氣液兩相流及其流量測量

(1)   氣液兩相流及其流動結(jié)構(gòu)  液體及其蒸汽或組分不同的氣體及液體一起流動的現(xiàn)象成為氣液兩相流。前者稱為單組分氣液兩相流，后者稱為多組分氣液兩相流。氣液兩相流在動力、化工、石油、冶金等工業(yè)設(shè)備中是常見的，在流動時氣相和液相存在流速差，在測量流量時應(yīng)考慮此相對速度。

氣液兩相流按流動方向不同，存在多種流動結(jié)構(gòu)。圖3.86所示為垂直上升管中的氣液兩相流動結(jié)構(gòu)；圖3.87所示為垂直下降管中的氣液兩相流動結(jié)構(gòu)；圖3.88所示為水平管中的氣液兩相流動結(jié)構(gòu)。

①             垂直上升管中的氣液兩相流動結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)研究證明，在垂直上升管中的氣液兩相流動，其基本結(jié)構(gòu)有下列五種：細(xì)泡狀流動結(jié)構(gòu)、彈狀流動結(jié)構(gòu)、塊狀流動結(jié)構(gòu)、帶纖維的環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)和環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)。

圖3.86垂直上升氣液兩相流的流動結(jié)構(gòu)

(a)細(xì)泡狀流動結(jié)構(gòu)；(b)彈狀流動結(jié)構(gòu)；（c）塊狀流動結(jié)構(gòu)；(d)帶纖維的環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)；(e)環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)

這五種流動結(jié)構(gòu)分別具有下列特點(diǎn)。

a.       細(xì)泡狀流動結(jié)構(gòu)。細(xì)泡狀流動是見的流動結(jié)構(gòu)之一，其特征為在液相中帶有散布的細(xì)小氣泡。直徑小于1mm的氣泡是球形的，直徑大于此值的氣泡，其外形是多種多樣的。

b.      彈狀流動結(jié)構(gòu)。彈狀流動結(jié)構(gòu)由一系列氣彈組成，氣彈端部呈半球狀，而尾部是平的，在兩氣彈之間夾有小氣泡，氣彈與管壁之間的液膜是往下流動的。

c.       塊狀流動結(jié)構(gòu)。塊狀流動結(jié)構(gòu)是由于氣彈破裂而形成的，此時，氣體塊在液流中以混亂狀態(tài)進(jìn)行流動。

d.      帶纖維的環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)。在帶纖維的環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)中，管壁上液膜較厚且含有小氣泡，被中心部分氣核從液膜帶走的液滴在氣核內(nèi)形成不規(guī)則的長纖維形狀，這種流型常在高質(zhì)量流速時出現(xiàn)。

e.       環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)。在環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)中，管壁上有一層液膜，管道中心部分為氣核，在氣核中帶有因氣流撕裂管壁液膜表面而形成的細(xì)小液滴。

圖3.87垂直下降氣液兩相流的流動結(jié)構(gòu)

(a)細(xì)泡狀流動結(jié)構(gòu)；(b)彈狀流動結(jié)構(gòu)；(c)帶下降液膜的環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)；（d）帶含泡下降液膜的環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)；（e）塊狀流動結(jié)構(gòu)；(f)環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)

②垂直下降管中的氣液兩相流動結(jié)構(gòu)。從圖3.87所示的氣液兩相流在直管中垂直向下流動時的流動結(jié)構(gòu)可以看出，氣液兩相作垂直下降流動時的細(xì)泡狀流動結(jié)構(gòu)和作垂直上升流動時的細(xì)泡狀流動結(jié)構(gòu)不同，前者細(xì)泡集中在管子核心部分而后者則散布與整個管子截面上。當(dāng)液相流量不變而使氣相流量增大，則細(xì)泡將聚集成氣彈，形成具有下降彈狀流動結(jié)構(gòu)的氣液兩相流。垂直下降氣液兩相流也可形成下降流動的環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相及液相流量小時，管壁上有一層向下流動的液膜，管子中心部分為向下流動的氣核，這種流動結(jié)構(gòu)稱為帶下降液膜的環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)。如液相流量增大，氣泡將進(jìn)入液膜，形成帶含泡下降液膜的環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣液兩相流量都增大時會出現(xiàn)向下流動的塊狀流動結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流量繼續(xù)增大，氣液兩相流可具有管壁上有下降液膜，管子中心部分為帶液滴的下降氣核的環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)，這種環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)和垂直上升氣液兩項(xiàng)流的環(huán)狀結(jié)構(gòu)相近，但流動方向相反。

③水平管中的氣液兩相流動結(jié)構(gòu)。氣液兩相流體在水平管中的流動結(jié)構(gòu)比在垂直管中更為復(fù)雜，其主要特點(diǎn)為所有流動結(jié)構(gòu)都不是軸對稱的，這主要是由于重力的影響使較重的液相偏向于沿管道下部流動造成的。

實(shí)驗(yàn)研究表明，氣液兩相流在水平管中流動時，其基本流動結(jié)構(gòu)有下列六種：細(xì)泡狀流動結(jié)構(gòu)、柱塞狀流動結(jié)構(gòu)、分層流動結(jié)構(gòu)、波狀流動結(jié)構(gòu)、彈狀流動結(jié)構(gòu)和環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)。

圖3.88是這些流動結(jié)構(gòu)的示意。由圖可見，這些流動結(jié)構(gòu)分別具有下列特點(diǎn)。

圖3－88水平氣液兩相流的流動結(jié)構(gòu)

a.           細(xì)泡狀流動結(jié)構(gòu)。水平管中的細(xì)泡狀流動結(jié)構(gòu)和垂直管中的不同，由于重力的影響，細(xì)泡大都位于管子上部。

b.          柱塞狀流動結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流動增加時，小氣泡合并成氣塞，形成柱塞狀流動結(jié)構(gòu)。柱塞傾向于沿管子上部流動。

c.           分層流動結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣液兩相流量均小時會發(fā)生分層流動結(jié)構(gòu)。此時氣液兩相之間存在一平滑分界面，氣液兩相分開流動。

d.          波狀流動結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流量較大時，氣液兩相分界面上會出現(xiàn)流動波，形成波狀流動結(jié)構(gòu)。

e.           彈狀流動結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流量再增大時，氣液兩相流的流動結(jié)構(gòu)可以從波狀轉(zhuǎn)變?yōu)閺棤盍鲃咏Y(jié)構(gòu)。此時，氣液分界面由于劇烈波動而在某些部位直接和管子上部接觸，將位于管子上部的氣相分隔為氣彈，形成彈狀流動結(jié)構(gòu)。在水平流動時，氣液兩相流的氣彈都沿管子上部流動。

f.            環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)。在水平流動時，氣液兩相的環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)出現(xiàn)于氣相流量較高的工況。水平流動時的環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)和垂直上升時的環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)相近，管壁上有液膜，管子中心部分為帶液滴的氣核，但由于水平流動時重力的影響作用，下部管壁的液膜要比上部管壁的厚。

  在油田常經(jīng)分離設(shè)備將液氣分離，然后分別測液相和氣相流量。

（2）氣液兩相流體的流量測量方法  從制造商提供的資料可看出，有幾種儀表可用來測量離散相濃度不高的兩相流體的流量，來自用戶的報道也有一些成功應(yīng)用的實(shí)例，但目前使用的流量計(jì)都是在單相流動狀態(tài)下評定其測量性能，現(xiàn)在還沒有以單相流標(biāo)定的流量計(jì)用來測量兩相流時系統(tǒng)變化的平定標(biāo)準(zhǔn)，因此這樣的應(yīng)用究竟帶來多大的誤差還不很清楚，僅有一些零星的數(shù)據(jù)和一些定性的分析。

①電磁流量計(jì)。當(dāng)液體中含有少量氣體時，氣體在液體中的分布呈微小氣泡狀，這時，電磁流量計(jì)仍能正常工作，只是所測得的為氣液混合物的體積流量。當(dāng)液體中所含氣體數(shù)量增加后，氣泡幾何尺寸逐漸增大，進(jìn)而向彈狀結(jié)構(gòu)過渡。當(dāng)氣泡的尺寸等于和大于流量計(jì)電面尺寸并從電極處掠過時，電極就有可能被氣體蓋住，使電路瞬時斷開，出現(xiàn)輸出晃動，甚至不能正常工作。

② 科氏力質(zhì)量流量計(jì)。制造商通常聲稱含有百分之幾體積比的游離氣體的液體對科氏力質(zhì)量流量計(jì)正常測量影響不大，當(dāng)被測液體中所含氣泡小而均勻的情況下，例如冰淇淋和相似乳化液，可能是對的。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻并不樂觀。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹意大利對7種型號科氏力質(zhì)量流量計(jì)含氣量影響試驗(yàn)表明：含氣泡1％（體積比）時有些型號無明顯影響，有些型號誤差為1％～2％，而其中某一雙管式型號則高達(dá)10％～15％；含氣泡10％時，誤差普遍增加到15％～20％，個別型號高達(dá)80％。由此可見，不同測量管結(jié)構(gòu)、不同型號的科氏力流量計(jì)受含氣量影響差異很大，不能將一種型號的試驗(yàn)數(shù)據(jù)推廣到其他型號。

③超聲流量計(jì)。多普勒法超聲流量計(jì)工作原理如第3.3.2節(jié)所述，主要用于測量含有適量能給出強(qiáng)反射信號的顆粒或氣泡的液體。此類儀表測量的僅僅是體積流量或測量管內(nèi)的平均流速，如果要測量質(zhì)量流量，還得增設(shè)流體密度計(jì)。

由于此類儀表檢測的不連續(xù)點(diǎn)（即氣泡）的流速，由于流通截面中各點(diǎn)流速的不一致性，使得測量結(jié)果相對于管道內(nèi)的平均流速之間存在不確定性，從而導(dǎo)致其測量性能較差。其不確定度一般只能達(dá)到±（1％～10％）FS，重復(fù)性為（0.2％～1％）FS。

多普勒超聲流量計(jì)適用的氣泡含量上限雖比傳播時間法大得多，但也是有限的，尤其是管徑較大時，氣泡含量過高，超聲信號衰減嚴(yán)重，以致不能測量。因此選用應(yīng)謹(jǐn)慎，事先應(yīng)向制造商咨詢。

④相關(guān)流量計(jì)。應(yīng)用相關(guān)法可以測量管道內(nèi)流體的流速或體積流量，若要測量兩相流體的質(zhì)量流量，則還需增設(shè)密度計(jì)。

相關(guān)流量計(jì)工作原理如圖3.89所示。設(shè)在測量管段取兩個控制截面A即B，兩者相隔一小段距離L，在管內(nèi)兩相流中，各相不可能混合得十分均勻，各相含量的分布在流動過程中是變化的。由于所取的兩控制截面之間距離很短，可以認(rèn)為在該距離內(nèi)流動時，兩相流中各相含量的分布是不變的，如在管道截面A處布置一臺探測器測定兩相中一相的含量隨時間的變化曲線X（t），再在截面B處布置另一臺探測器測定同一相的含量隨時間的變化曲線Y(t)，并將X(t)和Y(t)示于圖3.90中，則由圖可見，曲線X(t)值惡化曲線Y(t)值之間距離 t應(yīng)代表流體由A截面流到B截面所需的時間[在圖3.90中，橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)X(t)和Y（t）為被測一相的含量值]。測得流體流過距離為L這一管段長的時間 t后，即可按下式計(jì)算兩相流體的體積流量q_v。

qv=                                                            (3.114)

式中  A——管道橫截面積；

      K——考慮速度偏差的系數(shù)。

圖3.89相關(guān)法流量測量原理                                圖3.90應(yīng)用相關(guān)法測量流量的關(guān)系曲線

這一測量方法是利用兩截面上測得的某相含量信號之間的相互關(guān)系而測定兩相流速的，故稱相關(guān)法。

應(yīng)用相關(guān)法測量兩相流量的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)面廣，既適用于氣液兩相流體，也適用于各種臟污流體、漿液、液固兩相流，但價格昂貴，影響其推廣應(yīng)用。因此，現(xiàn)在仍處于實(shí)驗(yàn)階段。

⑤應(yīng)用變液位法測量氣液兩相流流量。前面所述的四種方法用來測量氣液兩相流流量都不夠*，因?yàn)樗鼈兡軌驅(qū)崿F(xiàn)的測量同第3.7.2節(jié)所提出的測量要求還有很大差距。當(dāng)然，有的測量對象如果只需知道氣液混合物體積流量或質(zhì)量流量，這些方法就可能投入實(shí)際應(yīng)用。但若需進(jìn)一步知道各相質(zhì)量流量或氣相流量質(zhì)量含量，那就需另想辦法。其中將氣液兩相*分離，然后，用測量單相流量的方法分別測量氣液兩相的質(zhì)量流量（如果必要）。

圖3.91所示為儲液器固定的變液位流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意。常用來測量含汽油中的石油流量。由圖可見，石油和氣體的混合物由管1切向進(jìn)入分離室2，使氣液分離。氣體經(jīng)分離室后流入儲液器4，再經(jīng)槽縫7流入容器下部6后，和氣體一起經(jīng)管5流出。儲液器中裝有穩(wěn)定液位用的隔板3，儲液器4中的液位可采用差壓計(jì)測出儲液器中液柱靜壓的方法來確定。根據(jù)讀出的差壓可確定液位高度h，再根據(jù)各相應(yīng)計(jì)算式（一種形狀的槽縫對應(yīng)一種計(jì)算式）算出液體體積流量qv。詳情請參閱文獻(xiàn)^[41]。

圖3.91儲液器固定的變液位流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意

其實(shí)，將僅適用單相流的流量計(jì)與氣液分離器配合用來測量氣液兩相流中的部分參數(shù)應(yīng)用的最多的是飽和蒸汽流量測量。飽和水蒸氣經(jīng)長距離輸送，因熱量損失而部分蒸汽變成冷凝水，管道中流體變成氣液兩相流，影響某些原理的流量計(jì)的正常工作。常用的做法是在流量計(jì)前裝設(shè)一氣液分離器，然后將液體經(jīng)疏水器排放掉。經(jīng)氣液分離后的蒸汽可近似看作為單相流，從而用一般流量計(jì)進(jìn)行測量。