竖直管内气液两相流流量测量系统设计

许兆峰，李 辉，罗 锐，王东泽，王 哲，刘 培

（清华大学动力工程及工程热物理国家级实验教学示范中心，电力系统国家重点实验室，北京100084）

0 引 言

气液两相流动是指气体和液体两种物相共存的流动。气液两相流动广泛存在于工程实践过程中，水沸腾就是最典型的气液两相流动。相比于单相流动，气液界面的存在导致气液两相流动更加复杂，流动参数测量也更加困难。为了测量气液两相流动流量，开发了多种测量手段，主要有节流法（包括单参数测量法）［1-3］、双参数测量法［4-7］、直接测量法［8，9］、速度法［10，11］、分离法［12，13］和超声波法［14-17］等。尽管气液两相流动流量测量技术有了长足发展，但在测量方法适应性和测量精度上仍有不足。

清华大学动力工程及工程热物理国家级实验教学示范中心开发了一套气液两相流动流量测量系统。由于孔板在单相流流速测量方面已经比较完善和精确，其测量模型容易掌握，实验方法容易实现，因此本文选定以孔板流量计为基础的双参数测量法。

1 实验原理

随着空泡率α的增大，即气相和液相体积流量比的增大，竖直管内气液两相流动的流型会呈现泡状流、弹状流、塞状流、环状流、雾状流等。对于泡状流，其气相和液相的流速差别不大，管内各截面空泡率也差别不大，因此可以用均相模型来描述，即将气液两相流作为物理性质均匀的单相混合物处理。因此，只要通过实验获得气液两相流的总体积流量QM和αA，即可分别求出气相体积流量QG和液相体积流量QL。基于此思想的气液两相流流量测量方法也叫作双参数测量法。

式中：QM是气液两相流的总体积流量。

双参数测量法的实验回路原理示意图如图1所示。打开右边的阀门和水泵，储水箱内的液体（水）会被压入竖直管段内；同时打开左侧的阀门和空气压缩机，则空气也会被压入竖直管段内，并与液体充分混合后在实验段形成气液两相流动；气液两相流到达顶部的气液分离水箱后，气体散逸到空气中，而液体则由回流管重新流回储水箱。

图1 实验回路示意图

为了测量气液两相流流量，在实验段设置了测压管，并且在实验段顶端放置了一个孔板流量计，实验段放大示意图见图2。

假定两相流为均相流动，则该孔板流量计有：

式中：ρM是气液混合物的平均密度，

Δpo是孔板压差；A0是孔板面积；α是孔板系数；ρG是气相的密度；ρL是液相的密度。

图2 实验段示意图

为了测得气液两相流的空泡率αA，在竖直实验段的左侧设置了一个测压管与实验段相联通，测压管内充满液体，并在其下方设置一个电容压差计来测量其两端的压差，见图2（a）。对于电容压差计，其两端存在

压力平衡，公式左侧是测压管到电容压差计左边的压力和；公式右侧是实验段到电容压差计左边的压力和。式中：p2是测压管与实验段上联通处压力；g是重力加速度；H是测压管高度；Δp1是测压管电容压差计两端压差；Δpf是实验段内两相混合物的摩阻压降，

λ是摩擦阻力系数，可以用单相流动公式估算；uM是混合物平均流速；D是实验管段内径。

在竖直圆管内，体积流量和流速的关系有：

式中：A是实验管段截面面积。

在测量获得Δpo和Δp1，可以由式（3）～（7）联立求得QL和QG。通常，可先求得气液混合物平均密度ρM，即将式（3）和（6）代入式（5）并简化，得到：

2 实验步骤

（2）两相流量测量。启动空气压缩机，调节空气流量到指定值（在空气压力0.6 MPa表压条件下）。记录空气转子流量计、转子流量计、孔板电容压差计和测压段电容压差计的读数，如果电容压差计读数波动较大，取平均值。

（3）单相气体流量修正。由于压力的变化，流过实验段的实际气体体积流量要比气体转子流量计处大。因此，还需要记录空气转子流量计和实验管段处的空气绝对压力来修正空气流量，即：

式中：QG是空气流量修订值；QG0是空气转子流量计测量值；pG0是空气转子流量计的空气压力；pG是实验段处的空气压力，可取实验段孔板前压力。

（4）控制阀门开度，改变空气转子流量计和转子流量计读数。重复步骤（1）～（3），并标明观察到的流型。

实验过程中，需要注意如下问题：① 计算阻力时，由于流动都是向上流动，阻力均设定是正值。②测压段压降可能是“负”的，为避免测压段压差计读数为负值，需要调高测压段压差计零点的读数值。本试验中，测压段压差计零点对应的读数值为2 kPa，因此所有压力读数应减去2 kPa。③ 对于低速流动，孔板压差要修正。如图2（b）所示，真实压差＝Δpo+ αAρLgHδ，Hδ＝65 mm，也就是孔板两个取压孔间的距离，Δpo是压差测量值，αA可用估计值。

3 实验结果及讨论

按照上面的步骤，先后进行单相流标定、两相流流速测量和气体流量修正，获得的结果如表1和表2所示。

表1 单相流标定结果

表2 两相流测量结果

通过实验数据，可以发现：

（1）孔板所测量的混合物流量在液体高流速的情况下比较准确。

（2）液体低速流动时，气体体积流量测量比较准确，但液体流量精度较差；进行图2（b）所示的修正，可以提高精度；另外，针对小流量，可以用小孔径孔板提高精度。

（3）液体高速流动时，气体体积流量测量精度较差，原因是高速两相流（泡状流）的摩擦阻力要比同等体积流量的单相液体流动的摩擦阻力高30%～100%以上，即使是对于空泡率只有0.01，其阻力也要增加许多。

（4）总体来说，该方法适用于竖直管内泡状流流量测量，对于其他流型则误差很大；但在泡状流测量时，也无法同时获得较高精度的气体体积流量和液体体积流量。

4 结 语

本文设计了一套用于竖直管内气液两相流流量的测量系统。该系统利用孔板流量计和测压管联合测量求得气液两相流平均密度ρM，进而求得气液两相流总体积流量QM和空泡率αA，并最终获得液相体积流量QL和气相体积流量QG。该方法是基于气液两相混合均匀、流速差距小的假设，因此适用于竖直管内泡状流流量测量，在弹状流、塞状流、环状流等流型下误差很大。但即使是在泡状流测量时，该方法也无法同时获得较高精度的气体体积流量和液体体积流量。

两相流流量精确测量是一个尚未解决的课题，其困难来源于两相流动本身的复杂性和我们对其认识的不足。在工程实践中的真实两相流远比实验室的两相流复杂、多变，更待我们去研究解决。