[發明專利]基于電解質示蹤法的螺旋液膜速度測量傳感器及方法

在審

• 申請號: 202111337288.8
• 申請日: 2021-11-12
• 公開（公告）號: CN113917181A
• 公開（公告）日: 2022-01-11
• 發明（設計）人: 徐英;汪晶晗;張雨萌;孫涔崴
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01P5/00
• 分類號: G01P5/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程毓英

本發明涉及一種用于電解質示蹤法的螺旋環狀流液膜速度測量傳感器，包括：測量管道，固定在測量管道內壁的上游電極組和下游電極組和電解質注射孔，其中，測量管道為非導電測量管道，上游電極組和下游電極組分別包含多個分布在測量管道周邊的電極對，每對電極分為激勵端和接收端，用于檢測局部液膜的電阻率變化；電解質注射孔設置在靠近上游電極組的位置。本發明同時提供采用所述的傳感器實現的基于電解質示蹤法的螺旋液膜速度測量方法。

技術領域

本發明屬于氣液兩相流測量技術領域，涉及一種螺旋環狀流液膜速度測量裝置和方法。

背景技術

螺旋環狀流常見于渦輪機，分離器，燃燒室等諸多工業領域中。近年來，螺旋環狀流也被應用于石油天然氣井口測量中。螺旋環狀流同直管環狀流相似，都是液膜在管壁流動，管道中心為高速流動的氣核。與直管環狀流相比，螺旋環狀流具有更少的夾帶液滴，螺旋液膜即具有軸向速度，又具有切向速度分量。螺旋環狀流在流出螺旋流發生裝置后，具有衰減特性，即隨著流動距離變化，切向速度會隨著兩相流動而逐漸衰減，有恢復為直管流動的趨勢。基于以上因素，螺旋液膜速度的測量復雜度要遠難于直管液膜速度。直管環狀流中常用的測量液膜速度的方法有電學法，超聲法，高速攝像法，激光誘導熒光成像法(PLIF)等，再通過液膜波動的相似性，采用示蹤或互相關等信號處理技術來測量液膜速度。

相較于直管環狀流液膜速度測量，螺旋液膜速度測量的技術難點有三：

一：由于離心力的存在，螺旋環狀流液膜界面擾動波會受到一定程度的抑制，使其不如直管液膜擾動波明顯；

二：非受迫型螺旋環狀流的切向動量會隨著流動距離的增加而衰減，即螺旋液膜的流動方向隨位置變化而變化，使得采用上下游信號互相關法測量液膜流速很難實現；

三：由于螺旋環狀流并非一種充分發展的流動，故其氣液湍動較強，當氣液流速較高時，波動的界面及混入的小氣泡等會形成螺旋流線，導致螺旋液膜的透明性極差，如圖1所示。

基于螺旋液膜的復雜性，同時測量環狀流的軸向流速和切向流速的方法研究十分稀少。已公開發明專利CN 107101681 A通過高速攝像法，將液膜中混入氣相小氣泡作為天然示蹤粒子，將高速相機所拍攝的氣泡軌跡長度及曝光時間來測量氣泡流速，并將其視為螺旋液膜流速。顯然，當氣液兩相流速度較高時，氣泡的示蹤效果會變差，液膜中的微小氣泡很難被高速相機所捕捉。已公開發明專利CN104121955A采用不同超聲探頭分布方法來測量液液螺旋流液膜平均流速及總流量。但聲波的傳播會受到溫度的影響，且同樣當液膜表面湍動較強時，相界面的反射的超聲信號也會具有較強的噪聲，這些誤差難以進行補償修正。

發明內容

為克服上述測量目標及現存技術方法不足，本發明提出一種基于電導法的螺旋液膜速度測量裝置及方法，為實現螺旋液膜軸向速度及切向速度的同時測量，采用電解質示蹤法及周向多電極分布方案。技術方案如下：為達到上述目的，本發明具體采用以下技術方案：

一種用于電解質示蹤法的螺旋環狀流液膜速度測量傳感器，包括：測量管道，固定在測量管道內壁的上游電極組和下游電極組和電解質注射孔，其中，測量管道為非導電測量管道，上游電極組和下游電極組分別包含多個分布在測量管道周邊的電極對，每對電極分為激勵端和接收端，用于檢測局部液膜的電阻率變化；電解質注射孔設置在靠近上游電極組的位置。

進一步地，設D為測量管道內徑，上游電極組U與下游電極組D中心線距為L_x，L_x在0.5D-10D之間。

進一步地，每個電極寬度W為0.002m～0.010m；每個電極對激勵端和接收端中線距離L’為0.003m～0.020m。