[发明专利]气液两相弹状流和塞状流流速声电双模态测量方法

摘要

本发明涉及一种气液两相弹状流和塞状流分相流速声电双模态测量方法，采用一个内含双压电陶瓷晶片的超声换能器和电容电导电学传感器；法包含：利用电学传感器获取两相流的含水率时间序列H(t)；对接收信号进行时频分析，计算每一时刻t的测量空间内离散相速度；计算测量空间内内离散相速度；对弹状流和塞状流进行区分；提取弹体的含水率或气塞的含水率；提取弹体内气泡的流动速度，气塞的流动速度；计算连续相和离散相之间的曳力；计算管壁对连续相的剪切力；利用数值迭代类算法求解，得到弹体内液相的真实流速或塞状流中液相的真实流速；计算两相流分相流速。

主权项

1.一种气液两相弹状流和塞状流分相流速声电双模态测量方法，采用一个内含双压电陶瓷晶片的超声换能器和基于电容电导的电学传感器；超声换能器的测量空间覆盖整个管道截面，用于获取两相流总表观流速；基于电容电导的电学传感器用于获取分相含率；所述超声换能器安装于管道底侧，换能器内部双晶片均被倾斜安装于声耦合材料上，以保证晶片的法线方向与水平流动方向夹角为θ；所述超声换能器用来发射和接收超声波；其中，换能器一侧晶片负责发射超声波，另一侧晶片负责接收超声波，且在上述两晶片之间放置隔音材料以抑制干扰；所述基于电容电导的电学传感器与超声换能器同时安装于管道之中；该测量方法包含如下步骤：1)利用电学传感器获取两相流的含水率时间序列H(t)；2)对接收信号进行时频分析，计算每一时刻t的测量空间内离散相速度U_dop(t)：每一时间段内的接收信号通过傅里叶变换得到其频率f(t)，将其与超声发射信号的频率f₀相减，即可得到测量空间内散射体运动所引起的频移f_d(t)，计算测量空间内离散相速度其中，为平均频移，C为声波在固体声耦合材料中的传播速度；3)通过对比含水率时间序列H(t)和U_dop(t)，对弹状流和塞状流进行区分：当H(t)中波峰所出现的时刻在U_dop(t)中对应为波谷时，当前流型为塞状流；反之，当H(t)中波峰所出现的时刻在U_dop(t)中对应为波峰时，当前流型为弹状流；4)设定阈值h_g，提取一段时间T内弹体的含水率H_s或气塞的含水率H_p：对于弹状流，对每一时刻t的含水率时间序列H(t)进行判断，得到表征该段时间内弹体内含水率的数值集合H_si，i＝1,2,3,…n, 对H_si取平均值，得到弹体内含水率H_si＞0,；对于塞状流，得到表征该段时间内气塞含水率的数值集合H_pi，i＝1,2,3,…n，对H_pi取平均值，得到气塞含水率H_pi＞0,；5)设定阈值th_g，提取同一段时间T内弹体内气泡的流动速度U_gs，气塞的流动速度U_gp：对每一时刻t的测量空间内离散相速度U_dop(t)进行判断，大于阈值时，保留原值，反之，则舍弃该值，从而得到表征该段时间内弹体或气塞流动速度的数值集合U_i，i＝1,2,3,…n，对U_i取平均值，得到弹体内气泡的流动速度U_i＞0,或气塞的流动速度U_i＞0；6)计算连续相和离散相之间的曳力F_drag：对于流体中的离散相，曳力表达式为：U_g是气相真实流速，若为弹状流，U_g＝U_gs，若为塞状流，U_g＝U_gp；U_w是液相的真实流速，弹状流中U_w＝U_ws；塞状流中U_w＝U_wp；H是含水率，弹状流中H＝H_s，塞状流中H＝H_p；ρ_w是液相密度；d₃₂是离散相的索特平均直径，其与离散相最大直径d_max的关系为：d₃₂＝0.62d_max；离散相最大直径d_max的计算方法为：D为管道内径；C_D是拖曳系数，对于不同流动状态下，其中相对雷诺数μ_w是液相动态黏度；7)计算管壁对连续相的剪切力f_w是穆迪摩擦因子，取值为ε是管内壁的相对粗糙度；Re_w是液相雷诺数，定义为8)在流体流动状态稳定时，离散相和连续相分别处于受力平衡的状态，有将F_drag，τ_w，H_s或H_p，U_gs或U_gp带入中，可得到关于U_w的一元非线性方程，利用数值迭代类算法求解，得到弹体内液相的真实流速U_ws或塞状流中液相的真实流速U_wp；为增加迭代速度，U_ws或U_wp的迭代初值设置为与U_gs或U_gp相等；9)计算两相流总表观流速：对于弹状流，J＝U_wsH_s+U_gs(1‑H_s)；而对于塞状流J＝U_wpH_p+U_gp(1‑H_p)；10)计算两相流分相流速：对于塞状流，液相流速为J_wp＝JH_p，气相流速为J_gp＝J(1‑H_p)；对于弹状流，液相流速为J_ws＝JH_s，气相流速为J_gs＝J(1‑H_s)。