[發(fā)明專利]氣液兩相彈狀流和塞狀流流速聲電雙模態(tài)測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710110230.7
• 申請(qǐng)日: 2017-02-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106932606B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-10-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 譚超;董虓霄;董峰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): G01P5/24
• 分類號(hào): G01P5/24;G01N27/22;G01N27/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 程毓英

1.一種氣液兩相彈狀流和塞狀流分相流速聲電雙模態(tài)測(cè)量方法，采用一個(gè)內(nèi)含雙壓電陶瓷晶片的超聲換能器和基于電容電導(dǎo)的電學(xué)傳感器；超聲換能器的測(cè)量空間覆蓋整個(gè)管道截面，用于獲取兩相流總表觀流速；基于電容電導(dǎo)的電學(xué)傳感器用于獲取分相含率；所述超聲換能器安裝于管道底側(cè)，換能器內(nèi)部雙晶片均被傾斜安裝于聲耦合材料上，以保證晶片的法線方向與水平流動(dòng)方向夾角為θ；所述超聲換能器用來(lái)發(fā)射和接收超聲波；其中，換能器一側(cè)晶片負(fù)責(zé)發(fā)射超聲波，另一側(cè)晶片負(fù)責(zé)接收超聲波，且在上述兩晶片之間放置隔音材料以抑制干擾；所述基于電容電導(dǎo)的電學(xué)傳感器與超聲換能器同時(shí)安裝于管道之中；

該測(cè)量方法包含如下步驟：

1)利用電學(xué)傳感器獲取兩相流的含水率時(shí)間序列H(t)；

2)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，計(jì)算每一時(shí)刻t的測(cè)量空間內(nèi)離散相速度U_dop(t)：每一時(shí)間段內(nèi)的接收信號(hào)通過(guò)傅里葉變換得到其頻率f(t)，將其與超聲發(fā)射信號(hào)的頻率f₀相減，即可得到測(cè)量空間內(nèi)散射體運(yùn)動(dòng)所引起的頻移f_d(t)，計(jì)算測(cè)量空間內(nèi)離散相速度其中，為平均頻移，C為聲波在固體聲耦合材料中的傳播速度；

3)通過(guò)對(duì)比含水率時(shí)間序列H(t)和U_dop(t)，對(duì)彈狀流和塞狀流進(jìn)行區(qū)分：當(dāng)H(t)中波峰所出現(xiàn)的時(shí)刻在U_dop(t)中對(duì)應(yīng)為波谷時(shí)，當(dāng)前流型為塞狀流；反之，當(dāng)H(t)中波峰所出現(xiàn)的時(shí)刻在U_dop(t)中對(duì)應(yīng)為波峰時(shí)，當(dāng)前流型為彈狀流；

4)設(shè)定閾值h_g，提取一段時(shí)間T內(nèi)彈體的含水率H_s或氣塞的含水率H_p：對(duì)于彈狀流，對(duì)每一時(shí)刻t的含水率時(shí)間序列H(t)進(jìn)行判斷，得到表征該段時(shí)間內(nèi)彈體內(nèi)含水率的數(shù)值集合H_si，i＝1,2,3,…n, 對(duì)H_si取平均值，得到彈體內(nèi)含水率H_si＞0,；對(duì)于塞狀流，得到表征該段時(shí)間內(nèi)氣塞含水率的數(shù)值集合H_pi，i＝1,2,3,…n，對(duì)H_pi取平均值，得到氣塞含水率H_pi＞0,；

5)設(shè)定閾值th_g，提取同一段時(shí)間T內(nèi)彈體內(nèi)氣泡的流動(dòng)速度U_gs，氣塞的流動(dòng)速度U_gp：對(duì)每一時(shí)刻t的測(cè)量空間內(nèi)離散相速度U_dop(t)進(jìn)行判斷，大于閾值時(shí)，保留原值，反之，則舍棄該值，從而得到表征該段時(shí)間內(nèi)彈體或氣塞流動(dòng)速度的數(shù)值集合U_i，i＝1,2,3,…n，對(duì)U_i取平均值，得到彈體內(nèi)氣泡的流動(dòng)速度U_i＞0,或氣塞的流動(dòng)速度U_i＞0；

6)計(jì)算連續(xù)相和離散相之間的曳力F_drag：對(duì)于流體中的離散相，曳力表達(dá)式為：U_g是氣相真實(shí)流速，若為彈狀流，U_g＝U_gs，若為塞狀流，U_g＝U_gp；U_w是液相的真實(shí)流速，彈狀流中U_w＝U_ws；塞狀流中U_w＝U_wp；H是含水率，彈狀流中H＝H_s，塞狀流中H＝H_p；ρ_w是液相密度；d₃₂是離散相的索特平均直徑，其與離散相最大直徑d_max的關(guān)系為：d₃₂＝0.62d_max；離散相最大直徑d_max的計(jì)算方法為：D為管道內(nèi)徑；C_D是拖曳系數(shù)，對(duì)于不同流動(dòng)狀態(tài)下，其中相對(duì)雷諾數(shù)μ_w是液相動(dòng)態(tài)黏度；

7)計(jì)算管壁對(duì)連續(xù)相的剪切力f_w是穆迪摩擦因子，取值為ε是管內(nèi)壁的相對(duì)粗糙度；Re_w是液相雷諾數(shù)，定義為

8)在流體流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，離散相和連續(xù)相分別處于受力平衡的狀態(tài)，有將F_drag，τ_w，H_s或H_p，U_gs或U_gp帶入中，可得到關(guān)于U_w的一元非線性方程，利用數(shù)值迭代類算法求解，得到彈體內(nèi)液相的真實(shí)流速U_ws或塞狀流中液相的真實(shí)流速U_wp；為增加迭代速度，U_ws或U_wp的迭代初值設(shè)置為與U_gs或U_gp相等；

9)計(jì)算兩相流總表觀流速：對(duì)于彈狀流，J＝U_wsH_s+U_gs(1-H_s)；而對(duì)于塞狀流J＝U_wpH_p+U_gp(1-H_p)；

10)計(jì)算兩相流分相流速：對(duì)于塞狀流，液相流速為J_wp＝JH_p，氣相流速為J_gp＝J(1-H_p)；對(duì)于彈狀流，液相流速為J_ws＝JH_s，氣相流速為J_gs＝J(1-H_s)。