(2) 當(dāng)氣體表觀流速較低且保持一定時(shí)，膜厚度都會(huì)隨著液相體積分?jǐn)?shù)的增大而增大，但是增加的幅度并不大，這是因?yàn)闅怏w體積流量較小，氣體表觀流速較小，氣相攜帶液體能力較弱，液相體積分?jǐn)?shù)雖然增加，但是被氣相攜帶的液相并沒有明顯增加，因此液膜厚度并沒有明顯增加。因?yàn)楫?dāng)氣體體積流量足夠大時(shí)，液膜厚度隨液相體積分?jǐn)?shù)的增加有了顯著的增加，當(dāng)氣體體積流量增大之后，氣體的攜液能力會(huì)增強(qiáng)，導(dǎo)致分離出來的液相變多，故使液膜變厚。

(3) 測量結(jié)果出現(xiàn)測量截面1 厚度小于截面2的現(xiàn)象，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因?yàn)?當(dāng)氣體表觀流速較小時(shí)，混合相流型未發(fā)展完全至環(huán)狀流，氣體流速不足以完全攜帶液相至管道內(nèi)壁。

4.2.3 超聲波法液膜測量對比驗(yàn)證

本文基于電導(dǎo)法對不同氣相表觀流速及不同液相體積分?jǐn)?shù)30 種工況下不同截面處液膜平均厚度范圍進(jìn)行測量和計(jì)算，為驗(yàn)證其測量結(jié)果可靠性，采用超聲波法進(jìn)行了相同工況下4 個(gè)周向角度的液膜厚度測量并取平均值與其對比。

試驗(yàn)中應(yīng)用的超聲波測厚儀由汕頭研究所生產(chǎn)，型號為CTS－086，實(shí)物示意圖如圖12 所示。本試驗(yàn)中使用測量探頭參數(shù)如下:諧振頻率3.5 MHz，對于液位高度微小變化，輸出信號都能有明顯變化，靈敏度高，響應(yīng)性能好，檢測靈敏度余量高達(dá)60 dB，探測范圍為0～1 000 mm，聲速范圍為1 000～9 999 m/s，水平線性誤差小于0.5%，垂直線性誤差小于3%，工作溫度為20～70 ℃。利用超聲測厚儀測量本文試驗(yàn)工況下的液膜厚度值并對測量結(jié)果進(jìn)行誤差分析，在試驗(yàn)范圍內(nèi)超聲波法測量液膜厚度的最大誤差為4.86%。

圖12 超聲波測厚儀Fig.12 Ultrasonic thickness gauge

測量結(jié)果如圖13 和圖14 所示。與上文電導(dǎo)法測量液膜厚度變化規(guī)律趨勢一致，同時(shí)對比前、后兩測量截面可知，當(dāng)混合相從截面1 流經(jīng)截面2 時(shí)液膜厚度減小?；旌衔锪鹘?jīng)旋流裝置時(shí)，會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流，混合物中的液體被離心力推向管壁，形成均勻的高切向速度的液膜，依靠慣性力作用向前流動(dòng)，但隨著流動(dòng)路徑增加，液相所受離心力減小，導(dǎo)致部分液相無法被推向管壁，因此液膜變薄。當(dāng)液相體積分?jǐn)?shù)一定時(shí)，隨著氣相表觀流速的增加，液膜厚度的波動(dòng)速率增大。氣相表觀流速的增加縮短了液相的沉降時(shí)間，削弱了重力對液膜厚度分布的影響。

圖13 測量截面1 液膜厚度Fig.13 Liquid film thickness at measurement section 1

圖14 測量截面2 液膜厚度Fig.14 Liquid film thickness at measurement section 2

將兩種測量方法測量結(jié)果進(jìn)行對比分析，如表5 和表6 所示。

從表5 和表6 可見，電導(dǎo)法測量液膜厚度范圍基本覆蓋超聲波法所測液膜厚度值，因此本文測量方法具有一定的可靠性。

表5 測量截面1 電導(dǎo)法與超聲波法測量結(jié)果對比Table 5 Comparison of the measurement results at measurement section 1 between the conductivity method and the ultrasonic method

表6 測量截面2 電導(dǎo)法與超聲波法測量結(jié)果對比Table 6 Comparison of the measurement results at measurement section 2 between the conductivity method and the ultrasonic method

5 結(jié)論

本文提出了基于強(qiáng)制環(huán)狀流的電導(dǎo)法氣液兩相流持液率測量技術(shù)，并通過數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行了系列研究。研究結(jié)論證明了該技術(shù)具有較好的可行性，為下一步移動(dòng)式探針尋找強(qiáng)制環(huán)狀流氣液界面裝置的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)和依據(jù)。研究結(jié)論如下。

(1) 氣液兩相混合流經(jīng)旋流器后形成了結(jié)構(gòu)對稱的強(qiáng)制環(huán)狀流，并通過數(shù)值模擬得到，其在距旋流器出口3～5 倍管徑處形成了一定范圍的穩(wěn)定的旋流流動(dòng)。

(2) 當(dāng)保持進(jìn)口氣液比一定，即保持液相體積分?jǐn)?shù)不變，低氣相表觀流速時(shí)，氣體不足以攜帶液體，但氣相折算速度逐漸增加，氣體開始攜帶液體，液膜厚度隨之不斷增加，且隨著氣體體積流量的增加，液膜厚度呈先急速增加后趨于平緩態(tài)勢。當(dāng)入口氣相表觀流速一定時(shí)，隨著液相體積分?jǐn)?shù)的增加，平均液膜厚度也不斷增加。對比兩測量截面液膜厚度變化規(guī)律可知，同種工況下，截面1 平均液膜厚度大于截面2。這是由于其流經(jīng)旋流裝置時(shí)，會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流，混合物中的液體被離心力推向管壁，形成均勻的高切向速度的液膜，依靠慣性力作用向前流動(dòng)，但隨著流動(dòng)路徑的增加，液相所受離心力減小，導(dǎo)致部分液相無法被推向管璧，因此液膜變薄。

(3) 對本文設(shè)計(jì)的測量裝置進(jìn)行了動(dòng)態(tài)試驗(yàn)和結(jié)果分析，得出其有效測量范圍為:氣相表觀流速5～20 m/s，液相表觀流速0.079～0.480 m/s。氣量既不可太小也不可過大，因?yàn)闅怏w流量過低時(shí)，其不足以攜帶液體至管壁形成環(huán)狀流，而當(dāng)氣體流量過大時(shí)，氣液兩相流逐漸轉(zhuǎn)換為環(huán)霧流，均無法有效測量其液膜厚度。

(4) 通過與超聲波測厚法對比，兩者測量液膜厚度高度重合，證明了本文設(shè)計(jì)的電導(dǎo)法測量持液率可行。