长喉颈文丘里管气液两相流弹状流机理研究

方立德, 王配配, 王 松, 李胜耀,田 季, 李小亭, 郑庆龙

(1. 河北大学 质量技术监督学院, 河北 保定 071000; 2. 河北省计量仪器与系统工程实验室, 河北 保定 071000;3. 保定市计量仪器与系统工程技术研究中心, 河北 保定 071000; 4. 中石油华北油田技术工程研究院, 河北 沧州 061000)

1 引 言

气液两相流是最为常见的两相流体系之一,广泛存在于日常生活、军事、环境、能源等诸多领域[1～4]。在许多工业领域,气液两相流以弹状流的形式出现。了解和掌握弹状流过程的作用机理和流动特性,对生产过程的安全稳定运行、生产工艺过程的优化具有重要的意义和作用。但是,由于弹状流本身作用机理的复杂性和不确定性,对其流动过程信息的获取和分析十分困难,对流动特性的描述方法尚需更加深入和广泛的研究。宗艳波等[5]利用四阶吸引子形态特征量的组合有效地识别在油水两相流中出现的水为连续相的逆塞流型和过渡流型；文献[6]通过近红外光谱与中红外光谱的扫描技术,确定了水及有机玻璃的透过波段；文献[7]提出了一种结合近红外吸收光谱技术实现气液两相中液相相含率的检测方法,对分层流及泡状流等流型分别实现了实时测量；陈文义等[8]利用子波分析法自动辨识气液两相流动信号中的气相和液相信号，从而实时快速和准确地测量气液两相流泡状流中的气相含率；Vendruscolo等[9]利用近红外层析成像技术对两相流进行了研究,对弹状流工况下的泰勒气泡有较高的分辨率；吴付祥等[10]采用流量闭环控制来实时监测采样流量的控制算法的变化并进行及时调整,提高了采样器气体流量检测精度；龚磊等[11]通过对气体流量装置中开关阀时间系统差机理的分析,获得了开关阀时间系统差的简化算法；沈平平[12]通过多传感器信号融合建立流量与电压的六阶多项式函数关系式,实现了气体流量的精确测量。考虑到弹状流的随机性因素,Wang等[13]研究了在倾斜管道的不同位置的泰勒气泡长度分布；Zhang等[14]进行了垂直向上的气液两相流实验,研究了弹状流中结构参数与流型转变的关系；Thaker等[15]通过使用LDV法测量液弹和液膜中的局部液速,确定了气泡从弹状流尾部脱离的原因。

为了更好地利用近红外技术测得准确的两相流参数信息,本课题利用新型文丘里装置,通过将近红外测量系统布置于管径缩小的喉管部位,减小了近红外发射探头与接收探头之间的距离,缩短了近红外的光程,减少了不必要的能量损失。测量时在保持流型的信号特征不发生改变的前提下提高了接收信号的强度,降低了系统噪声信号对测量结果的影响,最终实现气液两相流相含率测量。此外,为深入了解两相流动过程的流动机理、掌握其流动特性,实验时利用高速摄影技术捕捉垂直管气液两相弹状流流动过程中的运动细节,提取运动参数,并探索新的分析方法,对弹状流流动机理进行研究。

2 实验装置设计与理论基础

装置整体结构为一个长喉颈文丘里管,前管段与后管段通过法兰盘与实验主管道相连。在喉管位置进行打断设计,内嵌透明管段为透光性较好且对近红外几乎不吸收的石英玻璃管,通过细螺纹将前后管段相连接。在长喉颈文丘里管的收缩管段入口前端的前直管段与出口后端的喉管部位设置引压管1、2,与主管段焊接连接,用于连接差压变送器。长喉颈文丘里管的喉颈侧壁上,对称开两组通孔3与6、4与5,作为近红外测量系统的光路通道。通过固定管侧壁上的4个通孔螺钉对近红外探头进行径向固定,通过带通孔的压紧螺栓对近红外探头进行轴向固定,从而达到对近红外探头的定位,以消除震动对测量结果的影响。装置结构图及实物图如图1,图2所示。

图1 装置结构图Fig.1 Device structure diagram

图2 实验装置实物图Fig.2 Physical diagram of experimental device

用一束单色平行光照射某一均匀吸光介质(见图3),入射光光强为I0,吸光介质的厚度为d0,光线透过后的光强为I,则量值关系由Lambert-Beer定律[16]表示为:

I=I0e-αΔ(λ)d0

(1)

式中:I0为入射光强,cd;I为出射光强,cd;d0为介质厚度,cm;αΔ(λ)为物质Δ对波长为λ的光的吸收系数,cm-1。

对特定的波长的近红外光,溶液的吸光度A等于具有吸收作用的各成分吸光度Ai线性加和,吸光度线性叠加定律公式为:

(2)

式中n为溶液中具有吸光作用的成分的个数。

图3 静态管道近红外透射示意图Fig.3 Near infrared transmission diagram of static pipes

3 气液两相近红外透过性静态实验

在静态条件下进行的气液两相近红外透过性实验,对分析两相流流动状态下对近红外检测光束影响有借鉴作用和重要参考价值。选择内径为50 mm的有机玻璃管作为静态实验管段,如图4所示。

图4 静态试验有机玻璃管Fig.4 Plexiglass tube of static test

选择波长为980 nm的近红外光束作为检测光源,进行静态实验。实验时将近红外发射探头与接收探头相对布置在有机玻璃管的两侧,并进行可靠固定,使近红外光束与气液两相交界面垂直入射,从空管状态(即液层深度bi为0 mm)到满管状态(即bi为50 mm)逐次向管内注水,每次液面上升高度为5 mm(即Δbi为5 mm),各实验点需待液面平稳后采集透过的近红外光强信号值,求取各实验点光强信号值与空管状态下信号值的比值。进行3组重复实验,求各实验点信号比值的平均值,实验结果如图5所示。

图5 液层深度与信号比值关系曲线Fig.5 Relationship between depth of liquid layer and signal ratio

由图5可知,随着液层深度的增加,透过的近红外光强值与空管状态下透过光强值的信号比值呈现指数规律衰减,基本与理论分析所得到的透过光强信号比值I/I0与液层深度bi的变化规律相同。表明在静止状态下,近红外光线垂直气液两相交界面入射,近红外光线受到交界面折射、反射因素的影响较小,透过的近红外光强主要是受到液相吸收作用的影响,随液层深度的增加成指数规律衰减。

4 近红外光谱在弹状流工况传播机理分析

将管道内充满液态水,待实验管道水流稳定后,将少量的气体通入管道内,气相会被弥散成小气泡随液体流动,随着气相流量的增大,管道内的气泡密度增大。大量的实验证明当液体中气泡的尺寸大于临界尺寸时气泡会出现聚合现象,原来的泡状流就会发生变化。当聚合出现较大的圆顶状气泡,其尾部的小气泡会因为卷吸作用变得运动剧烈,这个阶段称为泡状流向弹状流转化的过渡期,直至子弹状泰勒(Taylor)气泡出现,表示弹状流形成。图6为利用高速摄影技术得到的垂直管道弹状流实景图。

图6 垂直管道弹状流实景图Fig.6 Physical map of slug flow in vertical pipe

因为弹状流在流动过程中相间变化特征十分明显,弹状流的前半部分是一个很大的泰勒气泡,后半部分是无规则复杂排列的小气泡部分,且泰勒气泡与其尾部小气泡的流动特性差异巨大,分相截面含率两级分化现象严重,两相交界面的形态也是截然不同,因此将弹状流的流动分成2部分来区别处理,前面部分为泰勒气泡(A),将后面小气泡部分视为流型中的泡状流(B)。这样处理简化了弹状流的流动模型,使得弹状流研究中相含率,流量等信息更容易利用测量模型进行求解。弹状流模型简化图如图7所示。

图7 弹状流简化模型图Fig.7 Simplified map of slug flow

4.1 交界面对近红外光线折射、反射作用

当光线照射在气、液两相交界面时,会在交界面发生折射、反射现象,光线的传播方向和光强均发生了变化。反射光与折射光的方向符合光的反射定律与折射定律,而反射光与折射光的强度变化则需要通过电磁场理论与界面条件来讨论。

由于光具有波粒二象性,将光作为一种特殊的电磁波,在界面发生反射、折射时,其能量变化遵循能量守恒定律,即入射波能量流等于反射波与折射波能量流之和,由麦克斯韦电磁波方程组出发,经推导计算,光线能量透射率随入射角的变化关系为:

(3)

式中:T为光线能量透射率,无量纲量;αi为入射角,(°);αr为折射角,(°)。

分析发现光线能量透射率T随光线入射角αi的增大而减小,若入射光光强(入射波能量流)大小不变,则折射光光强(折射波能量流)随入射角增大而减弱,反射光光强(反射波能量流)随入射角增大而增强。

利用与液层深度相同的管段与近红外探头进行实验。实验时将近红外发射探头与接收探头相对布置在有机玻璃管的两侧,并进行可靠固定,调节实验管段水平并加水至液面升高到25 mm(管段轴线位于气液两相交界面上),利用实验管段绕自身轴线旋转使近红外入射光与气液两相交界面产生不同的入射角。

从近红外光束与气液两相交界面垂直位置(即αi为0°)逐次将实验管段绕其自身轴线旋转,使近红外光束入射角增大5°(即Δαi为5°),直至入射角达到40°,需待液面平稳后采集透过的近红外光强信号值,求取各实验点光强信号值与垂直入射状态下信号值的比值。进行3组重复实验,求各实验点信号比值的平均值,实验结果如图8所示。

图8 入射角与信号比值关系曲线Fig.8 Relation curve between incident angle and signal ratio

从图8信号比值随入射角角度变化的规律可以看出,当近红外光束照射在气液两相交界面时,光束发生反射与折射现象,进入液相的折射光线的能量减弱,光强降低,同时由于光束传播角度的偏折,导致折射光线不能完全被布置在与近红外发射探头正对位置的接收探头所接收到,使最终接收到的近红外光强减弱,信号值降低。保持实验管段内液面高度与近红外发射探头发射光强大小不变,随着入射角角度的增大,接收探头接收到的光强信号明显减弱。

4.2 泰勒气泡近红外光传播机理

首先分析两相流流动介质对近红外检测光线的吸收作用对透过的光强信号的影响。入射光强不变的近红外光束穿过透明石英玻璃管壁与两相流介质时,由于光路中存在具有吸光性质的介质,使光束能量有所衰减,导致接收探头接收到的近红外光强减弱。其量值关系服从朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律。

由于石英玻璃管管壁与水之间有粘性作用,水在贴近管壁处存在粘性底层,表现出层流流动特征,接触管壁的一层流体速度为零。可理解为气液两相流在管壁材料为水的薄壁管道内流动,则光路中液层深度等于速度为零的层流流体厚度δ与流动着的液相厚度ci之和,即:

bi=ci+2δ

(4)

而流动着的液相厚度可用液相体积含率βl与光束在流动着的两相流介质中的传播距离h来表示:

ci=h×βl

(5)

由式(1),式(4)和式(5)可得:

Ii/I0=e-αΔ(hβl+2δ)

(6)

图9为粘性流体在圆管中流动的湍流结构示意图。

图9 粘性流体在圆管中流动的湍流结构示意图Fig.9 Schematic diagram of turbulent flow of viscous fluid flowing in a circular tube

4.3 尾部气近红外光传播机理

为使问题简化以便进一步分析,可将弹状流尾部的泡状流作为均相流动模型[17],以此模型为基础,将泡状流视为具有平均流体特性的单相流对待。同时把气泡近似看做球体在液相中分层均匀排布,随液相流动。不考虑两相流介质吸光作用的影响,单独分析光束在两相交界面的折射、反射对透过的光强信号的衰减作用。

(7)

图10 检测光束受泡状流两相交界面影响示意图Fig.10 Schematic diagram of detecting light beam affected by two-phase interface of bubble flow

当入射光强不变的近红外光束穿过泡状流介质时,受到液相的吸收作用与两相交界面折射、反射的影响,导致接收探头接收到的光强有所衰减,可得:

(8)

4.4 弹状流相含率测量模型构建

综合式(6),式(7)和式(8),则可以得到弹状流流型下的相含率拟合模型:

y=(a×lnx1+b)×x2+

(c×ln(e×x3+f)+d)×x4

(9)

式中:y为液相体积含率;x1为泰勒气泡经过时的接收探头光强均值与空管状态时光强均值的比值;x2代表泰勒气泡经过所占的时间与数据采集总时长的比值;x3为尾部气泡经过时的接收探头光强均值与空管状态时光强均值的比值;x4为尾部气泡经过所占的时间与数据采集总时长的比值;a、b、c、d、e、f为待定系数。

根据气液两相流流型在水流量范围0.4～3 m3/h,气流量范围0.12～0.6 m3/h内设置30个工况点,进行3次重复实验,共得到90组实验数据,工况点设置如表1所示。

将所得实验数据利用最小二乘法进行拟合,求解拟合模型中待定系数的最小二乘解,得到新型测量装置测量液相流量时的测量模型。将第3次实验的数据作为验证数据,来检验装置的测量效果。实验结果如图11～图13所示。

由弹状流工况下的分相体积含率测量相对误差分布图可以看出,液相体积含率测量相对误差在 ±5% 以内,气相体积含率测量相对误差在±25%以内,气液两相含率测量引用误差在±4%以内。

表1 实验工况点Tab.1 Setting of working condition points m3/h

图11 液相含率测量相对误差分布图Fig.11 The relative error distribution of the liquid holdup

图12 气相含率测量相对误差分布图Fig.12 The relative error distribution of the gas phase holdup

图13 气液两相含率测量引用误差分布图Fig.13 Citation error distribution of gas and liquid phase holdup

5 结 论

1) 出于对优化系统结构及紧密结合红外信息考虑,提出了将近红外系统布置于长喉颈文丘里管喉管部位的新结构。

2) 将弹状流相间流动特征与近红外测量系统接收光强信号特征相结合,提出了把弹状流分成泰勒气泡与尾部气泡两部分的简化模型的思路。

3) 利用新型测量装置对垂直上升管段中弹状流流型下的气液两相流相含率测量进行了实验研究,给出了理论测量模型并进行了验证。液相体积含率测量相对误差在±5%以内,气相体积含率测量相对误差在±25%以内,气液两相含率测量引用误差在±4%以内。