水平管段塞流相界面參數的超聲相控陣測量及分析*

趙 寧王 晨武立強李斯文方立德*

(1.河北大學質量技術監督學院，河北 保定 071000；2.計量儀器與系統國家地方聯合工程研究中心，河北 保定 071000；3.河北白沙煙草有限責任公司保定卷煙廠，河北 保定 071000)

段塞流是氣液兩相流的典型流型之一，其特點是氣相和液相交替流動，充滿整個管道流通面積的液塞被氣團分割，氣團下方是沿管道底部流動的液膜[1-2]。段塞流動時，管道壓力、管道出口氣液瞬時流量波動較大，并伴有強烈的振動，對管道連接設備和下游工藝裝置有很大的破壞作用。在段塞流參數中，流速、界面分布和相分數關系到生產安全、反應效率和設備的優化設計[3-4]。因此，開展段塞流界面分布和相分數等研究對于針對氣液兩相流系統提供準確的判斷方法和控制手段具有重要學術價值和現實意義[5]。

非穩態流動的相界面結構復雜且變化多樣，無法利用兩相流體動力學方程進行準確求解。隨著測試技術的進步，相界面的主流實驗測試方法包括電導探針法、絲網傳感器法[6]、層析成像技術[7-10]、圖像可視化[11]和超聲法[12]。李廣軍[13]用雙平行電導探針法對兩相流的瞬時液膜厚度進行了測量，得到氣液兩相流界面上的波動規律。王凡[14]利用四頭電導探針對泡狀流局部界面面積濃度進行了測量，該方法只能對管道某一截面上直徑位置上單次測量，不能得到截面分布的完整形態，且只能用于非導電管道，應用在工業生產中有一定局限性。Johnson、Prasser等利用金屬絲網傳感器對氣液相界面進行重構，獲取相關參數及特征，可以檢測整個界面的流動特征，但絲網與流體充分接觸，易對流體產生干擾，影響測量結果[15]。近年，電學成像技術因具有不干擾流場、快速、成本低、無放射性等優點，在多相流檢測領域具有廣泛的應用前景[7]。許燕斌等[8]基于電阻層析成像技術將獨立成分分析和多尺度分析相結合提取水平管氣液兩相流分相界面波動信息，并經過實驗驗證，表明該方法可有效獲得多種流型的界面波動信息。Xu等[9]通過實驗評估了使用RTD數據的CAA的效率，通過將獲得的相關成分與構建的圖像層進行比較，可提取獨立成分，表明該方法可提取流動狀態信息，同時也能防止兩相的波動。Ru等人[10]利用電容層析成像結合機器學習算法進行水平管道內油基系統的界面檢測。由于電學層析成像固有的“軟場”特性，使得邊緣和界面檢測分辨率較低。對于監測兩相流動態變化，高速攝像技術可以更直觀地記錄，姜北[16]基于高速攝像技術對小管道段塞流相含率進行了測量，其檢測難點在于管道或被測對象需透明，同時大量的圖像分析任務艱巨。超聲法作為一種非干擾式測量技術，對流體不會產生干擾，適用介質種類多，且對大部分介質來說穿透力強，具有較高的測量精度。張月皓[17]利用超聲衰減和FPGA技術實現了氣液兩相流氣泡含氣率的測量；梁法春[18]利用超聲多普勒測速儀測量了波動分層流液膜厚度。相對普通超聲法，超聲相控陣檢測速度快，效率高，探頭具有靈活的偏轉角度和精準的聚焦性能，可以多角度大范圍地對兩相流界面進行檢測，較完整地觀測氣液界面分布情況。

超聲相控陣技術最初應用在醫學領域，超聲束的移動聚焦特性可以掃描人體內部器官，實現掃描面的成像檢測[19]。隨著電子信息的發展，超聲相控陣技術被應用于工業無損檢測中，實現對被檢元件缺陷位置及形態的檢測。近年來，學者將超聲相控陣技術引入到兩相流參數測量中，例如方立德等人[20]將相控陣用于兩相流的流型檢測中。

本文基于超聲相控陣技術對水平管段塞流相界面進行了扇形掃面測量，提取了液位高度和截面含氣率兩個特征參數，利用四階多項式擬合與高速攝像法的驗證得到了氣液界面曲線，為段塞流界面參數的測量提供了一種新的測量思路和研究方法。陣列式換能器通過延時控制聲束的掃描角度和范圍，可大大提高對兩相流界面的檢測范圍和精度。

1 實驗測試系統

1.1 超聲相控陣系統

超聲相控陣測量系統由發射和接收兩部分構成其原理分別如圖1和圖2所示。超聲相控陣換能器由多個獨立的壓電晶片組成陣列，相鄰陣元間距為d，按照預先設計的聚焦法則激發各個晶片單元，確定延遲時間控制聲束的偏轉和聚焦，遇到異質界面返回回波信號，通過對每個陣元接收的信號進行延遲補償和疊加處理得到檢測點的反射信號。

圖1 超聲發射原理圖

圖2 超聲接收原理圖

本文使用的是CTS-PA22X超聲波探傷系統，該系統由監控主機、CTS-PA22X相控陣檢測模塊、相控陣探頭及相關掃查裝置組成。監控主機上的軟件通過網絡接口向CTS-PA22X發送指令，并接收其回傳的波形數據和處理后圖像。超聲探頭的頻率為4 MHz，共有16個陣元，呈線性排列，還可通過導入聚焦法則，實現對聲束的控制。每次掃描最多可設置128條聲束，即發射128個方向的聲束。該系統還可以實現數據采集，采集得到的數據即為不同方向上的回波信號，對應扇形圖像上的128條采集線。每條聲束方向上可以采集448個數據點，故每次數據采集能夠獲得一個128×448的數據矩陣。相控陣探頭發射電壓為45 V，重復頻率為10 kHz，脈沖寬度為150 ns。接收器延遲精度為2.5 ns，增益范圍為48 dB，輸入阻抗為50 Ω。圖3為超聲相控陣扇掃返回數據圖像。

圖3 扇形掃描界面

1.2 實驗裝置

在河北大學高精度氣液多相流試驗裝置上，利用水和壓縮空氣進行實驗，主管道管徑為DN50，在水平管段和豎直管段上配有0.5 m長的有機玻璃管道作為測試管段，以方便觀察流態。在液體循環回路中，用科里奧利質量流量計和電磁流量計將水抽入水回路后進行測量。在氣體循環回路中，空氣首先被空氣壓縮機壓縮，然后進入壓力容器，再通過干燥器和質量流量計。被測水和氣體在兩相混合器中混合，進入垂直試驗段。最后，被測流體進入儲水罐，經過重力分離后，水繼續循環，氣體直接排放到空氣中。通過PLC系統和LabVIEW軟件實現對系統的控制和數據的實時采集，包括溫度、壓力和各個管道的流量等，為后續數據處理提供依據，多相流實驗系統如圖4所示。

圖4 實驗裝置圖

1.3 實驗過程

超聲相控陣探頭使用扇形掃描方式，掃描角度為-45°～45°，根據頻率和結構參數的選用原則，最終確定模擬增益為18 dB，數字增益為32 dB，脈沖寬度為125 ns，脈沖重復頻率為2 200 Hz。本實驗在內徑為50 mm，壁厚5 mm的水平管道進行，將超聲探頭、楔塊與管道連接，并在探頭與楔塊、楔塊與管道間添加耦合劑，在多相流系統上進行不同流型的實驗，如圖5所示，探頭對管道內流體在橫截面上掃描檢測采集數據。同時，利用高速攝像機對透明管道內流體進行拍攝，以觀察記錄，拍攝圖如圖6所示。實驗參數見表1，得到共18個工況點下128×448的回波信號數據。

圖5 水平管段現場安裝圖

圖6 高速攝像機拍攝圖

表1 實驗參數范圍

利用曼德漢流型圖對本文18個實驗點的流型進行了分析，如圖7所示，依據實驗工況點的分布，本實驗中水平管段氣液兩相流流型為段塞流。

圖7 水平管氣液兩相流流形圖

2 數據處理及分析

2.1 坐標轉換及剔除異常值

坐標轉換與所設定的聚焦法則相關，扇掃圖像所顯示的距離是根據聲速所得，超聲相控陣探頭發射的超聲束碰到氣液界面發生反射傳回128×448的矩陣數據，本實驗多相流管道內徑50 mm，管壁厚5 mm，根據滿管時掃描數據波形圖，在橫坐標點374處波峰指向性最好，這說明超聲束碰到管道內壁發生反射，楔塊高度相切有機玻璃管道高度為11 mm，加上管道壁厚及內徑，超聲陣列換能器陣元排列間距忽略不計，將其看作質點，每條聲束碰到氣液界面返回的距離點和其對應的液位高度yi成一定的比例，檢測原理圖如圖8，坐標轉換關系如式(1)和式(2)所示:

圖8 檢測原理圖

本實驗測量數據較少且每組工況下篩選出一組數據，故利用狄克遜準則剔除異常值。本實驗中由于流體運動過程中氣液界面是波動的，所以超聲遇到異質界面返回的信號數據中必然有異常值存在，如果一組測量數據中有極度不符合實驗理論的值出現，則該值可初步被判斷為異常值。

2.2 基于最小二乘法的氣液界面曲線擬合

最小二乘法是一種數學優化方法，它通過計算最小化誤差的平方和來尋找已知數據的最合適的函數匹配，見式(3):

式中:φk(x)是已確定的一組線性無關的函數，?k為待定系數(k＝1，2，…，m，m＜n)，擬合準則即為使yi(i＝1，2，…，n)與f(xi)的距離δi的平方和最小。

本實驗中由于掃描角度為-45°～45°，當液位低于管道半徑時，不能完整復現出氣液界面，故需利用不同階次方程求解一條擬合的曲線，呈現出接近管道壁的邊緣部分。

根據各階次的擬合曲線情況比較，多項式階數較低時，如圖9中的(a)～(c)，擬合曲線不能較好地反映出氣液界面液位點的分布情況，在圖9(a)和圖9(b)的一階和二階擬合方程下，氣液界面過于平直，不能體現出流體運動速度和壓力分布的梯度變化，不符合黏性流體的流動規律；在圖9(c)的三階擬合方程下，由于流體流動具有一定的對稱性，則三階擬合的氣液界面接近管壁兩端的液體分布方向相差較大；而圖9(e)和圖9(f)的五階和六階擬合方程出現了振蕩的情況，曲線畸變較大。本文利用高速攝像技術去驗證各階多項式擬合結果，從而確定最優曲線。該方法是把高速攝像機拍攝圖片進行了灰度處理和銳化處理以更清晰地得到液相與管壁的交界點位置坐標(如圖10所示)，同擬合曲線進行對比驗證。驗證結果表明，圖9(d)的四階方程多項式擬合的氣液界面效果最好，接近管壁部分體現出兩相和各相與管道壁之間的剪切應力，形成如圖9(d)所示的氣液界面分布，且在中線軸線附近體現了界面波動。

圖9 曲線擬合結果

圖10 段塞流氣塞處圖片處理過程

2.3 基于二值化圖像的截面含氣率求解

圖11(a)到圖11(d)為數據處理的完整過程，利用狄克遜準則剔除異常值，將掃描數據轉換得到的相界面處液位高度的坐標點進行排列，剔除兩端的異常值，排除實驗時由于設備檢測頻率或者流體波動等帶來的偶然誤差，便于后續利用曲線擬合得出一條較完善的氣液界面。基于圖像灰度轉換二值化的原理，對得到的管道橫截面氣液分布圖像進行處理，再通過計算氣相截面的像素點占比得到面積比即截面含氣率，由于本實驗中圖像涉及色彩較少，所以在此不進行灰度化處理。

圖11 處理過程

本文使用基于貼標號算法的二值化圖像區域分割進行面積計算，在連通域下，輸入二值化圖像I(i，j)，輸出圖像為標號圖像L(i，j)，i為圖像的行指標，j為圖像的列指標，預先設置連通區域個數的變量和，記錄標號中間結果的標號表。按自上到下，自左到右的順序逐行處理每一個像素點，掃描整個圖像。以工況點usl＝1.273 4 m/s，usg＝0.084 9 m/s為例，圖11(d)為二值化后的圖像，經由以上標號算法可計算出，α＝0.692 3。

本文選擇最小二乘法擬合液位散點，對于本實驗中的相界面結構來說，綜合幾種階次的擬合方程，最終選擇的四階擬合最符合實際情況下的氣液分布，從而完整復現了由超聲相控陣聲束掃描聚焦得到的氣液界面。本文利用超聲相控陣技術結合多項式擬合方法獲得的氣液界面曲線，提出了基于二值化圖像處理的截面含氣率求解方法，即計算氣相部分像素點占管道截面的面積比。

2.4 數據分析和結果

本實驗選取氣塞段運動較平穩的部分作為研究對象，在一定周期范圍內，會通過有規律的氣塞，通過對超聲回波信號數據的處理，對18個工況點下水平管段塞流型的液位高度和截面含氣率變化進行總結分析作為特征值，研究了氣液表觀流速變化對它們的影響，為進一步進行界面分布和相分數研究奠定了實驗基礎。利用實驗測量結果研究了液位高度和截面含氣率，液位選取水平管道橫截面垂直于圓心直線處對應的高度值。

從圖12和圖13中可以看出，當usg為固定值時，隨著usl的增加，液位高度上升，以usg＝0.05 m/s為例，usl在0.71 m/s～1.40 m/s范圍內變化，其每增加0.56 m/s，液位高度增加3.781 mm，截面含氣率下降0.072 1。反之，當usl為固定值時，隨usg的增加，液位高度下降，以usl＝0.85 m/s為例，usg增加0.07 m/s，液位高度下降2.414 mm，截面含氣率上升0.054 7。由此可看出氣相表觀流速的變化對段塞流液位高度影響更加顯著。

圖12 液位高度隨液相表觀流速的變化

圖13 截面含氣率隨液相表觀流速的變化

本文引入氣相和液相表觀流速差這一參數，對液位高度和截面含氣率的關系進行了進一步研究。

如圖14和圖15所示，usl-usg＜1 m/s時，氣相和液相表觀流速差每增加0.07 m/s，液位高度分別升高2.587 mm，2.413 6 mm和2.215 1 mm，截面含氣率分別降低0.063 1，0.044 7和0.032 1。usl-usg＞1 m/s時，其差每增加0.07 m/s，液位高度升高1.375 6 mm，1.332 7 mm和1.072 5mm，截面含氣率降低0.023 3，0.028 6和0.026 7。

圖14 氣相和液相表觀流速差對液位高度的影響變化圖

圖15 氣相和液相表觀流速差對截面含氣率的影響變化圖

根據上述分析結果可以得知，氣相和液相表觀流速之差較小時，氣液界面波動較大，液位高度和截面含氣率變化明顯，這是由于流體發生橋塞的液量少，氣體快速推動液塞運動使得液體和管道壁產生空隙，液塞拋出和下落循環往復，氣體和液體交替運動，氣體含量占比增大，則段塞流的截面含氣率上升，液位高度降低。而氣相和液相表觀流速之差較大時，氣速降低時，在氣體緩慢推動下，液塞長度較長，均勻地吸收液膜并向前運動，所以液面的液位波動較小。綜上，由對段塞流相界面的液位和截面含氣率隨工況變化的規律來看，符合段塞流的形成機理及流動特征，驗證了超聲相控陣法對氣液兩相流相界面參數測量與分析的有效性。

3 結論

本文基于超聲相控陣技術實現了對氣液兩相流流參數的分析。以段塞流為研究對象，利用超聲回波信號數據進行處理及分析，實驗前預先對超聲相控陣系統確定了扇形掃描方式，并設置合適的氣液兩相流參數，觀察18個工況點下的回波數據，發現監測點的每一次超聲回波信號和液位高度成一定的比例關系，所以每個工況下篩選出指向性最好的一組波形圖，利用MATLAB得出一次氣液界面液位高度點的分布。應用狄克松準則剔除異常值，以最小二乘法確立了四階多項式方程擬合曲線，還原了完整的氣液界面分布，基于二值化圖像的方法計算出段塞流相界面的截面含氣率。

測試數據結果表明，氣相和液相表觀流速差的變化對段塞流的液位高度及截面含氣率有一定影響，規律為氣液表觀流速差較大時，段塞流的液位高度偏高，截面含氣率較低；氣液表觀流速差較小時，段塞流的液位高度偏低，截面含氣率較高。氣相表觀流速要比液相表觀流速對液位和截面含氣率的影響更加顯著。