摘要：為了考察渦街流量計在油水兩相流中的測量特性，在內(nèi)徑為50 mm的垂直上升管道內(nèi)，對不同混合流量、含油率下的渦街信號進行了實驗測量，并對油水兩相儀表系數(shù)和斯特勞哈爾數(shù)予以分析。結(jié)果表明，在含油率5％～40％內(nèi)，儀表系數(shù)相對誤差小于4％，斯特勞哈爾數(shù)相對誤差隨含油率增加有變大趨勢、隨混合流鼉增加有減小趨勢，而且在兩相雷諾數(shù)2×104。5×104內(nèi)可視為常數(shù)，并隨雷諾數(shù)降低而升高。實驗說明油水兩相流中存在穩(wěn)定的兩相渦街，利用渦街流量計測量油水兩相混合流量具有可行性。

關鍵詞：渦街流鼉計；油水兩相流；混合流量；含油率；斯特勞哈爾數(shù)

1 引言

在石油行業(yè)，經(jīng)常會遇到油和水兩相混合流動的現(xiàn)象∽3，開展油水兩相流流量的測量具有重要的理論和工程意義。目前，將成熟的單相流量計應用于兩相流量測量取得了較大進展，如差壓式流量計、Coriolis流量計等。渦街流量計H1因其具有輸出與流體流量成正比的脈沖信號，對被測流體壓力、溫度、黏度和組分變化不敏感，可測量液體、氣體和蒸汽流量等優(yōu)點，廣泛應用于石油、化工、冶金、機械等工業(yè)領域。然而渦街流量計在兩相流量測量領域的研究還處于探索階段，目前主要集中在氣液兩相流方面，包括總流量、組分、斯特勞哈爾數(shù)及穩(wěn)定性等"引。在油水兩相流方面研究甚少，僅SKEA坤1應用多種單相流量計測量水平管內(nèi)油水兩相流流量的研究中提及渦街流量計，但未對實驗結(jié)果進行分析。本文應用渦街流量計對垂直上升管內(nèi)油水兩相流總體積流量進行了實驗測量，分析了不同兩相流量、含油率對儀表系數(shù)誤差產(chǎn)生的影響，以及兩相斯特勞哈爾數(shù)隨含油率和兩相雷諾數(shù)的變化情況。

2單相流渦街流量計測量原理在單相流體中垂直于流向插入一根非流線型旋渦發(fā)生體，當滿足一定條件時旋渦發(fā)生體的兩側(cè)將出現(xiàn)兩排旋轉(zhuǎn)方向相反、交替產(chǎn)生的非對稱的渦街，其頻率與流體平均流速成正比，因此通過檢測渦街的頻率，再根據(jù)有關的關系式就可以獲得流體的流量。設渦街頻率為／，流體平均速度為u，旋渦發(fā)生體迎面寬度為d，管道內(nèi)徑為D，則有一1：r Sru_，2而m=l一2--E d飛／1一（吾）2+arc$in吾] （2）式中：Sr為斯特勞哈爾數(shù)，m為旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面積之比。管道內(nèi)流體的體積流量為：Q，=邊=,irD42sm，df_4 =舌（3） 。4Sr K 、。7K=舌=面4S麗r （4）式中：K稱為渦街流量計的儀表系數(shù)。式（3）為渦街流量計測量的基本關系式，其中儀表系數(shù)除了與旋渦發(fā)生體、管道的幾何尺寸有關外，還與斯特勞哈爾數(shù)有關。斯特勞哈爾數(shù)為無量綱參數(shù)，它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)有關，在雷諾數(shù)為2×104-7×106范圍內(nèi)，可視為常數(shù)。

3實驗系統(tǒng)實驗是在天津大學油氣水三相流實驗裝置上進行的，實驗回路如圖1所示，由供水和供油回路兩部分組成（氣路關閉）。流程如下：15#白油從油罐4由油泵5泵出，經(jīng)油路標準表計量后，流人油水混合器14；水從水罐6由水泵7泵出，經(jīng)水路標準表計量后流入油水混合器。在混合器內(nèi)油水兩相混合后，流經(jīng)水平、垂直下降段進入垂直上升測量段、渦街流量計15及流型觀察段16后，zui后油水兩相流體經(jīng)分離器1分離后，油、水分別返回油罐和水罐。其中，水路和油路標準表及其參數(shù)見表1。實驗中水路、油路流量調(diào)節(jié)由計算機自動采集控制系統(tǒng)完成。實驗用渦街流量計內(nèi)徑為50 mm，經(jīng)0．1％精度水流量標準裝置校驗后其精度為0．5％。采用NI-6009數(shù)據(jù)采集卡對渦街信號進行采樣并輸入計算機存儲，采樣頻率為1 000 Hz，采樣時間為30 s。實驗中油水兩相混合流量Q。=5～11 m3／h，體積含油率』B=5％～40％。實驗過程為：調(diào)節(jié)油水兩相流量使其混合流量保持不變情況下，含油率從5％開始，以5％為步長，逐漸增大到40％；然后調(diào)節(jié)油水兩相混合流量到一個新的固定值，同樣逐步增大含油率重復進行實驗，直至混合流量從zui小值增大到zui大值。實驗工質(zhì)：15#白油和自來水。實驗在常溫下進行，15#白油密度P。=856 ks／m3，動力黏度地=14×10’3 Pa·s；水的密度P。=998．2 ks／m’，動力黏度肛。=1．002×10。Pa·s。l油水分離罐；2單流閥；3球閥；4油罐；5油泵；6水罐；7水泵；8過濾網(wǎng)；9壓力變送器；10溫度變送器；11水路標準表；12油路標準表；13氣動調(diào)節(jié)閥；14油水混合器；15渦街流量計；16有機玻璃管圖1 油水兩相流實驗系統(tǒng)圖Fi品l 0il．water two．phase flow experiment system表1水、油兩路標準表Table 1 Standard flowmeter of water／oil loop

4實驗結(jié)果分析

4．1流型分析由于兩相流流型極大地影響著油水兩相流的流動特性，同時也影響著流量參數(shù)的準確測量，因此，在實驗過程中對流型進行了識別，確定為水包油流型。為了對比驗證，將實驗所用油相、水相流量折算為表觀油流速K。、表觀水流速吃，繪出相應的流速分布圖，如圖2所示。圖中還給出了Flores等人¨馴基于擊碎聚合機理性模型轉(zhuǎn)換成的流型辨識圖（實線所示）。由圖可知，本文實驗數(shù)據(jù)位于細油泡區(qū)（水包油）和油泡區(qū)（水包油），說明本文識別出的流型與Flores機理性模型劃分的結(jié)果相一致，同時也發(fā)現(xiàn)隨著含油率的增加，流型越來越靠近水包油擾動流區(qū)。本文實驗數(shù)據(jù)與Flores等流型辨識圖Fig．2 Experimental data in this study vs．flow patternidentification by Flores et al

4．2油水兩相儀表系數(shù)分析由于實驗范圍流型為水包油，且垂直上升管中流型分布較均勻，故可將油水兩相混合流量視為均相流。參照單相流中測量公式，定義渦街流量計在油水兩相流混合流量測量時儀表系數(shù)k及其相對誤差e置為代表油水兩相渦街頻率，可由渦街采樣信號經(jīng)頻譜分析求得，Q。代表油水兩相混合流量，為入口油相、水相體積流量之和。經(jīng)水流量標準裝置標定，單相流中渦街流量計儀表系數(shù)K為9 223．04 111。。圖3不同Q。下，％母曲線Fig．3 Relative elTol'5 ofⅡ疑懈coefficient in oil-water two—phaseflow at different oil volume fractions and mixture flowrate圖3給出了不同油水兩相混合流量Q。下，儀表系數(shù)相對誤差e。隨含油率盧的變化曲線。由圖可知，在盧為5％一40％范圍內(nèi)，e。小于4％。這表明，應用渦街流量計測鼉垂直上升管內(nèi)油水兩相流總體積流量時，測量誤差較小，具有可行性。特別是，當口小于25％時，油水兩相儀表系數(shù)k幾乎不受蘆影響，e。小于2％，說明渦街流量計在高含水率的油水兩相流測量中較為準確。當口在25％一40％范圍內(nèi)，隨盧增加，e。有變大趨勢，而且受Q。影響較大，在油水混合流鼉較小時（5—8 m3／h），e。較大，偏移誤差zui大可達3．53％；當混合流量增大時（8～11 m3／h），e。變化很小，對油水兩相混合流量測量準確。由式（4）可知，單相流中儀表系數(shù)K除了與旋渦發(fā)生體，管道的幾何尺寸有關外，還與斯特勞哈爾數(shù)有關，而斯特勞哈爾數(shù)作為判斷渦街穩(wěn)定性的標準，在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)可視為常數(shù)。因此，在油水兩相混合流動中，對兩相斯特勞哈爾數(shù)的研究很有必要，它既是油水混合流量測量準確性的保證，也是油水兩相渦街是否穩(wěn)定的重要標準。4．3油水兩相斯特勞哈爾數(shù)分析參照式（1），定義油水兩相斯特勞哈爾數(shù)sr爪及其相對誤差e曲如下：Srm=警㈣e。=生≥=×100％ （8）已知研究所用渦街流量計旋渦發(fā)生體為梯形，迎面寬度d=14 mnl，管道內(nèi)徑D=50 mm，則m=0．648 1，單相流中斯特勞哈爾數(shù)Sr=0．164 5。由實驗數(shù)據(jù)可繪出圖4所示不同油水混合流量Q。下，兩相斯特勞哈爾數(shù)相對誤差e舟隨含油率盧的變化曲線。圖4不同口。下，e所田曲線Fig．4 Stmuhal Relative errors in oil·water two-phase flow atdifferent oil volume h∞商ons and mixture flowrate由圖4可知，在盧為5％一加I％范圍內(nèi)，油水兩相混合流動中存在穩(wěn)定的兩相渦街，e，，zui大偏移為3．36％。當p在5％～25％范圍內(nèi)，e野小于2％，兩相渦街穩(wěn)定性好，隨口增加（25％～加％），e所有變大趨勢。這是因為，當p較小時，流型分布較好，油泡對正常的渦街脫落影響很小，Sr=穩(wěn)定性好；隨口增加，管道中細小、均勻分布的油泡逐漸變大，流型逐漸向水包油擾動流區(qū)過渡，形狀不規(guī)則且穩(wěn)定性漸差的油泡對渦街脫落的干擾越來越強烈，所以Srm隨JB增加越來越偏移Sr，導致e。呈現(xiàn)變大趨勢。還可看出，e。，隨Q。增大，呈減小趨勢。例如，Q。為5 m3／h時，％zui大偏移為3．36％；Q。為8m3／h時，％zui大偏移為1．48％；Q。為1l m3／h時，e野zui大偏移僅為0．83％。這是因為，渦街脫落產(chǎn)生的升力與管內(nèi)平均流速的平方成正比，也就是說，當兩相混合流速升高時，渦街的升力是以流速的平方倍增長，所以，隨著Q。增大，渦街信號迅速增強，對管道中油泡的抗*力增強，渦街穩(wěn)定性變好，e野逐漸減小。斯特勞哈爾數(shù)除了與發(fā)生體形狀有關外，還與管道雷諾數(shù)相關。圖5給出了不同含油率口下，油水兩相斯特勞哈爾數(shù)相對誤差e蜥隨兩相管道雷諾數(shù)＆。的變化曲線。其中，兩相管道雷諾數(shù)尺e。計算公式如下：Re。：—Du,—,,pm （9）p。P。=屆p。+（1一P）p。（10）肛。=陬。+（1一盧）肛。（11）式中：P。為油水兩相流密度，‰為油水兩相流粘度。

5結(jié)論本文應用渦街流營計對垂直上升管內(nèi)油水兩相流總體積流量進行實驗測量，流鍍范圍5—1l m3／h，含油率為5％一40％，流型為水包油，將油水兩相流視為均相流。含油率5％～40％范圍內(nèi)，兩相儀表系數(shù)相對誤差小于4％，表明利用渦街流量計測量油水兩相混合流量的誤差較小，具有可行性。含油率5％～40％范圍內(nèi)，油水兩相混合流動中存在穩(wěn)定的兩相渦街；兩相斯特勞哈爾數(shù)相對誤差隨含油率增加有變大趨勢，隨混合流量增大有減小趨勢。油水兩相雷諾數(shù)為2 X 104—5×104內(nèi)時，兩相斯特勞哈爾數(shù)相對誤差小于1％，可視為常數(shù)；兩相雷諾數(shù)在0．5 X 104～2 X 104內(nèi)時，兩相斯特勞哈爾數(shù)隨雷諾數(shù)降低而升高，呈現(xiàn)非線性。