[发明专利]两相流速声电双模态测量方法

摘要

本发明属于流体测量技术领域，涉及一种两相流速声电双模态测量方法，包括：1)利用电学传感器基于电导电容法计算两相流分相含率；2)计算两相流中的混合声速；3)确定测量空间；4)利用超声多普勒频移计算测量空间内离散相平均流速；5)利用漂移模型计算测量空间内平均流速；6)通过测量空间内的平均流速计算总流速；7)计算两相流总平均流速与分相流速，利用电学传感器所得到的分相含率进一步计算得到水相表观流速和油相表观流速。本发明的测量方法测量方便，速度快，成本低，能够准确地测量管道内两相流的平均流速与分相含率。

主权项

一种两相流速声电双模态测量方法，采用一对用于获取两相流平均流速的压电陶瓷超声换能器和基于电容电导法获取分相含率的电学传感器；所述超声换能器分别安装于管道上下两侧，并保证与水平方向夹角为θ；所述超声换能器分别用来发射和接收超声波，其中，发射换能器位于管壁顶端，而接收换能器位于管壁底端，需保证这对换能器与管道中心处于同一截面；所述电容电导传感器与超声换能器同时安装于管道之中；该测试方法包含如下步骤：1)计算两相流分相含率：当两相流的连续相为导电相时，将电学传感器视为电导传感器，利用测量数据获取含水率α_w与含油率α_o；当连续相为非导电相时，将电学传感器视为电容传感器，利用测量数据获取含水率α_w与含油率α_o；2)计算两相流中的混合声速：利用含水率α_w与含油率α_o计算两相流的混合声速其中混合密度ρ_m＝ρ_wα_w+ρ_oα_o，混合绝热压缩系数κ_m＝κ_wα_w+κ_oα_o，ρ_w与ρ_o分别代表水与油的密度，κ_w与κ_o分别代表水与油的绝热压缩系数；3)确定测量空间：超声波的声场分布在管道内部形成的测量空间，位于管道中心处，其在管道截面上的投影为椭圆形，将测量空间按照水力学直径等效为球体，其等效半径为其中，测量空间理论高度$H=\frac{2Lensin(\mathrm{\θ}-\mathrm{\φ})sin(\mathrm{\θ}+\mathrm{\φ})}{sin(\mathrm{\π}-2\mathrm{\θ})},$宽度$W=d+2(\frac{4R+d}{4\sin \mathrm{\θ}}-L)tan\mathrm{\φ},$轴向长度$Len=\frac{d}{sin\mathrm{\θ}}+\frac{d}{2tan\mathrm{\θ}}+\frac{2R+d-2Lsin\mathrm{\θ}}{2tan(\mathrm{\θ}-\mathrm{\φ})}-\frac{R-Lsin\mathrm{\θ}}{tan(\mathrm{\θ}+\mathrm{\φ})},$L＝d²/4λ为超声近场区域长度，d为超声探头直径，λ为超声波波长；φ＝sin^‑1(1.22λ/d)为超声声束在远场区的扩散角，θ为超声换能器与水平方向夹角；4)利用超声多普勒频移计算测量空间内离散相平均流速通过对超声接收探头所获取的接收信号进行傅里叶变换可得到其频率f，将其与超声发射探头的激励频率f₀相减，即可得到由测量空间内流体运动所引起的频移f_d＝f‑f₀，计算测量空间内离散相平均流速其中，为平均频移，S_d(f_d)为频移f_d的功率谱；5)利用漂移模型计算测量空间内平均流速u_s：通过漂移模型与测量空间内离散相平均流速计算测量空间内两相流平均流速u_s，其中C₀为离散相分布参数，连续波多普勒原理下的油水两相流测量模型中C₀为1，u_r为离散相与连续相之间相对速度；水连续时相对速度u_r与测量空间内两相流平均流速u_s之间的关系为此时油连续时相对速度u_r与测量空间内两相流平均流速u_s之间的关系：此时其中D为分散相液滴直径，由于在不同流型下，分散相液滴的尺度不统一，D的取值需根据实际情况进行，对于油水两相流，可以取1mm；6)通过测量空间内的平均流速u_s计算总流速J：根据两相流在不同动态粘度下所呈现的不同流速分布规律，并结合测量空间尺寸，当两相流为水连续时，总平均流速J与测量空间内平均流速u_s之间的关系：其中，y为该点到管道中心的距离，R为管道内半径，n为流速分布系数，水连续情况下取值6‑7；当两相流为油连续时，7)带入步骤5)中计算的测量空间内平均流速u_s的计算式，计算两相流总平均流速与分相流速，水连续时，两相流总流速为：$J=\frac{{\mathrm{nr}}^2}{{\mathrm{nR}}^2+(r-R)(r+nr+nR){(1-\frac{r}{R})}^{\frac{1}{n}}}*\frac{{\stackrel{\‾}{u}}_{dop}}{1+\frac{D^2}{3r^2}};$油连续时，两相流总流速为：$J=\frac{R^2}{2R^2-r^2}*\frac{{\stackrel{\‾}{u}}_{dop}}{1-\frac{4D^2}{9r^2}};$利用电学传感器所得到的分相含率进一步计算得到水相表观流速：J_w＝J*α_w，和油相表观流速：J_o＝J*α_o。