姚 磊,吳月峰,李士寧（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河北 保定 071000）

氣液兩相流測量技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

姚 磊,吳月峰,李士寧
（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河北 保定 071000）

摘 要：隨著氣液兩相流測量技術(shù)的進(jìn)步，氣液兩相流理論得到充分發(fā)展，也為工程實(shí)踐提供了有力工具。本文主要介紹了近年來氣液兩相流對流量測量與流型檢測的新技術(shù)。在流量測量領(lǐng)域，本文主要介紹了傳統(tǒng)單相流量計(jì)、多流量計(jì)測量、分流分相法、超聲波法。在流型檢測方面主要介紹了，高速攝影法、層析成像法、信號特征分析法，以及小波變化法等實(shí)時(shí)檢測方法。

關(guān)鍵詞：氣液兩相流；流量測量；流型檢測

氣液兩相流的測量技術(shù)的進(jìn)步對其理論和工業(yè)實(shí)踐的發(fā)展有著重要的意義。對于兩相流基本參數(shù)的測量呈現(xiàn)出多樣化的趨勢。例如，針對氣液兩相流流量測量林宗虎，王棟等提出分流分相的氣液兩相流體的測量方法，最終測量誤差小于5%，效果比較理想；胡俊介紹了一種基于壓差法的V形內(nèi)錐式流量計(jì)，結(jié)果表明利用該流量計(jì)采用經(jīng)典的林宗虎模型對流型進(jìn)行檢測是可行的。

1　流量測量技術(shù)

（1）傳統(tǒng)分離式流量測量技術(shù)。根據(jù)測量過程中是否對兩相流分離可將氣液兩相流流量測量技術(shù)分為分離法和非分離法。傳統(tǒng)的分離法應(yīng)用分離設(shè)備將汽液混合物分離成單相氣體和液體后，再通過普通單相流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量。常用的單相流量測量儀器有差壓流量計(jì)、渦街流量計(jì)、文丘里管、孔板式流量計(jì)、靶式流量計(jì)、節(jié)流原件等。

對于傳統(tǒng)的分離方法雖然有著穩(wěn)定性強(qiáng)，測量精度高、測量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)但是其體積龐大，造價(jià)過高，造成其經(jīng)濟(jì)性較差。

（2）多流量計(jì)測量。因流量計(jì)的指示值不僅與各相流量有關(guān)，還與兩相流體的干度相關(guān)，因此在更多的情況下，采用兩種不同特性的流量計(jì)組合測量。例如：節(jié)流元件-多孔動壓探針（笛形管），孔板-文丘里管，靶式流量計(jì)-渦輪流量計(jì)，文丘里管-渦輪流量計(jì)，垂直上升壓差-垂直下降壓差。該方法裝置簡單，但測量范圍小，受到具體流型的制約。

近些年對單個流量計(jì)與射線流量計(jì)組合研究更加深入。

（3）分流分相法。前以述及分流分相的氣液兩相流測量方法，其原理是通過分流分相的方法，從被側(cè)兩相流體中成比例的分流、分離出一定份額的單相氣體和單相液體，經(jīng)單相流量計(jì)計(jì)量后根據(jù)比例關(guān)系確定出兩相流體的各相流量。

被測兩相流體流過分配器時(shí)被分成兩部分：一部分兩相流體(80%～95%)沿原通道繼續(xù)向下游流動，稱這部分流體為主流體，這一支路為主流體回路；另一部分兩相流體(5%～20%)則進(jìn)入了分離器，稱這部分流體為分流體，這一支路為分流體回路.分流體經(jīng)分離器分離后，氣體和液體分別進(jìn)入氣體流量計(jì)和液體流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量，最后又重新與主流體匯合。

（4）超聲波法。超聲波測速原理基于超聲波在靜止流體中的傳播速度不同，即對于固定坐標(biāo)系來說，超聲波傳播速度與流體的流速有關(guān)。

清華大學(xué)王鐵峰，王金福等在超聲多普勒測速儀在液-固和氣-液兩相測量應(yīng)用中指出超聲多普勒測速儀實(shí)現(xiàn)了非接觸式測量，并且能得到瞬態(tài)速度的空間分布。由于超聲波測得的是流體的流速，故通常是與密度計(jì)結(jié)合，用于測量流體的質(zhì)量流量。

2　流型檢測技術(shù)

氣液兩相流流型的檢測技術(shù)對實(shí)際工程應(yīng)用起著非常重要的作用。通過控制流動參數(shù)可以避免有害流型的出現(xiàn)，保證設(shè)備安全運(yùn)行。目前流型檢測方法包括信號特征分析法、層析成像法、高速攝影法等前處理方法，小波分析法等后處理方法。

（1）特征信號分析法。特征信號分析法指通過分析傳感器的隨機(jī)信號特征來進(jìn)行流型識別。接收這些信號的傳感器主要包括電學(xué)、光學(xué)、熱膜、差壓和γ射線傳感器等。

隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展新型探針的應(yīng)用，氣液兩相流的測量變得更加切實(shí)可行，比如光纖探頭、電導(dǎo)探頭、熱膜探頭等。

（2）壓差法。差壓法，也稱壓差法，壓差波動法是通過采集氣液兩相流動的壓差信號，并對壓差信號進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的流型識別方法。這種壓差信號是由于管內(nèi)局部點(diǎn)上氣、液介質(zhì)的交替出現(xiàn)而產(chǎn)生的。對獲得的信號進(jìn)行分析處理，再與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，可以對流行實(shí)現(xiàn)客觀的智能識別。其中對于噪聲的處理采用小波包技術(shù)，后面將述及。

（3）過程層析成像法。層析成像也稱計(jì)算機(jī)層析成像，指在不影響測量對象內(nèi)部特征的條件下，從外部獲得的測量對象不同方向的投影數(shù)據(jù)，然后通過計(jì)算機(jī)重建測量對象內(nèi)部的二維/三維圖像。過程層析成像技術(shù)主要以工業(yè)過程尤其是兩相流和多相流為檢測對象，具有非接觸性與實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)。

（4）高速攝影法。高速攝影法就是利用高速照相機(jī)或攝像機(jī)，通過透明管段或透明窗口拍攝流體的運(yùn)動狀態(tài)，再利用計(jì)算機(jī)獲取拍攝到圖片對典型的流型圖像進(jìn)行簡單的預(yù)處理，使得敏感對比更加信命，噪聲盡量減小，以于特征的提取。

但高速攝影法存在兩個問題：一個問題是由于多相流具有復(fù)雜的界面，易產(chǎn)生相對多重的反射或和折射而影響成像清晰度。另一個問題是由于采用高速攝影，所得信息太多，因而又帶來了分析或處理這些數(shù)據(jù)的困難。

（5）小波分析法。小波包分析簡稱小波分析，能夠?yàn)樾盘柼峁┮环N更加精細(xì)的分析方法，它將頻帶進(jìn)行多層次劃分，對分辨分析沒有細(xì)分的高頻部分進(jìn)一步分解，并能夠根據(jù)被分析信號的特征，自適應(yīng)地選擇相應(yīng)頻帶，使之與信號頻譜匹配，從而提高了時(shí)-頻分辨率，因此小波包具有更廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

3　結(jié)束語

通過對各個氣液兩相流動參數(shù)測量方法的分析，一種良好的測量技術(shù)或檢測方法必須具有成本低、應(yīng)用范圍廣、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、系統(tǒng)工作可靠、安全等特點(diǎn)。在流量測量方面多種方法綜合使用或分流分相法，以及對這些方法的優(yōu)化將是未來研究的熱點(diǎn)。在流型檢測方面，對層析成像法、信號處理的各個發(fā)法的深入研究，以及對各個模型的優(yōu)化和組合利用的是目前的趨勢。

參考文獻(xiàn)：

[1]王棟,林宗虎.氣液兩相流體流量的分流分相測量法[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2001(05):441-444.

[2]王棟,林宗虎.一種新的氣液兩相流體流量計(jì)──三通管型分流分相式兩相流體流量計(jì)[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2001(04):488-491.

[3]王棟,林益,林宗虎.取樣管型分流分相式氣液兩相流體流量計(jì)[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2002(02):235-237.

[4]王棟,林益,林宗虎.轉(zhuǎn)鼓分流分相式氣液兩相流體流量測量技術(shù)研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2002(05):457-460.

[5]陳珙,黃志堯,王保良,李海青.小波變換辨識流型一種新方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),1999(02):117-120.

[6]白博峰,郭烈錦,趙亮.汽(氣)液兩相流流型在線識別的研究進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展,2001(03):437-446.