双锥流量计气液两相流测量模型研究

　　在动力、化工、制冷、石油工业等中广泛存在着密闭管道气液两相流流动的工况,由于管道内气液两相流动存在可随流动变化的相分界面[1],使得气液两相流流量的准确测量难度很大.为了解决两相流流量测量问题,近些年来很多新的测量方法不断地涌现[226],虽然这些方法大部分仍处于实验阶段,但这些研究成果为深入研究气液两相流参数测量提供了很好的借鉴.

　　采用传统的单相流流量计结合相应的测量模型对气液两相流流量进行测量,是目前气液两相流参数检测研究中的重要方向之一,其中差压式流量计中的标准孔板或文丘里管被广泛采用,常用的流量测量模型包括:均相流模型和分相流模型以及基于均相流模型或分相流模型基础之上建立的James模型[7]、Murdock模型[8]、林宗虎模型[9]等.这些模型在其实验范围内均具有一定的测量精度,但将测量模型推广到其他差压式流量计中,仍需对这些模型进行深入分析,对其中的一些参数进行修正.如:Zhiyao Huang等[4,5]采用文丘里管结合空隙率测量的方法对气/水和油气两相流流量测量模型的修正;Feng Dong等[10]采用实验标定的方法对V锥流量计的气/水两相流流量测量模型的修正.我们在V锥流量计的研究基础之上设计了一种直径比为0.8的双锥流量计,在50 mm管径的水平管上对气水两相流流量的测量进行了实验研究.通过对均相流模型平均密度修正的方法建立了适用于双锥流量计的气液两相流测量模型.

　　1　双锥流量计测量原理

　　1.1　双锥流量计节流装置结构

　　V锥流量计是20世纪80年代出现的一种新型差压式流量计.相比于其它传统差压式流量计(如孔板和文丘里管),V锥流量计在压损、重复性、量程比、长期工作稳定性等方面均表现出一定的优势[11],使得近些年来对V锥流量计的研究也逐渐增多.我们基于V锥流量计设计了一种新型双锥流量计,具有结构简单、压力损失更小等特点[12],但是作为一种新型内锥流量计,其能否应用于气液两相流量测量有待于深入研究.

　　双锥流量计和V锥流量计一样也属于边壁收缩、逐渐扩散式流量计.图1为双锥流量计节流锥体实物图,其节流锥体主要包括两部分:锥体和锥体支架结构.双锥流量计的锥体由前后两锥角相等的对称锥体组成;锥体支架结构有三个片状支架和一管环组成,锥体的支架结构通过锥体中间喉部将锥体固定在管道中心与管道同轴,其中管环的内径和管道的内径一样,将锥体安装在管道中就可以构成双锥流量计.

　　图2为双锥流量计的基本工作原理图.其中箭头代表的是流体流动的方向;P1、P2、P3分别为三个取压口,其中P1口为上游流体收缩前静压取压孔,P2口为节流件喉部最小流通面积处静压取压孔,P3口为下游流体流束稳定时的静压取压孔;P1与P2之差为本研究中所取得双锥流量计差压信号;P1与P3之差为双锥流量计的另一组差压信号,其具体用途还有待于进一步研究;D为管道内径,d为节流锥体在喉部处直径.