豎直管內氣液兩相流流量測量系統設計

許兆峰，李 輝，羅 銳，王東澤，王 哲，劉 培

（清華大學動力工程及工程熱物理國家級實驗教學示范中心，電力系統國家重點實驗室，北京100084）

0 引 言

氣液兩相流動是指氣體和液體兩種物相共存的流動。氣液兩相流動廣泛存在于工程實踐過程中，水沸騰就是最典型的氣液兩相流動。相比于單相流動，氣液界面的存在導致氣液兩相流動更加復雜，流動參數測量也更加困難。為了測量氣液兩相流動流量，開發了多種測量手段，主要有節流法（包括單參數測量法）［1-3］、雙參數測量法［4-7］、直接測量法［8，9］、速度法［10，11］、分離法［12，13］和超聲波法［14-17］等。盡管氣液兩相流動流量測量技術有了長足發展，但在測量方法適應性和測量精度上仍有不足。

清華大學動力工程及工程熱物理國家級實驗教學示范中心開發了一套氣液兩相流動流量測量系統。由于孔板在單相流流速測量方面已經比較完善和精確，其測量模型容易掌握，實驗方法容易實現，因此本文選定以孔板流量計為基礎的雙參數測量法。

1 實驗原理

隨著空泡率α的增大，即氣相和液相體積流量比的增大，豎直管內氣液兩相流動的流型會呈現泡狀流、彈狀流、塞狀流、環狀流、霧狀流等。對于泡狀流，其氣相和液相的流速差別不大，管內各截面空泡率也差別不大，因此可以用均相模型來描述，即將氣液兩相流作為物理性質均勻的單相混合物處理。因此，只要通過實驗獲得氣液兩相流的總體積流量QM和αA，即可分別求出氣相體積流量QG和液相體積流量QL。基于此思想的氣液兩相流流量測量方法也叫作雙參數測量法。

式中：QM是氣液兩相流的總體積流量。

雙參數測量法的實驗回路原理示意圖如圖1所示。打開右邊的閥門和水泵，儲水箱內的液體（水）會被壓入豎直管段內；同時打開左側的閥門和空氣壓縮機，則空氣也會被壓入豎直管段內，并與液體充分混合后在實驗段形成氣液兩相流動；氣液兩相流到達頂部的氣液分離水箱后，氣體散逸到空氣中，而液體則由回流管重新流回儲水箱。

圖1 實驗回路示意圖

為了測量氣液兩相流流量，在實驗段設置了測壓管，并且在實驗段頂端放置了一個孔板流量計，實驗段放大示意圖見圖2。

假定兩相流為均相流動，則該孔板流量計有：

式中：ρM是氣液混合物的平均密度，

Δpo是孔板壓差；A0是孔板面積；α是孔板系數；ρG是氣相的密度；ρL是液相的密度。

圖2 實驗段示意圖

為了測得氣液兩相流的空泡率αA，在豎直實驗段的左側設置了一個測壓管與實驗段相聯通，測壓管內充滿液體，并在其下方設置一個電容壓差計來測量其兩端的壓差，見圖2（a）。對于電容壓差計，其兩端存在

壓力平衡，公式左側是測壓管到電容壓差計左邊的壓力和；公式右側是實驗段到電容壓差計左邊的壓力和。式中：p2是測壓管與實驗段上聯通處壓力；g是重力加速度；H是測壓管高度；Δp1是測壓管電容壓差計兩端壓差；Δpf是實驗段內兩相混合物的摩阻壓降，

λ是摩擦阻力系數，可以用單相流動公式估算；uM是混合物平均流速；D是實驗管段內徑。

在豎直圓管內，體積流量和流速的關系有：

式中：A是實驗管段截面面積。

在測量獲得Δpo和Δp1，可以由式（3）～（7）聯立求得QL和QG。通常，可先求得氣液混合物平均密度ρM，即將式（3）和（6）代入式（5）并簡化，得到：

2 實驗步驟

（2）兩相流量測量。啟動空氣壓縮機，調節空氣流量到指定值（在空氣壓力0.6 MPa表壓條件下）。記錄空氣轉子流量計、轉子流量計、孔板電容壓差計和測壓段電容壓差計的讀數，如果電容壓差計讀數波動較大，取平均值。

（3）單相氣體流量修正。由于壓力的變化，流過實驗段的實際氣體體積流量要比氣體轉子流量計處大。因此，還需要記錄空氣轉子流量計和實驗管段處的空氣絕對壓力來修正空氣流量，即：

式中：QG是空氣流量修訂值；QG0是空氣轉子流量計測量值；pG0是空氣轉子流量計的空氣壓力；pG是實驗段處的空氣壓力，可取實驗段孔板前壓力。

（4）控制閥門開度，改變空氣轉子流量計和轉子流量計讀數。重復步驟（1）～（3），并標明觀察到的流型。

實驗過程中，需要注意如下問題：① 計算阻力時，由于流動都是向上流動，阻力均設定是正值。②測壓段壓降可能是“負”的，為避免測壓段壓差計讀數為負值，需要調高測壓段壓差計零點的讀數值。本試驗中，測壓段壓差計零點對應的讀數值為2 kPa，因此所有壓力讀數應減去2 kPa。③ 對于低速流動，孔板壓差要修正。如圖2（b）所示，真實壓差＝Δpo+ αAρLgHδ，Hδ＝65 mm，也就是孔板兩個取壓孔間的距離，Δpo是壓差測量值，αA可用估計值。

3 實驗結果及討論

按照上面的步驟，先后進行單相流標定、兩相流流速測量和氣體流量修正，獲得的結果如表1和表2所示。

表1 單相流標定結果

表2 兩相流測量結果

通過實驗數據，可以發現：

（1）孔板所測量的混合物流量在液體高流速的情況下比較準確。

（2）液體低速流動時，氣體體積流量測量比較準確，但液體流量精度較差；進行圖2（b）所示的修正，可以提高精度；另外，針對小流量，可以用小孔徑孔板提高精度。

（3）液體高速流動時，氣體體積流量測量精度較差，原因是高速兩相流（泡狀流）的摩擦阻力要比同等體積流量的單相液體流動的摩擦阻力高30%～100%以上，即使是對于空泡率只有0.01，其阻力也要增加許多。

（4）總體來說，該方法適用于豎直管內泡狀流流量測量，對于其他流型則誤差很大；但在泡狀流測量時，也無法同時獲得較高精度的氣體體積流量和液體體積流量。

4 結 語

本文設計了一套用于豎直管內氣液兩相流流量的測量系統。該系統利用孔板流量計和測壓管聯合測量求得氣液兩相流平均密度ρM，進而求得氣液兩相流總體積流量QM和空泡率αA，并最終獲得液相體積流量QL和氣相體積流量QG。該方法是基于氣液兩相混合均勻、流速差距小的假設，因此適用于豎直管內泡狀流流量測量，在彈狀流、塞狀流、環狀流等流型下誤差很大。但即使是在泡狀流測量時，該方法也無法同時獲得較高精度的氣體體積流量和液體體積流量。

兩相流流量精確測量是一個尚未解決的課題，其困難來源于兩相流動本身的復雜性和我們對其認識的不足。在工程實踐中的真實兩相流遠比實驗室的兩相流復雜、多變，更待我們去研究解決。