气液两相流中含气率的测量

气液两相流中含气率的测量

1两相流相含率的测量由于界面的形状和各相流的分布呈现出可变形式，两相流的研究，尤其是两相流参数的研究和测量，带来了很大困难。两相流的相含率—含气率、含水率是两相流中的重要参数,并广泛存在于热能动力、空调制冷、石油化工、航空航天、核能等领域中,它对两相流流动与传热特性、两相流基础理论的研究、数学模型的建立以及工业设计、多相流计量、设备控制等均十分关键,因此,准确地测量两相流相含率具有十分重要的意义。目前,国内外对两相流相含率的测量研究较多,有电容法、电导法、射线衰减法、微波法、光纤探针及电导探针法等。这些方法大多是利用气液两相的介电常数不同、对射线的衰减不同、对微波的吸收能力不同以及对光的折射率不同而进行测量的。这些方法各有千秋,但由于各方面因素的影响,例如,射线辐射对人体的影响、测量方法对介质参数范围的选择性、价格因素等,使这些技术的应用仍然受到一定的限制,所以目前两相流相含率的测量研究依然活跃。本文采用了一种结构简单的差压式测量方法进行两相流相含率-含气率及含水率的测量研究,该方法的研究将为进一步进行油气水多相流及多相流流量测量的研究打下基础。2带相流与水双相流相含率的测量试验是在西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室油气水三相流试验台上进行的。试验介质为:水、空气及机油。试验系统由水、空气、油三个回路、试验段及测量系统组成。水、空气、油的流量由混合前各单相回路的流量测量装置测量。试验参数如下:压力:2×105Pa～6×105Pa工质温度:0～45℃折算液速:0.05～1.40m/s气液两相流与油水两相流相含率的测量装置如图1所示,该测量装置由水平段、垂直上升段、垂直下降测量段及该段出口调节阀、垂直下降旁通段、气液分离器、均流器组成。测量装置中,水平与垂直上升段组合用以测量气液两相流体的截面含气率值;垂直下降测量段用以测量油水两相中的含水率值,当油气水三相流经气液分离器分离后,由于垂直下降测量段的直径小于垂直下降旁通段以及下降测量段出口阀门的调节作用,故仅使分离后的极少量油水混合物流入垂直下降测量段,此时由于管内流速很低,两相摩擦压降可忽略,则含水率仅与重位压降相关,通过重位压降的在线测量,便可获得含水率值。水平、垂直上升、垂直下降旁通段均采用φ51mm×3.5mm不锈钢管制成,以减小管壁粗糙度,降低摩擦压降,突出重位压降,提高测量精度。各测量段长1000mm。3试验结果与分析3.1屋顶质量分析3.1.1管内截面含气率测量对于垂直上升段内的流体,可写出其动量守恒方程式:式中,-∂p/∂z为管道总压力降,以Δp表示;τoP/A为垂直上升段内的摩擦压力降,以△pfu表示;为加速压力降,以△pa表示;gρtpsinα为重位压力降,以△pg表示;故式(1)可变为:根据两相流平均密度ρm模型,则有:将式(3)代入式(2),忽略加速压降,则截面含气率为:上式中,△p实测可得,只要获得△pfu的值,便可求解得到截面含气率α。差压法测量截面含气率的关键,是以水平段摩擦压力降替代垂直上升段的摩擦压力降,以获得垂直段重位压降,从而获得该管段内流体的平均密度,根据各相流体的已知密度,进一步计算得到管内的平均截面含气率值及质量含气率x(或容积含气率β)。但由于两相流的复杂性,两相相界面、流型等的影响,直接用水平段的摩擦压力降替代垂直上升段的摩擦压力降,必然会引入较大的误差,为此,考虑流型的影响,建立水平段摩擦压降替代垂直上升段摩擦压降间的修正关系式,以减小直接替代引入的误差,是差压法测量截面含气率的关键。3.1.2流型分布图检测流型是差压法测量截面含气率的重要影响因素,明确相同流动条件下水平段与垂直上升段中各自的流型及其区别,是建立上述修正关系式的基础。为此,根据本文试验数据,并根据流型图及流型判别式,获得了本次试验中垂直上升段及水平段的流型分布图。水平段与垂直上升段流型分别依据Mandhane及Hewitt流型图判别,图2与图3即为本次试验参数范围内垂直上升段及水平段的流型分布图:从图2、3可见,水平段和垂直上升段的流型是不完全一致的。在本次试验中,水平段流型主要为弹状流,垂直上升段则主要为块状流、弹状流及环状流。为此,将本文水平段和垂直上升段流型所对应的状况简化为弹状流-弹状流、弹状流-块状流、弹状流-环状流,并以此为基准,建立水平段与垂直上升段摩擦压降间替代的修正关系式。3.1.3压降的基本理论回归试验中,水平段的摩擦压降可直接测量获得,对于垂直上升段的摩擦压降,通过上节所获得的流型,分别采用LockhartMartinelli、Chisholm-Baroczy、Friedel三种不同的分相流动模型计算了该段内各种流型下的摩擦压力降值,并将计算结果代入式(4),解得截面含气率及质量含气率x,并通过最终得到的质量含气率偏差的大小来确定各流型下垂直段摩擦压降的计算方法。在上述理论计算的基础上,通过与对应水平段摩擦压降的测量结果进行数学回归与处理,从而建立三种流型下垂直上升段摩擦压降△pfu与水平段摩擦压降△pfh间的修正关系式。在所建关系式中,引入了压力修正系数c,c=f(ρg/ρl)。所建关系式如下(压力4×105～6×105Pa):弹状流-环状流:弹状流-弹状流:弹状流-块状流:3.1.4截面含气率测定图4为当压力=6×105Pa时,用本文差压法,即用摩擦压降修正公式后测得的截面含气率值与经典的阿尔曼特及LochartMartinelli理论计算公式计算所得的截面含气率比较图。用理论方法计算截面含气率时,以单相气路和水路测得的质量含气率折算体积含气率后计算。由图可见,本文测得的结果与经典公式计算结果符合较好。当截面含气率低于0.8时,差压法测量值比理论计算值偏小;高于0.8时,测量值比阿尔曼特法高,但低于Lockhart-Martinelli法。在测量得到截面含气率α后,本文直接建立了质量含气率与截面含气率间的关系式,按α<0.6,α=0.6～0.7,α>0.7分段建立了x与α的关系式:x=f(Re,Fr,ρl/ρg,α)。当α=0时,β=0,x=0,曲线过零点,符合客观规律。当α=1时,β≠1,x≠1。这是因为在环状流时,存在一向上攀升的液膜,液膜附着在管壁上,当液量一定,随气量的变化,气液界面间剪切应力发生变化。随气量减少,附着在管壁上的液膜由轴向输运改为径向,形成鼓型液膜。气量进一步减小,鼓型液膜有可能向下移动,导致阻液发生,产生上述状况。图5为用本文差压法测得的质量含气与标准质量含气率间的关系曲线,从图中可见,大部分点的误差均在10%范围内,误差较大的数据点多集中于低质量含气率区,在数学上,这一区域因分母较小被称为病态区,因此,这一区域的误差相对较大。3.2分辨率测量3.2.1试验设备及程序当气液两相通过气液分离器分离后,设计并产生一缓流的垂直下降测量段,以使流入该段的油水混合物流速低,使摩擦压降《重位压降,满足该测量段总压降近似等于重位压降的条件,从而可测得混合液的平均密度,并根据油水密度,进而获得含水率及含油率值。为确定本方法的可行性,本文设计了一套试验系统,用机油和水按一定比例混合后进行试验研究。试验在快、中、慢三个流速及静压下(流速为0)重复四次进行。三个试验流速各自的平均值分别为:0.0079、0.1186、0.2663m/s,含水率为0～100%。3.2.2测量含水率测量与测量压力降值与标准值的关系图6为不同含水率下三个流速及静压下垂直下降测量段中油水混合物总压力降(扣除引压管压降)比较图。由图可见,除流速为0.2663m/s的点误差略偏大外,在较小的油水混合物流速下,流速对压力降的影响极小,不同流速下测得的总压力降值与静压下基本相等,换句话说,不同流速下的总压力降基本等于该测量段的重位压降,流速对含水率测量的影响极小。测量压力降值与标准值的偏差在±4.9%内。由图还可看到,随着含水率的增大,压力降值逐渐增大,这一规律亦符合重位压降随含水量增加而增大的变化规律。图7为三个流速下测量得到的质量含水率平均值与标准含水率的比较图。由图可见,测量值与标准值基本呈线性关系且偏差较小,大部分点的偏差均小于8%,偏差值在含水率较低时相对较大,随着含水率增大,偏差逐渐减小,最小时仅为0.08%。因此,用本方法测量含水率值是可行的,且具有较高的精度。有效地控制流速,将可获得更高的测量精度。4测量结果分析(1)流型影响本文试验流型大都为两相流中脉动最大、最不稳定的弹状