气液两相流界面波的双平行电导探针测量方法研究

1、气液两相流界面波的双平行电导探针测量方法研究第18卷第3期1997年7月计量actametrologicasiniovo【1&nq3july, 1997气液两相流界面波的双平行电导探针测量方法研究72李广军郭烈锦，睬学俊陈永利（西妥交通大学动力工程多相流国家重点实验室，西安710049）摘要使用积平行电导探针.通过侧量气液两相瞬时液膜厚度，来反映气液两相流 界而上的渡动规律，对此测量系统进行了理论和实验研究.根据界而坡的物理特性, 设计出一种能够快速准确地测量液膜厚度的电导探针系统并且提出了一种不受实 验条件变化影响的探针标定方法.通过对水平管内空气一水气葭两相流分层流界面 厚度的j曼

2、1量证明这种方法是切实可行的.关键词:气液两相流界面渡双平行电导探针,，1引言存在于气穰两相流气液界面上的界面帔不仅对气液两相流的传热传质和阻力特 性有很大的影响，而且也是计算两相流体动力学的基础，因此正确有效地对界面波进行测 量就成为了解这些特性的关键.但由于界面波具有变化快，影响因素较复杂等特点，这就对测 量界面波的探针提出应具有分辨率高仮应快,受外界影响小等要求到目前为止，主要有下4 种界面波测量方法:电导法;电容法;光学及射线法;高速摄影法自六十年代 以来，电导探针测量界面波越來越受到人们的重视，早期大都利用嵌入式电导探针，但这 种探针对大于2mm的液膜分辨率较差，目前大多利用双平行电

3、导探针来测量厚液膜.2测量原理2.1理论分析双平行电导探针自其出现以来即被广泛用于瞬时液膜厚度的测量它的应用基于 这样一个原理，即在一定的环境条件下，两探针之间液膜的电阻随高度而变化.并h有确 定的关系.般情况下,电解质的导纳是输入信号频率的函数口，文献【3,4提供了实用探针输 入信号选择方法，认为当输入信号频率高于100khz时.某些电解质(例如水)导纳的相位 为零，也就是说在如此高的输入信号频率下，电解质导纳中仅存在电阻分量.在与波长几百米的电磁波相比非常小的电解质区域，其电势变化可以忽略不计，因 此可以将电磁场看成是与时问无关的稳态场，则电解质的控制方程为：本文于19960405收到.奉

4、支为画家自然科学蓦金资助项目.计量1997年7月v4p(l)其中，工,p分别为电势和电解质中的源密度,因为在电解质中没有输入源，因此po, 则式变为一拉普拉斯方程：vh=0(2)气液界面和壁面一般为绝缘面,因此对所有的界面其边界条件为：=0般情况下，探针的电极都是利用低电阻材料(如钳，銘鎳等)制成的，因此探针的每一极可以认为是一等电势体，则对电极来说其边界条件为：.v詈蓑c假设电解质的电导率恒定并且是均匀的，则利用电磁波理论可得出流过两电极z 间的电流为：j二号 lvhldv(5)其中,v,分别为液体的电导率，两电极之间的电压和计算区域.则在某特定区域 的电阻可以用下式来计算：r二 vhizd

5、v这样可以利用式来研究电极的影响区域,koskle等l5对式(6)利用数值方法来确定探针周围提供在两电极之间具有90%99%电阻的区域实际上这一区域为一椭圆形区域，为简化计算，将电极影响区域当作是一长方形，其计算结果见图1.它为双电导探针的设计提供了理论依据.2.2探针设计应注意的问题电极直径的选择是探针设计能否成功的关键.一方面，电极直径应足够大以使其电阻与液膜电阻相比为最小;另一方面又应当足够小以尽量减小对流动的干扰下面两个流体效应决定电极直径的选择:第一是电极直径应足够小以使之对电极产生的振动可以忽略;第二是界面效应可以忽略不计.流动中的旋涡是产生振动的主要原因.如果流体扰流电极后产生旋

6、涡，则电极在垂直流动的方向振动,因为电极电阻随其长10 0度而变化，所以屯极的振动将引起屯极电阻的波动，从而给测量圉1探针的分辨区 域带来误差但当液体雷诺数re(以电极直径d为特征长度)在40150之间时，旋涡最容易引起电极的振动j,因此在设计探针时应尽量避开这一雷 诺数范围或通过改变电极的拉力将探针电极的固有频率移到这一范围之外.探针的振动在 输出信号中表现为噪声信号，如果电极拉的足够紧,则由于振动引起的噪声信号可以通过滤波 电路来除去.有两种界面效应影响探针的性能.(1)表面张力使液体在电极上形成弯月面，但弯 月面的高度小于电极的直径，到目前为止还没有一种方法能够用来测量电极上弯刀面的 大

7、小;界8鲫鲫曲加800曲八占挂辞呵彘搴i第18卷第3期李广军等:气液两和流界面波的双平行电导探针测量方法研究169 面上的弓形波以及振动也可能影响探针的输岀，但目前述不可能对这种影响进行 定量分析，文献的研究发现，当液膜厚度大于1mm时出现弓形渡的几率很小.探针两电极之间的间距也是探针设计的关键，间距越大，探针分辨率越低,但二者 之问的干扰较小湘反，间距越小，探针的空间分辨率越高,但此时两电极z间的干扰越大. 因此应当根据实际电极直径，加工精度以及测量精度，适当选择两电极的间距.3探针设计及探针输出信号的采集3探针结构设计根据以上的分析，同时考虑实际加工限制，在本实验屮，探针电极选用直径0.1

8、mm 的钳丝(低电阻特性)，探针两电极之间的距离为1.5mm(加工限制)，如图2所示在探针装 加过程中.两电极用祛码(150g)拉伸以增加其内部应力，从而提高电极的固有频率，以减小由 于液体屮的旋涡所引起的电极振动.据图1,以95%的总电阻为基础，木实验中，探针的空间分辨率在方向(即流动方向)为3ram,在方向为3.5ram.3.2探针输出信号处理电路探针的输入信号来源于一外部信号发牛器，木实验此信号是峰一峰值为1.5v,频率为100khz的正弦波信号.利圈2探针结构示意图甩此信号作为载波信号，为了获得液膜厚度与探针输出的定量关系,须对探针输出 信号进行懈调，为此作者根据界面波输出信号的特点,

9、设计出探针输出信号电子处理电路，如 图3此电路由以下4部分组成:(1)电流，电压转换;(2)全波整流;(3)二阶低通滤波;(4)放大电路; 最后可得到反映液膜高度的直流电压信号.本实验屮低通滤波器的截断频率选为5khz, 据文献6,对于100khz输入信号,5khz的截断频率不会对频率小于1khz的任何信号引 起明显的变形和扭曲.3.3数据采集系统图4为木实验的数据采集系统示意图. 图中测量电路如图3所示，探针输出信 号经过测量电路后,利用tektronix 2244双踪存储示渡器來实时跟踪，观察; 利用teacxr 一 5000型磁带记录仪对信 号进行定时记录，以便对信号作进一步的处 理,分

10、析;利用d高速采集板进行采集， 此采集板采用12位模数转换器，最高采集速 度30k/s.本实验屮选用量程为010v,则 数据采集的最大误差为10/40962%0.根据 多次实验发现，当釆集周期大于15s时，对3 种不同的采集速度（250,500,1000次/秒）， 根据采集数据计算得到的界面波的基本量圈3探针输出信号处理电路计量1997年7月（如液膜平均厚度，波幅等）没有明显的差 别,所以在本实验中数据采集速度选为250 次/秒，每个数据点的采集时间为16秒.采 集到的数据存储在磁盘和磁带屮，以便进一 步分析处理.3.4探针的标定电导探针测量液膜高度的原理在于液 膜电阻与探针输出信号在一定的环

11、境条件 下（温度和压力变化不大）存在必然的联系， 但目前双平行电导探针的理论还不成熟因 此在使用前必须进行标定，以获得液膜厚度图4数据采集系统示意图与输出电压的关系同时由于温度，压力等条件的变化，探针在使用过程中必须消 除液体电导率变化所带来的误差.为解决这一问题，本实验中利用一参考探针来消除液体电导率对液膜测量的影响. 此探针两电极用直径的钳丝制作,两极间距离为2mm.参考探针安装在实验段的 后部,它使用的处理电路与测量液膜厚度的探针使用的信号处理电路完全相同.只是参考探针 所测量的液膜厚度是恒定fi<(4tara)個此其输岀信号的变化就反映了液体电导率的变化.用于 液膜厚度测量的探针

12、的输出除以参考探针的输出而变成无量纲量，一旦测量探针标定成其 无量纲输出与液膜厚度的定量关系，流体的电导率就与标定曲线没有任何关系,这样也就消除 了实验过程屮由于液体电导率变化而引起所测液膜厚度的误差.3.5撮针的标定结果实验前对实验用探针进行了细致的标定，标定装置 如图5,具体标定方法如下:将带有探针的实验段两端 用法兰密封并严格调整水平;将探针连接到测量电路 屮;将测量电路联结好并打开所有相关电源;用容 器向探针实验段以及参考探针中加入自来水;用千分 尺测量实验段中的液膜厚度;采集各探针的输出，并 计算岀各探针的无量纲平均输岀,同时输入此工况的液 图5探针标定装置示意图膜厚度值，存入相应的

13、数据文件以备处理;再向探针实验段 中加入自来水，重复，直至达到所需的最大液膜厚度为 止;均匀减少探针实验段中的水量，重复以上步骤.图6是用上述方法得到的探针标定结果，横坐标为无量纲 电压在实际应用屮，每隔一定的时间都对探针进行标电图6 中给出了其中两次的标定结果，由图可知：(1)探针的无量纲输 出与液膜的绝对高度之间的线性度非常好，标定曲线都可以用直线来拟台;(2)探针的两次标定结果除个别点外几乎完全 重合，两次标定结果的最大相对误差为1.68%,这也证明了利 用参考探针来消除液体电导率的变化是完全可行且具有足够的 准确度图6探针的标定结果第18卷第3期李广军等:气液两相流界面波的双平行电导探

14、针测量方法研究171 4水平管内气液两相分层流液膜的测量木文利用自行设计的双平行电导探针对水平管内气液两相分层流的液膜厚度进 行了测量.实验段直径为50ram,全长6680mm.探针安装在距离水入1:34450mm的位置, 实验用工质为水和空气，详见文献【1图7给岀了 在液相速度不变情况下,随气相流速增 大，分层流条件下液膜厚度的测量结果. 由图可知，固定液相流速条件下,当气相 流速较小时界面上为外形较规则的二 维渡(2d),它类似于正弦渡;随着气相 流速的增大,界面上的波变得复杂，既存 在二维渡.也存在三维波;当气相速度增 大到一定的程度,界面上出现一种大振 幅波(la),亦即文献定义的滚动

15、波 (rollwav&amp;),这种波具有以下的特征： 振幅较大，波峰前后严重不对称,波峰前部很短且较陡山肖,波峰后部则较长且变 化较平缓;增大气速，则出现液体粒子被 高速气流卷吸到管道的上部，亦即出现 卷吸工况(at);再增大气速，则出现环 状流(anu)上述有关气液两相分层流界而特性的实验结果与文献7,8,9在水平管内 观察到的结果完全一致.区*1 二二二=二二二二二,v 9.026m/sla3v 10.93 m/sat9 mniiu.i,3v15at3v119245 啡 ai圈7探针输出典型信号(l=o.0736m/s)图8比较了不同流动工况下，根据探针输出信号计算 得到的液膜

16、厚度的概率密度函数p(h).由图可见:在二维100 波区域p()变化范围较小,>l关于其峰值较对称,表明此80 时界面波振幅较小,外形较规则;在大振幅渡区域,(h)分目 布范围比二维渡区域大得多，关于其峰值也极不对称.表明三. 此时界面渡振幅较大，外形不规则;在卷吸和坏状流区域 界面波特征与大振幅波区域相同，如图所示.5结论八,血?s04812162024a/oo田8探针信号概率密度函数信号木文从界面波的物理现象出发,根据界面波产牛的特占八、(1) 设计出能够快速，准确测量界面厚度的双平行电导探针,通过对气液两相在水 平管内流动的测量，证实了用这种探针来测量气液两相分层流的界面波是切实可

17、行的.(2) 根据双平行电导探针的特点.给出了一种探针的有效标定方法，它能够通过一 参考探计量1997年7月针消除实验过程中液体电导率的变化，因此在实验中无需考虑电导率的变化.(3) 设计出双电导探针输出信号的电子处理电路及信号测量系统根据实验结果分 析，比较发现，测量，处理屯路性能稳定，输出可靠.参考文献1李广军管内气液两相流界面波特性研究博士论文西安:西安交通大学,1996.2brunsteinj,robbinsgdelectrolyticconductancemeasurementsandcapacitivebalance,chemeduc,1971,48:5259.sconeymwe.

18、thetheoryandapplicationofconductanceprobeformeasuementofliquidfil mthicknessintwophaseflow.,physe:sciinstrum, 1973,6:903910.4brownrc,andreussip,zanellis.theuseofwireprobesformeasurmentofliquidfilmhic knessinanntllargasliquidflowcan,chert, 1978.56:7547575koskieje,mudawari,tiedermanwgparallel一wireprob

19、eformeasurementofthickliquidfilmslnt,multi,mf/o989,15(4):521 5306kanghc.kimmhthedevelopmentofaflush一wireprobeandcalibrationmethodformeasurementliquidfilmthickne .int,multiphxtseflow, 1992,18(3):4234377miyam,woodrnanseede,hanrartytjamodelofrollwavesingasliquidflow.(engng懿,1971,26:1915 19318shij,kccam

20、ttstmaogulharig.interracialmeasurementinxiitalstratifiedflowpatternsnuclaere.gi一neo4nganddesig,l 994.49:81 96.9andritsosn.hmarattytj.interracialinstabilityforhorizontalgas一liquidflowinpipelines. 1 nt,multiphasefto 叫987.13:583603developmentoftwoparallelwireconductanceprobeformeasuringlnstantaneousliquidfilm