氣液兩相流測量技術的現狀及發展

姚磊等

摘 要：隨著氣液兩相流測量技術的進步，氣液兩相流理論得到充分發展，也為工程實踐提供了有力工具。本文主要介紹了近年來氣液兩相流對流量測量與流型檢測的新技術。在流量測量領域，本文主要介紹了傳統單相流量計、多流量計測量、分流分相法、超聲波法。在流型檢測方面主要介紹了，高速攝影法、層析成像法、信號特征分析法，以及小波變化法等實時檢測方法。

關鍵詞：氣液兩相流；流量測量；流型檢測

氣液兩相流的測量技術的進步對其理論和工業實踐的發展有著重要的意義。對于兩相流基本參數的測量呈現出多樣化的趨勢。例如，針對氣液兩相流流量測量林宗虎，王棟等提出分流分相的氣液兩相流體的測量方法，最終測量誤差小于5%，效果比較理想；胡俊介紹了一種基于壓差法的V形內錐式流量計，結果表明利用該流量計采用經典的林宗虎模型對流型進行檢測是可行的。

1 流量測量技術

（1）傳統分離式流量測量技術。根據測量過程中是否對兩相流分離可將氣液兩相流流量測量技術分為分離法和非分離法。傳統的分離法應用分離設備將汽液混合物分離成單相氣體和液體后，再通過普通單相流量計進行計量。常用的單相流量測量儀器有差壓流量計、渦街流量計、文丘里管、孔板式流量計、靶式流量計、節流原件等。

對于傳統的分離方法雖然有著穩定性強，測量精度高、測量范圍寬等優點但是其體積龐大，造價過高，造成其經濟性較差。

（2）多流量計測量。因流量計的指示值不僅與各相流量有關，還與兩相流體的干度相關，因此在更多的情況下，采用兩種不同特性的流量計組合測量。例如：節流元件-多孔動壓探針（笛形管），孔板-文丘里管，靶式流量計-渦輪流量計，文丘里管-渦輪流量計，垂直上升壓差-垂直下降壓差。該方法裝置簡單，但測量范圍小，受到具體流型的制約。

近些年對單個流量計與射線流量計組合研究更加深入。

（3）分流分相法。前以述及分流分相的氣液兩相流測量方法，其原理是通過分流分相的方法，從被側兩相流體中成比例的分流、分離出一定份額的單相氣體和單相液體，經單相流量計計量后根據比例關系確定出兩相流體的各相流量。

被測兩相流體流過分配器時被分成兩部分：一部分兩相流體（80%～95%）沿原通道繼續向下游流動，稱這部分流體為主流體，這一支路為主流體回路；另一部分兩相流體（5%～20%）則進入了分離器，稱這部分流體為分流體，這一支路為分流體回路.分流體經分離器分離后，氣體和液體分別進入氣體流量計和液體流量計進行計量，最后又重新與主流體匯合。

（4）超聲波法。超聲波測速原理基于超聲波在靜止流體中的傳播速度不同，即對于固定坐標系來說，超聲波傳播速度與流體的流速有關。

清華大學王鐵峰，王金福等在超聲多普勒測速儀在液-固和氣-液兩相測量應用中指出超聲多普勒測速儀實現了非接觸式測量，并且能得到瞬態速度的空間分布。由于超聲波測得的是流體的流速，故通常是與密度計結合，用于測量流體的質量流量。

2 流型檢測技術

氣液兩相流流型的檢測技術對實際工程應用起著非常重要的作用。通過控制流動參數可以避免有害流型的出現，保證設備安全運行。目前流型檢測方法包括信號特征分析法、層析成像法、高速攝影法等前處理方法，小波分析法等后處理方法。

（1）特征信號分析法。特征信號分析法指通過分析傳感器的隨機信號特征來進行流型識別。接收這些信號的傳感器主要包括電學、光學、熱膜、差壓和γ射線傳感器等。

隨著傳感器技術的發展新型探針的應用，氣液兩相流的測量變得更加切實可行，比如光纖探頭、電導探頭、熱膜探頭等。

（2）壓差法。差壓法，也稱壓差法，壓差波動法是通過采集氣液兩相流動的壓差信號，并對壓差信號進行統計分析的流型識別方法。這種壓差信號是由于管內局部點上氣、液介質的交替出現而產生的。對獲得的信號進行分析處理，再與神經網絡結合，可以對流行實現客觀的智能識別。其中對于噪聲的處理采用小波包技術，后面將述及。

（3）過程層析成像法。層析成像也稱計算機層析成像，指在不影響測量對象內部特征的條件下，從外部獲得的測量對象不同方向的投影數據，然后通過計算機重建測量對象內部的二維/三維圖像。過程層析成像技術主要以工業過程尤其是兩相流和多相流為檢測對象，具有非接觸性與實時性等優點。

（4）高速攝影法。高速攝影法就是利用高速照相機或攝像機，通過透明管段或透明窗口拍攝流體的運動狀態，再利用計算機獲取拍攝到圖片對典型的流型圖像進行簡單的預處理，使得敏感對比更加信命，噪聲盡量減小，以于特征的提取。

但高速攝影法存在兩個問題：一個問題是由于多相流具有復雜的界面，易產生相對多重的反射或和折射而影響成像清晰度。另一個問題是由于采用高速攝影，所得信息太多，因而又帶來了分析或處理這些數據的困難。

（5）小波分析法。小波包分析簡稱小波分析，能夠為信號提供一種更加精細的分析方法，它將頻帶進行多層次劃分，對分辨分析沒有細分的高頻部分進一步分解，并能夠根據被分析信號的特征，自適應地選擇相應頻帶，使之與信號頻譜匹配，從而提高了時-頻分辨率，因此小波包具有更廣泛的應用價值。

3 結束語

通過對各個氣液兩相流動參數測量方法的分析，一種良好的測量技術或檢測方法必須具有成本低、應用范圍廣、實時性強、系統工作可靠、安全等特點。在流量測量方面多種方法綜合使用或分流分相法，以及對這些方法的優化將是未來研究的熱點。在流型檢測方面，對層析成像法、信號處理的各個發法的深入研究，以及對各個模型的優化和組合利用的是目前的趨勢。

參考文獻：

[1]王棟，林宗虎.氣液兩相流體流量的分流分相測量法[J].西安交通大學學報，2001（05）：441-444.

[2]王棟，林宗虎.一種新的氣液兩相流體流量計──三通管型分流分相式兩相流體流量計[J].工程熱物理學報，2001（04）：488-491.

[3]王棟，林益，林宗虎.取樣管型分流分相式氣液兩相流體流量計[J].工程熱物理學報，2002（02）：235-237.

[4]王棟，林益，林宗虎.轉鼓分流分相式氣液兩相流體流量測量技術研究[J].西安交通大學學報，2002（05）：457-460.

[5]陳珙，黃志堯，王保良，李海青.小波變換辨識流型一種新方法研究[J].儀器儀表學報，1999（02）：117-120.

[6]白博峰，郭烈錦，趙亮.汽（氣）液兩相流流型在線識別的研究進展[J].力學進展，2001（03）：437-446.endprint