當氣相中含有少量液相時，則稱該氣液混合物為濕氣。美國石油學會將Lockhart–Martinelli（L-M）參數X_LM≤0.3的氣液兩相流定義為濕氣，其廣泛存在于石化、核能、冶金等工業過程中。近年來，濕氣流量測量已成為國內外研究的熱點問題之一。目前，雖然有很多測量濕氣的方法，但是絕大多數濕氣流量計都采用了差壓測量技術。從1962年Murdock發表了*個針對孔板流量計的濕氣測量模型開始，經過Chisholm等的不斷發展，出現了很多差壓元件的濕氣流量測量模型。但是，這些研究大多是針對孔板、文丘里管等標準節流裝置進行的，對于V錐流量計的研究則相對較少。由于濕氣流型多為光滑分層流、分層波浪流和環霧狀流，其流型特點表現為液相集中在管壁附近，氣相分布在水平管的上半部分與管道中心。與孔板和文丘里管相比，V錐流量計*的錐形節流結構可以大大降低對濕氣流型的破壞作用，減小差壓測量的波動，使得測量更加平穩、準確。因此，V錐流量計在濕氣測量領域具有廣闊的應用前景。

    研究表明，與其他差壓式流量計類似，V錐流量計測量濕氣時得到的流量比單獨測量氣相時偏高，即產生了虛高現象。已有的濕氣測量模型均建立在經虛高修正的經驗或半經驗關聯式上。Stewart等對節流比為0.55和0.75的V錐流量計進行了濕氣測量研究，擬合出了虛高修正關聯式，結果表明，在相同的濕氣條件下，V錐流量計的測量精度要優于文丘里流量計；胡俊等采用V錐流量計，基于流型修正的林宗虎關系式實現了氣水兩相流測量，驗證了采用V錐流量計測量氣液兩相流的可行性。此外，徐英等采用V錐與文丘里管串聯的方法測量濕氣流量，經過室內實驗和現場實驗的驗證，均獲得了較高的測量精度；Zhang等將兩個節流比不同的V錐串聯起來進行氣液兩相流流量的測量也取得了較好的測量效果。但是，已有的V錐濕氣測量模型除了對虛高進行修正外，還需獲得流量計的流出系數Cd和氣體可膨脹系數ε，一般Cd和ε由單相介質進行標定得到，而目前V錐仍然為非標準節流元件，其Cd和ε沒有統一的標準可供參考，不同研究者也會得出相異的Cd和ε的表達式。同時，在單相介質和氣液混合介質中，V錐的Cd和ε的也不相同，這都為測量工作帶來了困難。

    本文采用V錐流量計，提出了差壓流量計的兩相流量系數K，即兩相混合物的總質量流量與表觀質量流量的比值，實驗研究了液相含率、壓力和氣相流量對K的影響，并以K為基礎，導出了濕氣流量的測量模型。

    1 實驗系統及方法

    1.1 實驗系統

    本文的實驗系統如圖1所示。實驗介質采用的是壓縮空氣和自來水。實驗流程為：空氣壓縮機提供的壓縮空氣進入儲氣罐后，由調壓閥和旁通調節閥獲得一定壓力和流量的氣體，再經由氣相流量計進行計量；儲水罐中的自來水由水泵泵送至液相流量計進行計量，水路也設有調節閥和旁通閥來調節水的流量和壓力。流量計計量后的氣和水進入氣液混合器以實現氣液的混合，混合器出口至實驗段留有足夠長的直管段以保證氣液的充分混合和流型的充分發展。實驗段出口的氣液混合物由氣液分離器進行氣水分離后，空氣直接排入大氣中，水回收至儲水罐進行循環利用。實驗中參考氣相流量由一臺精度為1.0%的橫河渦街流量計計量，測量范圍為19.5~444m³·h^-1（0.2MPa）；液相參考流量由一臺橫河電磁流量計測量，其精度為0.1%，測量范圍為0.0076~0.76m³·h^-1。

    實驗段管道內徑D=50mm，V錐流量計的節流比β=0.75，一次差壓元件V錐的前錐角α=45°，后錐角γ=135°。V錐結構示意圖如圖2所示。

1.2 實驗方法

    本實驗主要是研究液相流量、氣相流量和壓力對測量的影響，實驗安排如下：通過氣路調節閥使得實驗管段的壓力保持穩定，然后穩定氣相流量大小，改變液相流量大小。對每組實驗，實驗段進口壓力設定在0.1～0.25MPa，在每一種壓力條件下又可調節幾種不同的氣流量，在每一個氣相流量下，改變液相流量的大小，從而獲得不同的實驗數據。本研究的濕氣含液量很小，實驗中X_LM大部分在0～0.035之間；每個工況點數據采集時間為40s，并進行平均處理。具體的實驗方案設計見表1。

XLM一般定義為如下的形式

        （1）

    式中：ρg、ρl分別為氣、液相密度，mg、ml分別為氣、液相質量流量。

    ρr為氣液密度比，并且ρr=ρg/ρl。氣體弗魯德數    

    Frg是氣體慣性力與液體重力比值的均方根，如下式所示

        （2）

    式中：g為重力加速度；Usg為表觀氣體速度，且有

        （3）

    測試數據在曼徳漢流型圖上的分布如圖3所示，其中Usl為表觀液體速度。由圖可知，實驗數據流型主要為分層流、波狀分層流和環狀流。

2 實驗結果及分析

    2.1 測量模型

    差壓流量計的兩相流量系數可表示為

        （4）

    式中：mt為氣液兩相總質量流量，mt=mg+ml，ml為液相質量流量；ma為氣液混合物表觀質量流量，可由下式得出

        （5）

    其中，At為差壓流量計的小流通面積，△Ptp為氣液兩相總差壓。

    圖4實驗數據圖

    聯立式（4）和（5）可得

       （6）

    式（6）即為基于兩相流量系數K的濕氣流量測量關聯式，K通過實驗標定來確定。

2.2 實驗數據與分析

    分別考察液相流量、氣相流量和壓力的無量綱參數X_LM、Frg和ρr對K的影響，具體參數取值詳見表1。圖4為在不同壓力和Frg下K隨XLM的變化關系曲線，可知對于某已知節流比的V錐流量計，K受X_LM、壓力及Frg等參數的影響，并且K隨X_LM的增大而增大。圖5為壓力不變時Frg對K的影響。由圖可知：當Frg＜1.0時，K受Frg的影響較小；當Frg＞1.0時，K發生了較大變化。這是由于當Frg＜1.0時，流型處于分層流和波狀分層流見圖3），流動狀態變化較小，因此K受Frg的影響也不大。當Frg在1.5左右時，濕氣流型處于波狀分層流與環狀流的過渡區（見圖3），此時流動非常不穩定，因此圖中Frg=1.5~1.57和圖5b中Frg=1.41~1.51時，與其他幾組實驗數據相比K突然增大，發生了較大變化。

    由圖6可知，當Frg基本不變時，壓力的變化也會對K產生影響。考慮到含液率、壓力和氣相流量3者對K的影響，本文將這3個參數進行無量綱化后，采用多元線性擬合的方法對K進行擬合，其表達式如下

將式（7）代入式（6），即可得到濕氣測量關聯式。

    2.3 測量誤差分析

    相對誤差按下式計算

        （8）

    式中：mp為采用濕氣測量模型獲得的濕氣質量流量；mr為參考質量流量。

    圖7為由濕氣測量模型得到的氣相質量流量與參考質量流量的相對偏差，可知在95%置信水平下，其相對誤差在±5%之內，能夠滿足工業測量精度要求。

圖7 氣相質量流量相對誤差

    3 結論

    本文提出了V錐流量計兩相流量系數K，實驗研究了XLM、管道壓力和Frg對V錐兩相流量系數的影響，結果表明K受XLM的影響較大，并與含液率呈線性關系變化；當壓力波動較小時，K受Frg變化影響較小。此外，在相同的Frg下，壓力對K也有一定的影響。根據K與XLM、Frg及壓力的關系，通過擬合得到了K的關聯式，并據此建立V錐流量計的濕氣測量模型，經過驗證，該模型在95%置信水平下，氣相流量誤差在±5%之內。

    與其他模型相似，本文提出的濕氣流量測量模型，同樣需要在已知液相流量的前提下得到氣相流量，因此可以采用其他的途徑，如串聯一個與之測量特性差異較大的差壓式節流元件，或者與其他的相含率測量設備進行組合測量等方法來實現濕氣氣液兩相流量的分別測量。此外，該濕氣流量測量模型無需事先獲得差壓測量元件的流出系數和氣體可膨脹系數，對于采用V錐這類非標準的差壓元件進行兩相流流量測量是一個有益的探索。本文出自：煤氣流量計   /轉載需注明