起伏管路中氣液兩相流彈狀流特征參數測量方法研究

曹志旭 張超 張炳東

摘? ?要：氣液兩相流彈狀流是兩相流中較為常見的流型，其形成受入口效應的影響，與管路入口來流的氣相流量、液相流量、管路設備的振動情況以及氣液兩相流的流動速度等因素有關，是一個較為復雜的隨機過程。為了方便開展研究，掌握兩相流彈狀流的流動特性及規律，本文提出一種通過實驗測量的方法，來標定兩相流彈狀流流動特性，根據氣液兩相流中氣體和液體電導率不同的特點，制作一種內嵌入管道中的電導探針，通過測量設備電路中的電信號變化，分析得出氣液兩相流彈狀流的液彈長度以及液彈頻率，為開展兩相流彈狀流的流動研究和維護設備安全經濟運行奠定基礎。

關鍵詞：氣液兩相流? 彈狀流? 液彈長度? 液彈頻率

中圖分類號：TH814? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）11（a）-0091-03

在石油天然氣、能源化工以及水動力等方向，氣液兩相流已經逐漸成為當前的研究熱點，石油工業中油氣多相流動研究更是從上世紀初便大范圍地開展。彈狀流最顯著的特征即是在流動過程中，液塞和大氣泡交替往復出現且充滿整個管路，在實際工程中，則會出現氣液兩相流流量不穩定變化的情況，導致管路壓降和管路出口背壓發生無序波動的問題，嚴重時兩相流的波動頻率與管路設備的固有頻率發生共振，會影響上下游相關設備的安全運行。

目前，專家學者們從事最多的研究方向為水平管和豎直管中的氣液兩相流動特性研究，浙江大學楊志勇[1]通過對高速攝影設備記錄管路中的流動情況，通過對圖像處理分析，進而對小管道氣液兩相流參數進行總結，通過實驗可知，使用卷積神經網絡算法來識別管路中兩相流的流型[2]、使用擬三維重建的方法[3]測量管路中兩相流體的相含率的做法是可取的，這為微小通道中氣液兩相流相關參數的測量和研究提供了可靠的參考。來自中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院的王權等[4]對傾角較大的氣液兩相流管路中的流動特性進行了一系列研究，通過設計、建立氣液兩相流混輸管路實驗平臺，模擬地形起伏時出現的大傾角氣液兩相混輸管路中的流動情況，給出了氣液兩相流的流型與壓力波動特性規律。Yang， Yan，Li， Jingbo等[5]在研究濕天然氣的起伏管路輸運過程中輸運系統的氣液兩相流動特性時，計算了起伏管路氣液兩相流流動特性參數，同時對管路中的氣液的兩相分布、管路起伏時彎管部分的速度和壓力分布進行了探究，也對不同截面的氣相、液相流量、持液率以及出口氣液流量情況展開了分析研究。

1? 電導探針的原理

在模擬實驗所需的兩相工質中，氣相與液相的導電性優劣存在明顯的差異，可根據管路內不同相工質的導電性優劣來標定和區分氣相與液相，如圖1所示。

依據兩相工質導電性優劣的明顯差異，當裝置與氣相工質接觸時，其導電性較差，裝置內電流較小，裝置輸出的電信號值較低;當裝置與液相工質接觸時，其導電性較好，裝置內電流較大，裝置輸出的電信號值較高;如此交替，當氣液兩相流流過電導探針時，裝置輸出的電信號則會隨之發生周期性變化，通過處理電信號變化監測圖，便可得出液彈和氣彈的交替情況，從而計算得出兩相流彈狀流的流動特性參數[6-8]。

2? 液彈頻率和長度的實驗測量

通過實驗測量的方法，在氣液兩相流實驗平臺上，分別對θ=0°的水平管和傾角為θ=2°、θ=5°的管路進行液彈數量及采樣時間的測量，進而計算出不同傾角或氣液折算速度下液彈頻率f的變化規律，用液彈個數N除以采樣時間t來表示，即：

圖2給出了傾角θ=0°的水平管中，所測得電信號曲線隨時間的變化情況，橫軸為采樣時間，縱軸為電導探針所測得的電信號變化情況。由圖可知，由于重力方向與流動方向夾角較大，加之波動影響，氣彈和液彈的交替并不規則，共出現波峰的數量約為7，即N=7，采樣時間為t=10s，經計算求出頻率f=0.7。

圖3給出了傾角θ=2°的傾斜上升管中，所測得電信號曲線隨時間的變化情況，橫軸為采樣時間，縱軸為電導探針所測得的電信號變化情況。由圖可知，氣彈液彈交替較為規則，共出現較為明顯的波峰3個，即N=3，采樣時間t=10s，經計算求出頻率f=0.3。

圖4給出了傾角θ=5°的傾斜上升管中，所測得電信號曲線隨時間的變化情況，橫軸為采樣時間，縱軸為電導探針所測得的電信號變化情況。由圖可知N=8，t=10s，求出頻率f=0.8。

液彈長度因其具有不穩定性和周期性，我們不能準確的描述某一工況下液彈長度，故對其的測量呈現出的結果為平均液彈長度，我們用液彈的速度τs與經過探針時滯留的時間ut的乘積來表示，即：

3? 結語

本文采用理論結合實踐的研究方法，通過采用電導探針這一工具，精確直觀地監控電信號的變化，使兩相流的測量結果更加精準具體，有效避免了圖像分析法可能出現的誤差。

（1）在測量兩相流彈狀流的過程中，入口處工況條件即兩相流流速、流量、持液率以及波動情況等都將直接影響到流型的形成，進而影響電導探針測量精度，我們在實驗裝置的設計上，要保留充分發展段，使兩相流彈狀流平穩的經過電導探針。

（2）實驗中分別對傾角為θ=0°、θ=2°、θ=5°的傾斜上升管進行了實驗探究，實驗結果客觀性不夠充分，還需補充進行大傾角以及負傾角的實驗管路，探究總結相關規律;另外，為了保證結果準確，還可進行電導探針的布置方式和結構的探究改造，使得測量工具最優化。

（3）對兩相流彈狀流深入的實驗研究，能全面的總結出兩相流彈狀流的流動特性及變化規律，為學者們從事理論研究提供實踐參考，也為保障工程實際中設備的安全經濟運行提供了重要的技術支撐。

參考文獻

[1] 楊志勇. 基于圖像處理的小管道氣液兩相流參數測量研究[D].浙江大學，2018.

[2] 翁潤瀅，孫斌，趙玉曉，等.基于自適應最優核和卷積神經網絡的氣液兩相流流型識別方法[J].化工學報，2018，69（12）：5065-5072.

[3] 鄭小虎. 基于多視覺的小管道氣液兩相流參數測量研究[D].浙江大學，2016.

[4] 王權，李玉星，胡其會，等.大傾角上傾管氣液兩相流動特性[J].化工進展，2017，36（8）：2822-2829.

[5] Yang Y ， Li J ， Wang S ， et al. Gas-liquid two-phase flow behavior in terrain-inclined pipelines for gathering transport system of wet natural gas[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping， 2018， 162：52-58.

[6] 王超，陳超，趙寧，等.用于水平環狀流周向液膜特性測量的電導探針陣列[J].電子測量與儀器學報，2017，31（9）：1408-1413.

[7] 邊鵬，翟路生，金寧德.小管徑氣液兩相泡狀流雙電導陣列探針測量方法[J].工程熱物理學報，2015，36（8）：1706-1711.

[8] 周云龍，張學清，孫斌.應用電導探針技術識別氣液兩相流流型方法及電導波動信號噪聲的辨識[J].傳感技術學報，2008（10）：1708-1712.