摘要：提出了繞流圓柱壓差一渦輪聯合測量氣液兩相流的方法，研究了管內氣液兩相流的繞流圓柱壓差一渦輪流量測量特性。以計算機為檢測手段，進行了容積含氣率分別為。、0. 3, 0. 5, 0. 8和1. 0兩相流工況的測量，在分析實驗數據的基礎上，建立了氣液兩相流的繞流圓柱壓差一渦輪流量測量方程，獲得了氣液兩相流的繞流圓柱壓差一渦輪流量測量方程的特性。
1、引言：
   氣液兩相流及其測量在化工、動力、石油等工業中廣為存在，進行氣液兩相流測量研究具有重要現實意義。管內氣液兩相流測量方法有多種，主要有節流法、激光全息干涉、高速攝影、激光多普勒測速、光導纖維③、r射線衰減等。
  此外還有聲學、熱學、電磁學和示蹤法等〔4]    兩相流測量可利用流體的動壓、動量矩和離心力等流體力學原理進行。渦輪流量計是基于流體的動量矩原理測量流量，由于兩相流的復雜性，故渦輪流量計多與差壓式測量系統組合成雙參數測量系統，測量兩相流.
2、繞流圓柱壓差一渦輪測量原理：
   測量系統中，管內氣液兩相流的測量是由柱體壓差傳感器和渦輪流量計聯合測試得到.    渦輪流量計根據動量矩守恒原理為測量基礎，當被測流量大于一定值時，流量和轉動頻率間有近似線性關系式(5)               f=kQ+c  。
式中系數k除受流體的密度和粘度影響外，幾乎只與幾何參數有關.上式一般用于單相流體測量，對于多相流情況則有所不同.    氣液兩相流體流動并沖擊渦輪葉片，若渦輪以。- 2nf的角速度旋轉，則推動渦輪轉動力矩為

  式中k,與結構尺寸、流體性質和流動狀態有關.若渦輪流量計結構已確定，則T與}m和Pm有關，并受到流動狀態的影響.    渦輪流量計的穩態方程為
將式(2)代入式(3)并寫成式(1)的形式= BMm+b式中    TF2nrzPmQm由于氣液兩相流的含氣率夕和Pm相關，不難看出，B是與夕有關的流量系數，從理論上講，R增大，則Pm減小和B增大;TF /rz是較小的值，b主要與Pm和Q二有關，當Q.相當大時，b可忽略.    如把氣液兩相流繞圓柱壓差計流動視為一維流動，并將兩相流作擬均相處理，其壓力方程為
                               △P~}MZml2pma2
（5)對于氣液兩相流更多采用以下一般形式
                                   
 △P~AMm  
 (6)式中，A  = }/2pmaz是與a有關的系數，n理論值為2，實際中n=1.5^'6，且和召有關.另一方面，A和n受柱體形狀的影響.    當管內氣掖兩相流繞圓柱壓差計流動，壓差計輸出電壓信號Vm，其值與△p成幕函數關系，流經渦輪流量計時，渦輪流量計輸出頻率信號f，故由式(4)和式(6)可得巧了-topB<月)Mm+bA (,Q)Mm'(7)式(7)即為管內氣液兩相流繞流圓柱壓差一渦輪流量測量方程.當測取△P和f后，由此聯立方程可解出a和五么.，說明采用此方法測量管內氣液兩相流流量在理論上是可行的.

3、實驗簡介:
   本實驗是在油、氣、水實驗臺上進行，圖i是實驗回路.單相水經水泵到水穩壓器后進入單相水路，單相水的流量由孔板測出.單相氣由空氣壓縮機進入空氣穩壓器，再進入單相氣路，單相氣流量由孔板測出.氣、水混合后進入實驗段，先流經圓柱壓差計輸出壓差電壓信號，經穩定段后，進入渦輪流量計輸出頻率信號.氣液兩相流出實驗段后，進入氣液分離

圖1氣液兩相流管內流動測量實驗系統

氣液兩相苦內流動實驗工況表
器，水返回水箱，氣排放.    實驗段中，壓差計垂直放置，渦輪流量計水平放置.實驗段為}63mm X 2mm的不銹鋼管.壓差計入口穩定直段長1. 5m，出口穩定段長3m，渦輪流量計入口穩定段長1. 6m，出口穩定段長0. 8m.    實驗工況見附表.實驗中，當Mm增加時，混合壓力約增加2800}壓力影響可認為較小，研究中未予考慮.
4、流動特性及測量方程分析:
4. 1、流動稚定性:
   管內氣液兩相流繞圓柱流動，實驗表明其流動狀態具有相當的時均穩定性.圖2是在同一工況下，30s內所測取的氣液兩相流繞流圓柱壓差值，時均差為1. 57 0 o，由此可看出本實驗中管內氣液兩相流繞柱體流動的流動狀態具有相當的時均穩定性.實驗流動參數，如流型、氣液流動速度等，均比較穩定.
4. 2、響應與R的形響：
   圖3和圖4分別示出管內氣液兩相流繞流圓柱壓差一渦輪流動，在月分別為。,0. 3,0. 5,0. 8和1. 0時Mm與f和V二間的關系.由圖3看出f與Mm呈線性關系，由圖4看出Vm與Mm呈幕函數關系，符合式(7)的數學描述.

圖2圓柱壓差傳感器輸出信號隨時間變化曲線

圖3氣液兩相流混合質量流量與渦輪頻率關系  圖4氣液兩相流混合質量流量與繞流柱體壓差關系
    進一步分析圖3可看出，用渦輪流量計測量管內氣液兩相流，其Mm與f直線的斜率隨8增大而增加.理論分析可知，Mm相同而8大的氣液兩相流的體積流量大，兩相流速高，故渦輪轉速高，輸出的頻率值大.因此，渦輪流量系數B是R的增函數，用計算機對實驗數據進行數學回歸，其表達式為          B=54. 31一1602. 89夕+14179. 70z一32373. 008'+21611.60(3"   (8)需說明的是月= 0. 3時的實驗曲線與其它工況曲線變化趨勢有些不符，分析認為主要是實驗誤差較大所致.同理，對另一個系數b<戶進行處理，得其數學表達式            bcR>=17. 30一1826. 36月+5875. 298，一4793. 84月，+521. 76月‘(9)    從圖4看出，當月=0和1. 0時，即為單相流體時，Mm和△p幾乎呈線性關系，當氣液兩相流時((OGRG1)}Mm與△p呈冪函數關系，和理論分析一致.a對特性曲線的影響是復雜的，從實驗結果看，隨著8從。開始增加，特性曲線開始偏離單相特性曲線，隨R繼續變大，特性曲線偏離程度從大到小，***后復歸為單相特性曲線.對實驗數據進行處理，獲得特性方程(7)的系數n和A的經驗式              n(8)=1. 47+56. 55月一220. 09刀z+332. 12月3一158. 5184       (10)          A(盧)= 28. 93一1508. 808+9066.558，一17780. 908'+10939. 10R'     (11)A具有流動局部阻力系數的物理意義，因此它和流體的流動狀態有關，對于氣液兩相流，流體的流動除受Re數的影響外，還受尹的作用，前者表征了流體的動態特征，后者反映了流動的流型.

4. 3、流量方程特性：
   經驗式(8)一式(11)描述了管內氣液兩相流繞流圓柱壓差一渦輪流量測量方程的全部系數，創門皆為a的4次多項式形式，因此，無法獲得解析解.下面以數值解描述測量方程的特性.    將式(7)第1式改寫為

圖5氣液兩相流繞流圓柱壓差一渦輪測量方程的特性

  ***小Mm‘為原則，確定測量方程的***終解.    管內氣液兩相流繞流圓柱壓差一渦輪測量方程中Mm的數值解見圖6.從圖中可以看出，壓差計對于兩相流動狀態的敏感性小于渦輪流量計，不同壓差解的曲線非常接近，當、f>800Hz，所有壓差曲線幾乎重合，這表明此時壓差計對流動狀態的分辨能力幾乎喪失.    圖6所示的月和Mm曲線直接與4個系數式〔式(8)~式(11)〕有關，如前所述，.系數計算式是對實驗數據作數學回歸得出的，未做機理性的修改，所以，這4個表達式缺乏物理意義，特別是A(戶和b(戶.因此，在此基礎上的測量方程的數值解物理意義不明顯.    關于管內氣液兩相流的繞流圓柱壓差一渦輪流量測量理論的進一步研究，本文認為有2個環節:，從流體力學角度深入研究兩相流繞非流線體的流動機理，優選出繞流壓差對流動狀態敏感性好的非流線體，改善流量測量方程的特性;其次，以更豐富的實驗數據為基礎.從理論上建立流量方程的系數方程，從而徹底解決流量測量方程的理論計算問題.

圖6氣液兩相流繞流圓柱壓差一渦輪測量方程數值解

符號說明

5、結論：
   實驗研究和理論分析表明:繞流圓柱壓差一渦輪流量測量管內氣液兩相流動是完全可行的;管內氣液兩相流的繞流圓柱壓差一渦輪流量測量方程可計算管內氣液兩相流的含氣率和質量流量，從實驗中獲得流量測量方程表明兩相流動狀態對柱體壓差的敏感性小于對渦輪頻率的敏感性，其特性需進一步改進.