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1、 油气混输管路内的流型特征及其识别方法第一章 绪论1.1课题背景气液两相流的宏观运动规律以及它与其他运动形态之间的相互作用是两相流体力学的主要研究内容之一。气液两相流的研究，是随着工业技术的需要而发展起来的。特别是本世纪40年代后，由于动力工程化学工程石油工程原子能工程航天工程以及环境保护工程的兴起和发展，气液两相流的研究日益得到重视，促使它形成为一门完整的应用基础学科。广义而言，气液两相流动属流动力学的研究范畴之一，流动力学的基本方程也适用于气液两相流。但由于在气液两相流中，存在气液两相间的相互作用，因此两相流动问题较单相流动问题要复杂的多，两者间在本质特征上也有较大的不同。气液两相流流型的
2、复杂性和多样性就是显著区别于单相流动的特点之一。两相流流型是两相流的结构形式。对于流型形成机制及其特点的认识，是两相流的机理及其规律研究的重要组成方面，同时也直接关系到对两相流学科中其他问题的分析研究。例如，对于气液两相流问题的分析处理，经常采用基于流型的方法，即首先分清气液两相流的流型，然后根据各种流型的特点，分析其流动特性并建立关系式。这种方法考虑了两相流的流型特征，具有较强的针对性。流型研究在工程中也具有重要的应用价值。在涉及到气液两相流动的管路系统设计时，流动压降是基本参数之一，而两相流压降与流刑具有密切关系。实验结果表明，在相同的质量流量下，不同流型下的流动阻力可以变化几倍甚至几十倍
3、。不同的流型，将会使管道受到不同频率分布特性的作用力，这将直接关系到管道结构的减振设计，以确保管道系统的安全运行。为了进行多相流动参数的测量和计量，流型也是必须考虑的重要因素。因为流型的变化往往会造成测量装置的显著改变。另外，不同的流行具有不同的传热传质特性，这对于化工动力等过程的工艺技术也至关重要。气液两相流流型与两相间界面的形状及其组合变化密切相关，流型的发展与稳定往往是相对的（例如，在长距离管线中，由于沿程状态参数的变化，流兴会发生改变），从而导致流型问题变化复杂。早期的研究者为了方便，常常用各单相流型（层流或紊流）的不同组合为描述多相流模型并以此建立计算模型或在此基础上根据质量流速压力
4、等参数进行修正以提高模型的精度。例如对于气液两相流的压降计算模型的研究就是如此。显然，这种流行描述方法比较粗糙。目前常用的流行分类方法是根据流动形态分类。这种分类方法比较直观，但流型确定容易受到观察者主观因素的影响。目前对于流型的分类方法还没有一个统一的标准，这是流型研究需解决的问题之一。另外，如何根据流动条件确定流型，以及如何在流动过程中实时的利用流动状态信息确定流型也是目前在流行研究及工程应用中迫切需要解决的问题。本文针对上述问题进行评论，以期反映近年来对于气液两相流流型问题的研究状况。1.2国内外多相流基础理论近年来国际上对多相流的研究兴趣在持续增长，其原因在于多相流不仅在一系列现代工程
5、中得到广泛应用而且对促进这些工程设备的发展和创新也起到了重要作用.涉及多相流的工程设备有新型的相变换热器、锅炉、蒸发器、凝结器、空间设备、制冷机、核反应堆、分离设备、过滤设备、流化床反应器、气力输送设备、液力输送设备、石油工程设备和多相流泵等。每年发表的有关多相流方面的论文数以千计，因此要在一篇论文中对近期多相流研究工作进行全面综述，实非易事.本部分拟对其中的一些有关多相流研究的新课题、具有实用意义的新项目以及能促进多相流学科发展的新研究内容进行了扼要的论述。1.2.1多相流流型及流型图多相流流型和流型图对确定多相流的组分、分相流压力降和传热系数是十分重要的.此外，流型对建立多相流理论模型也是
6、有力的物理基础.至今，在气液两相流方面，对重力作用下的气体和牛顿液体混合物的两相流体流型和流型图的研究己经比较多，特别是在水平管、垂直上升管的管内流型和流型图方面的研究工作己较完善.因此，近年来有关这方面的研究论文数量己大为减少，但对气体和非牛顿液体的管内气液两相流型以及对小尺寸管或特殊管子横截面的管内气液两相流型的研究论文为数仍不少.例如:王树众研究了油气两相流在下降管内的流型;Bonjoun研究了水在直立两板中狭小空间内沸腾时的流型;Mishima研究了内径为14mm的毛细管中的气水两相流流型;Triplett发表了微通道中气液两相流流型研究报告;Wolk研究了当量直径为6mm的三角形截面
7、垂直管中的流型;Gradeck研究了水平波形管中的气液两相流型;weiseman研究了管内存在微型螺旋线状肋片时流体物性对气液两相流型的影响以及衣服发表了微型内肋水平管中凝结时的流型研究报告等.对气固、液液两相流流型的研究比气液两相流流型的研究要少得多，但近年来，在区分流型和预测流型转换界限方面己取得了一些进展.例如:Doron建立了管内液固两相流的流型图;出价提出了气固流态化和向上气力输送颗粒时的流型图;N adlen研究了两种不溶混液体在水平管中形成乳浊状流型的过程及天使的研究了油水混合物在水平管中的流型等.在三相流的流型研究方面:Hewitt提出了微倾斜管中油气水三相在不同压力下的流型图
8、并发现压力增大会促使分层流动区域扩大;罗玉珊等研究了垂上升管中乳状油气水三相流由细泡状流型过渡到弹状流型的转变条件;陈学俊等研究了螺旋管中油气水三相流的流型等.由于气液两相流在宇宙飞船的设计和运行中具有重要用途，例如在飞船环境系统、制冷流体的储存和输送、太空核电站系统安全性等系统中均有重要应用.因此，建立微重力下的气液两相流流型图就显得十分必要.根据Rezkallah的研究，微重力下的气液两相流流型基本上可分为细泡状、弹状、泛沫弹状和环状等几种流型，并由他建立了流型图和流型转换条件.Colin和Bousman研究了管径、液体粘性和表面张力对流型的影响.1.2.2压力降研究近期对多相流压力降进行
9、研究的论文主要涉及液液、气固、液固两相流和三相流问题.在气液两相流压力降方面，由于对一般直管研究己经较多，因而新的论文主要涉及特殊管子、微重力条件下以及气体非牛顿液体等的气液两相流压力降问题.其中:Dziubimsk, Dasf报导了气体和非牛顿液体在管内压力降方面的研究结果;M ukhtan研究了900水平弯头中含多尺寸颗粒的气固两相流压力降;T urian研究了非牛顿液体的泥浆流压力降;天使的研究了液液两相流在水平管中的压力降。此外，M ishima研究了各种毛细管中空气一水两相流的压力降;杨研究了R-12气液两相流的压力降;Awward研究了气水混合物在螺旋管中的压力降;weisman研
10、究了R-113气液两相流在螺旋内肋管中的压力降等.在油气水三相流方面，Hewitt研究了微倾斜管中的油气水三相流压力降，并发现:如果油水混合物粘度能采用合宜的方法确定，则某些两相流压力降预测方法可用于进行油气水三相流压力降计算，林宗虎等对水平管中的油气水三相流摩擦压力降的研究表明:由于工质对管子材料的湿润性和吸附力等的不同，有机玻璃管和钢管中的油气水三相流摩擦压力降在一定条件下是不同的.在微重力作用下对气液两相流进行的初步研究表明，在两相摩擦压力降方面，微重力条件下和重力作用时的压力降数量级相同.1.2.3截面含气率和截面含液率的研究在海洋石油等开采储运过程中，为了进行油气混输管路的设计和运行
11、，必须进行油气水三相流流动特性的研究，其中一个重要参数是截面含气率或截面含液率(持液率).Hewitt研究了空气折算速度固定、总液体速度不变时微倾斜管内的油气水三相流持液率问题.试验表明，水含量增大，则持液率增加到一最大值后再锐降到近乎为一常数值.峰值发生在油为连续相区域，而曲线平坦部分(近乎常数值区段)位于水为连续相区域.虽然三相流时各相含液率与两相流时表现不同，但仍可用某些两相流预测方法预测，只要油水混合物的粘度应用一种可考虑相转变和混合工况的模型加以估算.此外，由于弹状流对油气混输管的重要性，挂起研究了垂直上升管和垂直下降管中弹状流的含气率，酋长研究了垂直下降管中油气混合物在细泡状流型和
12、弹状流型时的含气率，Feenstra提出了一种计算两相流横掠水平管束时含气率的改进计算模型。3西安石油大学本科毕业设计（论文）第二章 气液两相流流型及其判别的若干问题2.1引 言气液两相流体系是一个复杂的多变量随机过程体系，流型的定义流型过度准则和判别方法等方面的研究是多相流学科目前研究的重点内容。下文就与气液两相流流型及其判别有关的研究状况进行了回顾和评述，力图反映近年来气液两相流流型及其判别问题研究的状况和趋势。2.2气液两相流流型的分类由于目前在研究和应用中涉及的气液两相流大多数是管内流动，因此下面的讨论主要针对气液两相管流进行。表2.1垂直上升管中的气液两相流流型划分在气液两相流流动过
13、程中，由于气、液两相均可变形，两相界面将不断变化，从而两相介质的分布状态也不断改变，所以流型极为复杂。同时，流型还与管道尺寸、管截面形状、管道角度、管道加热状态、所处的重力场、介质的表面张力、壁面及相界面间的剪切应力等因素有密切关系.因此总体而言，流型的种类是相当复杂繁多的。这使得不同的研究者，从不同角度对流型进行研究时，会给出流型的不同定义和划分。例如，对于垂直上升管中的流型划分就有几十种，如表2.1所示。又如，对于水平管绝热流动，在不同的液相流量下，加速等提出的流型划分也有十余种，如表2.2所示。表2.2水平绝热管中的流型(管道内径0.0935m)注: A环状流(环的), B气泡(泡沫),
14、 BTS中空气弹(殴打穿过鼻涕虫), D液滴(小滴), F液膜(薄膜), IW平缓波(不活泼的波), LRW大翻 卷波(大的滚动波), PB气栓加气泡(堵& 泡沫), PF气栓加泡沫(堵 & 泡), R涟漪波(波纹), RW翻卷波(滚动波), S气弹(鼻涕虫),ST层状流(成层)表2.3几种常见管道条件下的流型划分从实际应用的简明性考虑，Oshinowo等，在综合发展了其他研究者结果的基础上，提出的几种常见流动条件下的流型划分，成为目前比较经常采用的流型划分，如表2.3所示(目前常用的几种主要流型的名称和简要描述见附录)。尽管如此，由于流动条件变化的多样性以及研究角度的多样性，基于流动结构形态
15、学上的流型划分方法有以下几个问题。 (1)流型定义的模糊性 目前对于各种流型的定义只是建立于主观观察的结果上的，这样不可避免引入观察者主观因素的干扰。(2)流型定义的多样性 对于各种流型，目前还未建立起一套统一的且被公认的定义。(3)流型定义的定性特性 对于流型的判别只能定性判断，公认的定量判断方法还没有。图2.1水平蒸发管气液两相流流型按介质的连续性进行划分近年来，有些学者(Barnea等)提出了从多相流中的流动介质的连续性出发进行流型的划分.即将介质的形态分别分为连续的(连续的)、间断的(间歇的)和弥散的(被驱散的)。流型的要素就是不同介质及其形态的不同组合，如对于水平蒸发管中的流型，就可
16、以图2.1所示的方式进行划分。由于这种流型划分方法一方面考虑介质的连续性，便于将两相流问题与比较成熟的单相流流体力学相联系，另一方面又能将各种不同的流型归结为较少的几种模式，相互之间有比较明确的区别特征，简化了理论研究的对象，从而便于气液两相流的研究与应用。因此有希望为流型划分找到一条比较客观和完善的途径。2.3流型及其转换的理论判断 气液两相流流型问题的困难不仅体现在其定义与划分上，出于类似的原因，流型的识别及流型过渡准则的确定也有严重的困难。尽管如此由于流型问题的重要性，人们还是对此做了大量的工作。2.3.1流型图流型图是用于流型识别及流型转换判断的重要工具之一。早在1949年，Lockh
17、art等研究了不同的管内流动条件下的流动阻力问题。面包师在前人研究结果的基础上发展了流型判别的流型图方法。同时代Hoogendoorn针对水平管气液两相流也应用了这一方法。其后，出现了许多种不同条件下得到的流型图。比较有代表意义的有Mandhane等，Taitel等，Weisman等，林等(水平圆管)，Griffith等，Gooier等，Taitel等，McQuillan等(垂直上升管)，加速等，Weisman等，B arnea等(垂直上升管到垂直下降管之间的各种倾斜管)，以及Wambsganss(小尺度水平矩形管)。一般用气相表观速度和液相表观速度(或以这两个参数为基础得到的其他折算参数)构
18、成流型图的坐标系，如图2.2所示。表2.4给出了一些典型的流型图所采用的坐标参数及其主要工况。表2.4几种典型流型图的坐标参数及主要工况表中=（G/a）(L/w),=(w/L)(L/w)(w/L),为介质密度(公斤/m),v为介质流速（m/s）,相界面的表面张力(N/m),为介质物性参数和管道直径决定的修正系数.下标中，a和w为表示空气和水，L和G分别为气相和液相介质，S为表观量.就流型图而言，目前还有下列问题:（1）流型图中所体现出的决定流型的因素主要为气、液相的流速等几个主要参数，其他影响流型形成的因素未得到体现，使得根据流型图确定流型的可靠性受到影响。这在流型转换时显得尤为明显。例如，我
19、们在实验中发现，非牛顿流体气液两相流型处于过渡阶段时，所表现的实际流型不仅与表观流动速度值有关，还与表观速度变化率的大小和方向有关。(2)在流型图中流型转换表现为一些过渡区域，在这些区域中流型是不确定的。(3)大部分的流型图所依据的实验数据来自水空气流动，因此流型图的适用范围是有限制的。(4)存在如此之多且相互之间往往不一致的流型图的事实也表明，目前对于流型形成机制的研究还处于经验阶段，要把所有的流型统一到一个流型图中还不可能。因此，目前流型图的研究仍然是针对特定的流动条件和介质进行的，但是涉及条件范围和介质种类扩大了，如特殊结构管道或大口径管道，微重力环境，非牛顿流体以及各种热工质等。图2.
20、2水平管的Mandhane流型图2.3.2流型转换准则1.水平流动Taitel等根据大气压下空气水的水平流动的流型实验结果，将流型划分为层状流、泡状流、间断流和环状流四大类，同时引入了一系列控制参数，加上Lockhart-Martinelli参数X构成了流型转换的控制参数组，对于水平及小倾角管道的流型转换判断具有较好的普适性，其基本思路目前仍为其他研究者采用。这些控制参数如下 F= T= (2.1) Y= K=F(Re) (2.1)式中与分别为气相流量和液相流量独自在同一流道内流动时的摩擦压力梯度(Pa/m)。为流道的倾角(rad)，d为流道内径(m)。为介质密度(kg/m)， v为介质流速（
21、m/s）,g为重力加速度(m/s)。下标中，L和G分别为气相和液相介质，S为表观量。Taitel & Dukler提出的各流型间转换的机理与控制参数分别为:(1)层状流到间断流:当气相通过波形交界面的波峰受到加速，产生局部压力降，使峰部同时受到抽吸作用。当抽吸力的作用大于峰部的重力作用时，波峰就会扩大.波峰到达管道顶部井与管道接触，构成弹状流。(2)波状流到环状流:主要由X控制.当气相速度比液相速度高得多时，就产生这种过渡。(3)间断流到泡状流:在弥散泡状流下，气泡分散在连续的液相中。当液相的湍流脉动效应大于气泡的浮力时，阻止了气泡聚合到管道的顶部。(4)层状流到波状流:主要与液体表面张力及气
22、液两相间的滑移速度有关，根据Keivin-Helmholtz稳定性理论给出过渡准则。(5)间断流到环状流:当液面的平均高度超过管道高度的一半以上就发生这种过渡。Taitel&Dukler过渡准则与Mandhane的流型图吻合得相当好。但是，该方法不适合于高粘性流体，对于从间断流过渡到弥散泡状流时，未考虑表面张力的影响(而实验表明该因素是显著的)，另外，人为规定液面的平均高度超过管道高度的一半以上就发生间断流到环状流的过渡，也比较牵强。Weisman等考虑到Taitel & Dukle:准则的上述不足，提出了另一类流型转换准则式。其所依据的实验数据来自12mm, 25 mm和51mm三种管径，且
23、覆盖了更加广泛的各种特性的流体。这些判据与Weisman自己的实验数据吻合很好，但是普适性不如Taitel & Dukler准则。2.垂直上升流动Taitel等认为:气泡流转换到弹状流是由于气相速度的增加，达到一定程度后，小气泡聚生成接近管径的大气泡，从而导致弹状流的形成。流型变化的界限可由空隙率确定，而搅拌流产生的主要原因是，在两个弹状气泡之间的液弹因太短而不能形成稳定的液相段。液弹周期性的形成和破碎使流动受到很大的扰动.搅拌流只能在某些区域才能观察到。从弹状流向搅拌流过渡决定于产生搅拌流所需的入口管道长度Le.根据分析，Le可用下式表示=40.6d而对于弹状流向环状流的转变，是由于高速气体
24、引起的.流型变化的界限条件为 =3.1 (2.2)Golan等是较早开展对搅拌流研究的学者。他们提出的流型变化判据为 0.189+0.011 (2.3)Weisman等通过实验数据整理，提出的由气泡流向弹状流转换的判据为 0.45 (2.4)对于搅拌流到目前为止还没有统一的认识。现在常以液相的湍流作用大到粉碎大气泡而形成湘沫为搅拌流的全要标志、故搅拌流也称为乳沫状流或混状流。对于弹状流向环状流的过渡，一般都是根据经验公式进行判断。不过，Moissis依据KelvinHelmholtz不稳定性判据，分析了弹状流向环状流转变的条件，则有较强的理论色彩。两个气弹之间液膜稳定的界限条件为 VV= (2
25、.5)式中k为波数，h为液膜的平均厚度。根据理论和实验结果，最不稳定的波数与液膜厚度之间的关系为：k=。由此可以确定弹状流转变成环状流的条件。总体而言，尽管目前对于气液两相流流型判断的理论方法进行了较多的研究，但是由于对流动机理缺乏深入的了解，所建立的理论模型常常存在较大的误差。不同的研究者所得到的流型图或流型转换准则也不完全一致，有时差异相当大，以至于应用者无所适从。再者，由于两相流系统的复杂性，所涉及的工况条件与流体物性参数的多样性，在目前还难以获得一个对各种流型转换准则，退一步说，即使要应用现有的这些流型图和转换准则，还需得到分相流量等参数，而在实际工程应用中，往往是希望通过判断流型来实
26、现对这些参数的检测。这就构成了应用该种方法讲行流型判断的两难境地。笔者认为，为了从本质上了解气液两相流动的机理，应对流型的结构性和随机性进行综合分析和认识。结构性体现为:流动条件和参数的变化引起流型的改变意味着结构性的变化而这些条件和参数在一定范围内变化时，流动结构是基本稳定的.随机性则体现为:每种流型下，每个时刻流动状态参数都呈现为较强的不可预测性。这时候的流动规律在更多意义上是统计性的。结构性研究可以一方面从简化两相流动中各种不同因素间的相互作用入手，以便了解流型产生和转换的机理.例如，在微重力条件下，由于重力基本消失，气液两相流流型较常重力条件下得到大大简化。结构性研究的另一方面是对不同
27、尺度或不同介质多相流动的相似参数进行研究，如果能够在一定的条件下获得与流型关联的无量纲准则数，就不仅意味实验研究的简化，同时意味着理论研究的突破，这对于流型机理研究的意义将是不言而喻的。Bl等在对大量的气液和气固垂直上升管流流型进行总结比较后，就发现两者在流型和流型过渡准则上有着较好的相似性。2.4流型的在线识别应用流型图或流型转换判据只能大致预测流型及其转换，但是不能准确获取流动状态的实时信息。而工程实际应用时，往往需要实时了解流型对系统运行状况的影响。此时，应用仪器设备直接识别管道内气液两相流的流型就自然而然成为人们的选择了。根据工作原理，流型实时识别方法可以分为两类。一类是根据两相流流动
28、图像的形式直接确定流型，如目测法、高速摄影法、过程层析成像法等;另一类是间接方法，即通过对反映两相流流动特性的波动信号进行处理分析，提取出流型特征，进而识别流型.这种方法建立在随机信号处理技术的基础上，不仅具有设备简单、价格低廉的优点，还极有希望发展成为流型识别的客观方法，因此受到众多研究者的关注，现已成为流型识别技术中的研究热点。这里主要针对后者进行综述。2.4.1频域处理方法早在1966年，Hubbard等就将水平管道气液两相流压力信号的功率谱分析结果应用于流型判别。他们假设气液两相流的随机压力信号是平稳的，通过压力信号的自相关函数求得功率谱密度函数(PSD)。为了便于比较，对功率谱密度函
29、数进行了归一化后可得出结论(如图2.3所示)。 (1)连续流(层状流和波状流)的PSD集中在零频率附近，即呈现出一定的直流特征，随频率增加幅度明显下降，见图2.3(a)。(2)弥散状流(气泡流、雾状流等)的PSD分布较平坦均匀，见图2.3(b)。(3)间断流(弹状流和栓状流)的PSD分布出现一个幅度明显的特征峰，见图2.3(c)。（a）连续流 (b) 弥散流 (c)间断流图2.3压力信号功率谱密度(PSD)函数与气液两相流流型的关系Matuszkiewicz等利用类似方法对于气液两相流中气泡流流型到塞状流流型的转换进行分析预测，所用于功率谱密度的分析信号是用电导探针所获得的局部空隙率信号，管道
30、直径为40毫米，液相流速为0.18m/s。在不同的平均空隙率的条件下，不同流型的谱分析呈现出以下的特征。 (1) 0.25时，气泡流流型，谱分布的范围较宽见图2.4(a)。 (2) 升高后出现混状流型，谱分布的范围明显缩小见图2.4(b)。(3) 升高到0.5左右时，出现塞状流流型，在低频上出现了一些突出的频率分量见图2.4(c)。由此出发，他们得出结论，当气泡流流型下，空隙率信号具有较小的方差(即分散性较小)，而在塞状流下，空隙率信号呈现较大的方差。(a)气泡流 （b）混状流 （c）塞状流图2.4空隙率信号功率谱密度与气液两相流流型的关系功率谱密度函数分析法的一个关键问题是，功率谱密度分布不
31、完全取决于流型，而与流体流动速度的关系较大，但流速一般难以预知。尽管如此这种分析方法在预估流型转换上还是有效的。2.4.2时间频率域方法表2.5各种流型下尺度密度的数量级范围 功率谱密度分布所要求的随机信号的平稳性，在许多两相流动场合不能很好地满足。有些学者提出了基于小波(wavelet)分析的两相流信号处理方法，用于进行流型辨识。在对水平管道内所取的间距50 mm差压信号进行二进小波分析后，差压信号被分解成了不同尺度上的能量，用尺度密度S(j=1,2,3,4)表示。4种常见流型下其尺度密度的数量级如表2.5中所示。它们具有如下特点:气泡流的尺度密度绝对值最小，大多集中于1010数量级，各尺度
32、下的凡相对变化不大。波状流和塞状流两者的尺度密度的分布颇为相似，它们的尺度密度均比对应于气泡流的要高出一个数量级。另外，同尺度下塞状流的S一般比波状流大35倍。弹状流各尺度下的S都明显高于其它流型。Bakshi借助于对局部空隙率信号的小波分析对气液两相流中气泡流的流型转变进行了研究，实验结果分析表明，气泡流中空隙率信号频率分布的不连续变化与流型转变密切相关。Wigner-Ville谱(WVD)分析方法是近年来兴起的一种用于瞬态信号分析的方法。解析信号x(t)的WVD谱的定义W(t,)=,它在一定意义上统一了时域和频域分析，这表现在其本身同时表征了时频二维信息，从而使频率的时间定位成为可能劳力云
33、对内径分别为40毫米和50毫米的水平管道空气水两相流的脉动差压信号进行了WVD分析，结果表明在气泡流、塞状流和弹状流三种流型下的WVD分布有较为显著的不同。在泡状流流型中，频谱比较分散，幅度信号能量在时频域中的分布比较均匀。在塞状流流型中，其信号能量基本集中在低频区间中，有时也出现一些较高的频率分布。在弹状流流型中，能量在时域、频域和幅值上都表现得比较离散，即呈现出明显的非平稳性。2.4.3幅值域处理方法信号幅值域的处理指对信号幅度进行统计处理。所给出的结果可以反映信号幅度变化的分布规律。常用的参数有概率密度函数(PDF)、方差、均值等。由于气液两相流参数直接影响着流动信号的统计特性，对获得的
34、气液两相流动体系中的常规信号如局部空隙率、压力、压力降、电导率、电容等信号在幅值域上进行统计处理，往往可以实现对流型、流量、空隙率和气泡直径等参数的检测估计。琼斯等对X射线空隙率计得到的空隙率信号进行了概率密度函数(PDF)分析，空隙率的概率密度函数P()用统计值域P()代替 P()=其中为空隙率信号。(t)的值落在与+之间信号段长度的总和;T为用于统计分析的空隙率信号(t)的总长度。实验结果发现，PDF可用于辨识气液两相流的流型。流型与空隙率的PDF之间有以下关系泡状流: PDF在低值上有一个单峰;环状流: PDF在高值上有一个单峰;弹状流: PDF分别在低值和高值存在一个单峰。Vince等
35、进一步用空隙率PDF的方差来进行流型判别。歌等发现气泡流到弹状流的转换可以在空隙率信号PDF的形状上得到较好的反映。Elkow等, Lowe等应用空隙率的PDF对微重力下的气液两相流流型进行识别。通过空隙率信号实现流型识别是比较可靠的方法之一，但获取空隙率信号并不容易。应用压力降信号的幅值概率密度分布进行气液两相流的流型判别是应用较多的方法之一，主要应用于垂直管流型的判别。在垂直管道上，取一定管段的差压信号，这个差压反映了该管段上气液两相流的体积含气率。对不同的流型，含气率的概率分布有明显区别，据此可以判断出流型。以差压信号代替空隙率信号显然比较简单方便。但压力降的大小及变化程度不仅与空隙率有
36、关，还与压力、流速等关系密切，因此在应用中应对此加以考虑. 利用测得的气泡直径的PDF亦可用于进行气液两相流流型的判别。在一定流型工况下，气泡直径大小分布具有一定的统计规律。泡状流时，气泡直径服从高斯分布且其均值远小于管道的当量直径;环状流时，气泡直径同样服从高斯分布，但其均值远大于管道的当量直径;弹状流和波状流时气泡直径的概率分布具有双峰性，每个峰呈现为近似的高斯分布，由于这种识别方法以气泡的物理表现为依据，因此对流型的判别比较可靠。但气泡直径的测量比较困难。应用概率密度函数方法时，需要进行较大量的运算比较。2.4.4其他方法除了以上信号处理方法以外，在气液两相流流型识别中，也有研究者应用了
37、模糊信息处理、模式识别、人工神经网络和分形等近年来发展迅速的现代信息处理方法。例如，应用模糊数学理论对垂直气液两相流的管壁压力降波动的概率密度分布进行处理，建立流型的模糊判据，使流型的在线判别成为可能。也有人基于两相局部轴向压差信号的统计分析，由信号的概率密度函数和功率谱密度函数的数学特征构成特征向量组，由原始信号建立自回归模型，构造海湾统计评判函数，在最小误差概率条件下，确定气液两相流的流型。林等利用管道压力信号的相关特征对弹状流进行识别。Mi等以反映空隙率变化的阻抗作为人工神经网络的输入，实现对于水平管和垂直上升管中流型的识别。还有些研究者从分形角度来认识气液两相流体系，从而产生了流型识别
38、的分形方法。如Kozma认为，对于温度波动信号，分形维数的标准差可以较好的反映流型特征，相应也产生了流型识别的分形方法。值得注意的是，有些研究者综合应用一些现代信息处理技术，从多相流体系的常规信号提取流型特征，实现流型判别。如吴浩江等对管段差压信号利用小波分解重构方法进行去噪处理后，应用分形理论提取特定流型对应的特征向量，用于训练人工神经网络，实现了对油气水水平管流流型的自动识别。2.4.5流型在线间接识别方法评述由于气液两相流动过程参数的规律性呈现为统计意义上的规律性，因而在在线流型识别中所应用的信号处理方法大多为随机信号处理方法。具体所涉及到的技术包括谱分析、幅值统计分析、分形分析、模式识
39、别、模糊信号处理和神经网络等具体技术。应用信号处理技术进行流型识别需要两个条件。(1)正确快速地获取信号，这个(些)信号的某些统计特征与流型之间有确定关系。(2)考虑到实际应用中进行流型识别往往有实时性的要求，因此需对被测信号能实现快速处理。事实上一方面通过理论和实验的大量研究，人们己经发现了两相流动参数与其他参数的随机波动之间的某些实质性联系。同样，两相流体系参数随机变化的信号中载有流型的信息。这就使得通过对两相流动常规信号的处理获得流型的信息成为可能，当然，继续深入探索这两者之间的关系将为利用信号处理技术实现流型在线识别提供坚实的理论基础，因而是很有必要的。另一方面，现代电子技术、计算机技
40、术及信号处理方法的发展，提供了快速处理随机信号的理论基础和技术条件。在气液两相流动体系中，压力或差压是比较容易获得同时也是最重要的参数之一，压力或差压的测量已有许多成熟的方法和手段，其传感器是数量最大，品种最多，在工业部门中应用最广泛的传感器之一在流动过程中，大多数压力或差压测量的目的是用于了解压力损失，测量流量以及掌握其它流动工况，比较关心的是静态值，对于其中的脉动信号则视为噪声。而正如前所述，在这种脉动中往往蕴涵许多流动体系中其它状态的信息。许多学者已注意到这一点，并在气液两相流流型识别得到应用。第三章 水平管内气液两相流流型及其转换特性研究3.1引 言近几十年来，国内外对气液两相流动问题
41、开展了广泛深入的研究，取得了一定的进展，但尚有若干理论不够完善，特别是关于流型的划分和流型转换特性等方而有许多问题还未能取得共识，许多工作还有待于深入研究。为此本节以空气水为工质，对水平管内气液两相流流型和转换规律进行了研究。3.2试验设备和方法 图3.1 空气水两相流实验系统1水箱；2水泵；3水旁路；4水流量计；5压力表； 6空压机；7稳压器；8气旁路；9测温点；10混合器；11实验段；12分离器；13空气流量计全部试验是在空气水两相流试验台上进行的，如图3.1所示。其运行流为: 储存在水箱中的水经水泵送入试验系统，经流量调节阀调节流量后，通过水转子流量计侧量流量，空气经空压机加压后送入试验
42、系统，经流量调节阀调节流量后，通过空气转子流量计测量流量，空气和水经流量计测量流量后进入气液混合器，混合成两相流体，然后经管路进入试验段进行两相流动测试，从试验段出来的气水混合物经气液分离器分离后，空气排空，水重新注入水箱循环使用。试验段采用323有机玻璃管制成，试验段两端采用环室取压，两取压点距离1500mm，压差采用差压变送器测量，差压变送器将差压信号转换为电信号，用毫安表测量，再通过转换将电流信号转变为电压信号，接于函数记录仪记录压差波动信号。试验条件如下: 工作压力P 00.6MP空气流量Q 040 m/h水流量Q 04 m/h温度t 16223.3试验结果及分析3.3.1流型图 本文
43、流型的鉴别采用目测法和差压波动法相结合的方式。压差波动法鉴别流型的基本原理是:气液两相流动时，两相之间存在复杂的质量、动量和能量交换，使得局部区域流动结构不断发生改变，这一情况在两相压力上充分体现出来。流型不同，两相流动扰动度不同，因此当不同流型的两相流体流过压差侧量段时，就会得到不同的压差波动信号，用压差波动信号法判别流型正是利用这一特性。 图3.2 气液两相流流型图S分层流型区 X波状分层流型区I间歇状流型区A环状流型区B细泡状流型区不可分辨区试验结果表示在以两相折算流速为坐标的图3.2上，该图分为五个区域，分别是分层流型区，波状分层流型区，间歇状流型区，环状流型区和弥散状流型区。各流型间
44、转换并非突变，而是存在过渡区，在图3.2上用斜线表示过渡区。分层流型出现在较低的两相流率下，该流型出现范围较窄，两相折算流速稍有增大，即向波状和间歇状流型转变;出现分层流动时，若保持液相流率不变，提高气相流率到一定值后，形成波状分层流型；出现分层或波状流动时，若保持气相流率不变，提高液相流率到一定值后，就会出现间歇状流型，本流型图将泡状流归入间歇流，波状或间歇状流型条件下，增大气相流量，由于惯性力作用，气相将以气柱的形式在管道中央偏上的区域运动，液相分散于管道四周形成液膜，该流动型式即为环状流型，弥散泡状流型出现较高的液相折算流速下，以气相离散气泡的方式分布在连续的液相中，当液相折算流速超过一
45、定数值后，两相流动将以弥散泡状流型的形式存在。通过与传统流型图比较发现，该流型图基本上能反映双组分介质流型的变化规律。3.3.2流型转换特性两相流动现象十分复杂，影响流型的因素有许多，如物性、流动参数、流道形状及位置等。由量纲分析，可以得到反映流型变化规律的无因次关系式: F=F(Re,Fr,/,ku) (3.1)其中： Re= ,Fr= , ku=,式中，液相密度，气相密度，d管道内径， V气相速度，表面张力，液相动力粘度,气相动力粘度，g重力加速度。显然各流型转换物理机制不同，上式中各无因次准则的作用也不相同。有必要针对不同流型转换的特点，找出起主导作用的准则，忽略次要因素，建立流型转换的
46、准则方程式。1.分层间歇流型转换 从流型转换的力学角度看，气相惯性力、液相重力和表面张力的综合作用，决定分层间歇流型的转换。显然，气相惯性力有助于界面波的产生和发展，促使流型由分层向间歇流转换;而液相重力和表面张力抑制界面波的发展，不利于流型由分层向间歇流转换。其中表面张力对小管径(d 10 mm)以下的转换有明显的影响，但对其他尺寸的管道影响很小，这里不考虑表面张力的作用。由上面的分析，可以确定代表分层间歇流型转换的主要无因次准则有: Fr：反映气相惯性力的影响，:反映两相相对运动的影响。分层间歇流型转换关系式可表示如下:F=F(,Fr) (3.2)2.间歇环状流型的转换气相惯性力在促使流型由间歇向环状流转换中起主要作用，而液相重力阻碍环状流的形成，此外，表面张力、液相粘性力对环形液膜的形成也有影响，然而威尔斯曼发现粘性力对于环状流形成影响不大，故反映间歇环状