两相流分相流速声电双模态测量方法

摘要

本发明提供一种两相流分相流速声电双模态测量方法，所采用的双模态传感器包括一套电学传感器和一套超声多普勒探头，测量方法为：利用电学传感器采集信号并获取水相含率、油相含率和两相流混合密度；确定超声多普勒探头的测量空间，计算测量空间的等效高度；计算超声接收探头获取的超声信号频率与超声发射探头所发射的激励超声信号频率间的频率差，并计算测量空间中的平均流速；建立管道中与距离管壁位置处流体流速的分布关系；建立测量空间中多普勒测量流速与边界层流速间关系；求解计算边界层流速；计算总流速，并分别得到水相流速和油相流速。本发明能够以非侵入方式准确获取两相流相含率。

主权项

一种两相流分相流速声电双模态测量方法，所采用的双模态传感器包括一套电学传感器和一套超声多普勒探头；所述电学传感器用于获取两相流分相含率，超声多普勒探头用于获取两相流的流速；所述电学传感器与超声多普勒探头同时安装于管道中；所述超声多普勒探头包括一个超声发射探头和一个超声接收探头；所述超声发射探头和超声接收探头均与管道间以夹角θ安装，超声发射探头安装于管道顶部，超声接收探头安装于管道底部，并保证超声发射探头、超声接收探头与管道中心处于同一纵向截面内；该测试方法包含如下步骤：1)当两相流的连续相为导电相时，将电学传感器用作电导传感器获取水相含率ε_w与油相含率ε_o；当连续相为非导电相时，将电学传感器用作电容传感器获取水相含率ε_w与油相含率ε_o2)利用水相含率ε_w与油相含率ε_o计算两相流混合密度ρ_m＝ε_wρ_w+ε_oρ_o、粘度μ_m＝ε_wμ_w+ε_oμ_o与声速c_m＝c_wε_w+c_oε_o，其中ρ_w与ρ_o分别为水相密度与油相密度，μ_w与μ_o分别为水相粘度与油相粘度，c_w与c_o分别为水中声速与油中声速；3)确定超声多普勒探头的测量空间，该测量空间为三维立体结构，其在管道截面方向投影为椭圆形，在管道剖面方向投影为近似菱形的四边形，分散相流经该区域时，其速度信息可以被超声接收探头有效获取，引入水力学直径的概念将其等效为一球形区域，计算测量空间的等效高度其中，测量空间理论高度$H_i=\frac{2\mathrm{Len}\sin (\theta -\alpha )\sin (\theta +\alpha )}{\sin (\pi -2\theta )},$宽度$W=d+2(\frac{4R+d}{4\sin \theta }-L),$长度$\mathrm{Len}=\frac{d}{\sin \theta }+\frac{d}{2\tan \theta }+\frac{2R+d-2L\sin \theta }{2\tan (\theta -\alpha )}+\frac{R-L\sin \theta }{\tan (\theta +\alpha )},$$L=\frac{d^2}{4\lambda }$为超声近场区域长度，d为超声多普勒探头直径，λ为超声波波长，R为管道内半径，α＝sin^‑1(1.22λ/d)为超声发射探头的发射角；4)计算超声接收探头获取的超声信号频率f与超声发射探头所发射的激励超声信号频率f₀间的频率差f_d＝f‑f₀，并计算测量空间中的平均流速其中为平均频率差，S_d(f_d)为超声频移的功率谱；5)利用两相流混合密度ρ_m与混合粘度μ_m，建立管道中与距离管壁位置z_i处流体流速u_i的分布关系$u_i^{+}=2.5\ln \left(\frac{z_i{\rho }_m{u}_{\tau }}{{\mu }_m}\frac{1.5(1+\frac{r}{R})}{1+2{\left(\frac{r}{R}\right)}^2}\right)+5.5,$其中$u_i^{+}=\frac{\overline{u_i}}{u_{\tau }}$为无量纲流速，且为位置z_i处的平均流速，u_τ为边界流速，r为位置z_i距离管道中心的距离且r＝R‑z_i；6)根据5)中的流体流速u_i的分布关系与测量空间等效高度H，建立测量空间中多普勒测量流速与边界层流速u_τ间关系$u_{\mathrm{dop}}=u_{\tau }{f}_H+2.5u_{\tau }\ln \frac{1.5u_{\tau }{\rho }_{m}R}{{\mu }_m}+5.5u_{\tau },$其中，系数$f_H=2.5[\ln \frac{R^2-H^2}{R^2+2H^2}+\frac{R^2}{H^2}\ln \frac{R^2}{R^2-H^2}+\frac{R^2}{2H^2}\ln \frac{R^2}{R^2+2H^2}];$7)对ln u_τ进行级数展开$\ln u_{\tau }=(u_{\tau }-1)+{\Sigma }_{m=0}^{\infty }\frac{{(-1)}^m{(u_{\tau }-1)}^m}{m+1}\approx u_{\tau }-D,$m为级数展开的阶数，参数D为ln u_τ级数展开的高次项之和，液液两相流下的一般取值范围为2‑5之间，其他应用条件下可通过实验数据以及级数展开方法推算8)将ln u_τ＝u_τ‑D代入6)关系式中，求解计算边界层流速其中系数a＝B，b＝B+B ln K‑B*D，c＝‑u_dop，A＝f_H+5.5，B＝2.5，9)通过两相流混合密度ρ_m、粘度μ_m以及边界层流速u_τ，计算总流速n为不同流态下的摩擦指数，当水为连续相时n＝‑0.25，当油为连续相时n＝‑0.2；将水相含率ε_w与油相含率ε_o分别代入得到水相流速J_w＝J*ε_w和油相流速J_o＝J*ε_o。