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3.7.3 氣液兩相流及其流量測量

(1)   氣液兩相流及其流動結構  液體及其蒸汽或組分不同的氣體及液體一起流動的現象成為氣液兩相流。前者稱為單組分氣液兩相流,后者稱為多組分氣液兩相流。氣液兩相流在動力、化工、石油、冶金等工業設備中是常見的,在流動時氣相和液相存在流速差,在測量流量時應考慮此相對速度。

氣液兩相流按流動方向不同,存在多種流動結構。圖3.86所示為垂直上升管中的氣液兩相流動結構;圖3.87所示為垂直下降管中的氣液兩相流動結構;圖3.88所示為水平管中的氣液兩相流動結構。

①             垂直上升管中的氣液兩相流動結構。實驗研究證明,在垂直上升管中的氣液兩相流動,其基本結構有下列五種:細泡狀流動結構、彈狀流動結構、塊狀流動結構、帶纖維的環狀流動結構和環狀流動結構。

圖3.86垂直上升氣液兩相流的流動結構

(a)細泡狀流動結構;(b)彈狀流動結構;(c)塊狀流動結構;(d)帶纖維的環狀流動結構;(e)環狀流動結構

這五種流動結構分別具有下列特點。

a.       細泡狀流動結構。細泡狀流動是最常見的流動結構之一,其特征為在液相中帶有散布的細小氣泡。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.      彈狀流動結構。彈狀流動結構由一系列氣彈組成,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的。

c.       塊狀流動結構。塊狀流動結構是由于氣彈破裂而形成的,此時,氣體塊在液流中以混亂狀態進行流動。

d.      帶纖維的環狀流動結構。在帶纖維的環狀流動結構中,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形成不規則的長纖維形狀,這種流型常在高質量流速時出現。

e.       環狀流動結構。在環狀流動結構中,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小液滴。

圖3.87垂直下降氣液兩相流的流動結構

(a)細泡狀流動結構;(b)彈狀流動結構;(c)帶下降液膜的環狀流動結構;(d)帶含泡下降液膜的環狀流動結構;(e)塊狀流動結構;(f)環狀流動結構

②垂直下降管中的氣液兩相流動結構。從圖3.87所示的氣液兩相流在直管中垂直向下流動時的流動結構可以看出,氣液兩相作垂直下降流動時的細泡狀流動結構和作垂直上升流動時的細泡狀流動結構不同,前者細泡集中在管子核心部分而后者則散布與整個管子截面上。當液相流量不變而使氣相流量增大,則細泡將聚集成氣彈,形成具有下降彈狀流動結構的氣液兩相流。垂直下降氣液兩相流也可形成下降流動的環狀流動結構。當氣相及液相流量小時,管壁上有一層向下流動的液膜,管子中心部分為向下流動的氣核,這種流動結構稱為帶下降液膜的環狀流動結構。如液相流量增大,氣泡將進入液膜,形成帶含泡下降液膜的環狀流動結構。當氣液兩相流量都增大時會出現向下流動的塊狀流動結構。當氣相流量繼續增大,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狀流動結構,這種環狀流動結構和垂直上升氣液兩項流的環狀結構相近,但流動方向相反。

③水平管中的氣液兩相流動結構。氣液兩相流體在水平管中的流動結構比在垂直管中更為復雜,其主要特點為所有流動結構都不是軸對稱的,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造成的。

實驗研究表明,氣液兩相流在水平管中流動時,其基本流動結構有下列六種:細泡狀流動結構、柱塞狀流動結構、分層流動結構、波狀流動結構、彈狀流動結構和環狀流動結構。

圖3.88是這些流動結構的示意。由圖可見,這些流動結構分別具有下列特點。

圖3-88水平氣液兩相流的流動結構

a.           細泡狀流動結構。水平管中的細泡狀流動結構和垂直管中的不同,由于重力的影響,細泡大都位于管子上部。

b.          柱塞狀流動結構。當氣相流動增加時,小氣泡合并成氣塞,形成柱塞狀流動結構。柱塞傾向于沿管子上部流動。

c.           分層流動結構。當氣液兩相流量均小時會發生分層流動結構。此時氣液兩相之間存在一平滑分界面,氣液兩相分開流動。

d.          波狀流動結構。當氣相流量較大時,氣液兩相分界面上會出現流動波,形成波狀流動結構。

e.           彈狀流動結構。當氣相流量再增大時,氣液兩相流的流動結構可以從波狀轉變為彈狀流動結構。此時,氣液分界面由于劇烈波動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,形成彈狀流動結構。在水平流動時,氣液兩相流的氣彈都沿管子上部流動。

f.            環狀流動結構。在水平流動時,氣液兩相的環狀流動結構出現于氣相流量較高的工況。水平流動時的環狀流動結構和垂直上升時的環狀流動結構相近,管壁上有液膜,管子中心部分為帶液滴的氣核,但由于水平流動時重力的影響作用,下部管壁的液膜要比上部管壁的厚。

  在油田常經分離設備將液氣分離,然后分別測液相和氣相流量。

(2)氣液兩相流體的流量測量方法  從制造商提供的資料可看出,有幾種儀表可用來測量離散相濃度不高的兩相流體的流量,來自用戶的報道也有一些成功應用的實例,但目前使用的流量計都是在單相流動狀態下評定其測量性能,現在還沒有以單相流標定的流量計用來測量兩相流時系統變化的平定標準,因此這樣的應用究竟帶來多大的誤差還不很清楚,僅有一些零星的數據和一些定性的分析。

①電磁流量計。當液體中含有少量氣體時,氣體在液體中的分布呈微小氣泡狀,這時,電磁流量計仍能正常工作,只是所測得的為氣液混合物的體積流量。當液體中所含氣體數量增加后,氣泡幾何尺寸逐漸增大,進而向彈狀結構過渡。當氣泡的尺寸等于和大于流量計電極端面尺寸并從電極處掠過時,電極就有可能被氣體蓋住,使電路瞬時斷開,出現輸出晃動,甚至不能正常工作。

 

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