氣液兩相流及其流量測(cè)量

（1）   氣液兩相流及其流動(dòng)結(jié)構(gòu)  液體及其蒸汽或組分不同的氣體及液體一起流動(dòng)的現(xiàn)象成為氣液兩相流。前者稱(chēng)為單組分氣液兩相流，后者稱(chēng)為多組分氣液兩相流。氣液兩相流在動(dòng)力、化工、石油、冶金等工業(yè)設(shè)備中是常見(jiàn)的，在流動(dòng)時(shí)氣相和液相存在流速差，在測(cè)量流量時(shí)應(yīng)考慮此相對(duì)速度。

氣液兩相流按流動(dòng)方向不同，存在多種流動(dòng)結(jié)構(gòu)。圖3.86所示為垂直上升管中的氣液兩相流動(dòng)結(jié)構(gòu)；圖3.87所示為垂直下降管中的氣液兩相流動(dòng)結(jié)構(gòu)；圖3.88所示為水平管中的氣液兩相流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

①             垂直上升管中的氣液兩相流動(dòng)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)研究證明，在垂直上升管中的氣液兩相流動(dòng)，其基本結(jié)構(gòu)有下列五種：細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、帶纖維的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

圖3.86垂直上升氣液兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)

（a）細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)；（b）彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)；（c）塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)；（d）帶纖維的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)；（e）環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)

這五種流動(dòng)結(jié)構(gòu)分別具有下列特點(diǎn)。

a.       細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。細(xì)泡狀流動(dòng)是zui常見(jiàn)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)之一，其特征為在液相中帶有散布的細(xì)小氣泡。直徑小于1mm的氣泡是球形的，直徑大于此值的氣泡，其外形是多種多樣的。

b.      彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)由一系列氣彈組成，氣彈端部呈半球狀，而尾部是平的，在兩氣彈之間夾有小氣泡，氣彈與管壁之間的液膜是往下流動(dòng)的。

c.       塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)是由于氣彈破裂而形成的，此時(shí)，氣體塊在液流中以混亂狀態(tài)進(jìn)行流動(dòng)。

d.      帶纖維的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在帶纖維的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)中，管壁上液膜較厚且含有小氣泡，被中心部分氣核從液膜帶走的液滴在氣核內(nèi)形成不規(guī)則的長(zhǎng)纖維形狀，這種流型常在高質(zhì)量流速時(shí)出現(xiàn)。

e.       環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)中，管壁上有一層液膜，管道中心部分為氣核，在氣核中帶有因氣流撕裂管壁液膜表面而形成的細(xì)小液滴。

圖3.87垂直下降氣液兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)

（a）細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)；（b）彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)；（c）帶下降液膜的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)；（d）帶含泡下降液膜的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)；（e）塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)；（f）環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)

②垂直下降管中的氣液兩相流動(dòng)結(jié)構(gòu)。從圖3.87所示的氣液兩相流在直管中垂直向下流動(dòng)時(shí)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)可以看出，氣液兩相作垂直下降流動(dòng)時(shí)的細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和作垂直上升流動(dòng)時(shí)的細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)不同，前者細(xì)泡集中在管子核心部分而后者則散布與整個(gè)管子截面上。當(dāng)液相流量不變而使氣相流量增大，則細(xì)泡將聚集成氣彈，形成具有下降彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)的氣液兩相流。垂直下降氣液兩相流也可形成下降流動(dòng)的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相及液相流量小時(shí)，管壁上有一層向下流動(dòng)的液膜，管子中心部分為向下流動(dòng)的氣核，這種流動(dòng)結(jié)構(gòu)稱(chēng)為帶下降液膜的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。如液相流量增大，氣泡將進(jìn)入液膜，形成帶含泡下降液膜的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣液兩相流量都增大時(shí)會(huì)出現(xiàn)向下流動(dòng)的塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流量繼續(xù)增大，氣液兩相流可具有管壁上有下降液膜，管子中心部分為帶液滴的下降氣核的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)，這種環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和垂直上升氣液兩項(xiàng)流的環(huán)狀結(jié)構(gòu)相近，但流動(dòng)方向相反。

③水平管中的氣液兩相流動(dòng)結(jié)構(gòu)。氣液兩相流體在水平管中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)比在垂直管中更為復(fù)雜，其主要特點(diǎn)為所有流動(dòng)結(jié)構(gòu)都不是軸對(duì)稱(chēng)的，這主要是由于重力的影響使較重的液相偏向于沿管道下部流動(dòng)造成的。

實(shí)驗(yàn)研究表明，氣液兩相流在水平管中流動(dòng)時(shí)，其基本流動(dòng)結(jié)構(gòu)有下列六種：細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、柱塞狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、分層流動(dòng)結(jié)構(gòu)、波狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

圖3.88是這些流動(dòng)結(jié)構(gòu)的示意。由圖可見(jiàn)，這些流動(dòng)結(jié)構(gòu)分別具有下列特點(diǎn)。

圖3－88水平氣液兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)

a.           細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。水平管中的細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和垂直管中的不同，由于重力的影響，細(xì)泡大都位于管子上部。

b.          柱塞狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流動(dòng)增加時(shí)，小氣泡合并成氣塞，形成柱塞狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。柱塞傾向于沿管子上部流動(dòng)。

c.           分層流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣液兩相流量均小時(shí)會(huì)發(fā)生分層流動(dòng)結(jié)構(gòu)。此時(shí)氣液兩相之間存在一平滑分界面，氣液兩相分開(kāi)流動(dòng)。

d.          波狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流量較大時(shí)，氣液兩相分界面上會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)波，形成波狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

e.           彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流量再增大時(shí)，氣液兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)可以從波狀轉(zhuǎn)變?yōu)閺棤盍鲃?dòng)結(jié)構(gòu)。此時(shí)，氣液分界面由于劇烈波動(dòng)而在某些部位直接和管子上部接觸，將位于管子上部的氣相分隔為氣彈，形成彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在水平流動(dòng)時(shí)，氣液兩相流的氣彈都沿管子上部流動(dòng)。

f.            環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在水平流動(dòng)時(shí)，氣液兩相的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)于氣相流量較高的工況。水平流動(dòng)時(shí)的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和垂直上升時(shí)的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)相近，管壁上有液膜，管子中心部分為帶液滴的氣核，但由于水平流動(dòng)時(shí)重力的影響作用，下部管壁的液膜要比上部管壁的厚。

  在油田常經(jīng)分離設(shè)備將液氣分離，然后分別測(cè)液相和氣相流量。

（2）氣液兩相流體的流量測(cè)量方法  從制造商提供的資料可看出，有幾種儀表可用來(lái)測(cè)量離散相濃度不高的兩相流體的流量，來(lái)自用戶(hù)的報(bào)道也有一些成功應(yīng)用的實(shí)例，但目前使用的流量計(jì)都是在單相流動(dòng)狀態(tài)下評(píng)定其測(cè)量性能，現(xiàn)在還沒(méi)有以單相流標(biāo)定的流量計(jì)用來(lái)測(cè)量?jī)上嗔鲿r(shí)系統(tǒng)變化的平定標(biāo)準(zhǔn)，因此這樣的應(yīng)用究竟帶來(lái)多大的誤差還不很清楚，僅有一些零星的數(shù)據(jù)和一些定性的分析。

①電磁流量計(jì)。當(dāng)液體中含有少量氣體時(shí)，氣體在液體中的分布呈微小氣泡狀，這時(shí)，電磁流量計(jì)仍能正常工作，只是所測(cè)得的為氣液混合物的體積流量。當(dāng)液體中所含氣體數(shù)量增加后，氣泡幾何尺寸逐漸增大，進(jìn)而向彈狀結(jié)構(gòu)過(guò)渡。當(dāng)氣泡的尺寸等于和大于流量計(jì)電面尺寸并從電極處掠過(guò)時(shí)，電極就有可能被氣體蓋住，使電路瞬時(shí)斷開(kāi)，出現(xiàn)輸出晃動(dòng)，甚至不能正常工作。