楊 悅 李洪偉 周云龍

(東北電力大學，吉林 吉林132012)

氣-液兩相流在能源、化工及醫(yī)學等領域被廣泛應用，而環(huán)狀流是兩相流的一種基本表現(xiàn)形式。壓降梯度、空泡份額、管壁液膜厚度及壁面剪切力等是兩相流的基本參數(shù)，其中壁面剪切力對流型的影響尤為重要。在流體力學中，像粘性阻力及流動轉捩等重要參數(shù)都可以通過測量壁剪切應力來獲得，同時也可用于探測湍流結構，因此測量壁面剪切力對氣-液兩相流的研究極其重要。

目前，眾多學者已經(jīng)提出了壁面剪切力的測量方法，雖然方法不同，但是大體可以分為直接測量和間接測量兩大類。直接測量技術比較有代表性的是浮動天平法，即當空氣流過此器件時，可以直接感受到表面摩擦阻力的大小；間接測量的技術有Preston管、Stanton管、底層隔板法、速度型法及液體蒸發(fā)膜等方法，這種方法是通過測量其他參數(shù)，然后通過這些參數(shù)與剪切應力之間的關系來確定剪切力的大小。

但上述方法存在幾個問題：干擾流場、對循環(huán)液體的組分和應用環(huán)境有較高的要求。這幾個問題的存在對檢測手段提出了新的要求。為了降低實驗結果的誤差，同時提高信號處理的速度，筆者采用雙脈沖電流源法來測量壁面剪切力，以LabVIEW為平臺搭建了集數(shù)據(jù)采集與計算于一體的壁面剪切力測量系統(tǒng)，既降低了成本，又對流型沒有影響。將檢測結果與其他方法進行對比，發(fā)現(xiàn)該方法的誤差比較小，適合檢測剪切力。通過此方法也能驗證剪切力與管路的磨損和流型變化的關系，為今后的研究工作提供參考。

1 實驗設計①

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)由氣路、水路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和測試段組成，如圖1所示。氣路由空氣壓縮機、孔板流量計和閥門組成；水路由離心式水泵、流量變送器和閥門組成；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器和計算機組成。通過調(diào)節(jié)氣相與液相的流量可以出現(xiàn)環(huán)狀流型，穩(wěn)定環(huán)狀流的具體工況見表1。

圖1 實驗系統(tǒng)

液相溫度℃氣相溫度℃ 表觀液速 (±0.05)m·s-1表觀氣速(±0.05)m·s-110130.237.2710.4812.8210130.4412.8217.3520.43

實驗中涉及到的參數(shù)測量具體采用的裝置如下：

a. 流量測量?？諝饬髁客ㄟ^孔板流量計測量，水測量通過NT546E型電磁流量計測量。

b. 電壓測量。電壓信號通過PCI-8360A數(shù)據(jù)采集卡進入主機。

1.2電導式傳感器

筆者設計了雙脈沖電流源，電流由直流恒流源來提供，通過快速切換正負極性，使占空比達到50%以滿足實驗用電流源，其原理如圖2所示。電導式傳感器在兩相流電學敏感特性基礎上對連續(xù)相為導電介質(zhì)的流體進行測量[1,2]。由于環(huán)狀流液膜很薄且流型結構獨特，所以電極的選擇應遵循如下原則：較好的可靠性、易于安裝、較高的頻率響應特性、無擾動非侵入、成本低?？v向環(huán)形電極法尤其是四電極的內(nèi)部電場分布雖然不夠均勻，但可通過調(diào)整電極對的位置使其位于均勻的電場區(qū)域，最適合本實驗的測量。圖1中實驗段的主體為傳感器，具體結構如圖3所示。4個圓環(huán)黃銅電極依次布置在有機玻璃管上，電極之間的間距一定。傳感器在電流的激勵下，反映出電壓信號。為保證流型不被破壞，電極的厚度與有機玻璃管相同。

圖2 雙脈沖電流源發(fā)生電路

圖3 實驗段結構

電導測量法的信號質(zhì)量取決于電場的分布特性。傳感器的幾何結構直接影響電場的分布。筆者通過數(shù)學物理方程解析環(huán)狀流形成時傳感器內(nèi)的電場分布，并對傳感器的幾何結構進行優(yōu)化設計，得到了較好的軸向電流、軸向電壓分布及徑向電流等特性指標。本裝置中有機玻璃管總長為1 000mm，通過權衡和優(yōu)化，取激勵電極對的中心間距為80mm，取檢測電極對的中心間距為10mm，這兩對電極均沿幾何中心對稱分布，激勵電流為1mA。激勵電極高度的增加會使場內(nèi)電流密度增加，使徑向均勻度下降。因此綜合考慮，將電極高度取為3mm，厚度與管壁一致。

2 LabVIEW平臺建立

2.1平臺建立

首先要制作動態(tài)鏈接庫，流程為：建立動態(tài)鏈接庫的C代碼，在VC++中編譯產(chǎn)生dll，執(zhí)行編譯命令成功后，在工程目錄debug中，可以看到*.dll文件，可被LabVIEW調(diào)用。接下來開始編寫測量程序。實驗需要測量的參數(shù)為水的流量、空氣流量和響應電壓。流量測量與電壓同步進行。測量程序需實現(xiàn)開關切換和實驗數(shù)據(jù)正常采集，用動態(tài)鏈接庫技術調(diào)用所需的庫函數(shù)。

根據(jù)研究，氣-液兩相環(huán)狀流的頻率一般在20kHz以下，當激勵源選擇20kHz的切換頻率時，根據(jù)乃奎斯特采樣定理[3]，采樣頻率必須在40kHz以上，這將造成嚴重的過采樣。而LabVIEW可實現(xiàn)毫秒級時間延遲，在雙脈沖電流源某周期的半個周期采樣一次，之后延遲一段時間繼續(xù)采集。采樣頻率是必須確定的重要參數(shù)，筆者綜合考慮后，將采樣率設定為500Hz。在每個激勵周期內(nèi)，響應電壓信號是正、負交替的，在電壓信號前半周期和后半周期的80%處各采樣一次(由高精度定時器動態(tài)庫函數(shù)實現(xiàn))，然后將這兩次A/D采樣結果的差值用軟件差動的方式作為最終測得的電壓[4]：V0=V01-V02，其中V01、V02分別為在正向和反向激勵下檢測電極的輸出電壓。這樣，在保證采樣頻率均勻、數(shù)據(jù)正負性單一的同時，測量電壓也變?yōu)閱蜗蛎}沖電流激勵的兩倍，無形中將系統(tǒng)精度提高了一倍。通過A/D采樣的差值還可以消除采用直流激勵源的低頻噪音。因此，改進的激勵電流源使電路的成本降低、結構簡化，還提高了數(shù)據(jù)采集精度。激勵源系統(tǒng)軟件程序流程如圖4所示。

圖4 測量程序流程

通過動態(tài)鏈接庫技術，調(diào)用采集卡函數(shù)和高精度定時器函數(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和脈沖控制功能，根據(jù)實驗需要設置參數(shù)。脈沖電流切換頻率為20kHz，而采樣頻率為500Hz，且采集點在每半個周期的80%處。這樣在激勵開始后延遲20μs進行首次采樣，以后按周期采樣。筆者先將While循環(huán)控件和時間延遲控件嵌套在平鋪式順序結構控件里，再以每次采樣點數(shù)為條件將其整體嵌入外層While循環(huán)控件，最后根據(jù)函數(shù)與控件、函數(shù)間的邏輯關系，搭建數(shù)據(jù)采集模塊與脈沖控制模塊程序框圖，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集與脈沖控制模塊程序

2.2實驗誤差處理

由環(huán)狀流形成的條件可知，氣體速度較高，裝置振動相當強烈，嚴重影響工況穩(wěn)定性。另外，采集卡中的信號和雙脈沖電流源中的信號都較弱，信號在普通導線中傳輸時極易受外界干擾，使測量精度受到很大的影響。信號傳輸均采用雙芯屏蔽線。經(jīng)測試，明顯提高了測量精度，取得了良好的效果。

3 測試與分析

液膜厚度檢測機理為：傳感器內(nèi)液膜厚度隨著氣-液兩相液膜電阻的變化而變化，當對激勵電極施加恒定電流激勵時，采集檢測電極上輸出的電壓信號，并通過液膜厚度與電壓之間的關系，換算出液膜的厚度。

環(huán)狀流的橫截面積：

(1)

根據(jù)電阻定義式可得：

(2)

由歐姆定律可得：

(3)

再聯(lián)立式(1)～(3)得到：

(4)

式中D——實驗管內(nèi)徑；

I0——恒流源的電流；

Lm——檢測電極間長度；

Vm——采集到的電壓；

γ——水的電導率[5]。

驗采集了20組不同的水流速度下形成穩(wěn)定環(huán)狀流時的數(shù)據(jù)，選取液相表觀流速Vsl和氣相表觀流速Vsg不同的3組測量值進行說明，實測曲線如圖6所示，壁面剪切力的變化為不規(guī)則的波狀曲線，在峰值附近斜率很大，呈現(xiàn)快速增大和快速減小的狀態(tài)，對管壁產(chǎn)生強烈的沖擊。圖7為所測得的電壓與壁面剪切力之間的關系。

圖6 剪切力實測曲線

圖7 壁面剪切力-電壓曲線

由圖6可知，當測量電壓低于30V時，壁面剪切力隨著電壓的增大而快速增大；當測量電壓在20V時變化趨勢放緩，爬坡一小段后這種趨勢重新變大，在30V時達到最大值，之后小幅回落，趨于穩(wěn)定。前面板在線監(jiān)測曲線如圖8所示。

圖8 LabVIEW測量系統(tǒng)前面板

為了驗證實驗系統(tǒng)的可靠性，利用高速攝影法測量了對應工況下統(tǒng)計的平均液膜厚度，通過換算關系式計算出壁面剪切力值，并與本方法實測值進行對比，結果如圖9所示。

圖9 實測壁面剪切力與高速攝影法對比

圖9中，壁面剪切力兩種測量值總體趨勢較為接近，說明了本測量系統(tǒng)方法較為準確，但還是存在一定誤差，無論在硬件的設計優(yōu)化上還是軟件模型的構造上都還有待于進一步探索和提高。

4 結論

4.1采用雙脈沖電流法測量壁面剪切力，對比其他方法，該方法具有算法原理簡單、不干擾流場及適用范圍廣等優(yōu)勢，且受環(huán)境的影響較小，對工作介質(zhì)的要求不高。

4.2基于LabVIEW平臺的壁面剪切力系統(tǒng)具有操作簡單、方便、成本低且智能化等優(yōu)勢，其與Matlab結合的方式在測量壁面剪切力時具有較好的效果，適合在線測量。

4.3通過將雙脈沖電流法實測值與高速攝影法測量值比較，證明筆者所采用的方法基本可以達

到測量要求，但還有進一步提高的空間，是筆者后續(xù)所要研究的方向。