利用空穴流动测量气液两相流的方法和装置与流程

本发明涉及两相流测量领域，具体是一种利用空穴流动测量气液两相流的方法和装置，该装置可以识别气液两相流的各相含量，以及总体平均速度、流量。

背景技术：

工程上广泛存在着两相流的流动现象，其中以气液两相流最为普遍。例如石油输运管道内、水轮机转子周围、大气云层内的对流等，都属于气液两相流流动。通过两相流流动流动参数进行测量，了解其特性及变化规律，对于相关科研、设计以及生产具有十分重要的意义。与单相流相比，两相流由于在相界面各相间存在传质，甚至化学反应，而且在时间、空间上随机可变，使得诸如各相含量、流速、流量以及总体速度、流量等流动参数的检测更具复杂性，难度很大。

气液两相流的测量涉及的参数以及表现形式如下：

1.流量

(1)气液两相流的质量流量：

G＝G_g+G_l，

其中，G总质量流量；G_g和G_l分别为气相和液相质量流量。

(2)气液两相流的体积流量：

Q＝Q_g+Q_l，

其中，Q总体积流量；Q_g和Q_l分别为气相和液相体积流量。

2.流速

(1)气液分相速度

$w_g=\frac{Q_g}{A_g};w_l=\frac{Q_l}{A_l},$

其中，w_g和w_l分别为气相和液相分速度；A_g和A_l分别为气相和液相流体通过的截面积。

(2)气液分相表观速度

$w_{sg}=\frac{Q_g}{A};w_{sl}=\frac{Q_l}{A},$

w_sg和w_sl分别为气相和液相表观速度；流通截面积

A＝A_g+A_l。

3.密度

(1)流动密度

${\mathrm{\ρ}}_f=\frac{G}{Q}.$

(2)真实密度

ρ＝αρ_g+(1-α)ρ_l，

其中，ρ_g和ρ_l分别为气相和液相流体密度；α是截面含气率，也称空隙率。

4.分相含率

(1)截面含气率(空隙率)

$\mathrm{\α}=\frac{A_g}{A}.$

(2)容积含气率

$\mathrm{\β}=\frac{Q_g}{Q}.$

(3)质量含气率

$\mathrm{\χ}=\frac{{\mathrm{\β\ρ}}_g}{{\mathrm{\β\ρ}}_g+(1-\mathrm{\β}){\mathrm{\ρ}}_l}.$

随着工业生产中对于两相流流动的计量、控制方面的更高要求，需要开发一种能够同时测量获得气液两相流中各相含量，以及总体平均速度、流量的装置。一个重要的手段是利用已有的单相流检测技术和方法通过对仪器和测量过程的改进进行两相流测量。

空穴流动(Cavity Flow)是工程上一种常见的流体流动现象。例如，火车车厢之间的缝隙中的流动、飞机起落架舱中的流动等等。空穴流动一直是流体力学领域一个研究热点。因为在这种流动现象存在一种可探明的、用利用价值的运动机制。图1给出了一个空穴流动的内部机制的理论示意图。如图1所示，当流体来流(1)流过空穴(2)时，在空穴的前沿(3)，也就是拐角处，理论上这是一个流动奇点(singularity)，所以流体(1)的粘性边界层中沿着与流动方向(1)垂直的方向上的压力变化率会突然变大，从而在前沿(3)产生流动分离。由于流体产生分离，会在前沿开始形成一个向下游运动的流体的 剪切层(4)。剪切层(4)碰撞到空穴的后沿(5)，在空穴(2)中被反射回前沿(3)，在空穴(2)中形成一个与来流(1)相反的反射回来的流动(6)。反射回来的流动(6)到了前沿(3)形成了对前沿(3)处的流体的进一步扰动，持续的来流(1)在前沿继续分离，形成剪切层(4)。这个过程随着流体的流动而持续着，因而在空穴(2)中，产生了一个旋涡形的流动，空穴(2)内的压力场呈周期性振荡的变化，因而空穴流动形成一种在空穴内的自持振荡(self-sustained oscillation)。

这个自持振荡主要与空穴的几何形状、来流的雷诺数(Reynolds number)有关。

描述流体(如空气、水等)的运动时，经常用到无量纲数，雷诺数，它描述了流体的惯性力和粘性力之比。可压缩流体的雷诺数Re可以用下式来表示，

$\mathrm{Re}=\frac{{\mathrm{\ρV}}_{\mathrm{\∞}}L}{\mathrm{\μ}}---\left(1\right)$

其中,ρ,V_∞,μ分别代表流体来流的密度、速度和动力粘性系数；L代表物体的特征长度尺度，在空穴流动中，可以用图1中的空穴开口的长度表示。

大量实验表明，雷诺数在2X10⁴至7x10⁵范围内，空穴流动中的旋涡的结构是稳定的，而且旋涡产生频率和流体来流的流速的关系是唯一确定的。在诸如空穴流动这样的振荡的流场中常用到无量纲参数，斯特哈雷数(Strouhal number)数来描述流场的特征。Strouhal数，St，定义为

$St=\frac{fL}{V_{\mathrm{\∞}}}---\left(2\right)$

其中，f为旋涡的脱落频率。在上述雷诺数范围内，Strouhal数一般为固定值0.2。因而在空穴流动中，如果获得旋涡的脱落频率f，即可获得流体来流的流速。

气液两相流流动工况与单相流相比复杂的多,由于液相中含有气泡,这对空穴流动中的旋涡的结构有很大影响，旋涡的结构与单相流动也不同，若要利用涡街特性测量气液两相流流量与组分，首先，在气液两相流中须有稳定的空穴流动中的旋涡存在。根据大量实验的研究，在气液两相流中确有空穴流动中的旋涡存在，可被检测出来。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种利用空穴流动原理工作的空穴流量计，利用空穴流动测量气液两相流的方法和装置，该方法和装置可以识别气液两相流的各相含量、速度和流量，以 及总体平均速度、流量。它是利用流体流过流量计管道壁面上的空穴时产生的自持振荡现象的原理制成的流量计。在气液两相流中的斯特哈雷数St_m，定义为

St_m＝St(1-βA) (3)

上式中，参数A是待定常数，与气体体积含气率β相关，需要通过标定来确定，形成A常数与气体体积含气率β的相关曲线。因而，如果获得了气液两相流的空穴流动的旋涡的脱落频率f，按照公式(2)，即可获得气液两相流的平均速度、流量和各相体积含率。

根据上述理论，可以设计一种利用空穴流动原理工作的、用于测量管道内稳定流动的流量的空穴流量计。图2是本发明提出的一种空穴流量计的结构示意图。图中表示，该空穴流量计包括一个流通管道(8)，其上有连接前法兰(7)、连接后法兰(9)。在流通管道(8)壁面上有一测量用的空穴(2)，空穴(2)有尖锐的前沿(3)和后沿(5)。测量空穴(2)底部装有压力传感器(12)，连接到测量电路(13)。沿着流动方向(1)，在空穴(2)的上游，在流通管道(8)壁面上安装A常数计算器(10)，并通过数据线(11)传送至测量电路(13)。流量计工作时，流体进入流通管道(8)。启动测量电路(13)后，读取压力传感器(12)中的瞬态压力信号。因为此时，空穴(2)中的自持振荡已经形成，势必在空穴(2)中产生和图1中的(6)一样的旋涡流动模式。测量电路(13)在一定的采样时间内获得压力的瞬态信号，然后分解出这个旋涡的频率。从时域信号分解出频率信号的方法是公知的，这里不再叙述。

因为旋涡频率与来流速度成比例、Strouhal数是以固定值0.2，且空穴(2)的开口长度L是已知的，所以按照公式(2)，即可获得来流速度V_∞和气体体积含率β。此时，因为流体来流的密度、速度和动力粘性系数均为已知，由安装在流通管道(8)上的A常数计算器(10)按照公式(2)再次计算两相流的气体体积含率β，并通过数据线(11)传送至测量电路(13)。按照前述理论，如果两次计算的值的误差在范围内，则测量有效，得到管道内稳定流动的流量值；否则，重新估算两相流中的斯特哈雷数，直至A常数与气体体积含气率β的相关曲线中获得的值与计算值在测量误差范围内。

由于本发明提出的空穴流量计的流量测量在空穴中进行，整个仪表内部无阻碍流体流动的部件，所以压力损失非常微小，而且结构上更加牢固可靠，不怕腐蚀、磨损、堵塞等问题，拆装方便、结构简单、实用。

附图说明

图1是空穴流动的内部机制的理论示意图。图中，1流体来流、2空穴、3前沿、4剪切层、 5后沿、6反射回来的流动(旋涡)。

图2是一种空穴流量计的结构示意图。图中，1流体来流、2空穴、3前沿、5后沿、7连接前法兰、8流通管道、9连接后法兰、10A常数计算器、11数据线、12压力传感器、13连接到测量电路。

具体实施方式

以一个具体实施方案进一步说明本发明提出的利用空穴流动测量气液两相流的方法和装置的结构和原理。该技术方案是利用本发明提出的原理和结构实现的装置。具体实施方式的结构示意图如图2所示。空穴流量计包括一个流通管道(8)，其上有连接前法兰(7)、连接后法兰(9)，可以连接在欲测量的管道之间。在流通管道(8)底边上有一空穴(2)，开口长度L为50mm、沿着纵深方向(与来流垂直的方向)的剖面形状为矩形，因而具有尖锐的前沿(3)和后沿(5)，底部装有压力传感器(12)，连接到测量电路(13)。沿着流动方向(1)，在空穴(2)的上游，在流通管道(8)壁面上安装A常数计算器(10)，并通过数据线(11)传送至测量电路(13)。

该装置用于测量管道内的稳定流动，即来流速度是恒定的。将该装置的前法兰(7)、连接后法兰(9)连接到欲测量的管道之间。测量时，来流流过空穴(2)时，流体边界层在空穴的前沿(3)产生流动分离，分离的剪切层碰撞到空穴的后沿(5)，在空穴(2)中被反射回前沿(3)，形成了对前沿的流体的扰动，流体来流(1)在此处继续分离。这个过程随着流体的流动而持续着，因而在空穴(2)中，产生旋涡，使得空穴(2)压力的周期性振荡。测量旋涡频率的压力传感器(12)连接到测量电路(13)，通过1KHZ的采样频率，在采样时间10秒内获得压力的瞬态信号，然后通过FFT方法分解出这个旋涡的频率f。按照公式(2)，已知f、L和St可获得来流速度V_∞。此时，因为来流的密度和动力粘性系数均为已知，所以由安装在流通管道(8)上的A常数计算器(10)按照公式(2)再次计算两相流的气体体积含率β，并通过数据线(11)传送至测量电路(13)。按照前述理论，如果两次计算的值的误差在范围内，则测量有效，得到管道内稳定流动的流量值；否则，重新估算两相流中的斯特哈雷数，直至A常数与气体体积含气率β的相关曲线中获得的值与计算值在测量误差范围内。

对于有效测量，将来流速度乘以管道截面积即可获得来流的流量，可将流量值转换成标准电流信号输出。