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摘要：針對高含氣率條件下V錐流量計(jì)內(nèi)氣液相分布及對V錐下游壓力恢復(fù)影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，考查了不同流型的來流以及節(jié)流比對氣液相分布的影響，獲得了不同節(jié)流比V錐流量計(jì)的壓力恢復(fù)長度。研究表明：氣液兩相流流經(jīng)V錐后，其流動狀態(tài)可能發(fā)生轉(zhuǎn)變，節(jié)流比越小，來流的變化越明顯；流態(tài)的變化直接影響V錐流量計(jì)內(nèi)的壓力分布，氣液兩相流條件下V錐流量計(jì)所需的壓力恢復(fù)長度與單相流體相比較短。對于節(jié)流比為0.45的V錐流量計(jì)，高含氣率條件下，下游壓力在6D（D為管道內(nèi)徑）處可以恢復(fù)，部分工況下，壓力在下游3D處也可恢復(fù)，而節(jié)流比為0.55、0.65和0.75的V錐流量計(jì)，壓力在下游3D即可恢復(fù)。研究結(jié)果可為開發(fā)基于單V錐節(jié)流元件的氣液兩相流量在線測量方法提供理論指導(dǎo)。
　　高含氣率氣液兩相流（體積含氣率φ超過95%）廣泛存在于石油、核能、化工、動力等工業(yè)過程中，其流量在線測量一直是多相流領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。例如，在天然氣開采過程中，氣井出口產(chǎn)氣往往為攜帶少量液相的天然氣，屬于典型的高含氣率氣液兩相流。以我國陸上最大的整裝氣田蘇里格氣田為例，其采用了井間串接工藝生產(chǎn)模式，這種生產(chǎn)模式由于國內(nèi)外均沒有在線測量氣液流量的低成本技術(shù)，難以獲得單井生產(chǎn)數(shù)據(jù)，嚴(yán)重影響到了對氣藏出水的準(zhǔn)確預(yù)測、配產(chǎn)的科學(xué)管理、增產(chǎn)措施的科學(xué)設(shè)計(jì)等[1-2]。
　　當(dāng)前，采用最多的高含氣率氣液流量在線測量方法為“組合法”，即通過兩個(gè)或多個(gè)單相流量計(jì)（傳感器）串聯(lián)起來，通過求解單相流量計(jì)對應(yīng)的測量方程得到氣液兩相的流量。其中，采用最多的是差壓流量計(jì)（孔板流量計(jì)、文丘里管、V錐流量計(jì)等）和其他傳感器（包括速度式、容積式、質(zhì)量式、伽馬射線、微波以及紅外光譜傳感器等）的組合型式[3]。自20世紀(jì)50年代起，人們就開始探索氣液兩相流在線測量技術(shù)，到20世紀(jì)90年代，其商業(yè)應(yīng)用開始興起，許多研究機(jī)構(gòu)和公司相繼推出了一系列的氣液在線測量流量計(jì)此外，這些裝置所用測量模型對工況變化的適應(yīng)性不強(qiáng)，多需要進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定，并且其價(jià)格高昂不適于氣井單井計(jì)量等對成本要求較苛刻場合。因此，迫切需要開發(fā)出成本低廉、準(zhǔn)確可靠的氣液流量在線測量技術(shù)和方法。
　　作為一種新型的差壓式流量計(jì)，V錐流量計(jì)因其具有信號穩(wěn)定、壓損低、量程比寬、所需直管段短等優(yōu)點(diǎn)[11-15]，近年來在多相流測量領(lǐng)域受到了越來越多的關(guān)注。deLeeuw發(fā)現(xiàn)，差壓流量計(jì)測量氣液兩相流時(shí)，其壓力損失能夠反映氣液流量、相含率、氣液密度比等參數(shù)的變化，可用進(jìn)行氣液流量在線測量[16]。根據(jù)Steven的研究結(jié)果[17]，He等采用節(jié)流比為0.55的V錐流量計(jì)，結(jié)合V錐流量計(jì)壓力損失特性，建立了基于單V錐節(jié)流裝置的氣液兩相流在線測量方法[14]。確定V錐下游壓力恢復(fù)位置，是準(zhǔn)確獲得壓力損失的前提，但是目前尚缺乏針對V錐流量計(jì)下游壓力恢復(fù)特性的系統(tǒng)研究。值得注意的是，He等在計(jì)算壓力損失時(shí)，認(rèn)為壓力在V錐下游3倍管徑處即可恢復(fù)[14]。因此，研究V錐流量計(jì)壓力恢復(fù)特性，獲得下游壓力恢復(fù)位置，對于建立基于單V錐節(jié)流裝置的氣液兩相流在線測量方法十分關(guān)鍵。
　　針對V錐流量計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)對不同節(jié)流比的V錐流量計(jì)壓力恢復(fù)特性進(jìn)行了研究。首先，研究了V錐流量計(jì)內(nèi)氣液相分布特性，重點(diǎn)考查了不同流型來流流經(jīng)V錐后的變化，以及節(jié)流比對氣液相分布的影響；其次，分析了V錐流量計(jì)下游壓力恢復(fù)特性，對比了單相和氣液兩相條件下V錐下游壓力恢復(fù)位置的變化；最后，給出了不同節(jié)流比V錐流量計(jì)的下游壓力恢復(fù)長度。研究結(jié)果為建立基于單V錐節(jié)流元件的氣液兩相流量在線測量方法提供了技術(shù)支撐。
1實(shí)驗(yàn)裝置及方法
1.1.V錐流量計(jì)
　　V錐流量計(jì)的節(jié)流元件結(jié)構(gòu)如圖1所示，節(jié)流元件由前、后錐角分別為α和θ的兩個(gè)V形錐體組成，并且由支撐桿固定在管道上；高壓取壓口位于V錐元件上游，低壓取壓口位于后錐體的頂點(diǎn)處，穿過錐體由支撐桿引出管外。V錐流量計(jì)水平放置,其前、后錐角分別為45°和135°�；�于內(nèi)徑D為50mm的管道，通過改變錐體直徑d，設(shè)計(jì)了節(jié)流比β分別為0.45、0.55、0.65和0.75的4個(gè)V錐流量計(jì)；同時(shí)，為了觀察氣液兩相流的流型特征及流經(jīng)V錐前后的變化，測試管道采用透明的有機(jī)玻璃管。實(shí)驗(yàn)段及錐體實(shí)物圖如圖2所示。
1.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
　　氣、水兩相流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程如圖3所示。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)采用的是壓縮空氣和自來水�？諝饬髁坑删�度為0.5%的科氏質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量，水流量由精度為0.2%的電磁流量計(jì)或精度為0.1%的科氏質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量，依據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)工況選擇不同的流量計(jì)；計(jì)量后的空氣和水在混合器內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣液混合，然后流經(jīng)一定長度的直管段，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為了保證氣液充分混合和流動充分發(fā)展，從混合器出口到V錐測試段入口的直管段長度約為150D；實(shí)驗(yàn)段出口的氣液混合物由分離器進(jìn)行分離，空氣直接排入大氣中，水進(jìn)入儲水箱進(jìn)行循環(huán)利用。


　　壓力P由精度為0.075%的Rosemount3051CG型壓力傳感器測量，差壓△P由精度為0.075%的Rosemount3051CD型差壓傳感器測量。溫度由Pt100溫度傳感器測量，其精度為±0.15℃。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由NIUSB-6229數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和基于LabVIEW的測量軟件獲得，采集的數(shù)據(jù)包括氣、液流量、溫度、壓力、差壓等。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)測量儀表的響應(yīng)頻率特性，設(shè)定采樣頻率為500Hz，每個(gè)工況采樣時(shí)間為60s。采用奧林巴斯（Olympus）公司的i-SPEEDTR高速攝像機(jī)記錄V錐流量計(jì)內(nèi)的氣液流動狀態(tài)。

1.3測試方法
　　為了判斷V錐下游的壓力恢復(fù)位置，實(shí)驗(yàn)過程中沿流動方向在V錐節(jié)流裝置上布置了P1′、P1、P0、P2、P3和P4共計(jì)6個(gè)取壓點(diǎn)，如圖4所示。其中，P1′、P1分別位于V錐上游5D和1D處，P0位于V錐錐尾取壓口處，P2、P3和P4分別位于V錐下游3D、6D和9D處，取壓點(diǎn)之間的距離L0、L1、L2、L3、L4如圖4所示。實(shí)驗(yàn)過程中測量5個(gè)差壓（△P0、△P1、△P2、△P3和△P4）和一個(gè)壓力P4。其中，△P1為前差壓，△P2、△P3和△P4為后差壓。根據(jù)壓力P4與差壓之間的關(guān)系，計(jì)算其余5個(gè)取壓點(diǎn)處的靜壓。取壓點(diǎn)的位置、靜壓和差壓的關(guān)系見表1。

　　實(shí)驗(yàn)中根據(jù)測量差壓的范圍選擇不同量程的傳感器，采用便攜式375手操器根據(jù)測量工況對儀表的量程范圍進(jìn)行調(diào)校，使測量儀表保持最佳測量范圍。另外，除錐尾低壓取壓點(diǎn)外，其余的取壓點(diǎn)均位于管道上壁面。實(shí)驗(yàn)中過程中并未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)壓管中積液現(xiàn)象，僅有少量的液滴進(jìn)入導(dǎo)壓管內(nèi)，對壓力和差壓測量基本沒有影響。因此，在氣液兩相流測量范圍內(nèi)，壓力、差壓傳感器的導(dǎo)壓管無需加裝過濾器。
1.4實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)
　　氣液兩相流的氣液分相流量、壓力等流動參數(shù)以及節(jié)流比對V錐測量氣液兩相流時(shí)流動和壓力分布特性的影響規(guī)律。節(jié)流比為0.45、0.55、0.65與0.75的4個(gè)V錐節(jié)流裝置。對每個(gè)節(jié)流裝置，測量了0.10、0.15、0.20及0.30MPa共計(jì)4組壓力；每組壓力對應(yīng)4組不同的氣相流量，每組氣相流量調(diào)節(jié)10次左右的液相流量。實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)如表2所示。

　　實(shí)驗(yàn)中，不同節(jié)流比V錐流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)工況基本相同，由于實(shí)驗(yàn)過程中的操作誤差而略有差異。以β=0.75的V錐流量計(jì)為例，其實(shí)驗(yàn)工況在經(jīng)典的Mandhane流型圖[18]上的分布如圖5所示。圖中Usg和Usl分別為氣、液表觀流速，如下式所示
???
式中：mg和ml分別為氣、液相質(zhì)量流量；ρg和ρl分別為氣、液相密度。
　　可知，測試工況位于光滑分層流、波狀分層流、環(huán)狀流以及彈狀流區(qū)域。其中大部分工況點(diǎn)位于波狀分層流和環(huán)狀流區(qū)域。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1V錐流量計(jì)內(nèi)相分布特性
　　氣液兩相流流過V錐后其流動的變化主要取決于來流流型和錐體結(jié)構(gòu)。不同流型的來流流過同一V錐節(jié)流元件，可能呈現(xiàn)出不同的相分布特性；同一流型流過不同結(jié)構(gòu)的錐體后，也可能呈現(xiàn)出不同的相分布特性。
　　當(dāng)來流為光滑分層流時(shí)，流體經(jīng)過錐體喉部加速，然后噴出，使得管道下部的分層液體破碎形成液滴，飛濺到管道上壁面（見圖6）。節(jié)流比越�。�即V錐錐體越大），噴射速度越高，飛濺至管道上壁面的液體也越多。液相的加速和破碎，使錐后的管道下部液體發(fā)生波動；節(jié)流比越小，波動程度越大；在V錐下游一定距離處波動逐漸減弱，例如節(jié)流比為0.55的V錐節(jié)流裝置，在V錐下游約3D處，液膜的波動逐漸變�。ㄒ妶D6b）。

　　圖7展示了來流為波狀分層流時(shí)的情況。與光滑分層流相比，來流液體的增多，減小了氣體的流通面積，V錐喉部氣液作用劇烈，高速的氣流攜帶更多的液體至管道內(nèi)壁。當(dāng)攜帶的液量足夠多時(shí)，會在管道上部形成連續(xù)液膜（如圖7a所示），使來流轉(zhuǎn)變成環(huán)狀流。來流工況基本相同時(shí)，能否轉(zhuǎn)變成環(huán)狀流則取決于節(jié)流比的大小。如圖7所示，節(jié)流比為0.75的V錐裝置，下游管道上部僅有少量的液滴和液條；隨著節(jié)流比的減小，液滴和液條也逐漸增多，當(dāng)節(jié)流比為0.45時(shí)，V錐下游為環(huán)狀流態(tài)。

　　圖8所示，來流為彈狀流流型時(shí)，彈頭部位的大股液體，經(jīng)過V錐之后劇烈破碎，與氣體進(jìn)行混合，形成環(huán)狀流�？梢灶A(yù)測，與來流的彈狀流流型相比，此時(shí)的環(huán)狀流氣核中夾帶更多液體，管道內(nèi)壁上的液膜分布也較為均勻，并且節(jié)流比越小，氣核中夾帶的液量也越多。

　　環(huán)狀流流過V錐節(jié)流元件時(shí)，由于V錐節(jié)流裝置環(huán)形通道特點(diǎn)，V錐對環(huán)狀流的破壞較小，下游仍然呈環(huán)狀流型（如圖9所示）。由于喉部的加速，氣液剪切作用強(qiáng)烈，使得液膜破碎成液滴，導(dǎo)致氣核中液滴夾帶量增加；相同工況條件下，節(jié)流比越小，液膜越容易破碎，氣核中液滴夾帶量越大。

　　如圖10所示：表觀氣速較低時(shí)，來流的表觀液量越大，錐后液體被卷吸的高度也越高，卷吸距離越短，同時(shí)飛濺液量越多，越容易在下游管壁上形成液膜（見圖10a～10d）；表觀氣速較高時(shí)，隨著表觀液量增大，錐后的氣液作用越劇烈，氣核中夾帶的液體越多，氣液分布越均勻（見圖10e～10h）。

2.2壓力恢復(fù)長度
　　V錐節(jié)流裝置的壓力恢復(fù)長度，是指從V錐錐尾取壓孔到下游壓力基本不再變化位置處的距離[19]。該處流體的動能已恢復(fù)，從該處往下游，壓力沿流動方向降低主要是流體之間以及流體與壁面之間的摩擦造成的。
2.2.1壓力恢復(fù)位置判定圖11所示為氣液兩相流流經(jīng)V錐時(shí)6個(gè)取壓位置處的靜壓力。可以發(fā)現(xiàn)，氣液兩相流流過V錐之后，動能迅速恢復(fù)，壓力升高，然后趨于穩(wěn)定。壓力恢復(fù)位置可能受到氣、液相流量、節(jié)流比等因素的影響，只有確定了V錐下游的壓力恢復(fù)位置，才能合理布置下游高壓取壓點(diǎn)的位置，得到準(zhǔn)確的壓力損失。這對于利用V錐節(jié)流裝置的壓損特性，建立基于單節(jié)流裝置的氣液兩相流在線測量模型十分關(guān)鍵。

　　根據(jù)下游壓力的分布特性可知，當(dāng)V錐下游3個(gè)取壓點(diǎn)的壓力滿足P2＞P3＞P4時(shí)，則認(rèn)為V錐下游壓力在P2處（3D）已恢復(fù)；當(dāng)滿足P2＜P3＞P4時(shí)，則可認(rèn)為下游壓力在P3處（6D）已恢復(fù)。
定義

　　按照上述判別方法，若△P3-2＜0且△P4-3＜0，則在V錐下游3D處壓力已恢復(fù)；若△P3-2＞0且△P4-3＜0，則在V錐下游6D處壓力已恢復(fù)。
2.2.2單相流體壓力恢復(fù)長度實(shí)驗(yàn)研究了空氣和水兩種單相介質(zhì)情況下V錐流量計(jì)的壓力恢復(fù)長度。由圖12可知，測量介質(zhì)為空氣時(shí)，對于節(jié)流比為0.45和0.55的V錐節(jié)流裝置，其下游壓力在V錐下游3D處并未完全恢復(fù)，而6D時(shí)可以認(rèn)為壓力已完全恢復(fù)，因此其壓力恢復(fù)長度大于3D；對于節(jié)流比為0.75的V錐節(jié)流裝置，其下游壓力在V錐下游3D處則可以完全恢復(fù)；節(jié)流比為0.65的V錐節(jié)流裝置，當(dāng)氣體雷諾數(shù)Reg≥0.6×105時(shí)，也可以認(rèn)為其壓力在V錐下游3D處已完全恢復(fù)。當(dāng)流動介質(zhì)為水時(shí)，如圖13所示為△P3-2和△P4-3隨液體雷諾數(shù)Rel的變化，4個(gè)不同節(jié)流比的V錐節(jié)流裝置下游壓力恢復(fù)處的位置與測量空氣時(shí)所需的恢復(fù)長度基本相同。

2.2.3氣液兩相流時(shí)的壓力恢復(fù)長度如圖14和15所示，測量氣液兩相流時(shí)V錐流量計(jì)下游壓力恢復(fù)長度與測量單相流時(shí)并不完全相同。對于節(jié)流比為0.45的V錐流量計(jì)，空氣中引入少量水后，當(dāng)體積含氣率小于99.5%時(shí)，部分測試工況所需的壓力恢復(fù)長度與單相空氣相比變短，但仍有一些實(shí)驗(yàn)工況的壓力恢復(fù)長度需要大于3D，而在下游6D處壓力能夠完全恢復(fù)。在圖14中，節(jié)流比為0.55的V錐流量計(jì)測量氣液兩相流時(shí)，壓力在下游3D處即能恢復(fù)。這意味著與測量單相空氣相比，液相的加入縮短了V錐流量計(jì)下游所需的壓力恢復(fù)長度。其主要原因如下：①V錐前后流型變化的影響。由圖10可知，在一定表觀氣液流速下，氣液兩相流流經(jīng)V錐后，流型可能發(fā)生變化，如分層流變成環(huán)狀流（見圖10c、10d）等。環(huán)狀流條件下，壁面潤滑效應(yīng)的存在使得摩擦壓降降低，進(jìn)而導(dǎo)致壓力恢復(fù)距離的縮短，并且節(jié)流比越�。ㄥF體體積越大），對流型影響越大，流型轉(zhuǎn)變所需的氣液流速越低（見圖7），對下游壓力分布的影響越明顯。②與V錐下游的尾渦對壓力分布特性的影響有關(guān)。尾渦越長，則壓力恢復(fù)所需的距離越長。研究發(fā)現(xiàn)，氣液兩相流來流時(shí)的尾渦長度比單相氣體時(shí)的短，因此所需的壓力恢復(fù)長度也小于單相氣體。圖15表明，節(jié)流比為0.65和0.75的V錐節(jié)流裝置測量高含氣率氣液兩相流時(shí)，壓力在下游3D處可完全恢復(fù)。


　　對于4個(gè)不同節(jié)流比的V錐流量計(jì)，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，測量單相流體和氣液兩相流時(shí)，所需的壓力恢復(fù)長度如表3所示。可知，V錐節(jié)流裝置測量氣液兩相流時(shí)，當(dāng)節(jié)流比為0.45時(shí)，建議恢復(fù)壓力測壓點(diǎn)設(shè)在大于3D的位置處；節(jié)流比為0.55、0.65和0.75時(shí)，推薦恢復(fù)壓力測壓點(diǎn)設(shè)在下游3D處。此外，在研究范圍內(nèi)，壓力恢復(fù)長度受入口壓力影響較小。
3結(jié)論
　　高含氣率條件下V錐流量計(jì)內(nèi)氣液相分布特性及V錐下游壓力恢復(fù)特性�？疾榱瞬煌�流型來流以及節(jié)流比對氣液相分布的影響，獲得了不同節(jié)流比V錐流量計(jì)的壓力恢復(fù)長度，主要結(jié)論如下：
（1）氣液兩相流流經(jīng)V錐后，其流動狀態(tài)可能發(fā)生轉(zhuǎn)變，節(jié)流比越小，來流的變化也越明顯；V錐下游的相分布特征與來流流型密切相關(guān)。流態(tài)的變化會直接影響V錐流量計(jì)內(nèi)的壓力分布。
（2）對于光滑分層流和波狀分層流，在錐體喉部加速的影響下，下游管道上壁面有液滴或液膜出現(xiàn)，且在一定條件下，V錐下游可轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀流；彈狀流流經(jīng)V錐后，則轉(zhuǎn)變?yōu)闅夂酥袏A帶大量液滴的環(huán)狀流；V錐對環(huán)狀流氣液相分布影響較小。
（3）氣液兩相流條件下V錐流量計(jì)所需的壓力恢復(fù)長度與單相流體相比較短。對于4種節(jié)流比的V錐流量計(jì)，節(jié)流比為0.45時(shí)，高含氣率條件下，下游壓力在6D處可以恢復(fù)，部分工況條件下，下游壓力在3D處即可恢復(fù)；節(jié)流比為0.55、0.65和0.75的V錐流量計(jì)，壓力在下游3D即可恢復(fù)。

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