多相流多参数动态测量技术发展与应用

　　1　研究意义

　　所谓两相或多相流,是指两种以上不同相态或不同组分物质共存的流动体系。多相流是以工程热物理学为基础,为满足能源、动力、化工、石油等传统工业进步的要求,为满足航空宇航、大型集成电路和微电子冷却等高新技术在有限空间和恶劣异常条件下,能量及其它资源高强度、高效率、高质量和安全可靠转化和输移的要求,而与数学、力学、信息、生物、环境、材料、电子计算机等学科相互融合交叉而逐步形成和发展起来的一门新兴交叉学科。正如国内外知名学者所指出的:多相流能否早日形成统一的学术理论和应用技术原理学,关系到21世纪全球所面临的生态环境和能源资源两个焦点问题的解决,是人类在21世纪可持续发展中面临的重大技术问题之一,期待该工程领域的突破,能促进全球能源与环境经济的进步。

　　多相流系统遍布于化工、冶金、能源、环保、轻工和军工等各个工业领域,煤粉输送、原油开采、污水排放、浆料输送、粉尘测量、气力输送等生产过程测试均属于多相流体的测量问题。而由于多相流各相态流体动力学特性极其复杂,因此多相流的测量迄今为止在国际上都未得到满意的解决,被同行们称为“难测流体”(Difficult Flow),多相流的测量也因此成为国内外科技工作者争相探索的热点课题。目前,多相流的测量主要围绕流体流速、体积流量、离散相浓度、质量流量等生产过程参数进行,这些参数的在线测量对生产过程的计量管理、控制和运行可靠性具有重大意义。而且据文献报道[1],有许多生产过程的多相介质流量检测技术,目前尚处空白。因此围绕多相流多参数的动态测量,探索新的更有效的传感技术和实现方法是很有必要的。

　　2　国内外研究现状

　　多相流动是十分复杂的物理现象,其形成机理、运动规律尚未完全被人类所认识,因而多相流的测量也是一项十分棘手的问题,成为当今国内外流量测量领域中的一个主攻方向。

　　2.1　关于多相流量测量

　　(1)电磁流量计

　　电磁流量计根据电磁感应原理制成,其特点是管道内没有活动部件,不会阻塞流体的流动,适用于测量水和含有悬浮粒子的污水、矿浆、泥浆、纸浆等体积流量的测量。但对不导电的介质,如气体、蒸汽、石油及绝缘纸浆则无法测量,而且电磁流量计结构复杂、成本高,特别是大尺寸的管道价格十分昂贵。另外,针对不同用途,标定仍是个问题。

　　(2)互相关流量计

　　互相关流量计以互相关分析技术为基础,以时间作为基本测量参量,针对不同的流动介质,采用不同原理的传感器获取两相流体的流动噪声信号,经互相关处理后,求得离散相的平均速度。它可以实现非接触测量,具有很强的适应性,可应用于纸浆流量测量(光学传感器),泥浆流量测量(超声传感器)以及气力输送煤粉的流量测量(电容传感器)。互相关流量计存在的主要问题有二:第一,上下游传感器等效间距的选择和精确测定;第二,平均流速校正因子的标定。这两个问题是互相关流量计实用化推广过程中最关键的技术,至今未能得到满意的解决。