基于超声多普勒技术的气液两相流测量方法和装置与流程

本发明涉及流体测量领域，具体是一种基于超声多普勒技术的气液两相流测量方法和装置。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。

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。迄今为止，已有的检测技术和方法大多是建立在单相传感器基础上的检测手段，获得的信息量小，而且无法对两相流的整体特性进行实时观测描述。

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、流速和流量，以及总体平均速度、流量的装置。

超声多普勒技术(Ultrasonic Doppler)可以实现可视化、非接触、无辐射、低成本测量,近年来在流体测量方面的应用得到了很大的发展。具体在气液两相流测量中的应用原理是：利用超声发射器发射向气液两相流流场发射频率为fe的超声信号，当有气泡进入测量体积时,由于气液表面对超声有很强的反射作用,超声回声信号fr受到衰减，而fe和fr之差fd，即为多普勒频移，它与气泡速度直接成线性关系。因而，测得流场中超声多普勒频移，即可获得当地气相速度。

连续的测量还可以得到前述气液两相流的分相各相速度和流量，如果配以多个其他类型的传感器，实现组合测量，则可以获得完整的气液两相流的流动参数。

本发明提供一种基于超声多普勒技术的气液两相流测量方法和装置。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。

技术实现要素：

本发明提供一种基于超声多普勒技术的气液两相流测量方法和装置。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。图1是基于超声多普勒技术的气液两相流测量装置的布局图。图中所示，该装置包括：测量管道(1)、超声信号发射器(2)、超声信号接收器(3)、数据采集与处理系统(4)、控制计算机(5)、压差流量计(6)。其连接关系是：

超声信号发射器(2)安装在被测气液两相流流动的测量管道(1)的管壁；

超声信号接收器(3)安装在超声信号发射器(2)对面；

超声信号接收器(3)连接数据采集与处理系统(4)；

压差流量计(6)位于测量管道(1)上，在超声信号发射器(2)的下游；

控制计算机(5)连接超声信号发射器(2)、超声信号接收器(3)、数据采集与处理系统(4)。

图2是超声多普勒技术测量气液两相流的各相含量的原理图。图中表示，沿着测量管道(1)中两相流流动方向上的剖面上，测量管道两侧安置超声信号发射器(2)，其对面安装超声信号接收器(3)。测量的过程中，超声信号发射器发射脉冲超声信号(7)，测量管道内两相流流动时，气泡(9)和液体(8)各相含量和分布的不断变化，由于超声测量体积有一定大小,其中所有的运动气泡都会产生多普勒频移信号,超声信号接收器(3)收到信号给出对该测量体积中所有信号进行平均后的结果。数据采集与处理系统(4)通过对回声信号进行快速傅里叶变换(FFT)分析,可以得到多普勒频移的频谱图,从而得到速度的频谱分布,在气-液两相流中,液相和气相之间存在着明显的滑移速度,在FFT给出的速度频谱分布中体现为明显的双峰分布。经过数字滤波和FFT逆变换，分别获得气液两相的分相速度。

附图说明

图1是基于超声多普勒技术的气液两相流测量装置的布局图；图中，1测量管道、2超声信号发射器、3超声信号接收器、4数据采集与处理系统、5控制计算机、6压差流量 计。

图2是超声多普勒技术测量气液两相流的各相含量的原理图；图中，1测量管道、2超声信号发射器、3超声信号接收器、7超声信号、8液体、9气泡。

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基于超声多普勒技术的气液两相流测量方法和装置的原理和结构。该方法和装置用于测量空气-水两相流的各相含量、速度和流量，以及总体平均速度、流量。该装置中的部件组成和连接关系与图1相同。

具体实施方式中，

测量管道(1)的截面为正方形、为长度为1m、内边为50mm、壁厚10mm、材料为有机玻璃。水平放置。

超声信号发射器(2)发射超声信号，透射空气-水两相流流体产生多普勒频移；

数据采集与处理系统(4)测量多普勒频移，进行数据处理，获得获得气-水两相流流场在测量出的瞬态成分；

控制计算机(5)连接、控制数据采集与处理系统(4)的运行，同时规定数据采集与处理系统(4)的连续的采样间隔，从而获得空气-水的分相速度；

压差流量计(6)在测量管道(1)的下游，测量总流量。