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(1) 氣液兩相流及其流動(dòng)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(dòng)的現(xiàn)象成為氣液兩相流。前者稱(chēng)為單組分氣液兩相流，后者稱(chēng)為多組分氣液兩相流。氣液兩相流在動(dòng)力、化工、石油、冶金等工業(yè)設(shè)備中是常見(jiàn)的，在流動(dòng)時(shí)氣相和液相存在流速差，在測(cè)量流量時(shí)應(yīng)考慮此相對(duì)速度。
氣液兩相流按流動(dòng)方向不同，存在多種流動(dòng)結(jié)構(gòu)。圖3.86所示為垂直上升管中的氣液兩相流動(dòng)結(jié)構(gòu)；圖3.87所示為垂直下降管中的氣液兩相流動(dòng)結(jié)構(gòu)；圖3.88所示為水平管中的氣液兩相流動(dòng)結(jié)構(gòu)。
① 垂直上升管中的氣液兩相流動(dòng)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(dòng)，其基本結(jié)構(gòu)有下列五種：細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、帶纖維的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。
圖3.86垂直上升氣液兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)
(a)細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)；(b)彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)；（c）塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)；(d)帶纖維的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)；(e)環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)
這五種流動(dòng)結(jié)構(gòu)分別具有下列特點(diǎn)。
a. 細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。細(xì)泡狀流動(dòng)是見(jiàn)的流動(dòng)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(dòng)結(jié)構(gòu)。彈狀流動(dòng)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(dòng)的。
c. 塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)是由于氣彈破裂而形成的，此時(shí)，氣體塊在液流中以混亂狀態(tài)進(jìn)行流動(dòng)。
d. 帶纖維的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在帶纖維的環(huán)狀流動(dòng)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(zhǎng)纖維形狀，這種流型常在高質(zhì)量流速時(shí)出現(xiàn)。
e. 環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在環(huán)狀流動(dòng)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(dòng)結(jié)構(gòu)
(a)細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)；(b)彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)；(c)帶下降液膜的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)；（d）帶含泡下降液膜的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)；（e）塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)；(f)環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)
②垂直下降管中的氣液兩相流動(dòng)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(dòng)時(shí)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)可以看出，氣液兩相作垂直下降流動(dòng)時(shí)的細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和作垂直上升流動(dòng)時(shí)的細(xì)泡狀流動(dòng)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(gè)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(dòng)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(dòng)的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相及液相流量小時(shí)，管壁上有一層向下流動(dòng)的液膜，管子中心部分為向下流動(dòng)的氣核，這種流動(dòng)結(jié)構(gòu)稱(chēng)為帶下降液膜的環(huán)狀流動(dòng)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(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣液兩相流量都增大時(shí)會(huì)出現(xiàn)向下流動(dòng)的塊狀流動(dòng)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(dòng)結(jié)構(gòu)，這種環(huán)狀流動(dòng)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(dòng)方向相反。
③水平管中的氣液兩相流動(dòng)結(jié)構(gòu)。氣液兩相流體在水平管中的流動(dòng)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(dòng)結(jié)構(gòu)都不是軸對(duì)稱(chēng)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(dòng)造成的。
實(shí)驗(yàn)研究表明，氣液兩相流在水平管中流動(dòng)時(shí)，其基本流動(dòng)結(jié)構(gòu)有下列六種：細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、柱塞狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、分層流動(dòng)結(jié)構(gòu)、波狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。
圖3.88是這些流動(dòng)結(jié)構(gòu)的示意。由圖可見(jiàn)，這些流動(dòng)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(dòng)結(jié)構(gòu)
a. 細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。水平管中的細(xì)泡狀流動(dòng)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(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流動(dòng)增加時(shí)，小氣泡合并成氣塞，形成柱塞狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。柱塞傾向于沿管子上部流動(dòng)。
c. 分層流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣液兩相流量均小時(shí)會(huì)發(fā)生分層流動(dòng)結(jié)構(gòu)。此時(shí)氣液兩相之間存在一平滑分界面，氣液兩相分開(kāi)流動(dòng)。
d. 波狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流量較大時(shí)，氣液兩相分界面上會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)波，形成波狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。
e. 彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流量再增大時(shí)，氣液兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)可以從波狀轉(zhuǎn)變?yōu)閺棤盍鲃?dòng)結(jié)構(gòu)。此時(shí)，氣液分界面由于劇烈波動(dòng)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(dòng)結(jié)構(gòu)。在水平流動(dòng)時(shí)，氣液兩相流的氣彈都沿管子上部流動(dòng)。
f. 環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在水平流動(dòng)時(shí)，氣液兩相的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)于氣相流量較高的工況。水平流動(dòng)時(shí)的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和垂直上升時(shí)的環(huán)狀流動(dòng)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(dòng)時(shí)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(cè)液相和氣相流量。
（2）氣液兩相流體的流量測(cè)量方法 從制造商提供的資料可看出，有幾種儀表可用來(lái)測(cè)量離散相濃度不高的兩相流體的流量，來(lái)自用戶(hù)的報(bào)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(dòng)狀態(tài)下評(píng)定其測(cè)量性能，現(xiàn)在還沒(méi)有以單相流標(biāo)定的流量計(jì)用來(lái)測(cè)量?jī)上嗔鲿r(shí)系統(tǒng)變化的平定標(biāo)準(zhǔn)，因此這樣的應(yīng)用究竟帶來(lái)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(shí)，氣體在液體中的分布呈微小氣泡狀，這時(shí)，電磁流量計(jì)仍能正常工作，只是所測(cè)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(guò)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(guò)時(shí)，電極就有可能被氣體蓋住，使電路瞬時(shí)斷開(kāi)，出現(xiàn)輸出晃動(dòng)，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(chēng)含有百分之幾體積比的游離氣體的液體對(duì)科氏力質(zhì)量流量計(jì)正常測(cè)量影響不大，當(dāng)被測(cè)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(duì)的。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻并不樂(lè)觀(guān)。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹意大利對(duì)7種型號(hào)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(shí)有些型號(hào)無(wú)明顯影響，有些型號(hào)誤差為1％～2％，而其中某一雙管式型號(hào)則高達(dá)10％～15％；含氣泡10％時(shí)，誤差普遍增加到15％～20％，個(gè)別型號(hào)高達(dá)80％。由此可見(jiàn)，不同測(cè)量管結(jié)構(gòu)、不同型號(hào)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(hào)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)推廣到其他型號(hào)。
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(cè)量含有適量能給出強(qiáng)反射信號(hào)的顆粒或氣泡的液體。此類(lèi)儀表測(cè)量的僅僅是體積流量或測(cè)量管內(nèi)的平均流速，如果要測(cè)量質(zhì)量流量，還得增設(shè)流體密度計(jì)。
由于此類(lèi)儀表檢測(cè)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(cè)量結(jié)果相對(duì)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(cè)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(shí)間法大得多，但也是有限的，尤其是管徑較大時(shí)，氣泡含量過(guò)高，超聲信號(hào)衰減嚴(yán)重，以致不能測(cè)量。因此選用應(yīng)謹(jǐn)慎，事先應(yīng)向制造商咨詢(xún)。
④相關(guān)流量計(jì)。應(yīng)用相關(guān)法可以測(cè)量管道內(nèi)流體的流速或體積流量，若要測(cè)量?jī)上嗔黧w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(cè)量管段取兩個(gè)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(dòng)過(guò)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(dòng)時(shí)，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(tái)探測(cè)器測(cè)定兩相中一相的含量隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)X（t），再在截面B處布置另一臺(tái)探測(cè)器測(cè)定同一相的含量隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)Y(t)，并將X(t)和Y(t)示于圖3.90中，則由圖可見(jiàn)，曲線(xiàn)X(t)值惡化曲線(xiàn)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(shí)間[在圖3.90中，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)X(t)和Y（t）為被測(cè)一相的含量值]。測(cè)得流體流過(guò)距離為L(zhǎng)這一管段長(zhǎng)的時(shí)間 
t后，即可按下式計(jì)算兩相流體的體積流量qv。
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(cè)量原理 圖3.90應(yīng)用相關(guān)法測(cè)量流量的關(guān)系曲線(xiàn)
這一測(cè)量方法是利用兩截面上測(cè)得的某相含量信號(hào)之間的相互關(guān)系而測(cè)定兩相流速的，故稱(chēng)相關(guān)法。
應(yīng)用相關(guān)法測(cè)量?jī)上嗔髁康膬?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(jià)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(cè)量氣液兩相流流量。前面所述的四種方法用來(lái)測(cè)量氣液兩相流流量都不夠*，因?yàn)樗鼈兡軌驅(qū)崿F(xiàn)的測(cè)量同第3.7.2節(jié)所提出的測(cè)量要求還有很大差距。當(dāng)然，有的測(cè)量對(duì)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(cè)量單相流量的方法分別測(cè)量氣液兩相的質(zhì)量流量（如果必要）。
圖3.91所示為儲(chǔ)液器固定的變液位流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意。常用來(lái)測(cè)量含汽油中的石油流量。由圖可見(jiàn)，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(chǔ)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(chǔ)液器中裝有穩(wěn)定液位用的隔板3，儲(chǔ)液器4中的液位可采用差壓計(jì)測(cè)出儲(chǔ)液器中液柱靜壓的方法來(lái)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(duì)應(yīng)一種計(jì)算式）算出液體體積流量qv。詳情請(qǐng)參閱文獻(xiàn)[41]。
圖3.91儲(chǔ)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(lái)測(cè)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(cè)量。飽和水蒸氣經(jīng)長(zhǎng)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(cè)量。
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