摘要:霧狀流條件下,離散液相對(duì)渦街流量計(jì)測(cè)量誤差的影響。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的進(jìn)一步分析表明，均相流模型并不適合于渦街流量計(jì)在霧狀流中的測(cè)量.實(shí)驗(yàn)在多相流裝置上口徑為50mm的水平管段上進(jìn)行,在保.證氣相流量不變的條件下，研究了0~01%液相含率范圍內(nèi)渦街流量計(jì)的測(cè)量誤差,渦街產(chǎn)生的頻率值是通過(guò)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換來(lái)獲取的.利用數(shù)值仿真的方法研究了旋渦發(fā)生體上渦量場(chǎng)的變化,理論上解釋了霧狀流中渦街流量計(jì)測(cè)量誤差產(chǎn)生的原因。
1引言
霧狀流是化工行業(yè)中常見(jiàn)的一種流型,表現(xiàn)為氣相占絕大部分為連續(xù)相,液相占小部分為離散相。目前用到霧狀流測(cè)量的流量?jī)x表有孔板文丘里管.內(nèi)錐渦街以及渦輪流量計(jì)其中孔板和文丘里管流量計(jì)應(yīng)用廣泛,對(duì)于其它幾種流量計(jì)在霧狀流中應(yīng)用的報(bào)道還較少。
對(duì)于渦街流量計(jì)在霧狀流中的測(cè)量,一些研究者已經(jīng)做過(guò)研究。在油田現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室的霧狀流條件下對(duì)渦街流量計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明液相含量的增加會(huì)明顯地增加渦街流量計(jì)的測(cè)量誤差油田現(xiàn)場(chǎng)的高壓條件下對(duì)渦街流量計(jì)在霧狀流中的工作情況進(jìn)行了研究以水蒸汽作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)對(duì)渦街流量計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，其中蒸汽為氣相.水為液相。
從現(xiàn)有的文獻(xiàn)來(lái)看，研究渦街流量計(jì)測(cè)量霧狀流的文獻(xiàn)不多,并且多集中在研究不同工沉條件下渦街流量計(jì)測(cè)量誤差上。本文在多相流裝置上常壓霧狀流條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),并從不同角度對(duì)實(shí)驗(yàn)果進(jìn)行處理，分析了渦街流量計(jì)的測(cè)量誤差。分析表明,在孔板流量計(jì)和文丘里管流量計(jì)測(cè)量霧狀流時(shí)使用的均相流模型在渦街流量計(jì)測(cè)量中并不適用。通過(guò)數(shù)值仿真方法研究了霧狀流條件下旋渦發(fā)生體上渦量場(chǎng)的變化,對(duì)測(cè)量誤差以及均相流不適用的原因進(jìn)行了探討。
2實(shí)驗(yàn)裝置及方法
2.1實(shí)驗(yàn)裝置(圖1)
空氣壓縮機(jī)將空氣壓縮后送入儲(chǔ)氣罐,流量計(jì)1計(jì)量氣液混合前儲(chǔ)氣罐送入管道的氣體流量。蓄水罐距離地面30m提供實(shí)驗(yàn)所需的液相,其流量由流量計(jì)2測(cè)得。氣相和液相經(jīng)混和器混和后送入實(shí)驗(yàn)管段,最后流入分離罐將水和空氣進(jìn)行分離,空氣由放氣閥排出，水由水泵送回蓄水罐循環(huán)使用。。工控機(jī)對(duì)所有儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和顯示并對(duì)兩個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制,調(diào)節(jié)氣相和液相的流量
實(shí)驗(yàn)所用的渦街流量計(jì)選擇了一臺(tái)應(yīng)用最多的壓電式渦街流量計(jì),其口徑為50mm,在普通氣體流量實(shí)驗(yàn)裝置上測(cè)試,其精度為15%。將渦街流量計(jì)放置在水平直管段上,其上下游直管段長(zhǎng)度分別為30D和20D。壓力變送器和溫度變送器分別放在渦街流量計(jì)上游1D和下游10D的位置水在渦街流量計(jì)上游70D的地方注入,混和器安裝在渦街流量計(jì)上游30D的位置
2.2實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中保持氣相流量為141m3/h,對(duì)應(yīng)的流速為20m/s,管道中液相體積含率分別為0.0106%、00213%、0.0355%、0.0496%、.0.0638%、0.0780%、00922%。以5000Hz的頻率對(duì)不同液相含率下電荷放大器產(chǎn)生的正弦信號(hào)進(jìn)行采樣,每次采樣10組數(shù)據(jù),每組數(shù)據(jù)有104個(gè)采樣點(diǎn),然后把得到的采樣點(diǎn)進(jìn)行傅立葉變換,得到不同液相含率下渦街產(chǎn)生的頻率.，不同液相含率時(shí)渦街信號(hào)的頻譜圖如圖2所示。
3測(cè)量誤差分析
表1為實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果。
在對(duì)渦街流量計(jì)的測(cè)量誤差進(jìn)行分析之前,首先在標(biāo)準(zhǔn)氣裝置上對(duì)其進(jìn)行了標(biāo)定,得到了實(shí)驗(yàn)所用渦街流量計(jì)的斯特勞哈爾數(shù)s為0.291,那么流過(guò)實(shí)驗(yàn)管段中渦街流量計(jì)的流量可用式(1)計(jì)算得到。
式中:Qt一實(shí)驗(yàn)段渦街流量計(jì)測(cè)得的流量值;?一頻譜分析后得到的渦街脫落頻率;st一斯特勞哈爾數(shù);d一旋渦發(fā)生體截流面寬度;D一管道直徑.
對(duì)渦街流量計(jì)的測(cè)量誤差用式(2)來(lái)計(jì)算:
式中:σ一渦街流量計(jì)的測(cè)量誤差，Qt一-圖1中流量計(jì)1測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)流量值。
表2為渦街流量計(jì)測(cè)量誤差的計(jì)算結(jié)果。從表中可以看出,渦街流量計(jì)的測(cè)量誤差隨著液相含率.的增加而增加。當(dāng)液相含率從0僅增加到00106%時(shí),渦街流量計(jì)測(cè)量誤差即受到很大的影響,誤差增加了近60倍。當(dāng)液相含率從00106%增加到.0.0922%時(shí),誤差變化較為平緩,液相含率增加了近10倍,測(cè)量誤差增加了6倍。
4均相流模型下的誤差分析
當(dāng)氣液兩相流體的速度溫度和化學(xué)勢(shì)的平均值與每一相的速度溫度和化學(xué)勢(shì)的數(shù)值相同時(shí)的流動(dòng)稱為均相流動(dòng)|4]。符合均相流流動(dòng)條件的氣液兩相混合物可近似看成一種具有均勻混合密度B的“單相流體”。一些研究者[5~)將霧狀流視為均相流流動(dòng)，并用均相流模型對(duì)孔板和文丘里在霧狀流中的測(cè)量進(jìn)行了研究,取得了較好的結(jié)果。本文以均相流模型為依據(jù)對(duì)渦街流量計(jì)在霧狀流中的測(cè)量誤差進(jìn)行了分析。
渦街流量計(jì)測(cè)量單相流流量Q的模型為:
將式(5)代入式(4)最后得到了霧狀流中質(zhì)量流量的計(jì)算公式,式(6)即為渦街流量傳感器的均相流模型。
式中:x一干度,表示氣液兩相流中,氣相質(zhì)量流量占兩相質(zhì)量流量的份額;pg和P1一氣相和液相的密度。
在實(shí)驗(yàn)中由式(7)計(jì)算流入實(shí)驗(yàn)管段中的氣液混合物的總體質(zhì)量流量。
式中:Wmc一流入實(shí)驗(yàn)管段的氣液總質(zhì)量流量;wc一圖1中標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)1測(cè)得的氣液混合前氣體質(zhì)量流量;Wr一-圖1中標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)2測(cè)得的氣液混合前水的質(zhì)量流量。
實(shí)驗(yàn)管段中渦街流量計(jì)測(cè)得的混合流體的質(zhì)量流量Wmt通過(guò)式(6)計(jì)算得到因此最終實(shí)驗(yàn)管段渦.街流量計(jì)的測(cè)量誤差用式(8)計(jì)算,δ為相對(duì)誤差,表示了實(shí)驗(yàn)管段中渦街流量計(jì)測(cè)量得到的氣液混合流體的質(zhì)量流量與真實(shí)值之間的相對(duì)誤差。
圖3為最后得到的渦街流量計(jì)的測(cè)量誤差,從圖中可以看到，將霧狀流看作均相流后，,渦街流量計(jì)測(cè)量得到的質(zhì)量流量值與實(shí)際值之間依然存在有較大的誤差,并且誤差會(huì)隨著旋渦脫落頻率的增加而增加。
5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
渦量表示了速度場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)程度,可以通過(guò)對(duì)旋渦發(fā)生體壁面渦量場(chǎng)的測(cè)量來(lái)判斷旋渦結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及邊界層的卷曲情況。在前面對(duì)液相運(yùn)動(dòng)情況分析的基礎(chǔ)上，對(duì)旋渦發(fā)生體上旋渦形成的變化進(jìn)行了分析。通過(guò)數(shù)值模擬。觀察了當(dāng)氣相中有離散液相存在時(shí)旋渦發(fā)生體壁面上渦量的變化。數(shù)值模擬在流體計(jì)算軟件FUENT上進(jìn)行,采用離散相模型進(jìn)行計(jì)算。
首先對(duì)渦街流量傳感器沒(méi)有液相加入時(shí)渦街壁面.上渦量的變化情況進(jìn)行了記錄。圖4反映的是當(dāng)入口速度為20m/s時(shí),一個(gè)周期內(nèi)不同時(shí)刻旋渦發(fā)生體壁面，上渦量的變化情況,以及當(dāng)氣體中注入液體含率為0.1%時(shí)旋渦發(fā)生體上一個(gè)周期內(nèi)不同時(shí)刻的渦量變化。未加入液相時(shí)可以看到旋渦在旋渦發(fā)生體上從產(chǎn)生到逐漸長(zhǎng)大最后從旋渦發(fā)生體上脫落的整個(gè)過(guò)程,在開(kāi)始時(shí)刻邊界層在旋渦發(fā)生體的銳邊開(kāi)始卷積形成旋渦，隨后旋渦逐漸變大,渦量比初始時(shí)相對(duì)減小,最后旋渦從旋渦發(fā)生體上脫落,旋渦發(fā)生體壁面.上的渦量變?yōu)榱�。由圖4進(jìn)行比較可以明顯地看出,在加入液相以后液相的存在影響了氣體邊界層在壁面上的卷積,旋渦發(fā)生體上的渦量明顯減小。
孔板和文丘里管流量計(jì)是利用差壓原理來(lái)進(jìn)行流量測(cè)量的，液相的存在對(duì)它們影響較小,而渦街流量計(jì)是利用檢測(cè)流體經(jīng)過(guò)旋渦發(fā)生體后產(chǎn)生的旋渦頻率來(lái)測(cè)量流體流量的。由對(duì)旋渦發(fā)生體上的渦量分析表明,液相的存在影響了旋渦的形成，從而減弱了旋渦強(qiáng)度造成了測(cè)量誤差的增加。
6結(jié)論
(1)通過(guò)在霧狀流中的實(shí)驗(yàn)表明,離散液相的存在對(duì)渦街流量計(jì)測(cè)量誤差影響明顯，在常壓下加入很少的液相時(shí)，渦街流量計(jì)的誤差就會(huì)變化很大。
(2)在文丘里和孔板流量計(jì)中適用的均相流模型并不適用于渦街流量計(jì)。從數(shù)值模擬的結(jié)果來(lái)看,由于離散液相的存在破壞旋渦發(fā)生體上旋渦的形成,從而導(dǎo)致了渦街流量計(jì)測(cè)量誤差的增加。
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