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氣液兩相流及其流量測(cè)量

   2008年09月17日 17:20  

氣液兩相流及其流量測(cè)量

(1)   氣液兩相流及其流動(dòng)結(jié)構(gòu)  液體及其蒸汽或組分不同的氣體及液體一起流動(dòng)的現(xiàn)象成為氣液兩相流。前者稱為單組分氣液兩相流,后者稱為多組分氣液兩相流。氣液兩相流在動(dòng)力、化工、石油、冶金等工業(yè)設(shè)備中是常見(jiàn)的,在流動(dòng)時(shí)氣相和液相存在流速差,在測(cè)量流量時(shí)應(yīng)考慮此相對(duì)速度。

氣液兩相流按流動(dòng)方向不同,存在多種流動(dòng)結(jié)構(gòu)。圖3.86所示為垂直上升管中的氣液兩相流動(dòng)結(jié)構(gòu);圖3.87所示為垂直下降管中的氣液兩相流動(dòng)結(jié)構(gòu);圖3.88所示為水平管中的氣液兩相流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

①             垂直上升管中的氣液兩相流動(dòng)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)研究證明,在垂直上升管中的氣液兩相流動(dòng),其基本結(jié)構(gòu)有下列五種:細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、帶纖維的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

圖3.86垂直上升氣液兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)

(a)細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu);(b)彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu);(c)塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu);(d)帶纖維的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu);(e)環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)

這五種流動(dòng)結(jié)構(gòu)分別具有下列特點(diǎn)。

a.       細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。細(xì)泡狀流動(dòng)是zui常見(jiàn)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)之一,其特征為在液相中帶有散布的細(xì)小氣泡。直徑小于1mm的氣泡是球形的,直徑大于此值的氣泡,其外形是多種多樣的。

b.      彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)由一系列氣彈組成,氣彈端部呈半球狀,而尾部是平的,在兩氣彈之間夾有小氣泡,氣彈與管壁之間的液膜是往下流動(dòng)的。

c.       塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)是由于氣彈破裂而形成的,此時(shí),氣體塊在液流中以混亂狀態(tài)進(jìn)行流動(dòng)。

d.      帶纖維的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在帶纖維的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)中,管壁上液膜較厚且含有小氣泡,被中心部分氣核從液膜帶走的液滴在氣核內(nèi)形成不規(guī)則的長(zhǎng)纖維形狀,這種流型常在高質(zhì)量流速時(shí)出現(xiàn)。

e.       環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)中,管壁上有一層液膜,管道中心部分為氣核,在氣核中帶有因氣流撕裂管壁液膜表面而形成的細(xì)小液滴。

圖3.87垂直下降氣液兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)

(a)細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu);(b)彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu);(c)帶下降液膜的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu);(d)帶含泡下降液膜的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu);(e)塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu);(f)環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)

②垂直下降管中的氣液兩相流動(dòng)結(jié)構(gòu)。從圖3.87所示的氣液兩相流在直管中垂直向下流動(dòng)時(shí)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)可以看出,氣液兩相作垂直下降流動(dòng)時(shí)的細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和作垂直上升流動(dòng)時(shí)的細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)不同,前者細(xì)泡集中在管子核心部分而后者則散布與整個(gè)管子截面上。當(dāng)液相流量不變而使氣相流量增大,則細(xì)泡將聚集成氣彈,形成具有下降彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)的氣液兩相流。垂直下降氣液兩相流也可形成下降流動(dòng)的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相及液相流量小時(shí),管壁上有一層向下流動(dòng)的液膜,管子中心部分為向下流動(dòng)的氣核,這種流動(dòng)結(jié)構(gòu)稱為帶下降液膜的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。如液相流量增大,氣泡將進(jìn)入液膜,形成帶含泡下降液膜的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣液兩相流量都增大時(shí)會(huì)出現(xiàn)向下流動(dòng)的塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流量繼續(xù)增大,氣液兩相流可具有管壁上有下降液膜,管子中心部分為帶液滴的下降氣核的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu),這種環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和垂直上升氣液兩項(xiàng)流的環(huán)狀結(jié)構(gòu)相近,但流動(dòng)方向相反。

③水平管中的氣液兩相流動(dòng)結(jié)構(gòu)。氣液兩相流體在水平管中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)比在垂直管中更為復(fù)雜,其主要特點(diǎn)為所有流動(dòng)結(jié)構(gòu)都不是軸對(duì)稱的,這主要是由于重力的影響使較重的液相偏向于沿管道下部流動(dòng)造成的。

實(shí)驗(yàn)研究表明,氣液兩相流在水平管中流動(dòng)時(shí),其基本流動(dòng)結(jié)構(gòu)有下列六種:細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、柱塞狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、分層流動(dòng)結(jié)構(gòu)、波狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

圖3.88是這些流動(dòng)結(jié)構(gòu)的示意。由圖可見(jiàn),這些流動(dòng)結(jié)構(gòu)分別具有下列特點(diǎn)。

圖3-88水平氣液兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)

a.           細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。水平管中的細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和垂直管中的不同,由于重力的影響,細(xì)泡大都位于管子上部。

b.          柱塞狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流動(dòng)增加時(shí),小氣泡合并成氣塞,形成柱塞狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。柱塞傾向于沿管子上部流動(dòng)。

c.           分層流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣液兩相流量均小時(shí)會(huì)發(fā)生分層流動(dòng)結(jié)構(gòu)。此時(shí)氣液兩相之間存在一平滑分界面,氣液兩相分開(kāi)流動(dòng)。

d.          波狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流量較大時(shí),氣液兩相分界面上會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)波,形成波狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

e.           彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流量再增大時(shí),氣液兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)可以從波狀轉(zhuǎn)變?yōu)閺棤盍鲃?dòng)結(jié)構(gòu)。此時(shí),氣液分界面由于劇烈波動(dòng)而在某些部位直接和管子上部接觸,將位于管子上部的氣相分隔為氣彈,形成彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在水平流動(dòng)時(shí),氣液兩相流的氣彈都沿管子上部流動(dòng)。

f.            環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在水平流動(dòng)時(shí),氣液兩相的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)于氣相流量較高的工況。水平流動(dòng)時(shí)的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和垂直上升時(shí)的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)相近,管壁上有液膜,管子中心部分為帶液滴的氣核,但由于水平流動(dòng)時(shí)重力的影響作用,下部管壁的液膜要比上部管壁的厚。

  在油田常經(jīng)分離設(shè)備將液氣分離,然后分別測(cè)液相和氣相流量。

(2)氣液兩相流體的流量測(cè)量方法  從制造商提供的資料可看出,有幾種儀表可用來(lái)測(cè)量離散相濃度不高的兩相流體的流量,來(lái)自用戶的報(bào)道也有一些成功應(yīng)用的實(shí)例,但目前使用的流量計(jì)都是在單相流動(dòng)狀態(tài)下評(píng)定其測(cè)量性能,現(xiàn)在還沒(méi)有以單相流標(biāo)定的流量計(jì)用來(lái)測(cè)量?jī)上嗔鲿r(shí)系統(tǒng)變化的平定標(biāo)準(zhǔn),因此這樣的應(yīng)用究竟帶來(lái)多大的誤差還不很清楚,僅有一些零星的數(shù)據(jù)和一些定性的分析。

①電磁流量計(jì)。當(dāng)液體中含有少量氣體時(shí),氣體在液體中的分布呈微小氣泡狀,這時(shí),電磁流量計(jì)仍能正常工作,只是所測(cè)得的為氣液混合物的體積流量。當(dāng)液體中所含氣體數(shù)量增加后,氣泡幾何尺寸逐漸增大,進(jìn)而向彈狀結(jié)構(gòu)過(guò)渡。當(dāng)氣泡的尺寸等于和大于流量計(jì)電面尺寸并從電極處掠過(guò)時(shí),電極就有可能被氣體蓋住,使電路瞬時(shí)斷開(kāi),出現(xiàn)輸出晃動(dòng),甚至不能正常工作。

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