气液两相螺旋流超声脉冲传播模拟及液膜厚度测量

陈 婧，许克军，刘小锋，孟 佳，梁法春

(1.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580；2.中国石油 天然气销售分公司 新疆分公司，新疆 乌鲁木齐 830002；3.华油汇博普科技股份有限公司，北京100088)

引 言

气液螺旋涡流为具有轴向速度分量的旋涡流动，可通过在气液两相流管内安装起旋器诱发产生[1]。在起旋器引发的离心力作用下气液相重新分布，形成液膜紧贴管壁、中间为气芯的环状流型。气液螺旋流具有强化分离、传热、携带等独特性能，在工业上应用广泛[2-3]。如在天然气生产领域，能够显著降低携液的临界气速，有利于排出积液，提高输送效率[4]；在换热器设计领域，螺旋涡可增强冷热流体的掺混，有利于在壁面上形成连续液膜，强化传热效果，防止传热恶化[5]。近年来，研究者甚至尝试将螺旋涡流应用于防止冰堵，实现水合物浆体输送领域[6]。

通过起旋器形成的气液两相螺旋涡流液膜厚度是表征螺旋流特征的重要参数，直接影响螺旋流工作效果。当前关于气液螺旋流研究多通过数值模拟或高速摄像来记录螺旋流演化形态，液膜厚度的确定定量数据[7-9]。传统的电容、电导探针类方法可以测量气液两相流液膜厚度，但作为介入式测量方法会对流动产生干扰[10-11]。层析成像方法能够显示管截面气液相分布，且具有非介入优势，但需要在管外壁布置多组传感器阵列，需要复杂的图像重构算法，响应慢，难以实现实时显示[12-14]。而电容、电导类成像方法由于屏蔽效应难以用于金属管道。超声脉冲方法具有良好的指向性、非介入特点，已广泛应用于材料厚度监测、探伤等领域。前期研究者已将超声回波应用于流型识别，气液声阻抗不同，在壁面反射回波谱有显著差异，可以根据壁面超声回波衰减特性差别识别管内是气相还是液相，可识别分层流、段塞流、环状流等流型[15]。

本文提出在外壁发射超声脉冲，根据超声界面反射特性，利用脉冲回波实现气液螺旋流液膜厚度的非介入测量的新方法。首先建立有限元模型，模拟超声脉冲在螺旋流管截面传播规律和回波反射特性，然后在气液两相流环道开展实验测试，以验证环状液膜厚度测量效果。

1 气液螺旋流超声脉冲传播模型

气液两相来流通过旋流发生器时，分层流、段塞流、不均匀环状流等两相流型将转化为气液螺旋流。在离心力作用下液相以液膜形式贴着管壁流动，而气相以气芯形式位于管道中心。为模拟超声脉冲在管壁-液膜-气芯中的传播特性，建立如图1所示的几何模型。

图1 超声脉冲传播模型

图1为均匀螺旋环状流超声脉冲传播示意图，采用二维模型。最外侧环形区域为管壁，中间环形区域为液膜，中心圆形区域为气相。管道外径42 mm，壁厚5 mm。为研究液膜厚度对超声脉冲传播的影响，螺旋环状流液膜厚度分别为3 mm和6 mm。管道材质为有机玻璃，液相介质为水，气相介质为空气，材料的相关物性参数见表1。

表1 材料物性参数

在管外壁P点位置施加高斯脉冲信号作为初始激励，信号的中心幅值为A=0.1 m2/s。频率作为超声波一个很重要的参数，其大小决定了所发射超声波的性质，从而影响回波的精确性。相同条件下，超声波频率越低，穿透能力越强，衰减也越小，但是检测效果变差；超声波频率越高，检测效果越好，但是穿透能力变差，衰减加快。为了与实验结果相对照，模拟选择中心频率为2.0 MHz的激励脉冲。P点作为发射点的同时，还作为接收点以测量气液界面反射的回波。

超声波透过管壁在液膜以及气相中传递，壁-液界面、气-液界面由于介质声阻抗存在差异，将发生部分反射和透射，其传播规律由波动方程控制，即

(1)

式中：t为时间，s；ρ为流体密度，kg/m3；pt为声压，Pa；∇为拉普拉斯算子；qd和Qm为可能存在的声学单极源和偶极源。此次采用自定义点源，因此qd=Qm=0。

方程(1)为典型的偏微分方程，为获得数值解，需对计算区域进行网格剖分。网格尺寸的大小直接决定求解精度，甚至收敛性。为捕捉超声波动特性，计算区域最大网格尺寸设定为Lmax，Lmax=λ/6。其中λ为超声波长，

λ=c/f0。

(2)

最终的网格划分如图2所示，采用三角形网格，总网格数量1.05×106。

图2 网格划分

采用瞬态求解模式，时间步长设置为10-8s，计算时间至少要大于超声波在气液界面一个周期的往返时间，15×10-6μs。在物理场求解中，选择直接线性求解器MUMPS，该求解方法采用完整的系统矩阵计算瞬态响应，对方程直接求解，鲁棒性好，适用范围广。

2 模拟结果与讨论

为了研究超声波在管道内的传播过程，以液膜厚度δ=6 mm的模拟情况为例展开具体分析。

图3为环状液膜厚度6 mm时超声波的传播特征。当t=0时，P点在高斯脉冲作用下激发振动，超声纵波由管壁开始向管内传播。在t=1.5 μs时，超声波还停留在管壁中部，尚未到达壁-液界面；当t=2.1 μs时，超声波到达壁-液界面，在界面处由于固、液两种介质声阻抗的差异，将发生反射和透射。其中一部分超声波继续沿原方向向液膜区域传播，而另一部分传播方向则发生反转，重新向管外壁传播。当t=3.95 μs时，固-液壁面反射超声波到达激励点P，此时P点第1次接收到回波。第1次回波在管外壁处又发生反射，开始从管外壁向管内传播，当t=5.8 μs时，超声波又到达壁-液界面，此时又发生反射，而当t=7.6 μs时，管壁中的回波又一次到达管壁，此时P点第2次接收到回波。

图3 声压场随时间变化特征

气液界面距离P点较远，超声波需要更长的传播时间。当t=6.15 μs时，进入水中的超声波刚刚到达气-液界面。与液固界面不同，可以看到在气液界面超声波几乎被完全反射，未见超声波进入气相。气液界面反射回波，由气液界面向管外壁传播，当t=6.50 μs时，可以很明显地看到水和管壁中两个回波。传播过程中在管内壁液固交界面处，同样会发生透射和反射，能量逐渐衰减。当t=10.15 μs时，水中的超声波到达壁-液界面，绝大部分能量继续往管壁中传播；大约在t=12.00 μs时，气液界面回波到达管壁，最终被P点接收，所以，第3次回波为气-液界面回波。

图4为液膜厚度分别为6 mm和3 mm时P点接收的超声回波及其对应的时刻。为了对这两种工况的回波特性进行对比，对液膜厚度6 mm回波进行偏值处理。从图4中可以看到，对于液膜厚度6 mm的螺旋环状流，在15 μs时间间隔内P点共接收到3次回波，分别为第1次固液界面回波，第2次固液界面回波，以及第3次气液界面回波。当环状液膜厚度为3 mm时，P点监测到2次明显回波，分别为固液界面回波和气液界面回波。并未发现明显的第2次固液界面回波，其原因是：液膜较薄，气液界面处回波返回时间短，第2次界面回波由于其返回时刻与气液界面回波接近，故未能出现明显回波特征。

图4 超声回波随时间变化特征

回波到达时刻模拟值和理论值对比见表2。理论到达时间由介质长度及相应的超声波传播速度确定。

表2 模拟时间与理论时间对比

从表2可以看出，模拟的回波时间与实际时间基本保持一致，预测误差小于3.0%。从图4中也可以看到，反射回波幅值气液界面明显大于固液界面，这主要与界面处介质相对声阻抗有关。当超声波垂直入射到异质界面时，其反射率和透射率可以用

(3)

(4)

来描述。

式中：R1、R2分别为反射率和透射率；Z1、Z2分别为两种介质的声阻抗。

对于固液界面，两种介质分别对应有机玻璃和水；气液界面两种介质分别对应空气和水。介质声阻抗见表1，将相关数据代入式(3)、(4)可知，对于管内壁处的固液界面，反射率为13%，透射率为87%，表明大部分超声波发生透射，反射回波只占一小部分。而对于气液界面，由于空气、水巨大的声阻抗差异，几乎没有超声脉冲穿过气液界面继续在气相中传递，反射率接近100%。因此，尽管气液界面回波在传输过程中会发生衰减，但在P点探头接收到的能量仍大于固液界面回波。

3 实验测试系统

实验在气液两相流环道上进行，测试管段为有机玻璃管，其规格参数和模拟相同。气、液相介质分别为空气、水。如图5所示，实验测量系统主要由测试管道、超声波发生器、超声回波测量探头、超声回波采集模块、数字示波器以及计算机等组成。测试管段内安装有旋流叶片，用于诱发产生螺旋流。超声探头布置在旋流器下游，距离旋流器末端1倍管径处。采用的超声探头为纵波传感器，其中心频率为2 MHz，外径为6 mm。超声发生器使用的是Olympus公司的5072PR脉冲发生器，示波器为泰克DPO2024型示波器。超声探头安装于管外壁底部。为隔绝空气，提高透声性能，探头与管壁之间用耦合剂填充。探头通过数据线与超声回波发生器相连，所获得的信号由超声发生器的RF输出口传输至数字示波器，由示波器将信号离散后显示，再将所得的离散信号传输至计算机。超声脉冲由管壁向管内传递，在固液、气液界面处将发生反射，重新被探头接收。

图5 实验测量系统

为评价液膜厚度超声回波测量结果，在超声探头下游0.5倍管径处设置有电容探针。电容探针是一种成熟的介入式测量设备，其液膜厚度与电容值成线性关系，关于电容值介绍可参考文献[16]。

4 实验结果与讨论

图6为液膜厚度3 mm时实验测量超声回波与数值模拟结果对比，可见两者基本吻合。固液、气液界面回波均能准确测量。因此，根据测量的回波时间序列可以获得超声回波在液膜中的传播时间，结合液相中声速从而获得液膜厚度

图6 实验测量结果与模拟结果对比

δ=CL·Δt。

(5)

图7为液膜厚度超声回波测量结果与电容探针测量结果对比。液膜厚度范围2.0～8.0 mm。可以看出，当液膜厚度较小时，两种方法的测量结果偏差较大，当液膜厚度增大到一定值时，两者基本接近。实验对比表明，超声回波方法具有良好的精度，可实现液膜厚度的非介入测量。

图7 液膜厚度超声回波测量结果与电容探针测量结果对比

图8为不同入口气液流速下，通过螺旋发生器所形成的螺旋流液膜厚度值。可以发现增加液相折算速度或降低气相折算速度，将导致螺旋流液膜厚度增加。主要原因是减少气相流量或增加液相流量，都会导致液相所占管道面积增加，进而液膜厚度增加。实验结果表明，超声回波测量方法能够实现环状液膜厚度的非干扰测量，从而为深入研究螺旋流动规律提供科学工具支撑。

图8 液相折算速度对液膜厚度的影响

需要指出的是，本文只采用了一个超声探头，测量值为管道底部单点液膜厚度。而实际上对于水平管气液两相通过旋流叶片后螺旋流将持续演化，随着远离旋流叶片，在重力影响下液膜厚度周向分布将发生变化，液相倾向于沉积于管底流动，导致底部液膜厚度增加。在后续研究中需要沿周向布置多个超声探头以研究螺旋流演化规律。

5 结 论

(1)建立了有限元模型，在管外壁施加高斯脉冲激励，模拟了超声波在气液螺旋环状流中的传播特性，获得了声压场以及脉冲回波随时间变化特征。模拟结果表明，超声脉冲在壁-液、气-液界面处由于声阻抗差异发生反射，可通过获得超声波在液膜中的传递时间实现液膜厚度的非介入测量。

(2)由于气、液声阻抗差远大于固、液，从而在气液界面处超声脉冲几乎全部发生反射，而固液壁面处13%能量会在液膜中继续传播，从而导致气液界面回波能量幅值大于固液界面回波能量幅值。

(3)在气液两相流实验环道上开展了实验研究，通过平均测量消除气液界面波动，实验结果表明，超声回波能准确表征环状液膜变化特征，与介入式探针测量结果吻合良好。

(4)超声回波测量液膜厚度方法具有非介入、响应快的优点，可用于金属管道，为液膜厚度实时测量提供了新的方法。