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  哈尔滨工程大学学报  2019, Vol. 40 Issue (8): 1530-1536  DOI: 10.11990/jheu.201807015
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引用本文  

方立德, 赵敏慧, 杨英昆, 等. 气液两相流动噪声特性及相含率测量模型[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2019, 40(8), 1530-1536. DOI: 10.11990/jheu.201807015.
FANG Lide, ZHAO Minhui, YANG Yingkun, et al. Noise characteristics and volume fraction measurement model of two-phase gas-liquid flow[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2019, 40(8), 1530-1536. DOI: 10.11990/jheu.201807015.

基金项目

国家自然科学基金项目(61475041)

通信作者

李小亭, E-mail:lxt@hbu.edu.cn

作者简介

方立德, 男, 教授, 博士生导师;
李小亭, 女, 教授

文章历史

收稿日期:2018-07-04
网络出版日期:2018-12-20
气液两相流动噪声特性及相含率测量模型
方立德 1,2,3, 赵敏慧 1,2, 杨英昆 1,2, 李小亭 1,2,3     
1. 河北大学 质量技术监督学院, 河北 保定 071000;
2. 河北省计量仪器与系统工程实验室, 河北 保定 071000;
3. 保定市计量仪器与系统工程技术研究中心, 河北 保定 071000
摘要:为了研究气液两相流噪声信号特性与体积相含率测量,采用多孔网与多孔孔板相结合的方法,设计了一种适合气液两相流动的噪声发生装置,运用CFD仿真优化设计了新型多孔孔板相含率测量装置,通过在管内设置多孔孔板阻流件,快速调整流场至平衡状态,突出噪声信号,以达到准确测量气液两相相含率的目的。利用声发射技术对流动噪声进行了探测,在河北大学气液两相流测试系统上进行了大量的实验测试,并运用现代信息处理方法对流动声发射信号进行了提取及分析,建立了泡状流、弹状流及过渡流型下气液两相流体积相含率测量模型,测量模型拟合体积含液率相对误差绝对值均低于4.8%。
关键词气液两相流    流动噪声    声发射技术    CFD仿真    多孔孔板    小波包分析    能量特征值    体积含气率    
Noise characteristics and volume fraction measurement model of two-phase gas-liquid flow
FANG Lide 1,2,3, ZHAO Minhui 1,2, YANG Yingkun 1,2, LI Xiaoting 1,2,3     
1. College of Quality and Technology Supervising, Hebei University, Baoding 071000, China;
2. Measuring Instruments and Systems Engineering Laboratory of Hebei Province, Baoding 071000, China;
3. The Center of Measuring Instruments and Systems Engineering and Technology of Baoding, Baoding 071000, China
Abstract: A noise-generating device suitable for two-phase gas-liquid flow was designed by combining a porous mesh with a porous plate. The device was used to study the noise signal characteristics of two-phase gas-liquid flow and to measure volume fraction. A novel device for the measurement of the volume fraction of porous hole plates was designed through CFD simulation. The flow field was rapidly adjusted to the equilibrium state, and the noise signal was outburst by installing the porous orifice plate in the tube to enable the accurate measurement of the gas-liquid volume fraction. Flow noise was detected by using acoustic emission technology. Numerous experiments were performed by using the two-phase gas-liquid flow test system of Hebei University, and the flow acoustic emission signal was extracted and analyzed by applying the modern information processing method. The measurement models of the volume fraction of two-phase gas-liquid flow under bubbly, sluggish, and transition flow patterns were established. The absolute value of the relative error of the volume fraction was less than 4.8%.
Keywords: gas-liquid two-phase flow    flow noise    acoustic emission technology    CFD simulation    porous plate    wavelet packet analysis    energy eigenvalue    volume fraction    

能源资源常以多相流形式存在,多相流检测技术是计量科学与管理的重要基础,对安全生产及节能减排具有重要意义[1-3]。气液两相流声学法测量技术具有可测硬场信号、穿透性强、无辐射等优点,在两相流检测中越来越受重视[4-5]。声学法包括主动式和被动式,前者需要外加电源激励发射探头,将穿过流体的超声波信号作为被测对象,接收端进行信号接收。而后者不存在外加声源,仅是材料本身产生噪声信号被传感器接收。被动式声发射技术可检测两相流动产生的直接噪声信号,更能反映出流动本质。声发射技术在气固两相流检测应用中人们做了大量研究工作,并取得了一定的成果。侯琳熙等[6]利用气固流化床颗粒和分布板碰撞,通过不同粒径分布的声发射采集到的振动噪声信号, 建立能量分率和粒径之间的函数关系, 而后徐显骏[7]对设计一种表面阻力的分布板,增大了孔处的气体流速。任聪静等[8]利用这种方法实现了流化状态的识别。有效的声信号采集及处理可提高气固两相流相关参数的测量准确度。小波分析技术广泛应用于两相流参数分析,如陈惜明[9]、黄春燕[10-11]、冀海峰[12-13]、安连锁[14]、Deng[15]等,可对颗粒度分类进行识别、实现颗粒粒径分布测量、多相流流型识别及相含率测量、流化床内颗粒熔融结块过程的演化规律。在气液两相流动检测中,将声发射技术与其他技术相结合,则得到流型情况、各相相含率[16-17]。与此同时,人们对声发射技术的探索研究并未停止。张垚[18]利用欧氏距离模式识别思想完成了对流型准确识别。燕芳等[19]通过EMD和R/S分析,得到了气含率。

本文将多孔网结构与气液两相流研究应用中的差压流量计相结合,设计了一种新型多孔孔板节流装置,该装置可通过多孔孔板结构获得气液两相流动噪声信号,通过差压流量计获取差压信号,可实现气液不分离状况下双参数测量。运用CFD仿真优化设计了多孔孔板相含率测量装置,在河北大学气液两相流测试系统利用声发射技术进行了大量的实验测试,并运用现代信息处理方法对流动声发射信号进行了提取及分析,得到不同流型噪声信号特点,建立了不同流型下相含率测量模型。

1 多孔孔板测量装置的优化设计 1.1 测量装置结构

根据气固流化床声发射检测技术测量思想,将多孔孔板扩声优点应用于气液两相流相含率测量中,优化了平衡流量计中的多孔孔板,设计了一种新型气液两相流体积相含率装置。新型装置由3部分组成,前端和后端均为直管段,管道为不锈钢材质并设计有取压孔,中部是多孔孔板,主要起到节流件作用,固定与在两端直管段的中间,并且优化后的多孔孔板直径大于测量垂直管直径,在多孔孔板外边缘处设计了放置声发射探头的8个凹槽。依据国家标准GB2624-2006规定的孔板取压方式和位置,确定优化的新型检测装置采用法兰取压,也就是将2个取压孔分别确定于距离多孔孔板两侧25.4 mm处。整体装置是用前后端直管段将多孔板固定于中间,然后用螺栓将其组装固定,如图 1所示。

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图 1 新型测量装置剖面图 Fig. 1 Profile of a new type of measuring device
1.2 节流孔数量仿真分析

选择设置管内通径为50 mm,等效直径比为0.46,多孔孔板开孔中心为圆心并且处对称分布。运用CFD仿真模拟软件构建多孔流量测量装置的外形结构,网格划分选用元素为四面体混合体来划分网格[20-21]

根据粘性流体在相对运动着的两平行板之间的层流流动得到,流体最大流速出现在管道内部中轴线处,所以选择以孔板中心为开孔中心,结合实际条件,开孔数目分别为5、7、9、11、13、15、17个,此外节流孔全部均匀地排列于同心圆周上。

在对多孔孔板仿真分析的过程中,在距离节流件25.4 mm处设置横截面,并设置入口边界速度为1 m/s和自然流出的出口边界,不考虑管内壁滑移,做常温单相水仿真分析。获取后端所设置横截面处流场的速度云图,如图 2所示。根据仿真分析效果,得到永久压损与节流孔个数的变化趋势。对于管道输送来说,介质流经节流装置时会造成压力下降,但过后会有所恢复,但不会完全恢复。这(在设定条件下)无法恢复的压力就是永久压损。永久压损如图 3所示。

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图 2 多P孔孔板速度云图 Fig. 2 The velocity cloud of porous plate
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图 3 压损特性曲线 Fig. 3 Pressure loss characteristic curve

图 3可见,在多孔孔板开孔数量小于13时,仿真分析可得流量计的压力损失逐渐减小,但当孔数为11时,压力损失出现反常现象,较开孔数为13时,压力损失大,而后增加开孔的数量,压力损失表现出略微增大的态势,所以当多孔孔板开孔数为13时,效果最佳。装置结构示意图如图 4所示。

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图 4 装置结构示意 Fig. 4 Diagram of device structure
2 优化装置测试

将优化后的多孔孔板测量装置安装于河北大学多相流测试系实验测试平台垂直管段上,采集气液两相流噪声特性,建立两相流体积含率预测模型。该测试平台气路装置由空气压缩机供气,先后通过稳压罐和空气过滤器,最后流入气体质量流量计。水路使用了电磁流量计,管径分为DN32和DN10;油路管内径有DN10、DN20、DN40 3种,流量计为椭圆齿轮流量计;三路装置均安装有压力变送器和温度传感器,可在各路流体流过管段时,测得实验状况下的相应压力和温度,三相流实验系统框图如图 5所示。本次实验选用气路和水路进行气水两相测试实验,将优化的新型孔板装置安装于垂直测量管段处,通过实验管段前端压力变送器和温度传感器测得实验背景压力及温度[22]

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图 5 三相流实验系统 Fig. 5 Block diagram of three-phase flow test system 注:EF:电磁流量计; EV.电动调节阀; MF.质量流量计; RF.罗茨流量计; OGF.椭圆齿轮流量计。

气水两路差压变送器为Ⅴ系列智能差压变送器,准确度为0.075%,24 V直流电源供电,最大量程范围为0~50 kPa,1~5 V的输出电压信号。并将差压变送器按照《JJG640-94》差压流量计检定标准进行性能检测。水路Endress+Hauser电磁流量计精度0.2级,气路ALICAT公司气体质量流量计精度0.1级,采集系统的软件平台主要以LABVIEW为基础实现。选用美国物理声学公司生产的SH-Ⅲ型声发射系统,采集部件是Probe声发射传感器。设置声发射采集频率是500 kHz,5 079 000个数据采样点,将4个探头对称安装于多孔孔板外延伸凹槽内。图 6为试验装置安装示意图,采集4路气水两相流动噪声信号,实现多通道的声发射试验信号采集。

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图 6 试验装置安装示意 Fig. 6 Installation sketch of test device

根据声发射技术检测新型多孔孔板测量装置要求和实验条件,采样频率选用500 kHz,处理后可得到250 kHz内的有效声信号。选择4.2 s的采样时间,利用硬件滤波进行预处理。本次试验共对60个工况点进行测试,液相流量点选取0.6、0.8、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 m3/h,气相流量点0.12、0.24、0.36、0.48、0.6 m3/h。节选工况点见表 1所示(L代表液相流量点、G代表气相流量点),实验测试实验参数范围如图 7所示。试验重复进行3次,得到3组差压信号及流动声信号,其中一组数据用于体积含率模型的建立,另2组用于模型适用性的验证。

表 1 气液两相流实验工况点节选 Table 1 Testing operating point of gas-liquid two-phase flow
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图 7 实验参数范围 Fig. 7 Range of experimental parameters
3 基于流动噪声的相含率测量模型建立 3.1 相含率测量理论

采集测试过程中的气水两路的流量值、温度、压力和管段处的背景压力、背景温度等参数数据,依据得到气液两相流的实际体积含气率。

(1)

式中:QlQg分别为水相、气相体积流量;PgPb分别为气路、背景压力;TgTb分别为气路、背景温度。

3.2 预测相含率模型分析

声发射采集装置进行噪声信号采集过程,利用小波包分解提取特征能量,对采集的两相流噪声信号分析可得不同工况点下,频带30~60 kHz时提取的能量特征值较明显,所以选择db4小波函数,进行4层小波包分解,产生16个节点同时将250 kHz频率等分为16段,各段频率宽度为15.625 kHz,16个节点(S400~S415)对应的频段区间中,节点S402与S403包含30 kHz~60 kHz的频段内[23-25],对此频率段的能量特征值加以分析,声发射采集4组声信号,提取满足要去2节点处的能量值,求得平均值。并将测试测得的相关参数计算值作为真实值。找到不同实验点的声信号对应频率段的能量值与实际体积含气率的关系。体积含气率和特定频段能量特征值的拟合曲线见图 8

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图 8 能量特征值与体积含气率拟合曲线 Fig. 8 Fitting curve of energy characteristic value and gas volume fraction

图 8能量特征值与体积含率线性关系可见,体积含气率在0.1前后特征频率段的能量值与体积含气率的变化有明显区别,也就是体积含液率0.9为分界,能量值与体积含气率或是体积含液率的对应关系存在差异。根据实验测试平台的工况点,测试实验流型主要以体积含液率为0.9为界限的弹状流及过渡流型和泡状流2种流型,即体积含液率小于0.9时,为弹状流及过渡流型,大于0.9时为泡状流。所以,能量特征值与不同流型的函数关系也不同。

在体积含液率不大于0.9时,将第1组数据进行模型匹配构建体积含液率和能量值两者进行函数,建立模型为:

$ y=k_{1}-k_{2} \ln (x+n) $ (2)

其吻合度为0.995 7,各系数为:

$ k_{1}=-2.87159 ; k_{2}=-0.44214 n=663.0423 $

将各系数值代入以上模型,得到拟合公式:

$ y=-2.87159+0.44214 \ln (x+663.0423) $ (3)

根据体积含气率的计算公式,可得实际体积含液率βl计算公式为:

$ \beta_{l}-1-\beta_{g} $ (4)

通过以上建立的流型体积含液率测量模型分析拟合值与实际值相对误差分布,如图 9所示。

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图 9 弹状流及过渡流型体积含液率相对误差分布 Fig. 9 Relative error distribution of volume liquid content in slug flow and transition flow patterns

由体积含液率相对误差分布情况,可以看到相对误差基本平均分布于零误差线上下两侧,且拟合值相对误差绝对值低于4.8%。

对体积含液率大于0.9即泡状流流型,分析第1组实验数据建立体积含液率与能量特征值两者函数关系,软件拟合建立的基本模型为:

$ y=a-b \cdot \exp (-m x) $ (5)

此模型拟合度达到为0.992 3,模型中各系数为:

$ a=0.0989, b=0.08393, m=0.03789 $

将各系数值代入式(5),得到测量公式:

$ y=0.0989-0.08393 \cdot \exp (-0.03789 x) $ (6)

通过以上建立的泡状流体积含液率测量模型分析拟合值与实际值相对误差分布情况,如图 10

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图 10 泡状流体积含液率相对误差分布 Fig. 10 Relative error distribution of volume liquid content in bubbly flow pattern

由体积含液率相对误差分布情况,可以看到相对误差基本平均分布于零误差线上下两侧,其最大相对误差为-1.8%。

将后两组测试实验数据作为模型验证依据带入预测模型中,得到体积含液率相对误差的分布,如图 1112所示。

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图 11 第2组试验不同流型体积含液率测量误差分布 Fig. 11 Measurement error distribution of liquid volume fraction of different flow patterns in the second group of experiments
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图 12 第3组试验不同流型体积含液率测量误差分布 Fig. 12 Measurement error distribution of liquid content in different flow patterns in the third group

将预测模型用于另2组实验数据,弹状流及过渡流型下后两组体积含液率相对误差绝对值限分别为4.7%和4.0%;泡状流流型条件下,其拟合结果比弹状流及过渡流型效果理想,对比较弹状流及过渡流型相对误差限低2%,即后两组测试数据拟合泡状流体积含液率相对误差绝对值限分别为2.0%和2.3%。第2、3组测试实验数据验证的预测模型,其拟合误差均在合理区间,验证试验说明基于新型装置测量建立的气液两相流体积含率测量模型效果可观。

4 结论

1) 所设计的新型多孔孔板气液两相流测量装置,在噪声提取方面表现突出,安装在垂直管道完成了对气液两相流动中常见的泡状流、弹状流及中间过渡流型共60个工况点动态试验,并成功建立了气液两相流不同流型下相含率测量模型。

2) 拟合体积含液率相对误差均在允许范围内,弹状流及过渡流型、泡状流不同流型的体积含率测量模型相对误差绝对值限均低于4.8%,取得了较好的测量效果。基于多孔孔板声发射检测技术在多相流领域中的应用价值。

测量装置及模型适用于泡状流、弹状流及过渡状流型的气液两相相含率测量,对其他流型相含率的检测还有待进一步研究。

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