金寧德 任衛(wèi)凱 陳 選 翟路生

(天津大學(xué)電氣自動(dòng)化及信息工程學(xué)院 天津 300072)

0 引言

油-氣-水三相流普遍存在于油氣開(kāi)采與輸送過(guò)程中，在水為連續(xù)相的油-氣-水三相流動(dòng)過(guò)程中，由于存在兩個(gè)獨(dú)立的分散相，其相間界面相互作用十分復(fù)雜，相間滑脫現(xiàn)象顯著，流動(dòng)行為呈現(xiàn)隨機(jī)性、無(wú)規(guī)則性和流動(dòng)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，無(wú)疑增加了持氣率參數(shù)測(cè)量難度。

多相流分相持率主要測(cè)量法有射線法[1]、電學(xué)法[2]、微波法[3]、光學(xué)法[4]、超聲法[5]以及過(guò)程層析成像[6]等。油-氣-水三相流中氣相與油相均為不導(dǎo)電相，依據(jù)傳統(tǒng)電學(xué)類(lèi)檢測(cè)方法難以區(qū)分，而且光學(xué)法與射線法測(cè)量精度較低；由于氣相與水相或油相的密度存在明顯差異，聲學(xué)特性辨識(shí)度較高，故使用超聲法可檢測(cè)油-氣-水三相流中的氣相持率。

通過(guò)檢測(cè)超聲強(qiáng)度衰減，超聲傳感器在三相流持氣率檢測(cè)中具有較好應(yīng)用。Soong 等[7]通過(guò)測(cè)量超聲的衰減與介質(zhì)中的速度，研究了泥漿中氣泡與固體顆粒的尺寸。Vatanakul 等[8]利用透射式超聲傳感器測(cè)量了氣-液-固三相流中分散相持率。Zheng 等[9]通過(guò)測(cè)量超聲波穿過(guò)介質(zhì)的速度與衰減研究了氣-液-固三相流中氣相與固相對(duì)超聲傳感器響應(yīng)的影響。Cents等[10]利用寬頻帶透射式超聲傳感器測(cè)量了氣-液-固三相流中氣泡直徑與固體顆粒的尺寸。

與兩相流和氣-液-固三相流相比，超聲法在油-氣-水三相流持氣率測(cè)量中應(yīng)用較少，含油率變化對(duì)超聲波在以水相為連續(xù)相三相流中傳播影響尚待認(rèn)識(shí)。本研究采用多物理場(chǎng)耦合仿真分析法考察了氣泡直徑與油滴尺寸變化對(duì)聲場(chǎng)分布的影響，在管徑為20 mm 的垂直上升管中進(jìn)行了油-氣-水三相流動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，利用超聲傳感器測(cè)量了不同流型時(shí)的持氣率，并分析了不同流型持氣率預(yù)測(cè)的誤差來(lái)源。

1 超聲傳感器聲場(chǎng)有限元分析

基于有限元法的數(shù)值模擬分析，本課題組先前利用單因素變換法，對(duì)脈沖透射式超聲傳感器探頭的尺寸以及脈沖頻率進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)射頻率為2 MHz 時(shí)，超聲傳感器對(duì)于氣液泡狀流流型超聲衰減特性明顯，傳感器對(duì)泡狀流時(shí)的持氣率具有較好的檢測(cè)能力[11]。為進(jìn)一步考察油-氣-水三相流中超聲波傳播特性，本文利用COMSOL 多物理場(chǎng)耦合仿真軟件建立了超聲傳感器三維幾何剖分模型，如圖1 所示。發(fā)射端和接收端分別在20 mm 內(nèi)徑管道的左端和右端，壓電陶瓷直徑為6 mm。通過(guò)改變氣泡與油泡的直徑與數(shù)量，得到了不同分散相濃度下超聲聲場(chǎng)分布。圖2 為直徑為1 mm 的油泡均勻分布在介質(zhì)內(nèi)，直徑為1.5 mm 的氣泡數(shù)量逐漸增加時(shí)介質(zhì)中的聲場(chǎng)分布。

圖1 超聲傳感器三維模型Fig.1 Ultrasonic sensor 3D model

圖2 介質(zhì)中分散相分布示意圖Fig.2 Sketch map of dispersed phase distribution in medium

有限元法數(shù)值模擬依據(jù)的是一種電-結(jié)構(gòu)-聲三物理場(chǎng)耦合理論，其中聲場(chǎng)的波動(dòng)方程如下：

其中，p為聲壓，ρ0為聲傳介質(zhì)的材料密度，ω為角頻率，?為拉普拉斯算子，cs為超聲波在介質(zhì)材料中的聲速，結(jié)構(gòu)力學(xué)方程可表示為

式(2)中，ω為角頻率，ρ為壓電材料密度，u為位移，F(xiàn)v為體積力，σ為應(yīng)力，ei?為位相因子。電場(chǎng)的Maxwell方程可表示為

其中，De為電位移，ρv為體積電荷密度。

為了定量反映氣泡與油泡對(duì)超聲聲場(chǎng)分布的影響，提取超聲接收端聲壓級(jí)(Sound pressure level,SPL)，結(jié)果如圖3所示。可以看出，當(dāng)持氣率增大即氣泡直徑增大或氣泡個(gè)數(shù)增多時(shí)，接收端聲壓級(jí)降低，相對(duì)于小氣泡而言，大氣泡的增多會(huì)使持氣率變化更多，接收端聲壓級(jí)下降的斜率會(huì)相應(yīng)增加。在氣泡尺寸與數(shù)量固定時(shí)，接收端聲壓級(jí)會(huì)隨著油泡直徑增加而降低，但在油泡直徑小于2 mm時(shí)，對(duì)超聲衰減的影響比較微弱，而且當(dāng)氣泡大于2 mm 時(shí)，油泡對(duì)超聲衰減的影響也不顯著。

圖3 不同分散相(油相及氣相)濃度下超聲接收端聲壓級(jí)特性Fig.3 Characteristics of sound pressure level at ultrasonic receiving end with different dispersed phase (oil phase and gas phase)concentrations

2 測(cè)量系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

垂直上升油-氣-水三相流動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)徑20 mm 的有機(jī)玻璃管作為測(cè)量管段，測(cè)試管段總長(zhǎng)2610 mm。實(shí)驗(yàn)表明，在垂直入口上游1200 mm 處，可保證垂直上升油-氣-水三相流結(jié)構(gòu)充分發(fā)展，流速基本趨于穩(wěn)定。實(shí)際測(cè)量時(shí)，脈沖透射式超聲傳感器安裝在垂直入口上游1640 mm 處，用于測(cè)量油-氣-水三相流的持氣率。雙頭光纖傳感器安裝在垂直入口上游2500 mm處，用于測(cè)量油-氣-水三相流中氣泡尺寸。測(cè)試管段安裝了相距1510 mm 的兩個(gè)快關(guān)閥，用于獲取油-氣-水三相流真實(shí)持氣率，為超聲法持氣率測(cè)量結(jié)果提供標(biāo)定手段。

實(shí)驗(yàn)中，油相介質(zhì)采用3號(hào)白油(密度801 kg/m3，黏度2.8 mPa·s)，水相介質(zhì)采用自來(lái)水(密度1000 kg/m3，黏度1 mPa·s)。本次實(shí)驗(yàn)使用兩臺(tái)WT600F 工業(yè)智能型蠕動(dòng)泵來(lái)作為油相及水相流量計(jì)量單元裝置，該蠕動(dòng)泵性能穩(wěn)定可靠，調(diào)節(jié)精確，在保證輸送管道足夠長(zhǎng)的情況下可以忽略其脈動(dòng)的影響。垂直管段入口處使用Y 型連通器，使油管和水管的夾角為60?，這種入口方式能夠確保流體進(jìn)入管道后盡快充分發(fā)展。實(shí)驗(yàn)中的氣相由空氣壓縮機(jī)提供，并使用浮子流量計(jì)對(duì)氣相流量進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量。在氣相入口處安裝了一個(gè)止回閥裝置，以防止水相和油相倒灌入氣相管路中，影響氣相計(jì)量?jī)x表的準(zhǔn)確性及空氣壓縮機(jī)的使用安全。為使得氣相能夠以均勻分布的形式進(jìn)入管道中與液相混合，在氣相入口處安裝了一個(gè)氣體分布器，以使得流體均勻混合后再進(jìn)入到發(fā)展管段中。實(shí)驗(yàn)中，固定油水混合液總流量與氣相流量，從4%到20%逐漸增加油水混合液中的含油率Ko(含水率Kw=1?Ko)，當(dāng)一個(gè)油水混合液流量和氣相流量下的所有液相含油率流動(dòng)工況完成測(cè)量后，保持液相總流量不變，改變氣相流量到下一個(gè)流動(dòng)工況，然后，改變液相含油率重復(fù)實(shí)驗(yàn)。待一個(gè)液相總流量下所有的氣相流量及液相含油率流動(dòng)工況均完成測(cè)量后，改變液相總流量，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程，依次完成全部實(shí)驗(yàn)流動(dòng)工況。實(shí)驗(yàn)中的液相表觀流速Usl范圍為0.0368～1.1776 m/s，氣相表觀流速Usg范圍為0.0552～0.4416 m/s，共測(cè)量210 組流動(dòng)工況數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)中利用高速攝像儀拍攝到段塞流、泡狀流及混狀流三種典型流型。

圖4 垂直上升小管徑油-氣-水三相流實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of the oil-gas-water three phase flow experimental device

圖5為高速攝像儀的拍攝的三種典型流型的流動(dòng)結(jié)構(gòu)圖?？梢钥闯觯N流型下，油相均主要以非常小的油滴的形式和水相混合在一起。對(duì)于段塞流，主要由包裹著下降液膜的泰勒泡及充滿氣泡的液塞組成，二者呈擬周期交替運(yùn)動(dòng)；泡狀流的氣相主要以小氣泡的形式分布在油水混合液中，且運(yùn)動(dòng)具有較強(qiáng)的隨機(jī)性；混狀流的氣相與液相呈隨機(jī)無(wú)規(guī)則的交替出現(xiàn)，下落的液相與氣相撞擊并再次被抬起，呈現(xiàn)出上下震蕩現(xiàn)象。

圖5 油-氣-水三相流流型快照Fig.5 Snapshots of flow patterns of oil-gas-water three-phase flow

2.2 超聲傳感器及光纖探針測(cè)量系統(tǒng)

圖6 脈沖透射式超聲傳感器系統(tǒng)Fig.6 Pulse transmission ultrasonic sensor system

透射式超聲傳感器系統(tǒng)如圖6 所示，由超聲發(fā)射/接收探頭、 現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Fieldprogrammable gate array,FPGA)模塊、超聲信號(hào)發(fā)生器和調(diào)理模塊、USB 模塊與上位機(jī)組成。超聲發(fā)射/接收探頭(日本富士公司)分別安置在管道兩側(cè)，超聲探頭直徑6 mm，頻率為2 MHz。信號(hào)發(fā)生器在FPGA(Altrea，EP4CE6E22C8)的控制下產(chǎn)生幅值為100 V、重復(fù)頻率為1 kHz 的高壓電脈沖，激勵(lì)超聲發(fā)射探頭，產(chǎn)生頻率為2 MHz的脈沖超聲波；超聲脈沖穿過(guò)介質(zhì)后到達(dá)接收探頭，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)脈沖后經(jīng)A/D 電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并傳送到FPGA中，采樣頻率為10 MHz。FPGA計(jì)算出接收到的脈沖波最大幅值通過(guò)USB傳送到上位機(jī)中。

為了考察油-氣-水三相流中泡狀流的氣泡泡徑對(duì)超聲信號(hào)的影響，本文選用了插入式雙頭光纖探針傳感器來(lái)得到氣泡泡徑的概率密度分布，雙頭光纖探針傳感器如圖7 所示[12?13]。本次實(shí)驗(yàn)的光纖傳感器測(cè)量系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器、紅外光源、耦合器、光纖傳感器、光電探測(cè)器與信號(hào)采集模塊等。其中，光纖傳感器使用的是內(nèi)徑為62.5 μm、外徑為120 μm 的多模光纖，并將其放入內(nèi)徑為1 mm、外徑為2 mm 的不銹鋼套筒中，然后固定在內(nèi)徑為20 mm 的管道中，光纖探針探出套筒的長(zhǎng)度分別為1 mm 和2 mm，并使用波長(zhǎng)為850 nm 的LED 燈為整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)提供紅外光源。為了降低實(shí)驗(yàn)中的光信號(hào)在傳輸過(guò)程中的損耗，并考慮到所用光的波長(zhǎng)范圍，本次實(shí)驗(yàn)選用了FCMM625-99A-FC 型號(hào)多模耦合器，以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。光纖耦合器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)通過(guò)整流模塊進(jìn)行濾波和信號(hào)放大，并通過(guò)NI 公司的PXI-4472板塊進(jìn)行采集，采樣頻率設(shè)置為2000 Hz，采樣時(shí)間為120 s。

圖7 雙頭光纖探針傳感器Fig.7 Double-sensor optical probes

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 超聲傳感器持氣率測(cè)量特性

為了探究超聲波能量衰減與管道中持氣率之間關(guān)系，提取每個(gè)觸發(fā)周期內(nèi)超聲波脈沖幅值最大值作為一次觸發(fā)采集到的信號(hào)。該信號(hào)直接反映出了超聲波經(jīng)過(guò)流體散射及透射后的聲能衰減情況，圖8為典型工況下超聲響應(yīng)峰值序列?？梢钥闯觯谝合嗔魉佥^低時(shí)，流體流型呈現(xiàn)為段塞流，周期性出現(xiàn)較大氣塞會(huì)導(dǎo)致超聲波無(wú)法穿透流體，幾乎接收不到超聲信號(hào)，從圖5(a)中可以看出，段塞流液塞中的氣泡尺寸與泡狀流時(shí)接近，超聲信號(hào)隨流過(guò)其測(cè)量截面的氣泡變化而波動(dòng)。隨著液相流速增大，流體中大氣塞出現(xiàn)的頻率增加，但對(duì)應(yīng)的弦長(zhǎng)變短，即氣塞長(zhǎng)度變短，從超聲信號(hào)上可以看出此時(shí)信號(hào)截止情況出現(xiàn)的頻率變高，液塞部分超聲信號(hào)衰減增加，這是因?yàn)闅馊饾u被擊碎變短，被擊碎的部分涌入液塞，增加了液塞部分持氣率，導(dǎo)致超聲穿過(guò)流體時(shí)衰減增加，與光纖測(cè)得的泡徑信息相呼應(yīng)。

當(dāng)液相流速增大到氣塞被擊碎為大氣塊時(shí)，流型逐漸接近混狀流。此時(shí)從圖8 可以看出較大氣塊仍能造成超聲信號(hào)截止，而且超聲波在穿越混狀流液塞時(shí)的衰減高于穿越段塞流液塞時(shí)。隨著液相流速進(jìn)一步增大，氣塞或者氣塊被擊碎為小氣泡，均勻分散到混合流體內(nèi)，從圖5(b)中可以看出，此時(shí)氣相以小氣泡形式隨機(jī)分散于混合流體中，圖8 中超聲信號(hào)無(wú)截止現(xiàn)象出現(xiàn)，且超聲信號(hào)衰減降低，表明超聲波大部分能量能穿透流體到達(dá)接收端。

圖8 超聲響應(yīng)峰值序列Fig.8 Peak ultrasonic response sequence

3.2 泡狀流測(cè)量及分析

當(dāng)超聲波穿過(guò)油-氣-水三相流時(shí)，由于不同介質(zhì)的聲阻抗不同，超聲波傳播到物理性質(zhì)不同的接觸面時(shí)發(fā)生散射現(xiàn)象，引起能量的大幅衰減，通過(guò)測(cè)量超聲波的衰減程度，可以得到流體內(nèi)持氣率信息。超聲波傳播過(guò)程中的衰減可以表示為

式(4)中，U0為純水時(shí)的超聲信號(hào)值，U為加入氣相后的超聲信號(hào)，即超聲傳感器的測(cè)量值，L為超聲波在管道中的傳播距離，即管道直徑，α為吸收系數(shù)。由于該模型不受溫度壓力影響，得到了廣泛應(yīng)用，Stravs等[14]將式(4)推廣為

其中，a為氣相體積截面積，θ為散射系數(shù)，n為超聲波的波數(shù)，dsm為Sauter 平均氣泡直徑。氣相體積截面積a與持氣率Yg及Sauter 平均氣泡直徑之間有如下關(guān)系：

故公式(5)可轉(zhuǎn)換為超聲衰減與持氣率之間的函數(shù)關(guān)系，即

其中，散射系數(shù)θ為定值，由氣相與液相的性質(zhì)、管道材料以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備共同決定，可從實(shí)驗(yàn)中獲得。需要指出的是，該模型假定氣相以相同直徑的氣泡均勻分布在流體中，因此，該模型適用于泡狀流持氣率預(yù)測(cè)，而對(duì)于段塞流與混狀流持氣率預(yù)測(cè)，文后在此基礎(chǔ)上給出相應(yīng)的解決方案。由公式(7)可以看出，隨著持氣率的增加，超聲信號(hào)值會(huì)逐漸減小。為確定散射系數(shù)θ，將泡狀流工況下的超聲信號(hào)值與由快關(guān)閥截取的持氣率Ygqcv進(jìn)行了擬合。每個(gè)泡狀流工況下的快關(guān)閥截取次數(shù)至少為3 次，以確?？礻P(guān)閥的截取精度。擬合結(jié)果如圖9所示。

圖9 泡狀流持氣率擬合結(jié)果Fig.9 Bubble flow gas holdup fitting results

擬合得到的關(guān)系即為泡狀流持氣率測(cè)量模型，圖10顯示了泡狀流的超聲法測(cè)量持氣率預(yù)測(cè)結(jié)果。為了便于分析，引入兩個(gè)評(píng)估依據(jù)：絕對(duì)平均誤差(Average absolute deviation,AAD)和絕對(duì)平均相對(duì)誤差(Average absolute percentage deviation,AAPD)。

圖10 泡狀流持氣率預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.10 Prediction of bubble flow gas holdup

雖然通過(guò)提取超聲脈沖峰值可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)混合流體的持氣率，但仍存在一定誤差，這是由于泡狀流中氣泡的直徑分布并不均勻，不嚴(yán)格滿足持氣率模型的假設(shè)條件。這也與超聲傳感器聲場(chǎng)有限元分析結(jié)果相吻合，即氣泡泡徑不同時(shí)，超聲波能量的衰減規(guī)律也有差異。為了考察油-氣-水三相流中泡狀流的氣泡泡徑對(duì)超聲衰減規(guī)律的影響，本文選用了插入式雙頭光纖探針傳感器測(cè)量油-氣-水三相流中泡狀流的氣泡泡徑。

由于光信號(hào)只對(duì)氣相敏感，所以使用光纖探針來(lái)測(cè)量油-氣-水三相流可以有效地避免泡狀流中油泡對(duì)結(jié)果的影響。圖11 顯示了一組典型泡狀流的光纖探針信號(hào)，可以看出這兩路信號(hào)有一定的相關(guān)性。

圖11 雙頭光纖探針傳感器信號(hào)Fig.11 Signals of double-sensor optical probes

為了獲取泡狀流工況下的氣泡泡徑概率密度分布，首先需要計(jì)算出氣泡的局部流速。本文選用相關(guān)測(cè)速法根據(jù)選定的上下游光纖探針測(cè)量信號(hào)計(jì)算氣泡的局部速度v。相關(guān)測(cè)速法是一種廣泛用于測(cè)量流體流速的方法。

在測(cè)量中，兩個(gè)插入式光纖探針檢測(cè)到的電壓波動(dòng)信號(hào)分別用x(t)、y(t)表示，如果上下游傳感器距離恰當(dāng)，混合流體流經(jīng)上下游光纖傳感器時(shí)流動(dòng)結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生大的變化，即滿足流體“凝固”假設(shè)，那么上下游光纖傳感器檢測(cè)到的電壓波動(dòng)信號(hào)x(t)、y(t)將會(huì)極為相似，僅在時(shí)間上有時(shí)間延遲τ0，即滿足：

其中，時(shí)間延遲τ0是混合流體從上游到下游流動(dòng)所耗費(fèi)的時(shí)間，稱(chēng)為渡越時(shí)間，此參數(shù)與混合流體的流動(dòng)速度相關(guān)。由互相關(guān)理論可知，上下游光纖傳感器檢測(cè)到的電壓波動(dòng)信號(hào)x(t)、y(t)的互相關(guān)函數(shù)可以表示為

其中，互相關(guān)函數(shù)Rxy(τ)代表上下游光纖傳感器檢測(cè)到的電壓波動(dòng)信號(hào)x(t)、y(t)的互相關(guān)系和相關(guān)程度。Rxy(τ)達(dá)到峰值時(shí)所需的時(shí)間，即為混合流體從上游到下游流動(dòng)所耗費(fèi)的時(shí)間，也就是渡越時(shí)間。

圖12 中求解得到的渡越時(shí)間τ0=0.001 s?；旌狭黧w中氣泡的平均流動(dòng)速度即為上下游光纖傳感器間距與渡越時(shí)間的比值：

圖12 上下游信號(hào)間的渡越時(shí)間Fig.12 Transit time between upstream and downstream signals

求解出氣泡的流動(dòng)速度后，以上游光探針測(cè)量信號(hào)作為計(jì)算氣泡弦長(zhǎng)的時(shí)間標(biāo)度，由于閾值處理后的探針信號(hào)是規(guī)則的方波信號(hào)，整個(gè)序列只有0 和1 信號(hào)，其中1 代表氣相，0 代表液相，那么當(dāng)采樣頻率足夠大時(shí)，序列中一段連續(xù)的1 信號(hào)就表示一個(gè)氣泡包裹針尖的時(shí)間長(zhǎng)度，找出其中連續(xù)1 信號(hào)的段數(shù)及每段高電平所包含的采樣點(diǎn)數(shù)就能得到經(jīng)過(guò)該測(cè)量點(diǎn)的氣泡個(gè)數(shù)和每個(gè)氣泡的持續(xù)時(shí)間。設(shè)每個(gè)氣泡包裹針尖的時(shí)間長(zhǎng)度tj(j=1,2,3,··· ,n，n表示某測(cè)量點(diǎn)氣泡總個(gè)數(shù))，則瞬態(tài)氣泡弦長(zhǎng)計(jì)算公式為

圖13 泡狀流時(shí)不同氣相表觀流速的氣泡泡徑概率密度分布Fig.13 PDF of bubble diameter at different gas phase superficial velocities in bubble flow

利用公式(12)可計(jì)算得到不同流體工況下的瞬態(tài)氣泡弦長(zhǎng)序列。然后，再用一維概率密度函數(shù)對(duì)弦長(zhǎng)序列進(jìn)行擬合，便可得到泡狀流中氣泡泡徑的概率密度分布曲線。

圖13 顯示了泡狀流中的液相表觀流速Usl=1.1776 m/s 時(shí)，不同氣相表觀流速時(shí)氣泡泡徑概率密度分布曲線。從圖中可以看出，對(duì)于同一種氣相流速Usg而言，概率密度峰值對(duì)應(yīng)的氣泡泡徑D相差不多，但隨著氣相流量的不斷增加，概率密度峰值對(duì)應(yīng)的氣泡泡徑D值也在逐漸變大，但是概率密度峰值在逐漸減小。說(shuō)明持氣率的增加使得氣泡泡徑變大，但氣泡間的泡徑差異逐漸變大，而在持氣率預(yù)測(cè)模型中，氣泡泡徑被假設(shè)為單一值。氣泡泡徑的非均分布導(dǎo)致利用超聲脈沖衰減預(yù)測(cè)的持氣率偏離混合流體中的真實(shí)持氣率。

3.3 段塞流與混狀流測(cè)量及分析

對(duì)段塞流與混狀流而言，當(dāng)氣塞經(jīng)過(guò)超聲傳感器時(shí)，傳感器輸出截止的低電平，而段塞流的液塞中分布有分散的氣泡，與泡狀流相似。故對(duì)段塞流的液塞部分可以使用式(7)計(jì)算它的持氣率，再通過(guò)計(jì)算氣塞與液塞所占的比例，即可求出段塞流的持氣率，計(jì)算持氣率的公式可表示為

其中，Yg表示持氣率；Yg,liquid是液塞部分的平均持氣率；Yg,gas表示氣塞部分的平均持氣率，忽略氣塞周?chē)h(huán)繞的液膜部分，可使Yg,gas≈1；a為氣塞部分所占的比例；b為液塞部分所占的比例。

圖14 為段塞流和混狀流的超聲法持氣率測(cè)量結(jié)果，整體來(lái)看，超聲法測(cè)量持氣率要大于快關(guān)閥法持氣率，尤其混狀流更加明顯。這是由于超聲法計(jì)算持氣率時(shí)，將所有段塞流的氣塞部分和混狀流的氣塊部分的持氣率視為1，忽略了周?chē)囊合嗖糠?，并且氣塊部分周?chē)囊合啾葰馊糠种車(chē)囊耗ざ唷ｋS著氣相增多，氣塞和氣塊的占比變大，相應(yīng)的被忽略的液相部分也會(huì)增多，所以隨著Ygqcv變大，兩者的偏差均會(huì)變大。

4 結(jié)論

本文利用超聲傳感器與光纖傳感器考察了超聲傳感器對(duì)內(nèi)徑為20 mm 管徑垂直上升油-氣- 水三相流中典型流型時(shí)的氣相持率的測(cè)量特性。利用COMSOL 多物理場(chǎng)數(shù)值模擬軟件建立了油-氣-水三相流多種持氣率下的三維數(shù)值模型，考察了氣泡和油泡的泡徑及其分布對(duì)20 mm 管道內(nèi)聲壓場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)氣泡尺寸與分布對(duì)聲場(chǎng)分布影響較為顯著，當(dāng)油泡直徑小于2 mm 且氣泡直徑較大，油相對(duì)超聲衰減的影響可忽略。利用超聲傳感系統(tǒng)測(cè)量了超聲脈沖波穿過(guò)流體后的能量衰減，并建立了不同流型時(shí)油-氣-水三相流持氣率預(yù)測(cè)模型，分析了不同流型時(shí)超聲傳感器對(duì)持氣率測(cè)量的誤差來(lái)源：泡狀流時(shí)，結(jié)合雙頭光纖探針對(duì)氣泡測(cè)量結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，氣泡泡徑的非均分布導(dǎo)致利用超聲脈沖衰減預(yù)測(cè)的持氣率偏離混合流體中的真實(shí)持氣率；段塞流及混狀流時(shí)，測(cè)量持氣率要大于快關(guān)閥法持氣率，這是由于超聲法計(jì)算持氣率時(shí)，將所有段塞流的氣塞部分和混狀流的氣塊部分的持氣率視為1，忽略了周?chē)囊耗ぁＱ芯拷Y(jié)果表明，利用超聲衰減與持氣率的物理關(guān)系，采用脈沖透射式超聲傳感器可測(cè)量油-氣-水三相流持氣率。

圖14 段塞流和混狀流的超聲法持氣率測(cè)量結(jié)果Fig.14 Measurement results of gas holdup of slug flow and mixed flow by ultrasonic method