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涡轮流量计测量管内气液两相流动的绕流圆柱压


文章日期:2018-06-12|阅读数:


摘要:提出了绕流圆柱压差一涡轮联合测量气液两相流的方法,研究了管内气液两相流的绕流圆柱压差一涡轮流量测量特性。以计算机为检测手段,进行了容积含气率分别为。、0. 3, 0. 5, 0. 8和1. 0两相流工况的测量,在分析实验数据的基础上,建立了气液两相流的绕流圆柱压差一涡轮流量测量方程,获得了气液两相流的绕流圆柱压差一涡轮流量测量方程的特性。
1、引言:
   气液两相流及其测量在化工、动力、石油等工业中广为存在,进行气液两相流测量研究具有重要现实意义。管内气液两相流测量方法有多种,主要有节流法、激光全息干涉、高速摄影、激光多普勒测速、光导纤维③、r射线衰减等。
  此外还有声学、热学、电磁学和示踪法等〔4]    两相流测量可利用流体的动压、动量矩和离心力等流体力学原理进行。涡轮流量计是基于流体的动量矩原理测量流量,由于两相流的复杂性,故涡轮流量计多与差压式测量系统组合成双参数测量系统,测量两相流.
2、绕流圆柱压差一涡轮测量原理:
   测量系统中,管内气液两相流的测量是由柱体压差传感器和涡轮流量计联合测试得到.    涡轮流量计根据动量矩守恒原理为测量基础,当被测流量大于一定值时,流量和转动频率间有近似线性关系式(5)               f=kQ+c  。
式中系数k除受流体的密度和粘度影响外,几乎只与几何参数有关.上式一般用于单相流体测量,对于多相流情况则有所不同.    气液两相流体流动并冲击涡轮叶片,若涡轮以。- 2nf的角速度旋转,则推动涡轮转动力矩为
计算公式
  式中k,与结构尺寸、流体性质和流动状态有关.若涡轮流量计结构已确定,则T与}m和Pm有关,并受到流动状态的影响.    涡轮流量计的稳态方程为
将式(2)代入式(3)并写成式(1)的形式= BMm+b式中    TF2nrzPmQm由于气液两相流的含气率夕和Pm相关,不难看出,B是与夕有关的流量系数,从理论上讲,R增大,则Pm减小和B增大;TF /rz是较小的值,b主要与Pm和Q二有关,当Q.相当大时,b可忽略.    如把气液两相流绕圆柱压差计流动视为一维流动,并将两相流作拟均相处理,其压力方程为
                               △P~}MZml2pma2
(5)对于气液两相流更多采用以下一般形式
                                   
 △P~AMm  
 (6)式中,A  = }/2pmaz是与a有关的系数,n理论值为2,实际中n=1.5^'6,且和召有关.另一方面,A和n受柱体形状的影响.    当管内气掖两相流绕圆柱压差计流动,压差计输出电压信号Vm,其值与△p成幕函数关系,流经涡轮流量计时,涡轮流量计输出频率信号f,故由式(4)和式(6)可得巧了-topB<月)Mm+bA (,Q)Mm'(7)式(7)即为管内气液两相流绕流圆柱压差一涡轮流量测量方程.当测取△P和f后,由此联立方程可解出a和五么.,说明采用此方法测量管内气液两相流流量在理论上是可行的.

3、实验简介:
   本实验是在油、气、水实验台上进行,图i是实验回路.单相水经水泵到水稳压器后进入单相水路,单相水的流量由孔板测出.单相气由空气压缩机进入空气稳压器,再进入单相气路,单相气流量由孔板测出.气、水混合后进入实验段,先流经圆柱压差计输出压差电压信号,经稳定段后,进入涡轮流量计输出频率信号.气液两相流出实验段后,进入气液分离
图1气液两相流管内流动测量实验系统
图1气液两相流管内流动测量实验系统
气液两相苦内流动实验工况表
气液两相苦内流动实验工况表
器,水返回水箱,气排放.    实验段中,压差计垂直放置,涡轮流量计水平放置.实验段为}63mm X 2mm的不锈钢管.压差计入口稳定直段长1. 5m,出口稳定段长3m,涡轮流量计入口稳定段长1. 6m,出口稳定段长0. 8m.    实验工况见附表.实验中,当Mm增加时,混合压力约增加2800}压力影响可认为较小,研究中未予考虑.
4、流动特性及测量方程分析:
4. 1、流动稚定性:
   管内气液两相流绕圆柱流动,实验表明其流动状态具有相当的时均稳定性.图2是在同一工况下,30s内所测取的气液两相流绕流圆柱压差值,时均差为1. 57 0 o,由此可看出本实验中管内气液两相流绕柱体流动的流动状态具有相当的时均稳定性.实验流动参数,如流型、气液流动速度等,均比较稳定.
4. 2、响应与R的形响:
   图3和图4分别示出管内气液两相流绕流圆柱压差一涡轮流动,在月分别为。,0. 3,0. 5,0. 8和1. 0时Mm与f和V二间的关系.由图3看出f与Mm呈线性关系,由图4看出Vm与Mm呈幕函数关系,符合式(7)的数学描述.
图2圆柱压差传感器输出信号随时间变化曲线

图2圆柱压差传感器输出信号随时间变化曲线
图3气液两相流混合质量流量与涡轮频率关系  图4气液两相流混合质量流量与绕流柱体压差关系

图3气液两相流混合质量流量与涡轮频率关系  图4气液两相流混合质量流量与绕流柱体压差关系
    进一步分析图3可看出,用涡轮流量计测量管内气液两相流,其Mm与f直线的斜率随8增大而增加.理论分析可知,Mm相同而8大的气液两相流的体积流量大,两相流速高,故涡轮转速高,输出的频率值大.因此,涡轮流量系数B是R的增函数,用计算机对实验数据进行数学回归,其表达式为          B=54. 31一1602. 89夕+14179. 70z一32373. 008'+21611.60(3"   (8)需说明的是月= 0. 3时的实验曲线与其它工况曲线变化趋势有些不符,分析认为主要是实验误差较大所致.同理,对另一个系数b<户进行处理,得其数学表达式            bcR>=17. 30一1826. 36月+5875. 298,一4793. 84月,+521. 76月‘(9)    从图4看出,当月=0和1. 0时,即为单相流体时,Mm和△p几乎呈线性关系,当气液两相流时((OGRG1)}Mm与△p呈幂函数关系,和理论分析一致.a对特性曲线的影响是复杂的,从实验结果看,随着8从。开始增加,特性曲线开始偏离单相特性曲线,随R继续变大,特性曲线偏离程度从大到小,***后复归为单相特性曲线.对实验数据进行处理,获得特性方程(7)的系数n和A的经验式              n(8)=1. 47+56. 55月一220. 09刀z+332. 12月3一158. 5184       (10)          A(卢)= 28. 93一1508. 808+9066.558,一17780. 908'+10939. 10R'     (11)A具有流动局部阻力系数的物理意义,因此它和流体的流动状态有关,对于气液两相流,流体的流动除受Re数的影响外,还受尹的作用,前者表征了流体的动态特征,后者反映了流动的流型.


4. 3、流量方程特性:
   经验式(8)一式(11)描述了管内气液两相流绕流圆柱压差一涡轮流量测量方程的全部系数,创门皆为a的4次多项式形式,因此,无法获得解析解.下面以数值解描述测量方程的特性.    将式(7)第1式改写为
图5气液两相流绕流圆柱压差一涡轮测量方程的特性

图5气液两相流绕流圆柱压差一涡轮测量方程的特性

  ***小Mm‘为原则,确定测量方程的***终解.    管内气液两相流绕流圆柱压差一涡轮测量方程中Mm的数值解见图6.从图中可以看出,压差计对于两相流动状态的敏感性小于涡轮流量计,不同压差解的曲线非常接近,当、f>800Hz,所有压差曲线几乎重合,这表明此时压差计对流动状态的分辨能力几乎丧失.    图6所示的月和Mm曲线直接与4个系数式〔式(8)~式(11)〕有关,如前所述,.系数计算式是对实验数据作数学回归得出的,未做机理性的修改,所以,这4个表达式缺乏物理意义,特别是A(户和b(户.因此,在此基础上的测量方程的数值解物理意义不明显.    关于管内气液两相流的绕流圆柱压差一涡轮流量测量理论的进一步研究,本文认为有2个环节:,从流体力学角度深入研究两相流绕非流线体的流动机理,优选出绕流压差对流动状态敏感性好的非流线体,改善流量测量方程的特性;其次,以更丰富的实验数据为基础.从理论上建立流量方程的系数方程,从而彻底解决流量测量方程的理论计算问题.
图6气液两相流绕流圆柱压差一涡轮测量方程数值解

图6气液两相流绕流圆柱压差一涡轮测量方程数值解
符号说明
符号说明
符号说明


5、结论:
   实验研究和理论分析表明:绕流圆柱压差一涡轮流量测量管内气液两相流动是完全可行的;管内气液两相流的绕流圆柱压差一涡轮流量测量方程可计算管内气液两相流的含气率和质量流量,从实验中获得流量测量方程表明两相流动状态对柱体压差的敏感性小于对涡轮频率的敏感性,其特性需进一步改进.


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