田 季， 方立德， 李小亭， 吕晓晖， 李婷婷

(河北大学 质量技术监督学院，河北 保定 071002)

弹状流工况下的气液两相流双参数测量*

田 季， 方立德， 李小亭， 吕晓晖， 李婷婷

(河北大学质量技术监督学院，河北保定071002)

由于两相流动的复杂性，利用实验测量手段实现两相流的准确测量成为目前研究的热点。在弹状流流型的工况条件下选取了30个实验点，利用新型气液两相流检测装置进行测量实验，结果表明：液相含率测量相对误差在4.3 %以内，总流量测量相对误差在1.6 %以内，为气液两相流双参数测量研究提供了一种新的思路。

气液两相流； 弹状流； 检测装置； 相含率； 流量测量

0 引 言

在气液两相流系统中，由于两相间的相互作用，存在时间与空间上随机可变，导致两相流系统具有复杂的流动特性，描述两相流动的参数也各有不同[1～3]。气液两相流参数的测量按是否分离，可分为完全分离法、部分分离法、非分离法三类。非分离法是一种理想的检测方法，一般采用组合法实现。用2种或2种以上的传感器测得气液两相流总流量和相含率，进而计算得到分相参数，是组合测量的方法之一。

差压流量计是国内外公认的适合测量气液两相总流量的传感器，Murdock用气水混合物实验，给出了修正的分相流动模型计算式[4]；Chisholm假设气液两相流流经孔板时做分相流动，通过气液两相流动量方程式导出孔板分相流测量模型[5]。天津大学徐英等人以双差压长喉颈文丘里流量传感器为测量手段，通过计算流体动力学仿真技术预测了湿气气、液两相流量[6]。

另外，气液两相系统中的相含率检测方法有多种，利用近红外光谱学技术进行测量相含率是其中一种[7～11]。卢庆华利用近红外吸收特性根据向量距离对气液两相系统竖直管道中的泡状流、弹状流、环状流及乳沫状流进行了流型识别[12]。李明明提出了将近红外探头沿流体流动方向安装的设计思路，并通过实验证明了新型气液两相流检测装置在利用近红外测量相含率上的优势[13]。而基于新型气液两相流检测装置实现相含率与流量的双参数测量需要进一步研究。

本文利用竖直方向布置的新型气液两相流检测装置测量流型为弹状流工况下的30个工况点并建立了测量模型，实现了近红外测量相含率与差压法测流量相结合的双参数测量。

1 实验装置

新型气液两相流相含率检测装置改变了原有探头垂直于流体流动方向放置的安装方式，采用探头沿流体流动方向放置的轴向测量形式，检测装置的结构示意如图1所示。

图1 装置结构示意

检测装置通过法兰盘安装在竖直管道上，待测流体流经前直管段，扩张管段后，通过过渡弯管流入测量管道中，测量管道为沿装置轴线均布的8个直管段，内径、长度均相同，在每个测量管段的两端分别布置有近红外发射探头和接收探头，待测流体流经测量管道后通过过渡弯管、收缩管段、后直管段后流入实验系统管道，形成回路，在变径管段前后设置取压孔。

取压孔连接差压变送器，测量对应位置的压力差。实验过程中每改变一个流量点首先稳定2 min，待流体达到稳定状态后，开始采集。信号采集时间设置为1 min，随机抽取300个数据点利用差压法测量待测流体流量。

近红外发射和接收探头连接实验数据采集单元，通过采集光强信号测量待测流体的相含率。测量装置将主测量管道进行分支，使被测流体平均分配到8根小管道中，在小管道两侧轴向安装近红外探头，保证近红外发射装置发出的近红外光完全被相应的接收装置接收，减少了光路在管道中复杂传播对测量产生的影响，提高了测量的准确性与可靠性。

2 相含率检测与数据分析

在实验装置为全气和全水工况下，利用近红外测量系统测量检测装置中8个测量支管对应的电压信号，分别求取通道0～7的采样信号平均值得到全气相的电压信号UG0～UG7及全液相的电压信号UL0～UL7。对每个所设实验工况点，采集每个测量支管的电压信号，求取采样信号平均值得到工况点的电压信号UN0～UN7。实验过程中水路的温度、压力和气路的温度、压力等参数由多相流模拟系统的软件NI采集系统测量获取。

依据流动过程中设置的分相流量值及分相温度、压力及混合后的温度、压力等值，可得到实际液相含率。液相含率计算公式如式(1)所示

(1)

式中Ql为水相体积流量，m3/h；Qg为气相体积流量，m3/h；Pg为气路压力，Pa；Tg为气路温度，℃；Pb为背景压力，Pa；Tb为背景温度，℃。

将采集到的实时数据提取平均值，求得每个工况点下液相体积含率，作为实际液相含率。利用数据处理分析软件得到通道0～7的采样电压值比值UN/UL与相含率之间的回归曲线，如图2所示。

图2 采样电压比值与相含率的回归关系

观察每个采样通道的光强信号比值IN/IL及采样电压比值UN/UL与相含率之间的关系，假设测得的光强比值与相含率存在的数学模型为

(2)

式中a～h为待定系数。将弹状流测量时的试验数据代入统计产品与服务解决方案(statistical product and service solutions,SPSS)中，进行参数迭代分析，得到弹状流的拟合公式，拟合效果较高。

表1 拟合效果

拟合结果中

(3)

确定各系数值, 则得到测量弹状流时的计算模型

(4)

分别将测得电压值对应到该数学模型中，得到液相含率，比较计算液相含率与利用入口参数所求得的实际液相含率的绝对误差，并求得两者之间的相对误差。弹状流液相含率计算值与实际值对比如图3所示，有93 %的点相含率的计算值与实际值的相对误差在3 %以内，全部点的相对误差在4.3 %以内。

图3 相含率计算值与实际值对比

3 流量测量与数据分析

基于差压流量计的气液两相流流量检测原理，可知气液两相流流量计算为

(5)

式中Qt为气液两相流混合体积流量，m3/h；C为流出系数，无量纲；D为管道口径，m；ΔP为两相流动测得的差压，Pa；ρm为工作状况下节流件上游处混合流体的密度，kg/m3；β为等效直径比，无量纲；ε为气体膨胀系数，无量纲。

气体膨胀系数为固定值，管道口径和等效直径比是由装置尺寸参数确定的固定值，混合密度可通过相含率计算求得。所以利用公式进行流量计算，需要先求取流出系数的计算公式。

采用SPSS软件中的神经网络模型对弹状流总流量进行预测，以气液两相总流量为因变量，将试验过程中可能影响到测量结果的变量如混合温度、混合压力、液相含率、差压、混合密度、佛罗德(Froude)数等均作为协变量参与到预测模型中。预测过程中，使用多层感知器(multilayer perceptron，MLP)模型，培训与测试的相对比例为7︰3。预测中止后观察中止原因，若显示已达到培训错误中止标准，则预测有效。本次预测结果中训练相对错误为0.004，测试相对错误为0.001。利用神经网络得到的预测值与实际值关系对比，并计算预测值与实际值相对误差，预测值与实际值的相对误差在4 %以内，观察各参量在预测过程中的重要性，发现液相Froude数的重要性位居首位，混合密度次之，各参量重要性如图4所示。

图4 各变量在预测过程中重要性比例

观察弹状流实验数据发现，在固定水流量的状态下，随着气流量的增加流出系数呈降低趋势，且流出系数与液相含率呈一次线性关系。在神经网络预测过程中，由于Froude数在神经网络预测过程中占重要性比例较大，因此,引入无量纲量液相Froude数Frl，对弹状流流量进行求解。用一次线性函数拟合得到流出系数与液相含率及液相Froude数存在以下关系

C=(77.512 48×Frl+0.005 49)×βl+

104.277 23×Frl-0.003 76

(6)

根据计算流出系数值和测量的差压值代入式(5)求得计算流量值，对比实际流量与计算流量的变化趋势，并且根据两者数值计算其相对误差，误差分布在1.6 %以内，总流量计算值与实际值对比如图5所示。

图5 总流量计算值与实际值对比

在实际应用中，需通过差压信号估算总流量，结合红外信号测得的含率信息求液相流量值进而得到液相Froude数，利用式(6)求得流出系数值，代入式(5)求总流量，完成一次迭代运算。经过多步迭代运算后达到收敛条件(相邻两次迭代运算总流量相对差值小于0.1 %)，得到最终两相流总流量测量值，结合近红外信号测得含率值即可求得各分相流量值。

4 结 论

针对弹状流流型下的30个工况点，利用新型气液两相流检测装置在多相流模拟系统上进行了两相流动态测试，其中液相流量测量范围为0.4～3 m3/h，气相流量测量范围为0.12～0.6 m3/h。通过对实验数据处理分析，建立了实验工况条件下液相含率测量模型及流量测量模型，液相含率测量相对误差在4.3 %以内，总流量测量相对误差在1.6 %以内，新型气液两相流检测装置实现了双参数测量，测量方法简单，准确度高。

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Two-parametermeasurementofgas-liquidtwo-phaseflowbasedonslugflow*

TIAN Ji, FANG Li-de, LI Xiao-ting, LÜ Xiao-hui, LI Ting-ting

(SchoolofQualityandTechnologySupervision，HebeiUniversity,Baoding071002,China)

Due to the complexity of two-phase flow, the accurate measurement of two-phase flow by means of experimental measurement has become a hot research topic.30 experimental points are selected under the condition of slug flow, and the measurement experiment is carried out by the new-type detection device of gas-liquid two-phase flow.The results show that the relative error of liquid phase fractions is less than 4.3 %,and the relative error of total flow measurement is less than 1.6 %.This study provides a new idea for the study of two parameter measurement of gas-liquid two-phase flow.

gas-liquid two-phase flow; slug flow; detection device; phase volume fraction; flow measurement

10.13873/J.1000—9787(2017)12—0016—03

TH 814; TP 212.9

A

1000—9787(2017)12—0016—03

2017—10—13

国家自然科学基金面上资助项目(61475041)； 国家自然科学基金专项基金资助项目(61340028)

田 季(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为多相流参数检测技术。