楊 悅 李洪偉 周云龍

(東北電力大學(xué)，吉林 吉林132012)

氣-液兩相流在能源、化工及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，而環(huán)狀流是兩相流的一種基本表現(xiàn)形式。壓降梯度、空泡份額、管壁液膜厚度及壁面剪切力等是兩相流的基本參數(shù)，其中壁面剪切力對(duì)流型的影響尤為重要。在流體力學(xué)中，像粘性阻力及流動(dòng)轉(zhuǎn)捩等重要參數(shù)都可以通過(guò)測(cè)量壁剪切應(yīng)力來(lái)獲得，同時(shí)也可用于探測(cè)湍流結(jié)構(gòu)，因此測(cè)量壁面剪切力對(duì)氣-液兩相流的研究極其重要。

目前，眾多學(xué)者已經(jīng)提出了壁面剪切力的測(cè)量方法，雖然方法不同，但是大體可以分為直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)纱箢?lèi)。直接測(cè)量技術(shù)比較有代表性的是浮動(dòng)天平法，即當(dāng)空氣流過(guò)此器件時(shí)，可以直接感受到表面摩擦阻力的大??；間接測(cè)量的技術(shù)有Preston管、Stanton管、底層隔板法、速度型法及液體蒸發(fā)膜等方法，這種方法是通過(guò)測(cè)量其他參數(shù)，然后通過(guò)這些參數(shù)與剪切應(yīng)力之間的關(guān)系來(lái)確定剪切力的大小。

但上述方法存在幾個(gè)問(wèn)題：干擾流場(chǎng)、對(duì)循環(huán)液體的組分和應(yīng)用環(huán)境有較高的要求。這幾個(gè)問(wèn)題的存在對(duì)檢測(cè)手段提出了新的要求。為了降低實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差，同時(shí)提高信號(hào)處理的速度，筆者采用雙脈沖電流源法來(lái)測(cè)量壁面剪切力，以L(fǎng)abVIEW為平臺(tái)搭建了集數(shù)據(jù)采集與計(jì)算于一體的壁面剪切力測(cè)量系統(tǒng)，既降低了成本，又對(duì)流型沒(méi)有影響。將檢測(cè)結(jié)果與其他方法進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該方法的誤差比較小，適合檢測(cè)剪切力。通過(guò)此方法也能驗(yàn)證剪切力與管路的磨損和流型變化的關(guān)系，為今后的研究工作提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)①

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由氣路、水路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和測(cè)試段組成，如圖1所示。氣路由空氣壓縮機(jī)、孔板流量計(jì)和閥門(mén)組成；水路由離心式水泵、流量變送器和閥門(mén)組成；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)組成。通過(guò)調(diào)節(jié)氣相與液相的流量可以出現(xiàn)環(huán)狀流型，穩(wěn)定環(huán)狀流的具體工況見(jiàn)表1。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

液相溫度℃氣相溫度℃ 表觀液速 (±0.05)m·s-1表觀氣速(±0.05)m·s-110130.237.2710.4812.8210130.4412.8217.3520.43

實(shí)驗(yàn)中涉及到的參數(shù)測(cè)量具體采用的裝置如下：

a. 流量測(cè)量?？諝饬髁客ㄟ^(guò)孔板流量計(jì)測(cè)量，水測(cè)量通過(guò)NT546E型電磁流量計(jì)測(cè)量。

b. 電壓測(cè)量。電壓信號(hào)通過(guò)PCI-8360A數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入主機(jī)。

1.2電導(dǎo)式傳感器

筆者設(shè)計(jì)了雙脈沖電流源，電流由直流恒流源來(lái)提供，通過(guò)快速切換正負(fù)極性，使占空比達(dá)到50%以滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)用電流源，其原理如圖2所示。電導(dǎo)式傳感器在兩相流電學(xué)敏感特性基礎(chǔ)上對(duì)連續(xù)相為導(dǎo)電介質(zhì)的流體進(jìn)行測(cè)量[1,2]。由于環(huán)狀流液膜很薄且流型結(jié)構(gòu)獨(dú)特，所以電極的選擇應(yīng)遵循如下原則：較好的可靠性、易于安裝、較高的頻率響應(yīng)特性、無(wú)擾動(dòng)非侵入、成本低。縱向環(huán)形電極法尤其是四電極的內(nèi)部電場(chǎng)分布雖然不夠均勻，但可通過(guò)調(diào)整電極對(duì)的位置使其位于均勻的電場(chǎng)區(qū)域，最適合本實(shí)驗(yàn)的測(cè)量。圖1中實(shí)驗(yàn)段的主體為傳感器，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。4個(gè)圓環(huán)黃銅電極依次布置在有機(jī)玻璃管上，電極之間的間距一定。傳感器在電流的激勵(lì)下，反映出電壓信號(hào)。為保證流型不被破壞，電極的厚度與有機(jī)玻璃管相同。

圖2 雙脈沖電流源發(fā)生電路

圖3 實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)

電導(dǎo)測(cè)量法的信號(hào)質(zhì)量取決于電場(chǎng)的分布特性。傳感器的幾何結(jié)構(gòu)直接影響電場(chǎng)的分布。筆者通過(guò)數(shù)學(xué)物理方程解析環(huán)狀流形成時(shí)傳感器內(nèi)的電場(chǎng)分布，并對(duì)傳感器的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了較好的軸向電流、軸向電壓分布及徑向電流等特性指標(biāo)。本裝置中有機(jī)玻璃管總長(zhǎng)為1 000mm，通過(guò)權(quán)衡和優(yōu)化，取激勵(lì)電極對(duì)的中心間距為80mm，取檢測(cè)電極對(duì)的中心間距為10mm，這兩對(duì)電極均沿幾何中心對(duì)稱(chēng)分布，激勵(lì)電流為1mA。激勵(lì)電極高度的增加會(huì)使場(chǎng)內(nèi)電流密度增加，使徑向均勻度下降。因此綜合考慮，將電極高度取為3mm，厚度與管壁一致。

2 LabVIEW平臺(tái)建立

2.1平臺(tái)建立

首先要制作動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，流程為：建立動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的C代碼，在VC++中編譯產(chǎn)生dll，執(zhí)行編譯命令成功后，在工程目錄debug中，可以看到*.dll文件，可被LabVIEW調(diào)用。接下來(lái)開(kāi)始編寫(xiě)測(cè)量程序。實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量的參數(shù)為水的流量、空氣流量和響應(yīng)電壓。流量測(cè)量與電壓同步進(jìn)行。測(cè)量程序需實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)切換和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)正常采集，用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)技術(shù)調(diào)用所需的庫(kù)函數(shù)。

根據(jù)研究，氣-液兩相環(huán)狀流的頻率一般在20kHz以下，當(dāng)激勵(lì)源選擇20kHz的切換頻率時(shí)，根據(jù)乃奎斯特采樣定理[3]，采樣頻率必須在40kHz以上，這將造成嚴(yán)重的過(guò)采樣。而LabVIEW可實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)時(shí)間延遲，在雙脈沖電流源某周期的半個(gè)周期采樣一次，之后延遲一段時(shí)間繼續(xù)采集。采樣頻率是必須確定的重要參數(shù)，筆者綜合考慮后，將采樣率設(shè)定為500Hz。在每個(gè)激勵(lì)周期內(nèi)，響應(yīng)電壓信號(hào)是正、負(fù)交替的，在電壓信號(hào)前半周期和后半周期的80%處各采樣一次(由高精度定時(shí)器動(dòng)態(tài)庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn))，然后將這兩次A/D采樣結(jié)果的差值用軟件差動(dòng)的方式作為最終測(cè)得的電壓[4]：V0=V01-V02，其中V01、V02分別為在正向和反向激勵(lì)下檢測(cè)電極的輸出電壓。這樣，在保證采樣頻率均勻、數(shù)據(jù)正負(fù)性單一的同時(shí)，測(cè)量電壓也變?yōu)閱蜗蛎}沖電流激勵(lì)的兩倍，無(wú)形中將系統(tǒng)精度提高了一倍。通過(guò)A/D采樣的差值還可以消除采用直流激勵(lì)源的低頻噪音。因此，改進(jìn)的激勵(lì)電流源使電路的成本降低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，還提高了數(shù)據(jù)采集精度。激勵(lì)源系統(tǒng)軟件程序流程如圖4所示。

圖4 測(cè)量程序流程

通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)技術(shù)，調(diào)用采集卡函數(shù)和高精度定時(shí)器函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和脈沖控制功能，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要設(shè)置參數(shù)。脈沖電流切換頻率為20kHz，而采樣頻率為500Hz，且采集點(diǎn)在每半個(gè)周期的80%處。這樣在激勵(lì)開(kāi)始后延遲20μs進(jìn)行首次采樣，以后按周期采樣。筆者先將While循環(huán)控件和時(shí)間延遲控件嵌套在平鋪式順序結(jié)構(gòu)控件里，再以每次采樣點(diǎn)數(shù)為條件將其整體嵌入外層While循環(huán)控件，最后根據(jù)函數(shù)與控件、函數(shù)間的邏輯關(guān)系，搭建數(shù)據(jù)采集模塊與脈沖控制模塊程序框圖，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集與脈沖控制模塊程序

2.2實(shí)驗(yàn)誤差處理

由環(huán)狀流形成的條件可知，氣體速度較高，裝置振動(dòng)相當(dāng)強(qiáng)烈，嚴(yán)重影響工況穩(wěn)定性。另外，采集卡中的信號(hào)和雙脈沖電流源中的信號(hào)都較弱，信號(hào)在普通導(dǎo)線(xiàn)中傳輸時(shí)極易受外界干擾，使測(cè)量精度受到很大的影響。信號(hào)傳輸均采用雙芯屏蔽線(xiàn)。經(jīng)測(cè)試，明顯提高了測(cè)量精度，取得了良好的效果。

3 測(cè)試與分析

液膜厚度檢測(cè)機(jī)理為：傳感器內(nèi)液膜厚度隨著氣-液兩相液膜電阻的變化而變化，當(dāng)對(duì)激勵(lì)電極施加恒定電流激勵(lì)時(shí)，采集檢測(cè)電極上輸出的電壓信號(hào)，并通過(guò)液膜厚度與電壓之間的關(guān)系，換算出液膜的厚度。

環(huán)狀流的橫截面積：

(1)

根據(jù)電阻定義式可得：

(2)

由歐姆定律可得：

(3)

再聯(lián)立式(1)～(3)得到：

(4)

式中D——實(shí)驗(yàn)管內(nèi)徑；

I0——恒流源的電流；

Lm——檢測(cè)電極間長(zhǎng)度；

Vm——采集到的電壓；

γ——水的電導(dǎo)率[5]。

驗(yàn)采集了20組不同的水流速度下形成穩(wěn)定環(huán)狀流時(shí)的數(shù)據(jù)，選取液相表觀流速Vsl和氣相表觀流速Vsg不同的3組測(cè)量值進(jìn)行說(shuō)明，實(shí)測(cè)曲線(xiàn)如圖6所示，壁面剪切力的變化為不規(guī)則的波狀曲線(xiàn)，在峰值附近斜率很大，呈現(xiàn)快速增大和快速減小的狀態(tài)，對(duì)管壁產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊。圖7為所測(cè)得的電壓與壁面剪切力之間的關(guān)系。

圖6 剪切力實(shí)測(cè)曲線(xiàn)

圖7 壁面剪切力-電壓曲線(xiàn)

由圖6可知，當(dāng)測(cè)量電壓低于30V時(shí)，壁面剪切力隨著電壓的增大而快速增大；當(dāng)測(cè)量電壓在20V時(shí)變化趨勢(shì)放緩，爬坡一小段后這種趨勢(shì)重新變大，在30V時(shí)達(dá)到最大值，之后小幅回落，趨于穩(wěn)定。前面板在線(xiàn)監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8 LabVIEW測(cè)量系統(tǒng)前面板

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性，利用高速攝影法測(cè)量了對(duì)應(yīng)工況下統(tǒng)計(jì)的平均液膜厚度，通過(guò)換算關(guān)系式計(jì)算出壁面剪切力值，并與本方法實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖9所示。

圖9 實(shí)測(cè)壁面剪切力與高速攝影法對(duì)比

圖9中，壁面剪切力兩種測(cè)量值總體趨勢(shì)較為接近，說(shuō)明了本測(cè)量系統(tǒng)方法較為準(zhǔn)確，但還是存在一定誤差，無(wú)論在硬件的設(shè)計(jì)優(yōu)化上還是軟件模型的構(gòu)造上都還有待于進(jìn)一步探索和提高。

4 結(jié)論

4.1采用雙脈沖電流法測(cè)量壁面剪切力，對(duì)比其他方法，該方法具有算法原理簡(jiǎn)單、不干擾流場(chǎng)及適用范圍廣等優(yōu)勢(shì)，且受環(huán)境的影響較小，對(duì)工作介質(zhì)的要求不高。

4.2基于LabVIEW平臺(tái)的壁面剪切力系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、方便、成本低且智能化等優(yōu)勢(shì)，其與Matlab結(jié)合的方式在測(cè)量壁面剪切力時(shí)具有較好的效果，適合在線(xiàn)測(cè)量。

4.3通過(guò)將雙脈沖電流法實(shí)測(cè)值與高速攝影法測(cè)量值比較，證明筆者所采用的方法基本可以達(dá)

到測(cè)量要求，但還有進(jìn)一步提高的空間，是筆者后續(xù)所要研究的方向。