摘要:在氣液兩相流實(shí)驗(yàn)裝置上,對(duì)3臺(tái)具有不同導(dǎo)程葉輪的渦輪流量傳感器測(cè)水平氣液兩相泡狀流的特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。發(fā)現(xiàn)隨著體積含氣率的變化,3臺(tái)傳感器的流量特性曲線、儀表系數(shù)遷移量、重復(fù)性誤差均會(huì)發(fā)生明顯變化。具有較小導(dǎo)程葉輪的傳感器,其性能優(yōu)于其它兩臺(tái)傳感器。對(duì)造成渦輪流量傳感器測(cè)量特性改變與誤差的原因進(jìn)行了分析討論,并對(duì)體積含氣率變化影響渦輪流量傳感器特性的物理機(jī)理進(jìn)行了分析。
1引言
以往人們對(duì)渦輪流量傳感器的研究多集中于單相流動(dòng)條件下的實(shí)驗(yàn)及理論研究。但在氣液兩相流動(dòng)條件下,由于氣液兩相間相互作用和兩相界面復(fù)雜多變等原因,人們應(yīng)用渦輪流量傳感器測(cè)量氣液兩相流的研究還不多。
本文對(duì)3臺(tái)具有不同導(dǎo)程葉輪的渦輪流量傳感器,用來測(cè)量體積含氣率低于10%的水平氣液兩相泡狀流的特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。提出儀表系數(shù)遷移量;得出不同含氣率下傳感器的兩相流量特性曲線與儀表系數(shù)遷移量曲線;得出葉輪導(dǎo)程值大小影響著傳感器測(cè)量誤差值的結(jié)論。最后對(duì)體積含氣率變化影響渦輪流量傳感器特性的物理機(jī)理以及造成傳感器測(cè)量特性改變與誤差的原因進(jìn)行了分析討論。
2實(shí)驗(yàn)研究
氣液兩相流實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行，裝置見圖1。本實(shí)驗(yàn)渦輪流量傳感器安裝位置距離引射器出口1.225m。
描述葉輪設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)有多個(gè),就螺旋形葉片葉輪而言,主要有:葉片數(shù)目Z、葉片頂端半徑Rt輪轂半徑Rh、葉片導(dǎo)程L、葉片厚度tb、葉片的倒角γ、葉片軸向?qū)挾萀b。對(duì)編號(hào)分別為1#、2#、3#的三臺(tái)50mm口徑渦輪流量傳感器進(jìn)行了水平氣液兩相流特性實(shí)驗(yàn),傳感器葉輪幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),除葉片數(shù)目Z=6倒角γ=90°外,其余參數(shù)見表1。
實(shí)驗(yàn)時(shí)，測(cè)量渦輪流量傳感器入口處壓力穩(wěn)定后的流量、溫度和壓力值,通過理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算得到人口處工況空氣密度與氣相體積流量。體積含氣率由渦輪流量傳感器人口處空氣體積流量與入口處總體積流量Qm計(jì)算得到。調(diào)節(jié)液相調(diào)節(jié)閥,將液相流量分別穩(wěn)定在12、10.8、6m³/h。然后逐漸增大氣相閥門開度。采用精度高數(shù)據(jù)采集板卡對(duì)每個(gè)流量點(diǎn)的過程參數(shù)與傳感器脈沖輸出采樣10次,然后取平均值。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3.1不同體積含氣率下的流特性曲線
在不同體積含氣率下,3臺(tái)渦輪流量傳感器測(cè)量水平氣液兩相流的特性曲線見圖2~4,由圖中曲線可見:
(1)在相同含氣率下，每臺(tái)渦輪流量傳感器儀表系數(shù)曲線均基本保持水平,平均儀表系數(shù)K.和線性度誤差δ見表2。
(2)隨體積含氣率β的增加,3臺(tái)渦輪的儀表系數(shù)K均有減小的趨勢(shì)。
3.2體積含氣率與儀表系數(shù)遷移量曲線
通常渦輪流量傳感器出廠用水標(biāo)定,測(cè)量氣液兩相流時(shí),如果實(shí)際儀表系數(shù)與出廠標(biāo)定值偏差越小,則測(cè)量精度會(huì)越高。為此引入儀表系數(shù)遷移量K、來評(píng)價(jià)渦輪流量傳感器測(cè)量氣液兩相流的性能，其計(jì)算公式為:
式中:K0為渦輪流量傳感器用單相水流量標(biāo)定得出的儀表系數(shù)。Kv隨β變化曲線見圖5。由圖5可見:隨著β的增加,3臺(tái)傳感器的Kv值均增加;在相同含氣率下,2#傳感器的K,值最小，1#傳感器的K,值最大,3#傳感器的K,值介于1#與2#之間。
3.3儀表系數(shù)隨混合密度變化的曲線
混合密度采用流動(dòng)密度計(jì)算方法,即ρm=pvβ+ρ1(1-β)。Pg為氣體密度,ρt為水密度。Kv隨pm變化曲線見圖6。
3.4不同含氣率下傳感器的重復(fù)性誤差
按照渦輪流量傳感器檢定規(guī)程(81計(jì)算不同體積含氣率下3臺(tái)傳感器的重復(fù)性誤差,見表3。由表中數(shù)據(jù)可知:在兩相體積流量近似相等的情況下，重復(fù)性誤差的大小明顯受含氣率多少的影響,隨著含氣率的增加,重復(fù)性誤差明顯增大;對(duì)于每臺(tái)傳感器,在相同含氣率下,兩相混合體積流量Qm越大,重復(fù)性誤差越小。
3.5實(shí)驗(yàn)結(jié)論
由圖5和圖6曲線可得出初步結(jié)論:2#傳感器K,值小于1#與3#傳感器;由表3數(shù)據(jù)可得到初步結(jié)論:在含氣率相同時(shí),隨著氣液兩相流量的降低，傳感器重復(fù)性誤差增大;在相同流體條件下,2#傳感器測(cè)量重復(fù)性誤差優(yōu)于1#與3#傳感器的重復(fù)性誤差。
4誤差原因的機(jī)理分析
葉輪受力分析見圖7,u為來流速度,Ɩ為葉片長度,ω為葉輪旋轉(zhuǎn)角速度。Fa、F1分別為流體對(duì)葉輪的軸向力和圓周力,FR為二者的合力;Fg、Fy分別為FR在與葉片平行方向上的分量和與葉片垂直方向上的分量,稱Fs為葉輪阻力,Fy為葉輪升力。
由于渦輪流量傳感器的葉輪在穩(wěn)定工作條件下滿足力矩平衡方程,其特性曲線受流體密度的影響。混合流體密度隨著含氣率的增加而減小，使流體產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)的升力(Fy)矩減小,葉輪轉(zhuǎn)速降低,儀表系數(shù)降低。這是導(dǎo)致傳感器儀表系數(shù)遷移量增大的一個(gè)原因。
當(dāng)氣液兩相泡狀流經(jīng)過葉輪時(shí)，氣泡被葉片剪切成微小氣泡,在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下,這些小氣泡聚集在葉片的吸力面?zhèn)萚9]，形成一個(gè)氣泡聚集區(qū)。聚集區(qū)中的氣泡對(duì)流體的流動(dòng)起阻礙作用,根據(jù)作用力與反作用力的關(guān)系,相當(dāng)于增加了流體對(duì)葉片在平行葉片方向上的作用力,F。相比沒有氣泡時(shí)有所增加,即變?yōu)镕s',葉輪升力Fy與Fs'的合力為FR',其圓周方向分量為Ft',Ft'與Ft相比有所減小。所以,葉輪轉(zhuǎn)速有所降低,即葉輪的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)被減弱。當(dāng)含氣率增加時(shí)，氣泡聚集區(qū)內(nèi)的氣泡增加,對(duì)葉輪的阻力增大,對(duì)葉輪旋轉(zhuǎn)效應(yīng)減弱的效果增強(qiáng)，使葉輪轉(zhuǎn)速降低,傳感器儀表系數(shù)降低。這是導(dǎo)致傳感器儀表系數(shù)遷移量增大的另-一個(gè)原因。
根據(jù)速度剖面理論,氣液兩相流水平流經(jīng)管道時(shí)，氣液兩相速度剖面已不再象單相時(shí)速度剖面那樣對(duì)稱分布于管道內(nèi)部，兩相流中的部分氣泡在浮力的作用下運(yùn)動(dòng)到管道上方，管道上部由于氣泡的存在增強(qiáng)了脈動(dòng)速度與瑞流強(qiáng)度10)。在含氣率近似相同時(shí),這種由于氣泡的存在引起的脈動(dòng)速度與湍流強(qiáng)度增強(qiáng)的程度,受兩相流體速度的影響,即在含氣率相同時(shí),兩相流體速度越小，氣泡的存在引起的脈動(dòng)速度與湍流強(qiáng)度越強(qiáng)，這也最終加劇了氣液兩相速度剖面不對(duì)稱的程度。由于渦輪流量傳感器對(duì)來流的速度剖面比較敏感,氣泡的存在引起的脈動(dòng)速度以及來流速度剖面的不對(duì)稱導(dǎo)致葉輪的每個(gè)葉片所受到的升力Fy與阻力Fs存在差異,這種差異使旋轉(zhuǎn)的葉輪在某轉(zhuǎn)速附近產(chǎn)生波動(dòng),最終導(dǎo)致傳感器重復(fù)性誤差的增大。這就是同--傳感器在相同含氣率下,其重復(fù)性誤差隨來流的體積流量的減小而增大的原因。
對(duì)于導(dǎo)程小、安裝角大的葉片來說,在相同條件流體的沖擊下,其葉輪升力F,矩大于大導(dǎo)程葉輪升力矩,其葉輪旋轉(zhuǎn)速度更快,其葉輪的陀螺效應(yīng)相對(duì)更強(qiáng),抵抗由于氣泡存在引起的脈動(dòng)速度和來流速度剖面的不對(duì)稱導(dǎo)致葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度產(chǎn)生波動(dòng)的能力更強(qiáng)一些。這就是2#傳感器儀表系數(shù)遷移量以及重復(fù)性誤差優(yōu)于1#與3#傳感器的原因。
5結(jié)論
對(duì)3臺(tái)具有不同導(dǎo)程葉輪的50mm口徑渦輪流量傳感器進(jìn)行了含氣率為0%~9.8%的水平氣液兩相流實(shí)驗(yàn),由傳感器特性曲線分析及誤差分析可以得到以下結(jié)論:
(1)渦輪流量傳感器測(cè)量氣液兩相流時(shí),與測(cè)量單相水流量相比其儀表系數(shù)遷移量隨體積含氣率的增加而逐漸增加。其原因是:隨含氣率的增加,混合流體密度減小,流體驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)的力矩減小;同時(shí),隨含氣率增加,氣泡聚集區(qū)內(nèi)的氣泡增加,對(duì)葉輪的阻力增大,葉輪旋轉(zhuǎn)效應(yīng)減弱。從而葉輪轉(zhuǎn)速和傳感器儀表系數(shù)降低。
(2)在相同含氣率下,兩相體積流量越小，渦輪流量傳感器的重復(fù)性誤差越大。其原因是:由于渦輪流量傳感器對(duì)來流的速度剖面比較敏感,氣泡的存在引起的脈動(dòng)速度以及來流速度剖面的不對(duì)稱導(dǎo)致葉輪的每個(gè)葉片所受到的升力與阻力存在差異，這種差異使旋轉(zhuǎn)的葉輪在某轉(zhuǎn)速附近產(chǎn)生波動(dòng)。
(3)具有小導(dǎo)程、大安裝角葉輪的2#渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)遷移量與重復(fù)性誤差優(yōu)于1#與3#傳感器.在相同條件流體的沖擊下,測(cè)量精度受氣液兩相流中的氣相影響的程度相對(duì)小一些。
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