氣液兩相流量測量淺析

摘要：本文簡介了多相流與單相流的差異，它將隨著工況與環(huán)境的變化，呈現(xiàn)多種的流態(tài)，而不同的流態(tài)將采用不同的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述。流態(tài)是影響多相流量各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵因素，在某一分相流率應(yīng)用較好的流量計(jì)未必可成功應(yīng)用于其他情況。

　　近幾十年來，隨著工業(yè)現(xiàn)代化的加速，在不少領(lǐng)域中出現(xiàn)了氣液兩相流，如熱電、核電的氣化單元；天然氣、石油的開采、輸送；低沸點(diǎn)液體的輸送......，對它的研究已引起了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注，由于兩相流的復(fù)雜性、隨機(jī)性，要認(rèn)識這些現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測，首先要解決檢測問題，流量是最基本的參數(shù)，首當(dāng)其沖，迫切有待解決。
　　在我國的能源結(jié)構(gòu)中，富氣少油，天然氣資源較為豐富（如新疆、內(nèi)蒙、四川、近海），開采中多采用陳舊的工藝，即先用笨重的分離器，將氣、液分離后，再分別進(jìn)行氣、液流量計(jì)量。分離器不僅昂貴，而且耗費(fèi)大量耗能的鋼材、體積也十分龐大，如海上開采平臺(tái)，作業(yè)區(qū)狹窄，難以選用，迫切需要開發(fā)、推出氣液二相流量計(jì)。

　　一、兩相流的特征及主要參數(shù)
　　相的定義為在某一系統(tǒng)中，具有相同成分；物理、化學(xué)性的均勻物質(zhì)成分；不同的相具有明顯的界面。在自然界的物質(zhì)一般分為固相、氣相與液相三種，本文主要討論同時(shí)存在氣相與液相物質(zhì)的流動(dòng)，由于多相中存在各相的界面效應(yīng)及相對速度，相界面在時(shí)間及空間上都是隨機(jī)可變的，所以，其流動(dòng)特性較單相流復(fù)雜得多，特征參數(shù)也較單相流多一些，簡要介紹如下：
　　■ 流型：亦稱流態(tài)，即流動(dòng)的形式或
結(jié)構(gòu)，各相界面之間存在隨機(jī)可變的相界面，使兩相流呈現(xiàn)為多種復(fù)雜的形式，流型不僅影響兩相流的壓力損失、傳熱效果，也影響流量測量。對氣、液兩相流來說，管道處于不同的位置（水平、垂直）也影響其流態(tài)形式，較為典型的如圖1所示?！　?/p>

　　圖1 氣液兩相流的各種典型流態(tài)

　　■ 分相含率：表述兩相流中的分相濃度，說明分相流體占總量中的比例通常表述為：
　?、儋|(zhì)量流量含率c，為分相質(zhì)量流量（氣體為qmg、液體為qme）與總質(zhì)流量qm之比，如氣液兩相c＝qmg / qm＝qmg / qmg+qme
　?、谌莘e流量含率b，說明分相容積流量（氣體為qvg，液體為qve）與總?cè)莘e流量qv之比，如氣液兩相b＝qvg / qv＝qvg / qvg+qve
　　■ 截面含率ac，說明分相流量在某一截面A上所占的比例，氣相為Ag、液相為Ae，如氣油兩相ac＝Vg / V＝Vg / Vg+Ve
　　■ 容積含率a，說明分相流體在某一管道長度段容積V所占的容積，氣相為Vg、液相為Ve，如氣液兩相a＝Vg / V＝Vg / Vg+Ve
　　■ 混合流密度
　?、倭鲃?dòng)密度ρo，單位時(shí)間內(nèi)，流過某一截面的兩相混合物總質(zhì)量qm與總積qv之比，如氣相密度為ρg，液相密度為ρe，則氣液相流的流動(dòng)密度。
　　ρo＝ρg b+pe (1-b)
　?、谡鎸?shí)密度ρm，在管道中取一微元體DV，在某一時(shí)間，二相介質(zhì)的總質(zhì)量DM與總體積DV之比，對氣液兩相流，真實(shí)密度ρm＝ρq a + ρe (1-a)
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　　■ 流速：二相流中各單相在管道中的流速并不一定相等，常有差異，所以除了描述混合體的平均流速Vm外，還應(yīng)說明分相流速在氣、液兩相流中，氣相流速為Vg，液相流速為Ve，它們之間的關(guān)系為VmA=VgAg+VeAe
　　在工程中常以分相流量除以管道截面A來表示分相流速，即：
　　Vg＝qvg / A，Ve＝ qve / A
　　分相流體的速度差為相對速度，氣液兩相流的相對流速為Vge
　　Vge＝ Vg - Ve
　　分相流體速度之比為速度滑移比S，氣液兩相流速滑移比為：S＝Vg / Ve
　　■ 兩相流模型：兩相流的流態(tài)極為復(fù)雜，建立一些典型的模型是研究各種測量方法的基礎(chǔ)，常用的有以下幾種：
　　均相流：氣、液兩相為均勻的混合物，相間不存在相對速度，S=1，如霧狀流
　　分相流：兩相為完全分離的兩種流體，相間存在不同流速，S≠1，如分層流
　　漂移通量：基本上是分相流，研究的重點(diǎn)是相間的相對運(yùn)動(dòng)，適用于彈性流，環(huán)形流
　　流型公式，為便于工程應(yīng)用，對各種流型建立一些半經(jīng)驗(yàn)公式