曹志旭 張超 張炳東

摘? ?要：氣液兩相流彈狀流是兩相流中較為常見的流型，其形成受入口效應(yīng)的影響，與管路入口來流的氣相流量、液相流量、管路設(shè)備的振動(dòng)情況以及氣液兩相流的流動(dòng)速度等因素有關(guān)，是一個(gè)較為復(fù)雜的隨機(jī)過程。為了方便開展研究，掌握兩相流彈狀流的流動(dòng)特性及規(guī)律，本文提出一種通過實(shí)驗(yàn)測量的方法，來標(biāo)定兩相流彈狀流流動(dòng)特性，根據(jù)氣液兩相流中氣體和液體電導(dǎo)率不同的特點(diǎn)，制作一種內(nèi)嵌入管道中的電導(dǎo)探針，通過測量設(shè)備電路中的電信號(hào)變化，分析得出氣液兩相流彈狀流的液彈長度以及液彈頻率，為開展兩相流彈狀流的流動(dòng)研究和維護(hù)設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：氣液兩相流? 彈狀流? 液彈長度? 液彈頻率

中圖分類號(hào)：TH814? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）11（a）-0091-03

在石油天然氣、能源化工以及水動(dòng)力等方向，氣液兩相流已經(jīng)逐漸成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，石油工業(yè)中油氣多相流動(dòng)研究更是從上世紀(jì)初便大范圍地開展。彈狀流最顯著的特征即是在流動(dòng)過程中，液塞和大氣泡交替往復(fù)出現(xiàn)且充滿整個(gè)管路，在實(shí)際工程中，則會(huì)出現(xiàn)氣液兩相流流量不穩(wěn)定變化的情況，導(dǎo)致管路壓降和管路出口背壓發(fā)生無序波動(dòng)的問題，嚴(yán)重時(shí)兩相流的波動(dòng)頻率與管路設(shè)備的固有頻率發(fā)生共振，會(huì)影響上下游相關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行。

目前，專家學(xué)者們從事最多的研究方向?yàn)樗焦芎拓Q直管中的氣液兩相流動(dòng)特性研究，浙江大學(xué)楊志勇[1]通過對(duì)高速攝影設(shè)備記錄管路中的流動(dòng)情況，通過對(duì)圖像處理分析，進(jìn)而對(duì)小管道氣液兩相流參數(shù)進(jìn)行總結(jié)，通過實(shí)驗(yàn)可知，使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來識(shí)別管路中兩相流的流型[2]、使用擬三維重建的方法[3]測量管路中兩相流體的相含率的做法是可取的，這為微小通道中氣液兩相流相關(guān)參數(shù)的測量和研究提供了可靠的參考。來自中國石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院的王權(quán)等[4]對(duì)傾角較大的氣液兩相流管路中的流動(dòng)特性進(jìn)行了一系列研究，通過設(shè)計(jì)、建立氣液兩相流混輸管路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬地形起伏時(shí)出現(xiàn)的大傾角氣液兩相混輸管路中的流動(dòng)情況，給出了氣液兩相流的流型與壓力波動(dòng)特性規(guī)律。Yang， Yan，Li， Jingbo等[5]在研究濕天然氣的起伏管路輸運(yùn)過程中輸運(yùn)系統(tǒng)的氣液兩相流動(dòng)特性時(shí)，計(jì)算了起伏管路氣液兩相流流動(dòng)特性參數(shù)，同時(shí)對(duì)管路中的氣液的兩相分布、管路起伏時(shí)彎管部分的速度和壓力分布進(jìn)行了探究，也對(duì)不同截面的氣相、液相流量、持液率以及出口氣液流量情況展開了分析研究。

1? 電導(dǎo)探針的原理

在模擬實(shí)驗(yàn)所需的兩相工質(zhì)中，氣相與液相的導(dǎo)電性優(yōu)劣存在明顯的差異，可根據(jù)管路內(nèi)不同相工質(zhì)的導(dǎo)電性優(yōu)劣來標(biāo)定和區(qū)分氣相與液相，如圖1所示。

依據(jù)兩相工質(zhì)導(dǎo)電性優(yōu)劣的明顯差異，當(dāng)裝置與氣相工質(zhì)接觸時(shí)，其導(dǎo)電性較差，裝置內(nèi)電流較小，裝置輸出的電信號(hào)值較低;當(dāng)裝置與液相工質(zhì)接觸時(shí)，其導(dǎo)電性較好，裝置內(nèi)電流較大，裝置輸出的電信號(hào)值較高;如此交替，當(dāng)氣液兩相流流過電導(dǎo)探針時(shí)，裝置輸出的電信號(hào)則會(huì)隨之發(fā)生周期性變化，通過處理電信號(hào)變化監(jiān)測圖，便可得出液彈和氣彈的交替情況，從而計(jì)算得出兩相流彈狀流的流動(dòng)特性參數(shù)[6-8]。

2? 液彈頻率和長度的實(shí)驗(yàn)測量

通過實(shí)驗(yàn)測量的方法，在氣液兩相流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，分別對(duì)θ=0°的水平管和傾角為θ=2°、θ=5°的管路進(jìn)行液彈數(shù)量及采樣時(shí)間的測量，進(jìn)而計(jì)算出不同傾角或氣液折算速度下液彈頻率f的變化規(guī)律，用液彈個(gè)數(shù)N除以采樣時(shí)間t來表示，即：

圖2給出了傾角θ=0°的水平管中，所測得電信號(hào)曲線隨時(shí)間的變化情況，橫軸為采樣時(shí)間，縱軸為電導(dǎo)探針?biāo)鶞y得的電信號(hào)變化情況。由圖可知，由于重力方向與流動(dòng)方向夾角較大，加之波動(dòng)影響，氣彈和液彈的交替并不規(guī)則，共出現(xiàn)波峰的數(shù)量約為7，即N=7，采樣時(shí)間為t=10s，經(jīng)計(jì)算求出頻率f=0.7。

圖3給出了傾角θ=2°的傾斜上升管中，所測得電信號(hào)曲線隨時(shí)間的變化情況，橫軸為采樣時(shí)間，縱軸為電導(dǎo)探針?biāo)鶞y得的電信號(hào)變化情況。由圖可知，氣彈液彈交替較為規(guī)則，共出現(xiàn)較為明顯的波峰3個(gè)，即N=3，采樣時(shí)間t=10s，經(jīng)計(jì)算求出頻率f=0.3。

圖4給出了傾角θ=5°的傾斜上升管中，所測得電信號(hào)曲線隨時(shí)間的變化情況，橫軸為采樣時(shí)間，縱軸為電導(dǎo)探針?biāo)鶞y得的電信號(hào)變化情況。由圖可知N=8，t=10s，求出頻率f=0.8。

液彈長度因其具有不穩(wěn)定性和周期性，我們不能準(zhǔn)確的描述某一工況下液彈長度，故對(duì)其的測量呈現(xiàn)出的結(jié)果為平均液彈長度，我們用液彈的速度τs與經(jīng)過探針時(shí)滯留的時(shí)間ut的乘積來表示，即：

3? 結(jié)語

本文采用理論結(jié)合實(shí)踐的研究方法，通過采用電導(dǎo)探針這一工具，精確直觀地監(jiān)控電信號(hào)的變化，使兩相流的測量結(jié)果更加精準(zhǔn)具體，有效避免了圖像分析法可能出現(xiàn)的誤差。

（1）在測量兩相流彈狀流的過程中，入口處工況條件即兩相流流速、流量、持液率以及波動(dòng)情況等都將直接影響到流型的形成，進(jìn)而影響電導(dǎo)探針測量精度，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)上，要保留充分發(fā)展段，使兩相流彈狀流平穩(wěn)的經(jīng)過電導(dǎo)探針。

（2）實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)傾角為θ=0°、θ=2°、θ=5°的傾斜上升管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果客觀性不夠充分，還需補(bǔ)充進(jìn)行大傾角以及負(fù)傾角的實(shí)驗(yàn)管路，探究總結(jié)相關(guān)規(guī)律;另外，為了保證結(jié)果準(zhǔn)確，還可進(jìn)行電導(dǎo)探針的布置方式和結(jié)構(gòu)的探究改造，使得測量工具最優(yōu)化。

（3）對(duì)兩相流彈狀流深入的實(shí)驗(yàn)研究，能全面的總結(jié)出兩相流彈狀流的流動(dòng)特性及變化規(guī)律，為學(xué)者們從事理論研究提供實(shí)踐參考，也為保障工程實(shí)際中設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了重要的技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

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