[發(fā)明專利]用于測量大氣氣液兩相流的方法和裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610190739.2
• 申請日: 2016-03-30
• 公開（公告）號: CN107289989A
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 路明
• 申請（專利權(quán)）人: 成都金景盛風(fēng)科技有限公司
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及兩相流測量領(lǐng)域，具體是一種利用空穴流動用于測量大氣氣液兩相流的方法和裝置，該裝置可以識別氣液兩相流的各相含量，以及總體平均速度、流量。

背景技術(shù)

工程上廣泛存在著兩相流的流動現(xiàn)象，其中以氣液兩相流最為普遍。例如石油輸運管道內(nèi)、水輪機轉(zhuǎn)子周圍、大氣云層內(nèi)的對流等，都屬于氣液兩相流流動。通過兩相流流動流動參數(shù)進行測量，了解其特性及變化規(guī)律，對于相關(guān)科研、設(shè)計以及生產(chǎn)具有十分重要的意義。與單相流相比，兩相流由于在相界面各相間存在傳質(zhì)，甚至化學(xué)反應(yīng)，而且在時間、空間上隨機可變，使得諸如各相含量、流速、流量以及總體速度、流量等流動參數(shù)的檢測更具復(fù)雜性，難度很大。

隨著工業(yè)生產(chǎn)中對于兩相流流動的計量、控制方面的更高要求，需要開發(fā)一種能夠同時測量獲得氣液兩相流中各相含量，以及總體平均速度、流量的裝置。一個重要的手段是利用已有的單相流檢測技術(shù)和方法通過對儀器和測量過程的改進進行兩相流測量。

空穴流動(Cavity Flow)是工程上一種常見的流體流動現(xiàn)象。例如，火車車廂之間的縫隙中的流動、飛機起落架艙中的流動等等。空穴流動一直是流體力學(xué)領(lǐng)域一個研究熱點。因為在這種流動現(xiàn)象存在一種可探明的、用利用價值的運動機制。圖1給出了一個空穴流動的內(nèi)部機制的理論示意圖。如圖1所示，當(dāng)流體來流(1)流過空穴(2)時，在空穴的前沿(3)，也就是拐角處，理論上這是一個流動奇點(singularity)，所以流體(1)的粘性邊界層中沿著與流動方向(1)垂直的方向上的壓力變化率會突然變大，從而在前沿(3)產(chǎn)生流動分離。由于流體產(chǎn)生分離，會在前沿開始形成一個向下游運動的流體的剪切層(4)。剪切層(4)碰撞到空穴的后沿(5)，在空穴(2)中被反射回前沿(3)，在空穴(2)中形成一個與來流(1)相反的反射回來的流動(6)。反射回來的流動(6)到了前沿(3)形成了對前沿(3)處的流體的進一步擾動，持續(xù)的來流(1)在前沿繼續(xù)分離，形成剪切層(4)。這個過程隨著流體的流動而持續(xù)著，因而在空穴(2)中，產(chǎn)生了一個旋渦形的流動，空穴(2)內(nèi)的壓力場呈周期性振蕩的變化，因而空穴流動形成一種在空穴內(nèi)的自持振蕩 (self-sustained oscillation)。這個自持振蕩主要與空穴的幾何形狀、來流的雷諾數(shù)(Reynolds number)有關(guān)。描述流體(如空氣、水等)的運動時，經(jīng)常用到無量綱數(shù)，雷諾數(shù)，它描述了流體的慣性力和粘性力之比?？蓧嚎s流體的雷諾數(shù)Re可以用下式來表示，

其中，ρ，V∞，μ分別代表流體來流的密度、速度和動力粘性系數(shù)；L代表物體的特征長度尺度，在空穴流動中，可以用圖1中的空穴開口的長度表示。大量實驗表明，雷諾數(shù)在2X10⁴至7x10⁵范圍內(nèi)，空穴流動中的旋渦的結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，而且旋渦產(chǎn)生頻率和流體來流的流速的關(guān)系是唯一確定的。在諸如空穴流動這樣的振蕩的流場中常用到無量綱參數(shù)，斯特哈雷數(shù)(Strouhal number)數(shù)來描述流場的特征。Strouhal數(shù)，St，定義為

其中，f為旋渦的脫落頻率。在上述雷諾數(shù)范圍內(nèi)，Strouhal數(shù)一般為固定值0.2。因而在空穴流動中，如果獲得旋渦的脫落頻率f，即可獲得流體來流的流速。氣液兩相流流動工況與單相流相比復(fù)雜的多,由于液相中含有氣泡,這對空穴流動中的旋渦的結(jié)構(gòu)有很大影響，旋渦的結(jié)構(gòu)與單相流動也不同，若要利用渦街特性測量氣液兩相流流量與組分，首先，在氣液兩相流中須有穩(wěn)定的空穴流動中的旋渦存在。根據(jù)大量實驗的研究，在氣液兩相流中確有空穴流動中的旋渦存在，可被檢測出來。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種利用空穴流動原理工作的空穴流量計，利用空穴流動用于測量大氣氣液兩相流的方法和裝置，該方法和裝置可以識別氣液兩相流的各相含量、速度和流量，以及總體平均速度、流量。它是利用流體流過流量計管道壁面上的空穴時產(chǎn)生的自持振蕩現(xiàn)象的原理制成的流量計。在氣液兩相流中的斯特哈雷數(shù)Stm，定義為

Stm＝St(1-βA) (3)