氣液兩相彈狀流和塞狀流流速聲電雙模態(tài)測量方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種氣液兩相彈狀流和塞狀流分相流速聲電雙模態(tài)測量方法，采用一個內(nèi)含雙壓電陶瓷晶片的超聲換能器和電容電導電學傳感器；法包含：利用電學傳感器獲取兩相流的含水率時間序列H(t)；對接收信號進行時頻分析，計算每一時刻t的測量空間內(nèi)離散相速度；計算測量空間內(nèi)內(nèi)離散相速度；對彈狀流和塞狀流進行區(qū)分；提取彈體的含水率或氣塞的含水率；提取彈體內(nèi)氣泡的流動速度，氣塞的流動速度；計算連續(xù)相和離散相之間的曳力；計算管壁對連續(xù)相的剪切力；利用數(shù)值迭代類算法求解，得到彈體內(nèi)液相的真實流速或塞狀流中液相的真實流速；計算兩相流分相流速。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
氣液兩相彈狀流和塞狀流流速聲電雙模態(tài)測量方法
本專利技術(shù)屬于流體測量
，涉及一種超聲傳感器與電學傳感器組合的測量方法，用于氣液兩相彈狀流和塞狀流分相流速的無擾動式測量。技術(shù)背景兩相流廣泛存在于日常生活與工業(yè)生產(chǎn)過程中，例如食品加工，生物工程，化工產(chǎn)業(yè)，冶金工業(yè)和石油產(chǎn)業(yè)等行業(yè)，主要表現(xiàn)形式包括氣液兩相流、液液兩相流、液固兩相流和氣固兩相流等。與單相流相比，兩相流的流動狀態(tài)更為復雜，因此兩相流的在線過程參數(shù)檢測一直是科研和工業(yè)關注的重點。當管道中出現(xiàn)彈狀流和塞狀流時，會對管線和沿線固定設施造成較大沖擊，嚴重時會危及生產(chǎn)安全。因此，對于氣液兩相彈狀流和塞狀流含水率和流速(流量)的測量對流動狀態(tài)監(jiān)測、生產(chǎn)安全等方面具有重大意義。然而，氣液兩相彈狀流和塞狀流因其具有流動狀態(tài)變化劇烈的特點，難以實現(xiàn)其流動過程參數(shù)的無擾動式測量。水平管道內(nèi)氣液兩相彈狀流和塞狀流中，當氣體流量較高、液體流量較低時，其流動狀態(tài)呈現(xiàn)為典型的彈狀流，在一個彈狀流單元內(nèi)，包括彈體和液膜區(qū)(或被稱為彈尾)兩部分，其中彈體為液體攜帶大量氣泡，液膜區(qū)氣、液兩相呈現(xiàn)出近似波狀流或?qū)恿鞯牧鲃訝顟B(tài)，當流速較高時，也轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀流。而當氣體和液體流量較低時，氣泡會聚集成氣塞，形成塞狀流。目前，氣液兩相流的流速(流量)測量主要包括兩種方式：單相流量計和互相關流量計。單相流量計優(yōu)勢在于測量行為通常較為直接，且測量結(jié)果的物理意義明確。比較典型的例子有渦輪式流量計，但是在測量的同時，其節(jié)流裝置會對流體的流動狀態(tài)產(chǎn)生擾動和破壞并帶來壓損，彈狀流的巨大沖擊還會對單相儀表造成損壞。而文丘里流量計或者差壓式流量計又無法排除相含率變化對測量結(jié)果造成的干擾。對于氣液兩相流流速測量，基于不同敏感原理的互相關流量計同樣被廣泛研究和使用，例如超聲法、電學法、光學法和射線法等，但其測量所得流速并非為兩相流平均流速，測量結(jié)果也往往受到流型的影響。相比以上測量方式，超聲多普勒方法具有非侵入、結(jié)構(gòu)簡單、原理明確、價格低廉等優(yōu)勢。首先，超聲多普勒法對流體流動狀態(tài)不產(chǎn)生干擾。其次，基于連續(xù)波的超聲多普勒流速測量方法是通過聲波在流體中散射體(氣泡)上形成的多普勒效應獲取反射體的流動速度，因此其所測速度的物理意義明確，即測量空間內(nèi)所有散射體的平均真實速度。但是，彈狀流和塞狀流流動過程中波動較大，需首先消除波動帶來的干擾，獲取氣相真實流。此外，在實際流動過程中，離散相和連續(xù)相之間存在相對滑動的現(xiàn)象，因此采用雙流體模型，并結(jié)合電容電導傳感器所獲取的實時含水率信息，計算得到水相的真實流速，最終獲得氣液兩相流分相流速。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是在現(xiàn)有技術(shù)的基礎上，新提出一種利用超聲多普勒傳感器與電學傳感器準確測量管道內(nèi)氣液兩相彈狀流和塞狀流分相流速的方法。本專利技術(shù)的技術(shù)方案如下：一種氣液兩相彈狀流和塞狀流分相流速聲電雙模態(tài)測量方法，采用一個內(nèi)含雙壓電陶瓷晶片的超聲換能器和基于電容電導的電學傳感器；超聲換能器的測量空間覆蓋整個管道截面，用于獲取兩相流總表觀流速；電容電導傳感器用于獲取分相含率；所述超聲換能器安裝于管道底側(cè)，換能器內(nèi)部雙晶片均被傾斜安裝于聲耦合材料上，以保證晶片的法線方向與水平流動方向夾角為θ；所述雙晶片超聲換能器用來發(fā)射和接收超聲波；其中，換能器一側(cè)晶片負責發(fā)射超聲波，另一側(cè)晶片負責接收超聲波，且在上述兩晶片之間放置隔音材料以抑制干擾；所述電容電導傳感器與超聲換能器同時安裝于管道之中；該測量方法包含如下步驟：1)利用電學傳感器獲取兩相流的含水率時間序列H(t)；2)對接收信號進行時頻分析，計算每一時刻t的測量空間內(nèi)離散相速度Udop(t)：每一時間段內(nèi)的接收信號通過傅里葉變換得到其頻率f(t)，將其與超聲發(fā)射信號的頻率f0相減，即可得到測量空間內(nèi)散射體運動所引起的頻移fd(t)，計算測量空間內(nèi)內(nèi)離散相速度其中，為平均頻移，C為聲波在固體聲耦合材料中的傳播速度；3)通過對比時間序列H(t)和Udop(t)，對彈狀流和塞狀流進行區(qū)分：當H(t)中波峰所出現(xiàn)的時刻在Udop(t)中對應為波谷時，當前流型為塞狀流；反之，當H(t)中波峰所出現(xiàn)的時刻在Udop(t)中對應為波峰時，當前流型為彈狀流；4)設定閾值hg，提取一段時間T內(nèi)彈體的含水率Hs或氣塞的含水率Hp：對于彈狀流，對每一時刻t的含水率H(t)進行判斷，得到表征該短時間內(nèi)彈體內(nèi)含水率的數(shù)值集合Hsi(i＝1,2,3,…n),對Hsi或Hpi取平均值，得到液彈體內(nèi)含水率對于塞狀流，得到表征該短時間內(nèi)彈體含水率的數(shù)值集合Hpi(i＝1,2,3,…n)，對Hpi取平均值，得到氣塞體含水率5)設定閾值thg，提取同一段時間T內(nèi)彈體內(nèi)氣泡的流動速度Ugs，氣塞的流動速度Ugp：對每一時刻t的測量空間內(nèi)離散相速度Udop(t)進行判斷，大于閾值時，保留原值，反之，則舍棄該值，從而得到表征該短時間內(nèi)液彈或氣塞流動速度的數(shù)值集合Ui(i＝1,2,3,…n)，對Ui取平均值，得到液彈體內(nèi)氣泡的流動速度或氣塞的流動速度6)計算連續(xù)相和離散相之間的曳力Fdrag：對于流體中的離散相，曳力表達式為：Ug是氣相真實流速，若為彈狀流，Ug＝Ugs，若為塞狀流，Ug＝Ugp；Uw是液相的真實流速，彈狀流中Uw＝Uws；塞狀流中Uw＝Uwp；H是含水率，彈狀流中H＝Hs，塞狀流中H＝Hp；ρw是液相密度；d32是離散相的索特平均直徑，其與離散相最大直徑dmax的關系為：d32＝0.62dmax；離散相最大直徑dmax的計算方法為：D為管道內(nèi)徑；CD是拖曳系數(shù)，對于不同流動狀態(tài)下，其中相對雷諾數(shù)μw是液相動態(tài)黏度；7)計算管壁對連續(xù)相的剪切力fw是穆迪摩擦因子，ε是管內(nèi)壁的相對粗糙度；Rew是液相雷諾數(shù)，定義為8)在流體流動狀態(tài)穩(wěn)定時，離散相和連續(xù)相分別處于受力平衡的狀態(tài)，有將Fdrag，τw，Hs或Hp，Ugs或Ugp帶入中，可得到關于Uw的一元非線性方程，利用數(shù)值迭代類算法求解，得到彈體內(nèi)液相的真實流速Uws或塞狀流中液相的真實流速Uwp；為增加迭代速度，Uws或Uwg的迭代初值設置為與Ugs或Ugp相等；9)計算兩相流總表觀流速：對于彈狀流，J＝UwsHs+Ugs(1-Hs)；而對于塞狀流J＝UwpHp+Ugp(1-Hp)10)計算兩相流分相流速：對于塞狀流，液相流速為Jwp＝JHp，氣相流速為Jgp＝J(1-Hp)；對于彈狀流，液相流速為Jws＝JHs，氣相流速為Jgs＝J(1-Hs)。本專利技術(shù)的實質(zhì)性特點是：利用雙晶超聲多普勒探頭獲取測量空間內(nèi)離散相流速，利用電學傳感器獲取兩相流分相含率。通過雙流體模型，帶入所測得的離散相真實流速與兩相流分相含率，計算得到連續(xù)相的真實流速。最終結(jié)合兩相流的分相含率與真實流速，實現(xiàn)分相流速的測量。本專利技術(shù)的有益效果及優(yōu)點如下：1)該方法為無擾動的測量手段，不會對流體產(chǎn)生任何的擾動；2)測量方便，速度快，成本低，能夠準確地測量管道內(nèi)兩相流的分相流速、總表觀流速與分相含率。附圖說明以下附圖描述了本專利技術(shù)所選擇的實施例，均為示例性附圖而非窮舉或限制性，其中：圖1本專利技術(shù)的測量方法中雙晶超聲換能器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本專利技術(shù)的測量方法中超聲多普勒測量空間示意圖；圖3本專利技術(shù)的測量方法中聲電雙模態(tài)傳感器示意圖；圖4本專利技術(shù)的測量方法流速計本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種氣液兩相彈狀流和塞狀流分相流速聲電雙模態(tài)測量方法，采用一個內(nèi)含雙壓電陶瓷晶片的超聲換能器和基于電容電導的電學傳感器；超聲換能器的測量空間覆蓋整個管道截面，用于獲取兩相流總表觀流速；電容電導傳感器用于獲取分相含率；所述超聲換能器安裝于管道底側(cè)，換能器內(nèi)部雙晶片均被傾斜安裝于聲耦合材料上，以保證晶片的法線方向與水平流動方向夾角為θ；所述雙晶片超聲換能器用來發(fā)射和接收超聲波；其中，換能器一側(cè)晶片負責發(fā)射超聲波，另一側(cè)晶片負責接收超聲波，且在上述兩晶片之間放置隔音材料以抑制干擾；所述電容電導傳感器與超聲換能器同時安裝于管道之中；該測試方法包含如下步驟：1)利用電學傳感器獲取兩相流的含水率時間序列H(t)；2)對接收信號進行時頻分析，計算每一時刻t的測量空間內(nèi)離散相速度U

【技術(shù)特征摘要】
1.一種氣液兩相彈狀流和塞狀流分相流速聲電雙模態(tài)測量方法，采用一個內(nèi)含雙壓電陶瓷晶片的超聲換能器和基于電容電導的電學傳感器；超聲換能器的測量空間覆蓋整個管道截面，用于獲取兩相流總表觀流速；電容電導傳感器用于獲取分相含率；所述超聲換能器安裝于管道底側(cè)，換能器內(nèi)部雙晶片均被傾斜安裝于聲耦合材料上，以保證晶片的法線方向與水平流動方向夾角為θ；所述雙晶片超聲換能器用來發(fā)射和接收超聲波；其中，換能器一側(cè)晶片負責發(fā)射超聲波，另一側(cè)晶片負責接收超聲波，且在上述兩晶片之間放置隔音材料以抑制干擾；所述電容電導傳感器與超聲換能器同時安裝于管道之中；該測試方法包含如下步驟：1)利用電學傳感器獲取兩相流的含水率時間序列H(t)；2)對接收信號進行時頻分析，計算每一時刻t的測量空間內(nèi)離散相速度Udop(t)：每一時間段內(nèi)的接收信號通過傅里葉變換得到其頻率f(t)，將其與超聲發(fā)射信號的頻率f0相減，即可得到測量空間內(nèi)散射體運動所引起的頻移fd(t)，計算測量空間內(nèi)內(nèi)離散相速度其中，為平均頻移，C為聲波在固體聲耦合材料中的傳播速度；3)通過對比時間序列H(t)和Udop(t)，對彈狀流和塞狀流進行區(qū)分：當H(t)中波峰所出現(xiàn)的時刻在Udop(t)中對應為波谷時，當前流型為塞狀流；反之，當H(t)中波峰所出現(xiàn)的時刻在Udop(t)中對應為波峰時，當前流型為彈狀流；4)設定閾值hg，提取一段時間T內(nèi)彈體的含水率Hs或氣塞的含水率Hp：對于彈狀流，對每一時刻t的含水率H(t)進行判斷，得到表征該短時間內(nèi)彈體內(nèi)含水率的數(shù)值集合Hsi(i＝1,2,3,…n),對Hsi或Hpi取平均值，得到液彈體內(nèi)含水率(Hsi＞0)；對于塞狀流，得到表征該短時間內(nèi)彈體含水率的數(shù)值集合Hpi(i＝1,2,3,…n)，對Hpi取平均值，得到氣塞體含水率(Hpi＞0)；5)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：譚超，董虓霄，董峰，
申請(專利權(quán))人：天津大學，
類型：發(fā)明
國別省市：天津,12