摘要:在氣液兩相流實驗裝置上,對3臺具有不同導程葉輪的渦輪流量傳感器測水平氣液兩相泡狀流的特性進行了實驗研究。發現隨著體積含氣率的變化,3臺傳感器的流量特性曲線、儀表系數遷移量、重復性誤差均會發生明顯變化。具有較小導程葉輪的傳感器,其性能優于其它兩臺傳感器。對造成渦輪流量傳感器測量特性改變與誤差的原因進行了分析討論,并對體積含氣率變化影響渦輪流量傳感器特性的物理機理進行了分析。
1引言
以往人們對渦輪流量傳感器的研究多集中于單相流動條件下的實驗及理論研究。但在氣液兩相流動條件下,由于氣液兩相間相互作用和兩相界面復雜多變等原因,人們應用渦輪流量傳感器測量氣液兩相流的研究還不多。
本文對3臺具有不同導程葉輪的渦輪流量傳感器,用來測量體積含氣率低于10%的水平氣液兩相泡狀流的特性進行了實驗研究。提出儀表系數遷移量;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遷移量曲線;得出葉輪導程值大小影響著傳感器測量誤差值的結論。最后對體積含氣率變化影響渦輪流量傳感器特性的物理機理以及造成傳感器測量特性改變與誤差的原因進行了分析討論。
2實驗研究
氣液兩相流實驗裝置上進行，裝置見圖1。本實驗渦輪流量傳感器安裝位置距離引射器出口1.225m。
描述葉輪設計結構的幾何參數有多個,就螺旋形葉片葉輪而言,主要有:葉片數目Z、葉片頂端半徑Rt輪轂半徑Rh、葉片導程L、葉片厚度tb、葉片的倒角γ、葉片軸向寬度Lb。對編號分別為1#、2#、3#的三臺50mm口徑渦輪流量傳感器進行了水平氣液兩相流特性實驗,傳感器葉輪幾何結構參數,除葉片數目Z=6倒角γ=90°外,其余參數見表1。
實驗時，測量渦輪流量傳感器入口處壓力穩定后的流量、溫度和壓力值,通過理想氣體狀態方程計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計算得到。調節液相調節閥,將液相流量分別穩定在12、10.8、6m³/h。然后逐漸增大氣相閥門開度。采用精度高數據采集板卡對每個流量點的過程參數與傳感器脈沖輸出采樣10次,然后取平均值。
3實驗結果
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臺渦輪流量傳感器測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，每臺渦輪流量傳感器儀表系數曲線均基本保持水平,平均儀表系數K.和線性度誤差δ見表2。
(2)隨體積含氣率β的增加,3臺渦輪的儀表系數K均有減小的趨勢。
3.2體積含氣率與儀表系數遷移量曲線
通常渦輪流量傳感器出廠用水標定,測量氣液兩相流時,如果實際儀表系數與出廠標定值偏差越小,則測量精度會越高。為此引入儀表系數遷移量K、來評價渦輪流量傳感器測量氣液兩相流的性能，其計算公式為:
式中:K0為渦輪流量傳感器用單相水流量標定得出的儀表系數。Kv隨β變化曲線見圖5。由圖5可見:隨著β的增加,3臺傳感器的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儀表系數隨混合密度變化的曲線
混合密度采用流動密度計算方法,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性誤差
按照渦輪流量傳感器檢定規程(81計算不同體積含氣率下3臺傳感器的重復性誤差,見表3。由表中數據可知:在兩相體積流量近似相等的情況下，重復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,重復性誤差明顯增大;對于每臺傳感器,在相同含氣率下,兩相混合體積流量Qm越大,重復性誤差越小。
3.5實驗結論
由圖5和圖6曲線可得出初步結論:2#傳感器K,值小于1#與3#傳感器;由表3數據可得到初步結論:在含氣率相同時,隨著氣液兩相流量的降低，傳感器重復性誤差增大;在相同流體條件下,2#傳感器測量重復性誤差優于1#與3#傳感器的重復性誤差。
4誤差原因的機理分析
葉輪受力分析見圖7,u為來流速度,Ɩ為葉片長度,ω為葉輪旋轉角速度。Fa、F1分別為流體對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，使流體產生驅動葉輪旋轉的升力(Fy)矩減小,葉輪轉速降低,儀表系數降低。這是導致傳感器儀表系數遷移量增大的一個原因。
當氣液兩相泡狀流經過葉輪時，氣泡被葉片剪切成微小氣泡,在旋轉離心力的作用下,這些小氣泡聚集在葉片的吸力面側[9]，形成一個氣泡聚集區。聚集區中的氣泡對流體的流動起阻礙作用,根據作用力與反作用力的關系,相當于增加了流體對葉片在平行葉片方向上的作用力,F。相比沒有氣泡時有所增加,即變為Fs',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,葉輪轉速有所降低,即葉輪的旋轉效應被減弱。當含氣率增加時，氣泡聚集區內的氣泡增加,對葉輪的阻力增大,對葉輪旋轉效應減弱的效果增強，使葉輪轉速降低,傳感器儀表系數降低。這是導致傳感器儀表系數遷移量增大的另-一個原因。
根據速度剖面理論,氣液兩相流水平流經管道時，氣液兩相速度剖面已不再象單相時速度剖面那樣對稱分布于管道內部，兩相流中的部分氣泡在浮力的作用下運動到管道上方，管道上部由于氣泡的存在增強了脈動速度與瑞流強度10)。在含氣率近似相同時,這種由于氣泡的存在引起的脈動速度與湍流強度增強的程度,受兩相流體速度的影響,即在含氣率相同時,兩相流體速度越小，氣泡的存在引起的脈動速度與湍流強度越強，這也最終加劇了氣液兩相速度剖面不對稱的程度。由于渦輪流量傳感器對來流的速度剖面比較敏感,氣泡的存在引起的脈動速度以及來流速度剖面的不對稱導致葉輪的每個葉片所受到的升力Fy與阻力Fs存在差異,這種差異使旋轉的葉輪在某轉速附近產生波動,最終導致傳感器重復性誤差的增大。這就是同--傳感器在相同含氣率下,其重復性誤差隨來流的體積流量的減小而增大的原因。
對于導程小、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,矩大于大導程葉輪升力矩,其葉輪旋轉速度更快,其葉輪的陀螺效應相對更強,抵抗由于氣泡存在引起的脈動速度和來流速度剖面的不對稱導致葉輪的轉動速度產生波動的能力更強一些。這就是2#傳感器儀表系數遷移量以及重復性誤差優于1#與3#傳感器的原因。
5結論
對3臺具有不同導程葉輪的50mm口徑渦輪流量傳感器進行了含氣率為0%~9.8%的水平氣液兩相流實驗,由傳感器特性曲線分析及誤差分析可以得到以下結論:
(1)渦輪流量傳感器測量氣液兩相流時,與測量單相水流量相比其儀表系數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,流體驅動葉輪旋轉的力矩減小;同時,隨含氣率增加,氣泡聚集區內的氣泡增加,對葉輪的阻力增大,葉輪旋轉效應減弱。從而葉輪轉速和傳感器儀表系數降低。
(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性誤差越大。其原因是:由于渦輪流量傳感器對來流的速度剖面比較敏感,氣泡的存在引起的脈動速度以及來流速度剖面的不對稱導致葉輪的每個葉片所受到的升力與阻力存在差異，這種差異使旋轉的葉輪在某轉速附近產生波動。
(3)具有小導程、大安裝角葉輪的2#渦輪流量傳感器的儀表系數遷移量與重復性誤差優于1#與3#傳感器.在相同條件流體的沖擊下,測量精度受氣液兩相流中的氣相影響的程度相對小一些。
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