气/液两相泡状流相关流速测量系统的研究

　　一、引言

　　随着科学技术的迅速发展，两相流流动的研究在国民经济和人民生活中的地位日益重要。两相流流动参数的准确测量，一直是工程技术和科学研究领域急需解决而迄今尚未能很好解决的研究课题。在两相流研究中，要认清两相流体系的复杂现象，揭示两相流流动机理，建立两相流流动模型并对流动过程进行预测、设计和控制，首先需要解决的就是两相流的检测技术问题。此外，两相流流动参数检测技术还能为流体力学工作者提供强有力的实验手段，促进两相流体力学理论的发展，为两相流过程工艺设计提供理论依据。电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography，简称 ECT)技术是从 20 世纪 80 年代中期开始发展起来的一种多相流参数检测术。它利用放置于管道和过程容器周围的电容传感器阵列来检测两相流体流动时引起的两相介质界面常数分布的微小变化，从而重建出管道和过程容器截面的分布图像。ECT 技术是已实现商品化生产并较广泛的应用到过程分析成像系统中。本文介绍了如何在利用 ECT 技术重建出的流体管道截面分布图像的基础上，结合相关流速测量系统完成对气/液两相流体中离散相的速度测量。

　　二、相关流速测量技术简介

　　相关流速测量技术是以随机过程的相关理论和信息理论为基础发展起来的一种流动参数检测技术。相关技术用于工业生产过程的连续检测和控制的研究始于 20 世纪 60 年代。随着相关流量测量技术的发展与完善，相关流速测量技术越来越显示出它在解决困难流体的参数测量，特别是两相流体以及多相流体的参数测量问题上所具有的巨大潜力。经过多年的发展，相关流量测量技术无论是在机理的研究方面，还是在传感器的设计以及在线实时相关器的研制方面都取得了重大进展。我们将气液、气固和液固等两相流体在管道内流动时所发生的种种随机现象通称为“流动噪声”。它和通常所说的“热噪声”类似，表现为随时间变化的无规则性和不可预测性。相关测量是一种动态测量，它涉及到对随机信号做实域和频域分析的问题。相关测量技术的基本思想是通过对流动噪声信号的分析，将流速转化为时间间隔的测量。

　　如图 1 所示，如果在一个管道上沿沿其轴线方向安置两个传感器，这两个传感器之间相距为 L， 它们分别产生测量信号。相关测量技术的基本思想是通过对流动噪声信号的分析，将流速测量转化为时间间隔的测量。如图 1 所示个随机流动噪声信号 X(t)和 Y(t)，当被测流体在管道中稳定流动时，随机流动噪声信号 X(t)、Y(t)可以分别看作是符合各态历经平稳随机过程{ X(t)}和{ Y(t)}的两个样本函数，只要这两个传感器间距设计合理，且两个传感器和变送器的静、动态性能完全一致，就可以认为这两个随机流动噪声信号 X(t)、Y(t)是相似的。