起伏管路中气液两相流弹状流特征参数测量方法研究
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摘 要：气液两相流弹状流是两相流中较为常见的流型，其形成受入口效应的影响，与管路入口来流的气相流量、液相流量、管路设备的振动情况以及气液两相流的流动速度等因素有关，是一个较为复杂的随机过程。为了方便开展研究，掌握两相流弹状流的流动特性及规律，本文提出一种通过实验测量的方法，来标定两相流弹状流流动特性，根据气液两相流中气体和液体电导率不同的特点，制作一种内嵌入管道中的电导探针，通过测量设备电路中的电信号变化，分析得出气液两相流弹状流的液弹长度以及液弹频率，为开展两相流弹状流的流动研究和维护设备安全经济运行奠定基础。
关键词：气液两相流 弹状流 液弹长度 液弹频率
中图分类号：TH814 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）11（a）-0091-03
在石油天然气、能源化工以及水动力等方向，气液两相流已经逐渐成为当前的研究热点，石油工业中油气多相流动研究更是从上世纪初便大范围地开展。弹状流最显著的特征即是在流动过程中，液塞和大气泡交替往复出现且充满整个管路，在实际工程中，则会出现气液两相流流量不稳定变化的情况，导致管路压降和管路出口背压发生无序波动的问题，严重时两相流的波动频率与管路设备的固有频率发生共振，会影响上下游相关设备的安全运行。
目前，专家学者们从事最多的研究方向为水平管和竖直管中的气液两相流动特性研究，浙江大学杨志勇[1]通过对高速摄影设备记录管路中的流动情况，通过对图像处理分析，进而对小管道气液两相流参数进行总结，通过实验可知，使用卷积神经网络算法来识别管路中两相流的流型[2]、使用拟三维重建的方法[3]测量管路中两相流体的相含率的做法是可取的，这为微小通道中气液两相流相关参数的测量和研究提供了可靠的参考。来自中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院的王权等[4]对倾角较大的气液两相流管路中的流动特性进行了一系列研究，通过设计、建立气液两相流混输管路实验平台，模拟地形起伏时出现的大倾角气液两相混输管路中的流动情况，给出了气液两相流的流型与压力波动特性规律。Yang， Yan，Li， Jingbo等[5]在研究湿天然气的起伏管路输运过程中输运系统的气液两相流动特性时，计算了起伏管路气液两相流流动特性参数，同时对管路中的气液的两相分布、管路起伏时弯管部分的速度和压力分布进行了探究，也对不同截面的气相、液相流量、持液率以及出口气液流量情况展开了分析研究。
1 电导探针的原理
在模拟实验所需的两相工质中，气相与液相的导电性优劣存在明显的差异，可根据管路内不同相工质的导电性优劣来标定和区分气相与液相，如图1所示。
依据两相工质导电性优劣的明显差异，当装置与气相工質接触时，其导电性较差，装置内电流较小，装置输出的电信号值较低;当装置与液相工质接触时，其导电性较好，装置内电流较大，装置输出的电信号值较高;如此交替，当气液两相流流过电导探针时，装置输出的电信号则会随之发生周期性变化，通过处理电信号变化监测图，便可得出液弹和气弹的交替情况，从而计算得出两相流弹状流的流动特性参数[6-8]。
2 液弹频率和长度的实验测量
通过实验测量的方法，在气液两相流实验平台上，分别对θ=0°的水平管和倾角为θ=2°、θ=5°的管路进行液弹数量及采样时间的测量，进而计算出不同倾角或气液折算速度下液弹频率f的变化规律，用液弹个数N除以采样时间t来表示，即：
图2给出了倾角θ=0°的水平管中，所测得电信号曲线随时间的变化情况，横轴为采样时间，纵轴为电导探针所测得的电信号变化情况。由图可知，由于重力方向与流动方向夹角较大，加之波动影响，气弹和液弹的交替并不规则，共出现波峰的数量约为7，即N=7，采样时间为t=10s，经计算求出频率f=0.7。
图3给出了倾角θ=2°的倾斜上升管中，所测得电信号曲线随时间的变化情况，横轴为采样时间，纵轴为电导探针所测得的电信号变化情况。由图可知，气弹液弹交替较为规则，共出现较为明显的波峰3个，即N=3，采样时间t=10s，经计算求出频率f=0.3。
图4给出了倾角θ=5°的倾斜上升管中，所测得电信号曲线随时间的变化情况，横轴为采样时间，纵轴为电导探针所测得的电信号变化情况。由图可知N=8，t=10s，求出频率f=0.8。
液弹长度因其具有不稳定性和周期性，我们不能准确的描述某一工况下液弹长度，故对其的测量呈现出的结果为平均液弹长度，我们用液弹的速度τs与经过探针时滞留的时间ut的乘积来表示，即：
3 结语
本文采用理论结合实践的研究方法，通过采用电导探针这一工具，精确直观地监控电信号的变化，使两相流的测量结果更加精准具体，有效避免了图像分析法可能出现的误差。
（1）在测量两相流弹状流的过程中，入口处工况条件即两相流流速、流量、持液率以及波动情况等都将直接影响到流型的形成，进而影响电导探针测量精度，我们在实验装置的设计上，要保留充分发展段，使两相流弹状流平稳的经过电导探针。
（2）实验中分别对倾角为θ=0°、θ=2°、θ=5°的倾斜上升管进行了实验探究，实验结果客观性不够充分，还需补充进行大倾角以及负倾角的实验管路，探究总结相关规律;另外，为了保证结果准确，还可进行电导探针的布置方式和结构的探究改造，使得测量工具最优化。
（3）对两相流弹状流深入的实验研究，能全面的总结出两相流弹状流的流动特性及变化规律，为学者们从事理论研究提供实践参考，也为保障工程实际中设备的安全经济运行提供了重要的技术支撑。
参考文献
[1] 杨志勇. 基于图像处理的小管道气液两相流参数测量研究[D].浙江大学，2018.
[2] 翁润滢，孙斌，赵玉晓，等.基于自适应最优核和卷积神经网络的气液两相流流型识别方法[J].化工学报，2018，69（12）：5065-5072.
[3] 郑小虎. 基于多视觉的小管道气液两相流参数测量研究[D].浙江大学，2016.
[4] 王权，李玉星，胡其会，等.大倾角上倾管气液两相流动特性[J].化工进展，2017，36（8）：2822-2829.
[5] Yang Y ， Li J ， Wang S ， et al. Gas-liquid two-phase flow behavior in terrain-inclined pipelines for gathering transport system of wet natural gas[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping， 2018， 162：52-58.
[6] 王超，陈超，赵宁，等.用于水平环状流周向液膜特性测量的电导探针阵列[J].电子测量与仪器学报，2017，31（9）：1408-1413.
[7] 边鹏，翟路生，金宁德.小管径气液两相泡状流双电导阵列探针测量方法[J].工程热物理学报，2015，36（8）：1706-1711.
[8] 周云龙，张学清，孙斌.应用电导探针技术识别气液两相流流型方法及电导波动信号噪声的辨识[J].传感技术学报，2008（10）：1708-1712.
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